毕业论文范文——2.5KW复合能源空调热水系统

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 2.5KW 复合能源空调热水系统 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 2.5KW 复合能源空调热水系统 目 录 中文摘要.I 英文摘要II 1 绪论1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外热泵空调热水器技术研究与发展综述.2 1.2.1 国外的研究与发展概况 .2 1.2.2 国内的研究概况3 1.3 本文研究内容.4 2 复合能源空调热水器的原理及系统研究.5 2.1 系统组成及原理.5 2.1.1 热泵侧装置原理.6 2.1.2 水侧装置原理:7 2.2 实验装置.7 2.3 热泵与水循环设备8 3 方案选择与论证10 3.1 压缩机10 3.1.1 压缩机概述.10 3.1.2 压缩机的比较.10 3.2 冷凝器14 3.2.1 冷凝器概述.14 3.2.2 冷凝器的比较14 2.5KW 复合能源空调热水系统 3.3 蒸发器16 3.3.1 蒸发器概述.16 3.3.2 蒸发器的比较16 3.4 制冷剂.17 3.4.1 制冷剂概述.17 3.4.2 制冷剂的选择.18 4 设计计算.20 4.1 系统的热力计算20 4.2 压缩机的选取.24 4.3 室外换热器的设计计算25 4.4 室内换热器的设计计算30 5 节流机构的选择37 5.1 节流机构概述.37 5.2 节流机构的分类37 5.3 电子膨胀阀的选择.43 6 其他辅助设备的计算与选型45 6.1 气液分离器的计算与选型45 6.2 四通换向阀选取46 6.3 截止阀的选取48 6.4 电磁阀的选取50 6.5 分歧管的选取51 6.6 分流头的选择54 7 结论与展望55 2.5KW 复合能源空调热水系统 7.1 全文总结55 7.2 本文的不足与展望.56 结束语.58 致 谢.60 参考文献61 2.5KW 复合能源空调热水系统 I 2.5KW 复合能源空调热水系统 摘 要 本文对多功能空调热水一体系统的原理及其在空气源热泵和地源热泵系统上的 应用进行了详细的分析和研究。同时介绍了空调热水系统的技术特点与工作原理， 较为详细的介绍了空调热水的设计计算以及相关零部件选取。本设计的关键在于蒸 发器和冷凝器的设计计算，以及其他零部件的选择。 本文着重于在太阳能制冷的基础上，以空调热水系统为主进行设计，通过对题 目的分析，选出合适的方案。然后进行冷负荷的计算，进行压缩机和辅助机构的选 型；以及与压缩机相适配的冷凝器、蒸发器等进行设计计算，选取合理的风机，对 空调室内机及室外机进行结构计算和形状设计，通过对装置的各部件设计后，对装 置的整体布局进行设计，使装置整体结构布局合理，紧凑。 本设计的关键在于蒸发器和冷凝器的设计计算，以及其他零部件的选择、制冷 剂管道的布置。 关键词 多功能、复合热水系统、空调、空气源热泵、系统模拟、节能 2.5KW 复合能源空调热水系统 II The system of 2.5KW Composite energy Air-conditioner with Water Heater ABSTRACT In this paper, one of the principles of multi-functional air-conditioning water system and its application in the air source heat pump and ground -source heat pump system, carried out a detailed analysis and research. At the same time introduces the technical characteristics and working principle of air conditioning hot water system , a more detailed description of the design and calculation of air conditioning and hot water related components selected. The key lies in the design of the evaporator and condenser design and calculation , as well as select other components. This paper focuses on the basis of solar refrigeration , air conditioning hot water system to be designed mainly through analysis of the topic , select the appropriate option . Then cooling load calculations, selection of the compressor and auxiliary organizations ; and condenser , evaporator and compressor adapted the design calculations , etc. , select a reasonable fan, air conditioner indoor unit and outdoor unit structure calculations and shape of the design, through the various components of the device design , the overall layout of the device is designed so that the overall structure of the device layout reasonable, compact. The key lies in the design of the evaporator and condenser design and calculation , as well as select other components , refrigerant piping arrangement . KEY WORDS : Multifunctional，hybrid water heating system，air conditioning，air source heat pump，experimental study，system simulation，energy saving 2.5KW 复合能源空调热水系统 1 1 绪论 1.1 课题背景18 开发新能源、利用可再生能源、节约现有能源和提高能源的利用率已成为 21 世 纪人类发展的重要课题之一。热泵技术是开发和强化高质能源利用率的重要手段， 是获取可再生能源及维护生态平衡的有效途径之一。通过热泵，可以把热源中一般 不能宜接利用的低温热量提升温度后向生活和生产提供有用的热量，这就给人们提 供了一条节约矿物燃料、合理利用能源、减轻环境污染的途径，因此热泵具有节能 和环保的双重功效。 从 1852 年威廉汤姆逊提出热泵的设想，热泵己经经过了 150 多年的发展，特 别是二十世纪的后五十年中，由于能源危机的影响，热泵得到了快速的发展，在工 业和民用的各各领域都有广泛的应用，热泵广泛的用于建筑物的供热，棉，纸张， 农作物的较低温度下的干燥，工厂的工艺过程如造纸厂，化工厂等的废热的回收利 用18。 在民用方面，热泵最主要的应用还是建筑物的供热.最近二十年年以来，很多的 研究者注意到热泵在提供家用热水方面有非常明显的优势，热泵热水装置有很大的 发展，特别是在美国和日本，蒸汽压缩式热泵热水装置已经占有了一定的热水器的 市场。在关国，热泵热水器自 1988 年问一世以来发展很快。目前己占据了热水器很 大的市场份额。 我国是一个常规能源并不富裕的国家，有着辽阔的采暖庆域。随着社会生产的 发展和人民生活水平的提高，人们对舒适性的要求提高，空调广泛的使用.洗浴用的 低温热水的使用也大大正加两者都消耗大量的高品味的电能和其他高品味的能源如 煤气等，用于空调制冷，供热的能耗占能源总用量的比例越来越大，费用也快速增 加。因此节约能源，提高空调制冷，热泵设备，热水装置的能源利用效率得到国家 和民众的关注。 目前国内的热水器主要有:电热水器、燃气热水器以及太阳能热水器。大型的热 泵热水装置国内最近两年有厂家模仿国外的产品开始生产，发展很快.但是家用装置 还没有大规模的出现，但已经有一些研究机构、大学开始了试验性的研究和开发。 热泵热水器比前三类热水器而言，可因地制宜地利用废热和自然能源，还有节 约能源、运行费用低廉、使用区域广泛等优点。我国地处冬冷夏热的地区很广，国 2.5KW 复合能源空调热水系统 2 内空调市场规模很大，采用压缩式热泵热水器，可以非常明显地提高能源利用效率 热泵的 COP 一般可以达到 3);鉴于我国开始推广电峰、谷电价的实施.热泵在低电 价时生产热水的节能和节约费用的效果更为凸现:用于替代燃气热水器可以减少高品 位燃气的消耗，减少 CO2的排放，减少环境污染;可以和空调以及广泛关注的太阳能 的利用相结合。合理利用能源。进一步提高用能效率。 另外，目前我国大多数家庭或商业使用的热泵空调装置，在夏季时实现制冷。 冬季供热，但是在春秋过渡季节，机器闲置，没有被利用。而且在夏季使用时冷凝 器中的热量排入环境、能量没有被利用。这些都是对能量与设备投资的一种极大浪 费. 综上所述，开发一种集空调一热泵一热水器于一体的多功能热泵空调热水器便 成为社会与技术发展的一种必然趋势。 1.2 国内外热泵空调热水器技术研究与发展综述 1.2.1 国外的研究与发展概况 21 国外对热泵热水器的研究起步较早，其最早出现在 20 世纪 50 年代，70 年代能 源危机之后，家用热泵热水系统得到了较大发展，仅在美国就出现了三家生产热泵 热水器的公司，形成一定的市场规模。在另外一些国家、热泵热水器也得到了较好 的发展，例如在南非，1998 年的统计数字表明，热泵热水器在商业热水器市场的销 售份额达到 16%左右。 近些年来，国外对热泵热水器的研究多集中在: 1）新型制冷剂在热泵热水器中的应用研究 CO2 具有绝对的环保优势(GWP=1,ODP=0)，在传热、流动、压缩、单位容积制 冷量以及价格等方面具有显著优势:另外，CO2跨临界单级压缩热泵循环最适合于在 冷却介质进口温度低，温度提升大的情况下使用，这时节流损失相对较小，同时温 度匹配很好，能够充分发挥旅跨临界热泵循环的优势，这种场合的最好应用就是热 泵热水器。 Fetter Neksa、Havard Rekstad37等人提出了 CO2跨临界循环空气源热泵热水 器，,实验表明23:蒸发温度 0的条件下.自来水温度由 9C 加热到 60C,系统 CQP 值可达 4.3，全年运行平均供热 GDP 值可以达到 4.0，与传统电加热或燃煤系统 比较，可节省一次能源 75%，而且最高供水温度可达 90C。 2.5KW 复合能源空调热水系统 3 2) 以太阳能作为辅助热源的热泵热水器的理论及试验研究 国外对太阳能辅助热泵热水器的研究开展得比较早。并有商业化产品出售。太 阳能辅助热泵热水器一般有三种系统组织形式:分体双循环式、分体单循环式、集成 式。 分休双循环式包含两个循环，即制冷剂循环和水循环。这种组织形式系统复杂， 安装不便，成本高，因而难以商业化推广。分体单循环式只有制冷剂循环，蒸发器 与太阳能集热器集成，而冷凝器则为蓄水箱中的浸没式散热器。这种组织形式相对 简单，而且效率高，已有产品出售，但需要安装现场灌注制冷剂，因而安装比较不 便。Hawlader 等人提出的太阳能辅助热泵热水系统，对于新加坡的气候条件，当水 箱水温为 30-50时，集热器效率为 40%一 70%，系统 COP 值为 4-9,经济分析表明 投资回收期约为 2 年。 集成型太阳能辅助热泵热水器将集热器/蒸发器、压缩机、冷凝器、蓄水箱等部 件集中组合成一个紧揍的整体。系统结构紧凑，外型尺寸小，无循环水泵等附加功 耗，所有部件在工厂一次性组装集成，安装方便灵活。在阴雨天气则以空气源热泵 模式运行，因而能全天候供应热水，而且性能平稳，但受结梅和采光面积的局限;系 统 COP 值较分体式系统低。 1.2.2 国内的研究概况 25 相对来说，国内在这方面的研究不多.但也取得了一定的成果。 中国科技大学季杰等研制出的空调一热水器一体机，并对其在制冷兼制热水模 式下的性能进行数值摸拟和实验研究，系统能效比的平均值为 3.5.华中科技大学吴 小平等也建立了家用热泵热水装置的实验平台!，并对热泵供热水装置进行了连续运 行实验，得到了稳定负荷下一昼夜的温度曲线口还有天津大学的余乐渊等也做了大 量的实验研究。 中科院广州能源所在国内率先开发成功了高温地源热泵，最高输出温度达到 75 C ,该系统除提供冬季采暖、夏季制冷外，全年每大可提供 60C 的热水 80t。利 用该技术制取热水水可比常规方法节能 80%以上。 上海交通大学与青岛建筑丁程学院的旷玉辉、王如竹等建立了太阳能热泵供热 系统实验台及实验台测试系统，实验表明，在整个供暖测试期内，室外平均温度为- 1.56C，平均太阳辐射强度为 3278w/m2,热泵机组平均供热系数为 2.55,整个系统 2.5KW 复合能源空调热水系统 4 平均供热系数为 2.19。 1.3 本文研究内容 文献查阅和分析印证了作者的思路，利用热泵提供日益增长的生活热水的需求 是一种节能的热水生产方式，将热泵热水器与建筑物的夏季供冷和冬季供暖结合.实 现一套装置多种功能既提高设备的使用率，也提高能源利用率，是能源紧张的前提 下，节能减排和减少环境污染的措施中一个重要方面；而且通过利用夏季空调冷凝 热生产热水可以减少对环境的热污染，减弱城市热岛效应；对地源热泵而言将热泵 热水器与地源热泵空调系统结合，利用热泵原理生产生活热水，在提高能源利用率， 减少对大气环境热排放同时，还有效的起到减少对土壤排热，避免或者减弱我国冬 冷夏热地区地源热泵空调系统向地下土壤吸热 l 热不平衡现象。针对以上的文献分 析，作者希望对多功能空气源热泵空调热水系统和多功能地源热泵空调热水系统进 行研究和分析。具体的工作内容为: 1. 目前对整体系统的工作循环和优化设计方面还没有很大的突破，特别是缺少 实验对模型的验证，无法为系统的优化设计提供可靠的理论保障，本论文将建立的 整体模型结合实验加以验证。 2. 目前对热泵空调器和热泵热水器两个独立的系统研究很多，但是把两者放在 一个独立的热泵空调热水器系统中研究还比较少，对实现两种功能的核心部件的匹 配、联合运行特性研究就更少了，本文也将在此方面加以适当的探讨。 3. 由于热泵空调热水器是集制冷、采暖和供应热水于一身，所以在不同季节， 不同环境条件对整个系统的影响状况也是本文涉及的一项重要内容。 4. 热泵空调热水器系统作为一种可以用于商用的设备，那么对此系统的运行调 节这方面 l 的内容也是必须加以研究，特别是出水状态点、蒸发温度点调节等等都 会影响到系统的稳定性运行，那么对在满足系统要求的同时，系统的运行参数如压 缩机吸排气压力、温度，制取热水流量,换热性能等方面的内容也将加以探讨。 2 复合能源空调热水器的原理及系统研究 目前，我国大多数家庭或商业使用的热泵空调，在夏季制冷，冬季供热，但是 在过渡季节(春，秋季)，机器闲置，得不到应用;而且家、商用空调器或者中央空调 系统在夏季运行时冷凝器中的热量没有被利用，而是通过室外空气一制冷剂换热器 或者冷却塔排放到空气中.这些排放到环境中的热量对建筑物外热环境造成影响，特 别是在建筑密度很高的大中型城市，空调系统夏季排放的热量已经成为城市的热岛 效应的一个重要诱因.与此同时我们的日常生活又需要消耗人黄的生活和洗浴热水， 而且这些生活热水。温度很低.一般不超过 65C，生产这些低温的热水往往都消耗 大量的高品位能源如电能，城市煤气.天然气，液化石油气，燃油等，从能源利用的 角度来看我们是在消耗本来可以用于工业生产的宝贵的、优质的化石能源如天燃气， 液化石油气，甚至是经过一次能源转化后高品位的电能来将冷水提高几十度温度获 得大量消耗的生活热水，从能源的分级利用来看，这是是对能源很不合理的利用。 因此，一方面空调系统夏季白白释放掉大量的热能，既浪费能源又造成城市热 岛效应；另一方面建筑物内居住者义要消耗大盘的高品位能源来供应生活热水，对 建筑物用户而言是一种极大的浪费，对整个社会是而言是对能源的不合理利用和浪 费；而且空调设备每年大半时间的闲置，从能源长期利用角度来看也是一种浪费。 因此人们一直希望利用空调系统制取生活热水以满足家庭洗浴和洗涤等需求的生活 用水，节省能源消耗也节省能源费用支出，同时还提高空调设备的利用率.从这一思 路出发，我们提出了多功能空气源热泵空调热水系统方案，该系统具有年运行特点， 能够实现夏季室内供冷、夏季室内供冷兼制热水、单独制热水、单独室内制热等多 种运行模式。 2.1 系统组成及原理 多功能热泵空调热水器功能实现的方法是在系统中设置两个冷凝器，一个为普 通的空冷冷凝器来实现普通的热泵空调器的制冷、制热的功能，另加入一个水冷冷 凝器，在需要热水的场合将制冷剂切换到水冷冷凝器中冷凝。实现同时制冷与制热 水的目的和单独作为热泵热水器的目的。 2.5KW 复合能源空调热水系统 6 2.1.1 热泵侧装置原理28 1.压缩机 2.四通换向阀 3、4、7、9、12、13 电磁阀 5.水侧换热器 6.室外风冷换热器 8、10 电子膨胀阀 11.室内风冷换热器 20.气液分离器 图 2-1 多功能热泵空调热水器热泵侧原理图 该装置有如下几种工作模式: （1) 夏季普通制冷模式:此时电磁阀 3、8、9 关闭，电磁阀 4、7 开启。制冷剂 经压缩机 1 排气管，四通阀 2，电磁阀 4 进入室外翅片管换热器 6 冷凝，通过电磁 阀 7，经过电子膨胀阀 10，进入室内翅片管换热器 11 蒸发，通过四通阀 2，气液分 离器 20，压缩机的吸气管，进入压缩机 1，完成一个制冷循环。 (2) 冬季普通热泵制热模式：此时电磁阀 3、9、13 关闭，电磁阀 4、7、12 开 启。制冷剂经过压缩机 1 排气管，四通阀 2，进入室内翅片管换热器 11 冷凝，经过 电子膨胀阀 10 节流后，过电磁阀 7。进入室外翅片管换热器 6 蒸发，经由电磁阀 4, 通过四通阀 2，压缩机的吸气管，进入压缩机 1，由此，完成一个热泵循环。 （3）夏季制冷、制热水模式：此时电磁阀:4、7、13 关闭，电磁阀 3、9、12 开 启。制冷剂经压缩机 1 排气管，四通阀 2，电磁阀 3 进入套管冷凝器 5，在其中冷凝 后经由电磁阀 9，通过电子膨胀阀 6，节流后，进入室内翅片管换热器 11 蒸发，冷 却室内空气，通过四通阀 2,气液分离器 20，压缩机 1 的吸气，进入压缩机 1，完成 一个循环。 (4)制热水模式：此时电磁阀 4,9 关闭，电磁阀 3、7、13 开启。制冷剂经压缩机 1 的排气管，四通阀 2，电磁阀 3 进入套管冷凝器 5，在其中冷凝后经电子膨胀阀 8，电磁阀 7，进入室外翅片管换热器 6 蒸发从大气环境中吸取热量，然后制冷剂经 2.5KW 复合能源空调热水系统 7 电磁阀 13，气液分离器 20，四通阀 2，压缩机 1 的吸气管，进人压缩机 1，完成一 个循环。 2.1.2 水侧装置原理 图 2-2 多功能热泵空调热水器水路系统原理图 本文研究的多功能热泵空调热水器水冷侧采用的是套管换热器不同于一些热泵 热水器采用的沉浸式换热器)，纯逆流换热，换热系数很大，而且系统内的压缩机、 换热器都是根据空调要求设计的，冷凝热量比较大。 因此本文涉及的热泵空调热水器水侧就有两种可以达到制取要求热水的循环方式: 1）通过适当调整流经套管换热器的水流量，实现直接由自来水进水温度升温至 要求热水出水温度的循环方式。 2）通过循环水泵将水箱中的水打入换热器中进行循环，实现逐步升温直至达到 最终要求温度的循环方式。 2.2 实验装置 试验平台是按照原理图 2-1 与图 2-2 进行的，具体装置及布置形式如下: 2.5KW 复合能源空调热水系统 8 1.压缩机 2.四通换向阀 3、4、7、9、12、13 电磁阀 5.水侧换热器 6.室外风冷换热器 8、10 电子膨胀阀 11.室内风冷换热器 14、15、17、19 流量调节阀 16.水泵 18.储水箱 20.气液分离器 图 2-3 多功能热泵空调热水器测试系统图 2.3 热泵与水循环设备 图 2-4 多功能热泵空调热水器实验平台室外侧部分照片 2.5KW 复合能源空调热水系统 9 图 2-5 多功能热泵空调热水器实验平台室内侧部分照片 图 2-6 多功能热泵空调热水器实验平台水侧装置照片 2.5KW 复合能源空调热水系统 10 3 方案选择与论证 3.1 压缩机2 3.1.1 压缩机概述 压缩机在蒸汽压缩式制冷空调系统中，压缩机是决定制冷系统能力大小的关键 部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。它是 整个制冷系统的动力来源，它在消耗一定的电功后，将蒸发器中的低压制冷剂气体 吸入，并把它压缩到冷凝压力再进入冷凝器中去，从而保证制冷剂蒸汽能在常温下 冷凝液化，从而使得制冷循环得以顺利进行，因而人们形象地称之为制冷设备的心 脏。 制冷压缩机按密封结构形式可分为开启式压缩机、半封闭式压缩机和全封闭式 压缩机。15KW 以下的小容量制冷压缩机大多采用全封闭式压缩机。全封闭式压缩 机中电动机和压缩机连成一个整体，装在一个不能拆开的密封机壳中，使用可靠性 高，寿命长，运转平稳，噪音低，体积小，使用于小制冷量系统中。由于此次设计 的空调系统的制冷量为 3.5kw，因此本设计选用全封闭式制冷压缩机。 由于压缩机是制冷产品技术含量最高、生产代价最大的关键部件。因而，国际 上对制冷压缩机的研究从未停止、永无止境，从传热流动、噪声振动、摩擦润滑、 材料材质、加工工艺到性能与可靠性，从机理分析、理论研究到机械结构、测试技 术等，几乎无所不包。每年都有大量的研究成果和文献出现，也能够观察到因之带 来的进步和收益。同时近年来，国内制冷压缩机的研究与技术进步也取得了可喜的 进展，特别是冰箱压缩机行业。在 UNDP/GEF 中国节能冰箱项目的推动下，冰箱 压缩机的性能系数从几年前的 1.0 左右发展到今天有数家国内冰箱压缩机企业最高 达到 1.95，从而在一定程度上促进了制冷设备的发展4。 3.1.2 压缩机的比较 3.1.2.1 滚动转子式压缩机 滚动转子式压缩机是家用空调压缩机结构型式之一。滚动转子式压缩机比往复 式压缩机结构简单得多，而且体积小、重量轻、零部件少，尤其易损件少，比同样 制冷量的往复式压缩机体积可减少 60%,重量减少 35%，零件减少 50 %。这种压缩 机只进行旋转运动,不需将旋转运动转变为活塞往复运动,所以运转平稳、振动小、噪 2.5KW 复合能源空调热水系统 11 声低、质量稳定、可靠性高。在结构上,可把余隙容积做得很小，基本上没有膨胀气 体的干扰。此外无吸气阀，使流动阻力小，导致容积效率高、性能好、能效比高。 但这种压缩机对零件加工精度要求高，比活塞式的寿命短；而且这种压缩机只有一 个转子且为偏心布置,转动起来振动和噪声仍较大，特别是对于较大功率机组，其气 缸排量一般在 644cm3/ r。它分成几个系列，从小功率到中功率， 品种较多。而 且为了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度较高,每个系列产品外形基本相 似,均为定功率段的产品。 提高压缩机 COP 值的措施主要是提高加工和装配精度，对压缩机结构进行最 优化设计，改进排气阀结构,增大电机叠片厚度，采用特低铁损高磁通量的硅钢片和 提高槽前率等多方面来实现；降低压缩机噪声主要通过更好的动、静平衡来减小振 动，缓冲压力脉动，以及设计更好的消声器等途径来实现；而提高压缩机的可靠性 主要采用改进材料、加强工艺控制，强化实验手段,特别加工和设计保护元件和连接 元件等来确保电机可靠性。利用彻底清除垃圾、应用高强度材料、进行各种试验以 及根据不同情况配以不同储液器来确保压缩机的可靠性。 3.1.2.2 涡旋式压缩机 涡旋式压缩机是一类较新型的压缩机，它也是家用空调压缩机结构型式之一。 长期以来，由于轴向力不能稳定平衡，防自转机构不灵活，轴向、径向密封不完善， 以及涡形盘加工困难，故未达到实用化程度。直至 70 年代后，经美、日等国的研究， 才使涡旋式压缩机走上实用化道路。考普兰、开利、日立、三菱公司均生产这种压 缩机。其主要特点有：无吸、排气阀，吸气压力损失小，压缩室压差小，无余隙 容积,，容积效率高，可靠性高，功耗小，COP 大；涡旋回旋运动能形成几对压 缩腔,因此力矩变化小，振动小，噪音低；结构简单，零部件少，尤其易损件少， 体积小，重量轻；对液击不敏感；转速高，有利于实现变频控制的方式来调节 制冷量；采用一种背压可自动调节的可控推力机构，这样可保持轴向密封，减少 机械损失,防止异常高压，确保压缩机安全；便于采用气体注入循环，从而可提高 节能效果，减少压缩机开、停频率，控制室温变化，实现舒适空调；制造、加工 精度高，成本较高。总体来说，其综合性能稍好于滚动转子式,特别适合于低噪声要 求。目前主要用在 35HP3 大功率高档空调器上，是当前产品中最先进的。 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 2.5KW 复合能源空调热水系统 12 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。 3.1.2.3 往复式活塞式压缩机 往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、小型制冷 装置中，按其结构分为滑管式和连杆式压缩机两类。 （1）滑管式压缩机 滑管式压缩机产生于 20 世纪 60 年代,它是往复活塞式压缩机的一种类型。其特 点是结构简单，工艺性好,成本较低，对零部件的加工精度要求不高，制造和装配都 比较容易，所以发展较快。目前这类压缩机在国内外的电冰箱等小型制冷设备生产 中应用比较普遍。缺点是活塞与缸壁间的侧力较大、磨擦功耗大、能效比偏低，因 此目前滑管式压缩机正在进入衰退期，将逐渐被连杆式压缩机或旋转式压缩机所取 代。 （2）连杆式压缩机 连杆式压缩机也属往复活塞式，是制冷设备中采用时间较早的一种。其特点是 运转比较平稳、噪声低、磨损小、使用寿命长、能效比较高、工作可靠、综合性能 优良。但由于零部件形状复杂，加工精度要求较高，工艺难度较大，因此其发展一 度受到限制，在电冰箱及其它小型制冷设备中被滑管式和旋转式压缩机所取代。近 几年来随着机械工业的不断发展，对其结构进行了多方面的技术改进。目前连杆式 压缩机已成为电冰箱压缩机的主导产品，总需求是有较大的提高。 3.1.2.4 离心式压缩机 离心式压缩机是一种速度型压缩机。气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后， 再在环形通道中将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。根据压缩机中安 装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级 离心式压缩机，如果由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调 中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩 机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所 组成，压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用 引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮(工作轮 2.5KW 复合能源空调热水系统 13 也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传 给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮做高速旋转，一边由于受离心力的作 用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出 来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速， 扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速 度减小，而压力则进一步提高,经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中 间冷却器或冷凝器中。 离心式制冷压缩机的特点与特性：离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比 较，具有下列优点：单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重 量较活塞式轻 58 倍；由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构， 因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低；工作轮和机壳之间没 有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的 传热性能；能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大；对制冷剂的适应性差，一 台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂；离心式压缩机在大冷量范围 内（大于 1500kw）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比 拟的系统总效率。离心式压缩机的运动零件少而简单，且其制造精度要比螺杆式压 缩机低的多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。此外，大型离心式压缩机 如应用在工作压力变化范围狭小的场合中，可以避开由喘振所带来的问题，在不久 的将来，总体和部分负荷（Integrated part lode value）将愈来愈被重视，从而要 求离心式压缩机要在较宽广的应用工况中工作效率高。但是，相对来讲，离心式压 缩机的发展近来有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战，离心式 压缩机自 1993 年就开始根据 CFCS 替代的需要进行着重新的设计，以使其热力和气 动力性能得到更好的改善。因而已有很多离心式压缩机的工质替代转向从 HCFC 22 置换为 HFC134 方面，其制冷量范围为 901250kw。 3.1.2.5 螺杆式压缩机 螺杆式压缩机是靠汽缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互啮合，造成有齿形空间 组成的基元容积的变化，进行制冷剂气体压缩。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、外形紧凑、排气温度低、质量轻、不怕气体中 带液和带尘压缩等优点,在国内外得到了飞速的发展。在操作上, 螺杆压缩机是压 2.5KW 复合能源空调热水系统 14 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 %6。 随着螺杆式空气压缩机的更新换代, 它更是具备了高性能配置、高效率、高可 靠性、高度智能化、友好的人机界面、安装费用低、适应国内电源、运行费用低、 节能环保等特点。因此, 在今后相当长的时期内, 小容量空气压缩机将以螺杆式为主。 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。在本次设计中，考虑到市场中有在 ARI 工 况下运行的涡旋式压缩机，因此本系统选择全封闭涡旋式制冷压缩机。 3.2 冷凝器3 3.2.1 冷凝器概述 冷凝器是空调装置的主要换热设备之一。其功能是将压缩机排出的高温过热蒸 汽冷却成液态制冷剂，所放出的热量被冷却介质吸收后排至周围环境中。过热蒸汽 在冷凝器中放热而变成液体时，过程一般如下。 制冷剂在冷凝器中先由过热蒸汽冷却为干饱和蒸汽，放出湿热，再由干饱和蒸 汽冷凝为饱和液体，放出大量潜热。如果饱和液体继续得到冷却，就成为过冷液体。 按冷却方式的不同，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7。 3.2.2 冷凝器的比较 3.2.2.1 空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器用于电冰箱、冷藏柜、窗式空调器、汽车及铁路车厢用空调 装置、冷藏等运输式制冷装置，冷却介质为空气，适用于干旱缺水或水质低劣的地 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。前者主要用做300L以下家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型氟利昂机组。 自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的 2.5KW 复合能源空调热水系统 15 热量带走。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空气冷却式冷凝器。由于不用风机， 节省了风机电耗，还避免了风机运转时的噪音，但是这种冷凝器的传热系数 很低一 般为916W/(mK)8。 强制对流空气冷却式冷凝器一般都制作成套片管式，由一组或者几组蛇形管组 成。空气在轴流风机的作用下横向流过翅片管。强制通风用的风机常用轴流式风机。 这种冷凝器的传热系数同样也较小，一般约为2335 W/(mK)9 。它必须使用风机， 要消耗一定的电能。 3.2.2.2 水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是用水作为冷却介质来对压缩机的排汽进行冷却使其冷凝，冷却 水可用江、湖、河、海及井水等。由于水的温度较低，所以采用水冷式冷凝器可以 得到较低的冷凝温度和压力，从而有利于提高制冷装置的制冷能力及其运行的经济 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）立式壳管式冷凝器在中型或大型的制冷系统中应用较广。立式壳管式冷凝 器的优点是：占地面积小，可露天安装，对水质要求较低，清洗方便，传热效果比 较好，冷却能力大。其缺点为：冷却水用量大，耗水量多，流速较高，且比较笨重。 （2）卧式壳管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷装置中都用的很普遍。 卧式壳管式冷凝器的优点是：传热系数高，结构紧凑，空间高度低，有利于机组化； 冷却水循环使用，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： 耗水量大，冷却水流动阻力大，水泵耗电多；对水质要求较高，清洗水垢不方便， 且需要停止运行。 （3）套管式冷凝器由两根或几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。套管式冷凝器一般应用于制冷量在 40kW 以下 的小型氟利昂制冷装置中。运行时制冷剂蒸气从上部进入，凝结液从下部流出。冷 却水从上部进入内管，吸热后从上部流出。制冷剂与冷却水之间为逆流换热。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，因而它的传热效果好，但 是金属的消耗量较大。套管式冷凝器的优点：结构简单，传热效果好。缺点是制冷 剂和冷却水的流动阻力大，对水质要求较高。方 3.2.2.3 蒸发式冷凝器 29 2.5KW 复合能源空调热水系统 16 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10。蒸发式冷凝器具有以下一些优点。 （1）节水，一般在水冷式冷凝器中，每1kg冷却水能带走16.7525.12kJ热量而 1kg水在常压下蒸发能带走约2428kJ热量，蒸发式冷凝器正是利用水的蒸发潜热来带 走制冷剂热量，因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一般水冷式冷凝器的1%；考虑到 飞溅损失等因素，实际耗水量约为水冷式的5%-10%11 。 （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。 因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少，冷凝器的总耗功率（水泵、风 机）也显著降低。 （3）结构紧凑，蒸发式冷凝器本身起了冷却塔的作用，因此不需配备冷却塔， 由于不需要设置冷却塔，故整个装置结构紧凑、体积小、占地面积小。 （4）不污染环境，不少化工厂以往采用壳管式或着淋激式冷凝器，夏季时由于 冷凝压力过高，常常采用“放空降压” ，但每次放出的并不全是不凝性气体，其中含 有大量的氨气，不仅氨损失相当严重，还造成环境污染，但采用蒸发式冷凝器后不 存在这种现象。 综上所述，由于装置所特有的低温、结构简单、紧凑、传热系数较小等特点， 并且套片管式强制对流空气冷却式冷凝器具有结构简单，制作方便，传热特性好等 优点。故可选用铝翅片管簇式冷凝器。 3.3 蒸发器 3.3.1 蒸发器概述 蒸发器是制冷系统中一个主要的换热部件，其功能是将节流后的制冷剂在蒸发 器内低压蒸发吸热，达到制冷目的。制冷剂在蒸发器内的大部分区域处于是蒸汽状 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。 2.5KW 复合能源空调热水系统 17 3.3.2 蒸发器的比较4 3.3.2.1 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,可增加制冷剂液体在管内的湿 润面积.同时其进出口处的压差随流动阻力增大而增加,以致使制冷系数降低。干式蒸 发器按其被冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。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。其多 用于空气调节装置和大型冷藏库以及大型低温实验环境场合。干式蒸发器的优点是 应用相对要成熟很多,而且采用干式蒸发器不需要单独的换热器回油设计，但是其缺 点是系统效率会有所降低12。 3.3.2.2 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。它们 的共同特点是在蒸发器中充满液态制冷剂，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸汽不断 地从液体中分离出来。其优点是制冷剂与传热面充分接触，具有较大的传热系数。 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。且当盐水浓 度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则 氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。 3.3.2.3 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,故称做循环式蒸 发器。循环式蒸发器多应用于大型的液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境试验 装置。循环式蒸发器的优点在于蒸发器管道内表面能始终完全润湿，表面传热系数 很高，其不足之处在与体积较大，制冷剂充注量较多。 综上所述,由于在此次设计中的制冷剂为 R410A，故而可选择干式氟利昂蒸发器。 2.5KW 复合能源空调热水系统 18 3.4 制冷剂1 3.4.1 制冷剂概述2 制冷剂是制冷装置中的工作介质,又称制冷工质。制冷装置进行制热制冷就是利 用制冷剂的循环流动去进行热量交换,所以制冷剂是制冷装置必不可少的部分。早期 使用的制冷剂有乙醚、二氧化硫、氯化钾、二氧化碳等。由于其本身的缺点,现除二 氧化碳还用于生产干冰等制冷系统外,其余均被淘汰。现被采用的制冷剂约有二三十 种,主要有氨、氟利昂、水等13。 表3-1 制冷剂发展历程 第1代第2代第3代第4代 年代1830-19301931-19901991-20102010- 原则能用即可安全与耐久性臭氧层保护 防止全球变暖，低ODP，低 GWP，高效 制冷剂 醚类， CO2，空气， 甲酸甲酯 CFCs, HCFCs NH3 ,H2O ( HCFCs ) , HFCs , NH3 , H2O ,HCs , CO2 ( HCFCs ) , NH3 , H2O , HCs , CO2 , 空气 从19 世纪30 年代,Perkins 发明了蒸气压缩式制冷循环后,人类迎来了制冷技术 的发展期,而制冷剂的发明、更新和替换始终贯穿整个过程。目前根据新时期的发展 要求,制冷剂又将面临新的挑战。 表3-1所表示的是J .M. Calm所描述的制冷剂的发展的4个阶段14, 为发展制冷工业,人类发明了各种各样的制冷剂。但是,目前已经发现或者潜藏着 对环境的危害作用。这时,第1代制冷剂中的“天然制冷剂”重新燃起了人们的希望。 氨具有优良的热力性能、ODP = 0和GWP 1，但有毒,在化学工业和食品工业中 以及中央空调(欧洲) 都重新得到了应用；二氧化碳ODP = 0和GWP = 1，用跨临界 循环热泵提供热水，作为复叠循环低压级和低温载冷剂时具有优良性能。碳氢化合 物ODP =0和GWP1 ，用于冰箱制冷剂和发泡剂，也可用于冷水机组,RAC 和 PAC等，但易燃易爆,这非常不利。水ODP = 0和GWP 1，用于冷凝温度较低的水 冷冷水机组以及冰蓄冷机组。 2.5KW 复合能源空调热水系统 19 在不同的目标下，采用有优良性能的“天然制冷剂”可能是大势所趋。 3.4.2 制冷剂的选择 制冷装置的内部压力较之外界要高,容易造成制冷剂的泄漏。所以不但要求制冷 装置可以达到预期的温度调节功能,更要求制冷剂无害于我们的生活环境。总体而言， 目前对制冷剂的要求有以下几个方面: (1) 对人类的生态环境没有破坏作用。即不破坏大气臭氧层,不产生温室效应。 (2) 临界温度较高,在常温或普通低温下能够液化。且希望临界温度比环境温度 高的多,以减少制冷剂节流时的损失,提高循环的经济性。 (3) 在工作温度范围内,具有适宜的饱和蒸气压力，即蒸发压力不宜低于大气压 力，以免外部空气渗入制冷机系统；冷凝压力不宜过高，否则会引起压缩机耗功增 加，要求设备具有较高的承压能力，使设备过分笨重，增加金属材料的消耗量。 (4) 单位容积制冷量大。对制取一定的制冷量而言，它可以减少压缩机的输气 量，即可减少压缩机的结构尺寸。 (5) 粘度和密度小，以减少制冷剂在系统中的流动阻力损失。 (6) 热导率高。它可提高换热器的传热系数，减少换热设备的传热面积和金属 材料消耗量。 (7) 不燃烧、不爆炸、无毒、对金属材料不腐蚀、对润滑油不发生化学作用， 高温度下不分解。 (8) 排气温度低，有利于机器的安全运行和寿命的提高。 (9) 应具有良好的电绝缘性能。 (10) 单位容积压缩功小。 目前而言，尚未找到完全满足以上所有条件的制冷剂。选择制冷剂时，首先考 虑符