150升即热式二氧化碳热泵热水器——毕业论文

150升即热式二氧化碳热泵热水器郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 150升即热式二氧化碳热泵热水器 学生姓名 专业班级 热能与动力工程 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 目 录中文摘要I英文摘要II1 概述11.1绪论11.1.1引言11.2热水器制热原理 41.2.1卡诺循环基本原理41.2.2 二氧化碳跨临界循环原理51.3方案论证 61.3.1 压缩机61.3.2 冷凝器的选择101.3.3 蒸发器的选择121.3.4 制冷剂的选择131.3.5 节流机构的选择131.4 经济性分析 181.4.1 直热式热泵热水器与循环式热泵热水器对比分析191.4.2 二氧化碳跨临界循环分析211.4 小结 182 系统的设计计算242.1制热量及功率的计算242.1.1制热参数的计算242.1制热量及功率的计算242.1.1制热参数的计算242.2压缩机的选择及热力的计算242.2.1压缩机热功率计算242.2.2取最优高压值242.2.3压缩机的选择和确定262.2.4对所选的压缩机系统进行实际热力计算272.2.5实际的热水产量及时间计算282.3冷凝器设计计算282.3.1冷凝器的热平衡计算282.3.2冷凝器类型选择282.4蒸发器的设计计算312.4.1蒸发器的类型选择312.4.2选定蒸发器的结构参数312.4.3计算几何系数312.4.4计算空气侧干表面的传热系数333零部件的选择计算393.1管道的选择393.1.1压缩机-气体冷却器间的高压气体管道393.1.2气体冷却器-蒸发器间的气体管道393.1.3压缩机吸气管道393.2节流机构的选择393.3压力控制器的选择393.4视液镜443.5蒸发器风机的选择453.6风扇扇叶的选择463.7干燥过滤器选型473.8单向阀选型493.9储液器选择50结束语52致谢53参考文献54150L即热式二氧化碳热泵热水器摘要自从人类进入蒸汽时代以来，人类进步飞速，但随之而来的环境污染问题也越来越严重。环境的污染和能源的浪费已经成为现今不可忽略的问题。而本次研究的以二氧化碳为工质的热泵对环境没有危害，不会有如氟利昂等破坏臭氧层的问题，同时有无毒，不产生温室效应等优点。利用二氧化碳跨临界循环能够制取高于常见热泵所能制取的高温热水，使其相比较其他工质来说有无可比拟的优势。本文将简要介绍二氧化碳热泵的应用，并设计一款150L即热式二氧化碳热泵热水器。其主要部件及其控制部件的设计选择如下：气体冷却器采用的是套管盘管式换热器。同时为减小其结构和尺寸，用紫铜管轧制的低翅片管作内管；蒸发器采用的是风冷式翅片管式换热器，管子采用紫铜管，翅片采用铝翅片。系统的压缩机采用的是BOCK公司的CO2半封闭活塞式压缩机；节流机构选用谷轮公司的热力膨胀阀。关键词 热泵热水器/二氧化碳/跨临界循环150L CO2 heat pump instant water heaterABSTRACTThe technology of human become better and better from the time of heat machine being invented. Along with the signing of Montreal Protocol, carbon dioxide has been paid much attention again due to its no toxic, no influence to ozonosphere, GWP=1 and attractive thermodynamic characteristics. Under its trans-critical cycle, there appears high temperature at compressor exit and a large temperature glide at the gas cooler, which makes CO2 have a wide application in the water heater. In this paper, the trans-critical cycle characteristics of heat pump system is introduced, the virtue and shortcoming of CO2heat pump water heater is discussed, the overview of its research and its application on heat pump water heater is presentation and the suggestion of improving the carbon dioxide heat pump water heater efficiency was put forward.According to the carbon dioxide cycle characteristic, a 150L the CO2 heat pump instant water heater is designed, major components and the control mode as follows:Serpentined thimble is designed as the gas cooler. And in order to reduce its structure size, the inner copper tube is made up with low fins;Evaporator uses the forced-air cooling type fin-and-tube heat exchanger, the pipe is copper tube, the fin is aluminum fin;CO2 half seal reciprocating compressor made in BOCK Corporation is used in this system;We uses the Cooplands thermal expansion valve as the throttle mechanism of this system.KEYWORDS heat pump water heater,co2, transcritical cycle581 概述1.1 绪论1.1.1 引言 人类原本为自然界中的一员，人们在渐渐的改造着自然，同时也依赖着自然。但是随着人类文明的进步和人口的迅速膨胀，人类改变自然的能力也越来越强。人类乐此不疲，直到我们渐渐发现我们改造的环境越来越不适合我们的生存。而现在，人类对环境改造的限度和对资源的过度开发已经接近自然界的极限。这时，可持续发展的问题变得愈加重要。目前的环境问题很多，如温室效应，臭氧层空洞等 Lorentzen G., J.Pettersen. A new efficient and environmentally benign system for car air conditioningJ. Int. J. Refrig1993. 16(1):4-12.。而其中温室效应主要原因是大量二氧化碳的排放。现今我们主要利用的能源是石化能源，如煤炭，石油，天然气等，这些也正是二氧化碳的主要来源。因此，节约能源成为解决这些问题的主要途径。另一方面，氟利昂的排放是臭氧层空洞的主要原因。所以，尽量减少氟利昂的应用是减轻该问题的主要途径。 Naksa Petter. CO2 Heat pump systems. IntJ. Refrig. 2002(25):421-427.1987年9月16日，为了避免工业产品中的氟氯碳化合物继续破坏臭氧层，联合国邀请26个会员国签署了蒙特利尔公约。其中对部分氟氯碳化合物等的生产做了严格的规定，并要求各国共同为保护臭氧层而努力。可见，制冷业广泛使用的CFCs、HCFCs工质是破坏臭氧层的主要物质。同时这些工质也是温室气体，已经被列入淘汰名单之中。而二氧化碳是热泵系统中最有潜力的天然工质之一。在二氧化碳跨临界系统中，在气体冷却器端的出口温度移动可与变温热源很好的匹配。同时，它在热水器方面的应用有着突出的优势。二氧化碳作为较早的制冷剂，在19世纪末开始便得到了广泛的应用。但随着CFCs的出现，二氧化碳便渐渐淡出制冷剂领域，其主要原因为当时主要采用的是亚临界循环，而二氧化碳在这种循环中功耗很大，经济性受到严重影响。当制冷剂在环保方面的问题日趋突出，跨临界循环的提出，二氧化碳重新进入人们的视野之中。1993年，挪威SINTEF能源研究所的研究人员率先对二氧化碳跨临界循环在热泵中的应用进行了理论和实验上的研究。他们的研究表明，二氧化碳跨临界循环具有很高的供热系数，同时系统的结构紧凑，产水温度高，在民用和工业两方面都有着非常大的发展潜力 Saikawa M,Hashimoto kobayakawa Tetal.Development of prototype of CO2heat pump water heater for residential useJ. In 4th IIR Gustav Lorentzen conference on natural working fluids , Purdue University,USA. 2000. 5158.。早在1995年，日本多家公司就开始合作，共同研究二氧化碳热泵系统，同时也开发出了相关的热水器。通过相关计算和理论分析，得出的COP可以大到3，从而实现了相关热水器的商业化。二氧化碳作为制冷剂，具有以下特点 Saikawa M,Hashimoto kobayakawa Tetal. Experimental results and evaluation of residential CO2 heat pump water heaterJ.In:4th IIR Gustav Lorentzen conference on natural working fluids, Purdue University,USA. 2000. 6774.：二氧化碳不消耗臭氧层，即ODP=0，全球变暖潜能值GWP=1，远小于常见的CFCs、HCFCs，符合相关环保规定；单位容积制冷量大，结构紧凑；绝热指数大，所以压缩机排气温度较高，同时也负荷制取热水温度需要；临界温度低，因此其一般在跨临界状态下运行。此外，二氧化碳还有无毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流状态使其传热性能高等优点。二氧化碳的主要热物理性质如下表1-1表1-1 二氧化碳的热物理性质乔丽，二氧化碳跨临界循环在热泵热水机组的应用研究硕士论文.西安建筑科技大学，2006：14-32.饱和状态参数压力Mpa液体密度 kg/m3蒸气密度 kg/m3液体比热kJ/(kg.K)蒸气比热kJ/(kg.K)液体粘度 Pa.S蒸气粘度 Pa.S液体导热系数W/(m(Pa.S)蒸气导热系数W/(m(Pa.S)03.94928.197.72.541.87104.514.80.11130.0208104.5861.5135.13.002.5686.416.00.09930.0255二氧化碳的临界温度只有31.1，其热泵循环打的流程采用的是跨临界循环。此循环类型不但可以避免受到环境温度的影响，而且可以其其他的作为制冷工质的其他优点。吸热过程在亚临界条件下进行，而潜热是换热的主要依靠方式；在大约临界点区域，是冷凝过程进行的主要区域，依靠显热完成的放热过程是一个含有很大温度滑移的温变过程。而这恰好与加热时水的温升相配合，因而可减少位于高压侧的能量损失。因此，这种特殊的洛伦兹循环，特别适合用于设计家用热水器，可有效得到很高的热泵效率。而在二氧化碳跨临界循环中，两相区域并不存在于超临界压力区内，压力和温度彼此没有关联，所以高压压力对制冷剂的焓值也有一定影响，其变化也将导致制冷量、压缩机功耗和COP值产生改变。因此可以方便的实现满足需要的多种控制方式。同时由实验研究分析得出，二氧化碳跨临界循环的高压侧有一个最优的运行控制压力，同时在最优压力下，循环性能系数可达到最大。其主要有以下特点：二氧化碳ODP=0， GWP=1，远小于常见的CFCs、HCFCs，符合相关环保规定；单位容积制冷量大，结构紧凑；绝热指数大，所以压缩机排气温度较高，同时也负荷制取热水温度需要；临界温度低，因此其一般在跨临界状态下运行。此外，二氧化碳还有无毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流状态使其传热性能高等优点。在热力性能上，二氧化碳作为工质来说也具有一些缺陷。但是，根据热力学第二定律，工作介质的热力性质并不影响理论性能系数，因此COP也并不是工质的内在属性。从环保和节能两个角度来说，只要系统设计的合理，二氧化碳热泵热水器的COP已经可以轻松超越其他传统工质的系统。同时将之与水箱结合这也是未来的发展趋势之一。因为水箱储水可以有效的利用夜间的廉价的电力，从而提高系统的经济性，实现“削峰填谷”。但由于二氧化碳需要穿越其临界点，所以目前二氧化碳热泵热水器普及的主要阻力在于降低成本和提高运行效率。因此在今后的设计中还有许多待改进的技术难点：目前，R22、R134a、R407c等是热泵领域用作制冷剂的主要物质。但是当冷凝温度为55时，上述制冷剂的冷凝压力分别为2.1753MPa、1.4917MPa、2.2153MPa。而二氧化碳热泵热水器压力可以达到910MPa，其吸气压力和排气压力的差值很大。而由于其基本都在高压下运行，所以设计计算中必须考虑系统所能承受的最高压力，以及压缩机，润滑油等的耐压性质。在小管径、高质量流量等情况下的二氧化碳流动时，提高传热效率的相关研究。比如通过改变管排形式，设计开发高效的跨临界循环热交换器等。由于冷凝的出口处的压力与蒸发处的压力差值大，所以降低膨胀部分的相关的损失，是有效的解决效率问题的途径。利用膨胀机的输出来带动压缩机完成压缩，设计一个很高效率的膨胀过程，使其成为一个重要的关键步骤，需要突破的部分。对先进的电子控制和感应技术的研究，从而使其可以应对不同的环境，进行压力与冷房和暖房的最佳匹配的控制。合理有效的利用低品位的能源和可再生能源，并研究热水的供应途径，以及其他供热方式的耦合问题。其他的问题，比如如何控制高压系统的动能特性，如何减小高压负荷时系统运转所产生的不可避免的相关振动噪音，都是研究二氧化碳压缩机所必须面对的重要技术课题。总之，随着科技的进步，我们可以相信在不久的将来，二氧化碳热泵热水器会成为热水器市场上不可忽视的一部分。1.2 热水器制热原理1.2.1 卡诺循环基本原理图1-1 热泵热水器的工作原理在系统运行时，传热工质二氧化碳在蒸发器中吸收来自环境中的热量。之后蒸汽状态的二氧化碳在压缩机中被压缩，使其压力和温度都得到升高。之后压缩机中出来的高温蒸汽在冷凝器中冷凝成液体，同时释放出了大量的热量，被储水罐中的水所吸收。之后的二氧化碳先经过膨胀阀，随后返回到蒸发器，完成一次循环。在超临界的压力下，比热大、动力粘度小、导热系数高都是二氧化碳的显著特点，使其更有利于流动和传热。但是在实际的系统中，在蒸发器中不可避免的会有压力损失，这将导致系统平均正大温度的降低，从而导致系统的COP的降低。膨胀机构可以使低温低压的制冷剂截留降压，从而进入空气交换机中进行蒸发，同时吸取来自空气中的大量的Q1；从蒸发器出来的气态的制冷剂进入压缩机压缩，之后升温升压（此时制冷剂的热量主要由两部分组成：空气中的热量Q1和压缩机运转产生的热量Q2）。压缩机出来的高温高压的制冷剂随后进入热交换器，将吸收的热量通过换热传入冷水中，冷水在被加热到65后由出水口流出。同时放热后的制冷剂变为气态，慢慢流入到膨胀机构中，截留降压，之后进入蒸发器中完成一次循环。1.2.2 二氧化碳跨临界循环原理图1-2 二氧化碳循环系统图和T-S图压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器共同组成二氧化碳跨临界循环系统，其循环图如上图1-1所示。而该循环原理与常见的蒸汽压缩式的制冷循环有所不同，其T-S图如下图1-2所示：如图，2-1为该循环的压缩过程，这时压缩机的吸气压力会低于临界压力，二氧化碳在压缩机中被压缩，压力将升至超临界压力；1-3为冷却过程，二氧化碳的显热是完成换热过程的关键，制冷剂在这个冷却过程中出于超临界状态，无饱和状态。全过程二氧化碳始终处于气态，同时温度不断改变，有较大的温度滑移。因此高压端的换热器不能称为冷凝器，而改称为气体冷却器。在气体冷却器中，二氧化碳与冷却的介质发生逆流换热，这种换热方式可近似成为洛伦兹循环，不可逆的损失较小，压缩机功耗也较小。在冷却过程中，工质的各种状态都与亚临界下的状态不同，超临界状态下的二氧化碳被冷却介质在气体冷却器中冷却，减焓降温，释放热量；3-4为节流过程，二氧化碳经过节流阀的节流减压，从超临界状态下的压力降低到临界压力以下的蒸发压力；4-2为蒸发过程，该过程则与常见的蒸汽压缩式循环类似，二氧化碳的蒸发潜热在亚临界状态下便可以完成汽化吸热。1.3方案论证从合理使用能源的角度来入手，使用燃气、电力、燃油等等高品位的能源来加热获得热水是既不合理的，并且由于在能源转换的过程中，会存在热损失，使得上述制热时的制热系数仅在0.5-0.7之间。另外，燃油燃气锅炉还存在各种环境污染，漏油漏气等诸多安全隐患，并且有运行的费用较高，但效率低，易结污垢，需要专人维护等缺点。但是热泵因为遵循的是逆卡诺循环工作原理，以从冷凝器中放出的热量来供热，所以通过消耗少量的高品位的能量，将低品位的热量从低温热源运送到高温热源之中，从而节约了部分高品位的能源。而输出的热量之中包含了一部分来自高品位产出的部分热量和从低温热源中吸收到的热量这两部分。而从热力学角度来说，热泵就是制冷机中的一种。热泵并不是热能的转换设备，而是热量的搬运设备。在20世纪初期，科学家便提出了热泵这个概念，为人类利用低温热源指明了方向。到目前为止，热泵技术早已在世界各地有了多方面的应用，为改善人类的生存环境，节约高品位的能源贡献了不可或缺的贡献。二氧化碳热泵热水器是一种用于将能量转运到冷水中的热泵，它通过吸收环境中的能量，通过整个系统，将吸收到的能量转运给换热器中的冷水中产出热水，用于洗浴等日常需要。由于二氧化碳对环境没有危害，同时传热和节能优良，所以今年来二氧化碳热泵热水器发展迅速，尤其在日本国内。二氧化碳热泵热水器在节能和环保两方面都有着极强的优势。传统的热泵热水器所能制取的最高温度为55，而对于亚临界循环，如果还想要更高的热水温度，那么冷凝温度就会趋近它的临界温度，从而导致制冷系数的下降。而二氧化碳热泵热水器则不会存在该问题，因为在该系统中的气体冷却器中有着很大的温度滑移，从而可以实现和热媒之间有着良好的温度匹配，同时又有较小的换热温差，提高换热效率，并能获得90的高温热水，这是常规热泵所做不到的。同时该机组即使在冬季室外温度很低的情况下也能正常运行。1.3.1 压缩机1.3.1.1 压缩机的比较1.3 .1.1.1 往复式制冷压缩机往复式压缩机是到目前为止应用最为广泛的一种压缩机，其出现在中小型制冷装置中。但由于往复式压缩机在容积效率、可靠性、压力稳定等发面的性能均不如其他形式的压缩机，所以在不久的将来，往复式压缩机的市场份额必将逐渐缩小。目前，大部分往复式的性能系数约为：22.5w/w（制冷）、2.93.4w/w（空调）。1.3 .1.1.2 转子式制冷压缩机 转子式压缩机现今逐渐成为家用冰箱和空调中的常见部件。从结构上来看，因为其不需要吸气阀，所以可靠性得以提高。同样的原因也有利于它的变速运行，比如在家用空调领域，其变速比可达10/1（从1015HZ到 100150HZ），同时机器内部零件少，尺寸结构紧凑，同时重量又控制的很好。但是单缸在转速很低时不均匀度会变大，所以人们又开发出了双缸压缩机来客服该缺点。转子式的主要研究方向为降低功耗，采用新的替代工质（如HFC134a），采用新型的润滑油，变速控制电动机和减小噪音等方面，其性能系数一般为2.9w/w（制冷）和 3.4w/w（制热）。目前，小型封闭式是常见滚动转子式压缩机的主要类型，一般分为卧式和立式两种，卧式多用于冰箱中，而立式多用于空调器中。1.3 .1.1.3涡旋式压缩机 涡旋式是近期开发的最新型的空气压缩机，它的显著特点有结构新颖、体积小、重量轻、寿命长、操作简便、维护费用少等。它也被业内誉为“无需维修空气压缩机”，是50HP以下压缩机的最佳选择。涡旋式压缩机由两个类似双函数方程型线的动、静涡盘相互共同啮合组成。在吸气、压缩和排气三个工作过程中，静盘始终固定在机架上保持静止，而动盘通过偏心轴带动并通过防自转机构制约，从而使其始终围着偏心轴旋转，气体在两个涡盘间的许多月牙形压缩腔内被压缩，然后通过静盘中心的轴向孔排出。70年代后, 经美、日等国的研究确保涡旋式压缩机走上正途，可以实用化，很多跨国公司比如开利等都会生产这种压缩机，他们主要特点就是：没有吸气阀、排气阀，压力损失减少，压缩室压差小，无余系容积，容积效率高，可靠性高，功耗小。涡旋式运动能够减少力矩的变化形成压缩腔从而降级噪音，震动减少。其结构简单，这就使得零部件损坏的量少，体积小。对液击不是很敏感。另外它的转速很高，便于实现变频控制从而调节制冷量。采用一种背压可自动调节的可控推力机构。这样的话可以保持纵向蜜蜂，减少机械损伤，防止偶尔出现的高压，确保压缩机安全。还有将气体注入循环，提高运行效率和节能，减少压缩机开机频率和停机频率，控制室温变化，可以实现舒适的空调。最后就其加工工艺来说，制造精度高，加工精密，成本较高，总体来说，其综合性能稍逊滚动转子式，特别适合于低噪声的要求，目前多用在大功率的高档次空调器上，是产品中的佼佼者。目前涡旋式压缩机的发展趋势主要在： 进一步改进涡旋盘加工制造工艺, 降低成本； 提高加工和装配精度, 合理考虑实际运行中密封间隙，降低泄漏损失, 进一步提高效率； 研究变转速下涡旋式压缩机性能, 提高工作转速； 研究开发自转型涡旋式压缩机等。1.3 .1.1.4 螺杆式压缩机螺杆式压缩机是主要靠转子的相互啮合，它们是带有螺旋齿槽的，形成有齿形的基元容积的变化。螺杆式空气压缩机的工业生产始于1950 年，由于结构简单、易损件少、外形比较紧密、质量依然很轻、排气温度低、气体中可以带有尘等优点,在国内外得到了飞速的发展。在操作上, 螺杆压缩机是压缩机中最简单的类型之一。在成本上，螺杆式压缩机和往复的、重型水冷却式压缩机相比, 每单位马力的原始投资要低30 %。综上所述可知：就压缩机的性能来讲，涡旋式最好，滚动转子式次之，往复式最差；就成本价格而言，相同制冷能力的压缩机，涡旋式最高，往复式最低，滚动转子式介于其中；不同的压缩机其安全运行工况范围是不同的，通常活塞压缩机能够更好地适应高的压差和低的环境温度。1.3 .1.1.5离心式压缩机离心式压缩机的基本构造与原理如下：其工作原理与离心式鼓风机有着许多的相似点。但有一个根本的区别的工作原理和活塞的压缩机，它不使用气缸容积被减小，以提高蒸汽压力，但对能量的变化，用以改善蒸汽的压力。离心式的工作轮带有叶片，当车轮旋转时，叶片是由驱动蒸汽身体运动或使气体的动能，然后将一部分动能转化为压力能，提高蒸汽压力。该压缩机由于其的工作，以制冷剂蒸汽吸入，和连续地沿半径方向被抛出出来，压缩机，使得这种类型的离心式压缩机。根据工作压缩机的安装数量，可以将之分为单级和多级型。如果只有一个车轮，所谓的单级离心式压缩机，如果由几个工作轮系，称为多级离心式压缩机。在空调，该压力更小，所以一般使用单级离心式压缩机，在其它大部分是多级。单一的构建级离心压缩机主要由一个轮，扩压器和蜗壳其中，当所述压缩机的制冷剂从蒸汽蒸汽出口轴向进蒸汽腔室，并在卧引导蒸汽室由导向槽蒸发器（或中间冷却器泥）的制冷剂码蒸汽，以均匀地进入了的高速旋转工作轮（也被称为叶轮轮，它是一种重要的成分的离心压缩机，由于只通过工作轮可将能量转移到气体）。在气相下刀片，随后的工作旋转速度旋转，而由于离心力的作用，作为该扩压器中的流动叶片槽，从而使压力和流速的气体得到改善。的蒸汽轮出再次进入截面积逐渐扩大的扩压器（因为气体从流轮具有较高的速度，扩散器具有动能的能量部分地为压力能，从而提高了气体压力）。气体流经扩散速度减小，而压力则进一步提高。该扩散器后蒸汽汇集到蜗壳，该出口导向至中间冷却器或冷凝器。离心式压缩机的特性：离心式压缩机及活塞式制冷压缩机相比较，具有以下的优点：单个的冷却容量，冷却能力在同一时间它具有尺寸小的优点，占地面积小的区域，轻重量比活塞型5 8倍，因为它没有汽阀活塞环。组件，并没有一个曲柄连杆机构，因此工作可靠，运转平稳，噪音低，操作简单，维护成本低，无的之间的摩擦轮与该壳，无需润滑。的制冷剂蒸汽和油不接触，从而提高了传热性能的蒸发器和冷凝器; 可以方便地调节范围经济冷却能力和调控较大; 上的制冷剂的适应性，一结构一离心压缩机能适应制冷剂，离心式压缩机在高容量范围（超过1500千瓦）仍然占主导地位，这主要得益于该冷量范围内，它有无可比拟的整体系统效率。移动部分离心式压缩机的一些和简单，并且制造精度比螺杆式压缩机低许多，这些具有相对较低的制造成本和可靠性。此外，一个大的离心式压缩机中所使用的工作压力的变化如的狭窄的范围的场合，可避免的问题所造成的激增，在不久的将来，整体和部分负荷（集成部分矿脉值）会越来越多的关注，这就需要离心式压缩机保密工作的工作效率宽高。然而，相对来说，在发展的离心压缩机的具有最近缓慢，因为螺杆式压缩机及冷冻机的挑战，离心式压缩机开始根据需求CFCS 替代进行重新设计自1993年以来，为了使在热和空气动力性能改善。所以制冷剂已经有很多的离心压缩机更换转向由HCFC - 22替代品HFC - 134 ，其制冷量范围为901250千瓦。由以上的对压缩机的介绍可知：从性能方面来说，涡旋式最好，往复式最差；从价格来说，往复式最差，涡旋式最好；但考虑到实际情况和技术成熟度等问题，本次设计采用的是活塞式压缩机。1.3.2 冷凝器的选择冷凝器是空调装备中的主要部件之一，它是一种换热设备，其主要功能就是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽冷却成液态，此过程放出的热量被冷却介质吸收，然后随之排放到周围环境中，过热蒸汽在冷凝器中放热而变成液体时，过程一般如下：制冷剂蒸汽先是会在冷凝器中被过热蒸汽冷却为干饱和蒸汽，放出大量的热量，由于干饱和蒸汽遇冷要冷凝为饱和液体，放出大量的热量，如果饱和液体继续得到冷却，就成为过冷液体，通常按照冷却方式不同，冷凝器可分为空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器、蒸发式冷凝器三大类。1.3.2.1 冷凝器的种类及特点空气冷却式冷凝器：空气冷却式冷凝器用于电冰箱、窗式空调器、冷藏柜、汽车及铁路车厢用空调装置等运输式制冷装置，冷却介质为空气，多应用与干旱地区。空气冷却式冷凝器根据空气的流动情况还可分为自然对流冷却和强制对流冷却两种。前者主要用于小型的家用冰箱的冷凝器，强制对流冷却主要用于中小型氟利昂机组。自然对流空气冷却式冷凝器带走热量的主要方式是凭借空气受热产生自然对流的方式。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空气冷却式冷凝器。由于自燃对流作用，省去了安装风机过程，节省资源，减少风机的电能消耗，完全避免风机运转时候的噪音、但是这种冷凝器也有其致命的缺点就是传热系数低。再来说强制对流空气冷却式冷凝器，其一般用套片管式，选择合适数量组的蛇形管组成，空气在轴流风机的作用下被压力作用流进翅片管强制通风，一般强制通风用的风机是轴流式的。这种冷凝器的传热系数也比较小，一般约为2335 W/(mK) 。它必须使用风机，要消耗一定的电能。水冷式冷凝器水冷式冷凝器是用水作为冷却介质对排气进行冷凝，冷却水来源广阔比如江水、湖水、河水、等等由于水温低，所以很多用水冷式冷凝器可以得到更低的冷凝温度和压力，这样的话就对提高制冷装置的制冷能力有很大的提高，同时提高了其运行的经济性。目前常用的水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式、套管式三种。（1）立式壳管式冷凝器应用范围主要是大中型制冷系统。立式壳管式冷凝器占地面积小，可以漏天安装，便于清洁，对水质也无要求，传热效果很好。其缺点为：冷却水用量大，耗水量多，流速较高，且比较笨重。（2）卧式壳管式冷凝器主要用在氨制冷和氟利昂制冷等大中型制冷装备中，卧式壳管式冷凝器传热系数高、占用空间面积小、结构紧密、有利于机组化，并且冷却水可以重复利用。耗水量相对立式壳管式冷凝器少；操作方便，运行可靠。缺点是：需水量很大，对缺水地区有限制性，冷却水流动阻力大，（3）套管式冷凝器由数根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管子可以是一根，也可以是数根。套管式冷凝器适用范围有一定的限度，多应用于制冷量在50KW左右的小型制冷装置中且多为氟利昂型，制冷剂蒸汽从上进从下出去，冷却水从上部进入内管，吸热流出，制冷剂和冷却水间多为逆流换热。在套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气的冷却，其传热效果好，但是不排除金属的消耗量大，套管式冷凝器结构简单，传热效果好，缺点已很明显机冷却水的流动阻力大，对水质要求较高。蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。蒸发式冷凝器的耗水量较少，空气流量也不大。蒸发式冷凝器具有以下一些优点。（1）节水,多数水冷式冷凝器可以带走大量的热量，主要由于水的状态不同吸收热量不同，这是由于水的比热容不同，蒸发式冷凝器是利用水的蒸发散发出来的潜热带走制冷剂热量，因此蒸发式冷凝器理论上来说耗水量更少，但是考虑到飞溅损失等因素，实际耗水量一般。（2）节电，蒸发式冷凝器的制冷系统冷凝温度比用风冷式或水冷式冷凝器低。因此采用蒸发式冷凝器就会使冷凝器的总功耗显著减低，压缩机的输入功率也将减少。（3）结构紧凑，蒸发式冷凝器自身的原因就有冷却塔的作用，因此不需配备冷却塔，因此完全可以不装备冷却塔就行，这样的话，整个装置结构就很紧凑。（4）不污染环境，不少化工厂以往采用壳管式冷凝器，夏季时候由于冷凝压力太高，采用放空降压的办法，但是效果不很理想，因为每次仅能放出部分蒸汽，而且期间还含有大量的氨气，损失严重还容易污染环境，但采用蒸发式冷凝器后不存在这种现象。综上所述，由于装置具有多种优势：构造简单，温度低，安排紧凑，传热系数小，制作方便等等并且套片管式强制空气对流冷却时冷凝器结构简单，容易制作，传热特性好等优点，故选用套管式冷凝器。1.3.3 蒸发器的选择蒸发器概述：蒸发器是制冷系统中一个主要的换热部件，其作用主要是把制冷剂蒸发，此过程在蒸发器内进行，制冷剂被节流后蒸发，这部分制冷剂处于蒸汽状态。湿蒸汽进入蒸发器时期蒸发的含量只占10%左右，其余都是液体。随着蒸汽在蒸发器内的流动与吸热，液体逐渐蒸发为蒸汽，蒸汽越来越多，当流至接近蒸发器出口处时，一般已成为干蒸汽，到蒸发器末段，继续吸热，成为过热蒸汽。蒸发器按其冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器。根据供液方式的不同，有满液式、干式、循环式、和喷淋式等。1.3.3.1干式氟利昂蒸发器干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。蒸发器传热管外侧的被冷却介质是载冷剂或空气,制冷剂则在管内吸热蒸发,蒸发器流量约为传热管内容积的百分之二十到三十.增加制冷剂的质量流量,通过增加制冷剂的接触面积或者在馆内部的湿润面积，在进口和出口的压差应控制随流动阻力增大而增加，以便于降低制冷系数，干式蒸发器长分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两个大类，这里是按照冷却介质的不同而分类。而冷却空气的干式蒸发器又可分为冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器. 自由运动型一般被制成光管蛇形管管组，通常称作冷却排管，一般用于冷藏库和低温的实验装置中。强制对流型则是在自由型的管外设置肋片以提高传热系数。其应用范围广，可以用于低温实验环境场合也可以用于冷藏库等等。而干式蒸发器应用更加广泛，如果采用干式蒸发器则完全不采用回油设计，简洁化，但是其缺点突出：系统效率有所降低。1.3.3.2满液式蒸发器满液式蒸发器按其借个分为壳管式、直管式、螺旋管式等几种结构形式。他们都是在蒸发器中充满制冷剂，这些制冷剂呈现液态，运行时候，需要吸收热量，蒸发后的制冷剂蒸汽源源不断哋从液体中分离除去，他的好处就是制冷剂与传热面接触面广阔，具有很大的接触面积。但不足之处是制冷剂充注量大，液柱静压会给蒸发温度造成不良影响。当由于偶然因素导致停机或者盐水浓度骤然下降时候，盐水就可能被冻结在管内，阻碍流通，若制冷剂为氟利昂，则溶解在氟利昂内的润滑油几乎不能返回到压缩机，此外在清洗时候需要停止工作。1.3.3.3循环式蒸发器这种蒸发器中,制冷剂在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化,被称为循环式蒸发器。循环式蒸发器的应用范围挺广阔的，可以用于大型的液泵供液，也可以用于中立供液冷库系统甚至用于低温环境实验装置。循环式蒸发器的优点在于传热系数高因为蒸发器管道内部能够完全湿润，其不足之处在与体积较大，制冷剂充注量较多。综上所述，此次设计更适合采用翅片管式换热器。1.3.4 制冷剂的选择由于本次课题已规定制冷剂，故制冷剂为R744。1.3.5 节流机构的选择1.3.5.1 制冷剂液体膨胀过程分析制冷剂的液体膨胀过程有以下特点：通过液体膨胀，温度将降低。的的膨胀过程的压力差较大时，它降低了温度的液体是更大的。之间的温度差相同的独立过程。其原因在于两相区饱和温度与相关联的饱和压力。在膨胀过程是可能的比体积比，并与压力比增大。而使得难以实现膨胀机比有限体积。膨胀过程中的等熵焓降很小（可扩展功率是非常小的），不使用的损失也不会很大，因此在制冷装置用在小孔或管道节流机构，以实现制冷的液体制冷剂扩张。1.3.5.2节流机构的种类常用的节流机构有手动膨胀阀、浮球式膨胀阀、热力膨胀阀以及阻流式膨胀阀(毛细管)等。它们的基本原理都是使高压液态制冷剂受迫流过一个小过流截面，产生合适的局部沿程损失，使制冷剂压力骤降，与此同时一部分液态制冷剂汽化，吸收潜热，使节流后的制冷剂成为低压低温状态。主要解释一下热力膨胀阀：热力膨胀阀是氟利昂制冷装置中根据吸入蒸气的过热程度来调节进入蒸发器的液态制冷剂量，同时将液体由冷凝压力节流降压到蒸发压力的。热力膨胀阀的型式很多，但在结构上大致相同。按膨胀阀中感应机构动力室中传力零件的结构不同，可分为薄膜式和波纹管式两种；按使用条件不同，又可分为内平衡式和外平衡式两种。目前常用的小型氟利昂热力膨胀阀多为薄膜式内平衡热力膨胀阀。内平衡式热力膨胀阀：内平衡式热力膨胀阀一般都由阀体、阀座、阀针、调节杆座、调节杆、弹簧、过滤器、传动杆、感温包、毛细管、气箱盖和感应薄膜等组成。图1-3热力膨胀阀原理简图感温包里灌注氟利昂或其它易挥发的液体，把它紧固在蒸发器出口的回气管上，用以感受回气的温度变化；毛细管是用直径很细的铜管制成，其作用是将感温包内由于温度的变化而造成的压力变化传递到动力室的波纹薄膜上去。波纹薄膜是由很薄的(0.10.2mm)合金片冲压而成，断面呈波浪形，能有23mm的位移变形。波纹薄膜由于动力室中压力的变化而产生的位移通过其下方的传动杆传递到阀针上，使阀针随着传动杆的上下移动而一起移动，以控制阀孔的开启度。调节杆的作用是在系统调试运转中，用以调整弹簧的压紧程度来调整膨胀阀的开启过热度的，系统正常工作后不可随意调节且应拧上调节杆座上的帽罩，以防止制冷剂从填料处泄漏。过滤网安装在膨胀阀的进液端，用以过滤制冷剂中的异物，防止阀孔堵塞。至于其工作原理，我们首先分析一下热力膨胀阀工作时波纹薄膜的受力情况。由下图1-3可知，金属波纹薄膜受有三种力的作用，在膜片的上方，为感温包中液体(与其感受到的温度相对应的)的饱和压力P对膜片产生的向下推力P，在膜片的下方，受阀座后面与蒸发器相通的低压液体对膜片产生一个向上的推力 (制冷剂的蒸发压力)和弹簧的张力W的作用。此外还有活动零件之间的摩擦力等因素构成的作用力，因为其值甚小，在分析时可以忽略不计。由以上分析可知，当三力处于平衡状态，即满足 时，膜片不动，则阀口处于一定的开启度。而当其中任何一个力发生变化时，就会破坏原有的平衡，则阀口的开启度也就随之发生变化，直到建立新的平衡为止。当外界情况改变，如由于供液不足或热负荷增大，引起蒸发器的回气过热度增大时，则感温包感受到的温度也升高，饱和压力P也就增大，因此形成：PP0+W，这样就会导至膜片下移，使阀口开启度增大，制冷剂的流量也就增大，直至供液量与蒸发量相等时达到另一平衡。反之，若由于供液过多或热负荷减少，引起蒸发器的回气过热度减小，使感温包感受到的温度也降低时，则饱和压力P也就减小，因此形成：PP0+W，这样就会导至膜片上移，使阀口开启度减小，制冷剂的供液量也就减少，直至与蒸发器的热负荷相匹配为此。热力膨胀阀的工作原理就是利用与回气过热度相关的P力的变化来调节阀口的开启度的，从而控制制冷剂的流量，实现自动调节。另外，从上述关系也可看出，调节不同的弹簧张力W，便能获得使阀口开启的不同过热度。与调定的弹簧张力W相对应的制冷剂的过热度称为静装配过热度(又称关闭过热度)。一般希望蒸发器的过热度维持在35的范围内。外平衡式热力膨胀阀：外平衡热力膨胀阀与内平衡热力膨胀阀在结构上略有不同，其不同处是感应薄膜下部空间与膨胀阀出口互不相通，而且通过一根小口径的平衡管与蒸发器出口相连。换句话说，外平衡热力膨胀阀膜片下部的制冷剂压力不是阀门节流后的蒸发压力，而是蒸发器出口处的制冷剂压力。这样可以避免蒸发器阻力损失较大时的影响，把过热度控制在一定的范围内，使蒸发器传热面积充分利用。内、外平衡式热力膨胀阀工作原理完全相同，只是适用的条件不同，如果蒸发器中制冷剂的压力损失较大，使用内平衡式热力膨胀阀时，就会造成蒸发器供液量不足，出口处气态制冷剂的过热度增大。也就使蒸发器的传热面积的利用率降低，制冷量相应减小，所以在实际应用中，蒸发器压力损失较小时，一般使用内平衡式热力膨胀阀，而压力损失较大时(当膨胀阀出口至蒸发器出口制冷剂的压力降相应的蒸发温度降低超过23时)，应采用外平衡式热力膨胀阀。安装热力膨胀阀时应注意的问题：首先应检查膨胀阀是否完好，特别注意检查感温动力机构是否泄漏；膨胀阀应正立式安装，不允许倒置；感温包安装在蒸发器的出气管上，紧贴包缠在水平无积液的管段上，外加隔热材料缠包，或插入吸气管上的感温套内；当水平回气管直径小于25mm时，感温包可扎在回气管项部；当水平回气管直径大于25mm时，感温包可扎在回气管下侧45处20，以防管子底部积油等因素影响感温包正确感温；外平衡膨胀阀的平衡管一般都安装在感温包后面100mm处的回气管上，并应从管顶部引出，以防润滑油进入阀内；一个系统中有多个膨胀阀时，外平衡管应接到各自蒸发器的出口。毛细管：在电冰箱、空调器等小型制冷设备中，常用毛细管做节流装置，它主要是靠其管径和长度的大小来控制液体制冷剂的流量以使蒸发器能在适当的状况下工作。制冷工程中一般称内径0.52mm左右，长度在14m左右的紫钢管为毛细管。与节流阀相比毛细管作为节流装置的优点是无运动件不会磨损不易泄漏、制造容易价格便宜、安装省事，缺点是流量小且不能随时随意进行人为调整。在内径及长度已确定后，毛细管的流量主要受进、出口两侧即高、低压两端压力差大小的影响，与来液过冷度大小、含闪发气体多少以及管弯曲程度、盘绕圈数等也有关。因此机组系统一定时，不能任意改变工况或更换任意规格的毛细管。据有关实验表明，在同样工况和同样流量条件下，毛细管的长度与其内径的4.6次方近似成正比，即当环境温度升高或制冷剂充加量过多时，冷凝器压力变高，毛细管流量增大会使蒸发器压力及蒸发温度随之升高。反之，当环境温度降低或制冷剂充加量不足时，冷凝器压力变低，毛细管流量减小会使蒸发器压力及蒸发温度随之降低，导致制冷量下降，甚至降不到所需的温度。因此，采用毛细管的制冷设备，必须根据设计要求严格控制制冷剂的充加量。根据毛细管进口处制冷剂的状态分为过冷液体，饱和液体和稍有气化等情况。从毛细管的安装方式考虑，制冷剂在其进口的状态按毛细管是否与吸气管存在热交换而分为回热型和无回热型两种。回热型即毛细管内制冷剂在膨胀过程对外放热;无回热型即毛细管内制冷剂为绝热膨胀。电子膨胀阀电子膨胀阀吸气过热度控制吸气过热度控制系统由电子膨胀阀、压力传感器、温度传感器、控制器组成，工作时，压力传感器将蒸发器出口压力P1、温度传感器将压缩机吸气过热度传给控制器，控制器将信号处理后，随后输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机， 将阀开到需要的位置要， 以保持蒸发器需要的供液量。电子膨胀阀的