100KW空气源热泵热水器——毕业论文

郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 100KW空气源热泵热水器 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 100KW空气源热泵热水器目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 概述1 1.2 热泵热水器12空气源热泵热水器的组成122.1压缩机分类及特点122.2 冷凝器分类及特点142.3节流装置分类及特点192.4 蒸发器分类及特点222.5 制冷剂选择243 空气源热泵热水器压缩机的选型293.1热力计算293.2 压缩机校核314 空气源热泵热水器冷凝器设计计算344.1 肋相关参数344.2 冷凝器热负荷及冷却水流量354.3 冷凝器结构初步规划354.4 管内水侧表面传热系数374.5计算R134a蒸汽冷凝表面传热系数374.6 计算传热系数和面积热流量384.7 计算所需要的传热面积394.8 计算冷却水侧流动阻力394.9 管板414.10 分程隔板414.11 拉杆425 节流装置的选择436 蒸发器的设计计算456.1传热管选型及排布456.2 计算几何参数456.3 计算空气侧干表面传热系数466.4 计算空气侧传热系数486.5 计算制冷剂管内表面传热系数496.6 计算管内传热面积516.7 传热管的长度516.8 R134a的流动阻力及其对传热管温差的影响526.9 空气侧的阻力计算537 辅助设备的选择547.1 贮液器的选择547.2 集油器的选择557.3 过滤器选择567.4 风机选型567.5 视夜镜选型587.6 单向阀597.7 循环水泵选型607.8 油分离器617.9电磁阀637.10 温度控制器658 制冷系统管路设计678.1 制冷管路678.2 制冷管路设计原则678.3 制冷管径及流速的选择68结束语70致 谢71参考文献723100KW空气源热泵热水器摘 要 本文主要介绍了空气源热泵热水器的工作原理、特点、国内外发展状况及其存在的问题。首先是从空气源热泵的概述、起源、发展历程等进行了介绍。然后通过对制冷的热力学基础分析，运用热力学第一定律进行整个系统的能量转换，并且通过计算说明所选取工况的合理性。 本次的毕业设计，是在查询了大量的书籍资料的基础上进行的，每一个零部件的选择均进行了严格的计算，并参考有关行业标注和国家标准进行的选型确定，通过对实际物体的参考来进行的热泵热水器的设计。关键词 空气源/热泵/热水器/设计 100KW AIR-SOURCE HEAT PUMP WATER HEATERABSTRACTThis paper mainly introduces the working principle of the air source heat pump water heater, the air source heat pump water heater characteristics, development situation at home and abroad and the existing problems. What is introduced firstly is summary of the air source heat pump, the origin and development process. Refrigeration thermodynamic fundamental analysis to select a suitable cooling, and then the calculation of the thermodynamic cycle. By the first law law of thermodynamics, energy conversion of the entire system, and to select reasonable conditions adopted in the calculation of the coefficients of the refrigeration cycle.The graduation project, on the basis of checking on a large number of books and data, each selected component cost the rigorous calculation, and marked with reference to the relevant industry and national standards selection determine, through the actual object reference to the design of the air source heat pump water heater.KEY WORDS air-source,heat pump,water heater,design II1 绪论1.1 概述 当今世界，人类社会发展日益加速，无论是在工业，农业，还是第三产业服务业，高新技术产业，都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段。能源是每个国家可持续发展的最重要一环，据预测，到21世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中将占到50%以上，而随着人类生活水准的不断提高，各方面的能源消耗也呈攀升趋势。2006年2月16日,旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的京都议定书生效, 大力鼓励、推广绿色环保新能源及其应用产品成为必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的凸显唤起了人们对能源战略应用的重新思考,同时也将人们的目光引向了新型能源的开发与利用, 这促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。与此同时，为了减少能源消耗，利用空气能、太阳能、地热能、风能等绿色能源是解决这个问题的有效途径之一1 。在我国, 随着人类生活水准的不断提高，热水能耗越来越大,卫生热水节能已成为不容忽视的问题。这就催生了新一代热水器空气源热泵热水器。1.2 热泵热水器1.2.1 空气源热泵热水器发展概况1.2.1.1 国内发展状况 空气源热泵技术在我国的研究已有很长的历史,但是真正得到快速发展、普遍应用则是最近十几年到20年的事情,主要是用在制冷空调系统上,如家用空调器、商用多联机组及工业工艺用的制冷制热设备等。而空气源热泵热水器在我国兴起没多少年,还有许多问题需要解决。 首先，空气源热泵热水器的设计：简单从原理上看,似乎只要把热泵空调器用于采暖的热变成热水就可以出产品了,其实不然。热水器产热水的温度要求在55,所以,它不仅有着与采暖热泵同样的,即在寒冷地区冬季如何产热的问题,还有必须能在炎热地区以供热的工况运行产热(此时空调是产冷)的问题。因此,它的运行使用工况诸如冷凝温度、最大压差、最高蒸发压力等都与热泵空调有着较大的差异,因而给压缩机和制冷工质带来了新问题。这些问题在热泵热水器的设计中必须予以解决,否则,其产品就有着较大的地域和使用时段的局限性,甚至超出使用条件而毁坏。目前,国内空气源热泵热水器的工质主要是R22,在冷凝温度55时,压缩机排气压力接近,而对于常规的空调用制冷压缩机来说,其排气压力是有限制的,最高值一般为26, 因此,冷凝压力和冷凝温度也相应的受到限制,加热最高水温受到限制。反过来说,过高的水温,会使机组的冷凝压力升高, 排气温度升高, 不但使机组的能效比下降, 甚至使机组不能正常工作, 严重时可能损坏压缩机。因此在文献2 中提出, 热泵热水器的自我保护设计必不可少。当热泵热水器在夏季运行时, 环境温度高, 作为蒸发器的空气换热器负荷增大很多,直接的后果就是蒸发温度、吸气过热度过高,因此吸气压力、吸气温度高。文献指出了吸气压力、温度高的危害并提出解决的办法。它还指出空气源热泵热水器在冬季运行容易出现的问题,比如结霜问题,由于蒸发温度低带来的制热效率低的问题等；冲灌量对热泵热水器性能的影响：热泵热水器与其他制冷装置一样,制冷剂的冲灌量与热水器性能有很大关系。制冷剂充注量过多或过少都将影响制冷装置的工作性能。空气源热泵热水器因其特殊的变工况运行条件,充注量的变化对系统的工作性能影响更大,同时系统对充注量多少的要求与常规的热泵空调不同。文献中做了大量试验来分析冲灌量对空气源热泵热水器的影响,讨论了包括对系统的运行功率、蒸发压力、冷凝压力、蒸发器的过热度、COP的影响,并得出结论:1) 充注量过少,蒸发、冷凝压力低,系统运行最大功率低,COP低, 系统加热时间变长; 如果充注量过多,蒸发、冷凝压力高,系统运行最大功率高,对系统损耗大,COP也不高,在最佳充注量附近系统运行性能对充注量的改变不敏感。2) 在实际的制冷剂充注中应尽可能保证蒸发器出口有一定的过热度裕量(12), 这样既可以保证系统稳定运行也可使得COP较高, 这一点可作为系统最佳充注量的一个判断依据2 。1.2.1.2 国外发展状况空气源热泵技术1924年就已在国外发明。然而在很长的一段时间里并没有被人类充分地认识和运用。直到20世纪60年代，世界能源危机爆发以后才受到充分的重视，所以此后世界各国纷纷加大了研发力度，进一步推广了热泵技术，使得目前热泵技术已经比较广泛地使用。欧盟 2008年9月11日，欧盟议会工业研究及能源委员会（ITRE）通过一项提案，明确规定将所有类型的热泵应用视为使用可再生能源技术。随着所有类型的热泵（环境空气热源、环境水热源和地热源）均被纳入可再生能源技术范畴，加之提案要求所有欧盟成员国都遵守新规定的内容，即促进或强制要求在新建和现有建筑中使用可再生能源技术，这使得欧盟的热泵市场得到大幅提升。按有关规定，2020年，在欧盟地区住宅的热能需求中，以可再生能源满足的比例将不低于15。利用太阳能热水器或热泵与电热水器或燃气热水器混合配置，是目前实施可再生能源指令最常见的方案。目前，欧盟的热泵机组中约有一半为空气源热泵，剩下的是地源或水源热泵。而且，这些热泵装置多数用于采暖，只有少量整体式空气源热泵利用室内排风作为热源或在浴室进行空气除湿时制热，用于制取生活用热水。这种运行方式决定了空气侧的流量不能太大，否则会导致室内温度出现较大变化。日本 日本是最早普及热泵应用的国家，第一次石油危机后，从能源安全的基本目标出发，日本将节能作为基本国策。由于热泵技术具有显著的节能效益，家用热泵型空调技术取得较大发展，到20世纪80年代中期，日本已基本普及家用热泵型空调。而利用热泵技术制取生活用热水，则是在热泵型空调系统基础上，加装热能回收装置和热水储存装置演变而成，这类与家用空调装置组合的热泵热水器，直到今天仍然是日本市场的主流产品。据日本制冷空调工业协会（JRAIA）统计，2009年，日本热泵热水器的产销量约为110万台，其中约60万台是用于空调或采暖的多功能组合型产品，仅具有制取生活热水功能的产品为50万台左右。为提高空气源热泵的冬季运行性能，日本企业和相关研究机构多年来进行了不懈的努力。20世纪80年代投放市场的变频驱动产品，大幅提高了低温运行条件下的供热能力和运行效率；90年代投放市场的采用直流调速技术的产品，在低温运行条件下的供热能力和运行效率进一步提高；21世纪初，适应-20和-25低温环境的热泵产品和采用二氧化碳跨临界循环技术热泵热水器相继上市。在日本，空气源热泵可以全年全天候满足住宅用户的空调制冷、采暖制热和生活热水供应等需求，目前热泵的全年能耗水平已降至20世纪80年代初的1/3左右。总体而言，目前日本热泵热水器的产业规模和技术水平在全球处于领先地位，主要制造商有松下、三洋、日立、大金、三菱电机等。 在日本市场中，按使用的制冷剂不同进行划分，热泵热水器主要有R410A和两大类，使用R134a等制冷剂的产品很少。使用的热泵热水器商品名为 EcoCute，译作生态精灵，该产品自2001年进入市场后，市场规模持续大幅扩大，目前的年增长率为20左右。日本具备空调制冷功能的热泵热水器，基本都使用R410A，同时也销售仅具备制取生活热水单一功能的R410A机型。与EcoCute相比，使用R410A的同类产品的最显著优点是价格较低。采用小容量热泵系统和大容量储水箱的配置方案是日本热泵热水器的特点。日本电网普遍采用价差较大的分时计费政策，深夜电网低谷负荷时段的电价约为基本电价的1/5，配备大容量储水箱可以在电网低谷负荷时段储存充足的热量，以满足全天的热水需求，一般情况下在非电网低谷负荷时段，热泵系统无需运行。而较小容量的热泵系统需要长时间持续运行，才能为大容量储水箱提供足够的热量，通常蓄热运行时间长达48小时，这种运行方式对均衡电网用电负荷较为有利。此外，较小容量的热泵系统有利于降低热泵系统的制造成本。 2009年7月，日本政府发布了能源供应结构改进法，仿效欧盟可再生能源指令将热泵利用的环境热源作为可再生能源。由于日本热泵应用量大面广，若热泵利用的环境热源作为可再生能源纳入统计数据，原定需要付出巨大努力才能在2030年实现的日本可再生能源利用目标，几乎一夜之间就可实现。美国 早在第二次世界大战期间，美国已经开始将热泵用于采暖，以缓解战争造成的电力供应不足。但是，受技术水平的制约，热泵装置相对于燃油采暖器具而言，结构复杂且故障率高，当战后能源供应恢复正常时，充足而廉价的石油供应使热泵的市场空间迅速消失，以至于到20世纪60年代，美国军方甚至明文规定不允许将热泵列入采购清单。然而，两次石油危机以及日本热泵普及应用取得空前成功，促使美国政府重新评估热泵的节能潜力，热泵装置在家用空调领域的应用逐步扩大。20世纪80年代，美国曾掀起热泵热水器开发热潮，当时在美国本土生产热泵热水器的企业约有10家，产品结构形式主要有四大类： 附加型（Add-on）。在既有的储水式热水器基础上，加装热泵单元，既可以改装电热水器，也可以改装燃气储水式热水器。通常储水式热水器与热泵单元的制造商分别为两家企业，新增的热泵单元相对独立，两者通过简单的接口相联系，最大限度减少两者的相互影响。 整体型（Drop-in）。这是最为常见的结构形式，热泵单元与水箱构成一个整体，标准配置通常包含配套电热器件。 过热蒸汽冷却器型（Desuperheaters）。利用热泵系统压缩机排气的过热状态的制 冷剂加热生活热水，加热生活用水的换热器与热泵装置的冷凝器是串联关系，该换热器既可以作为热泵的可选配件随热泵一并交付用户，也可以在用户既有热泵或空调制冷机上加装。 多功能集成型（Integrated and Full Demand Systems）。集空调制冷、采暖、生活热水、余热回收等功能于一体的集成系统，由一套热泵系统实现全部功能。不过，这类系统一般划入空调，即使是制热运行，采暖负荷一般为生活热水负荷的数倍。 到20世纪80年代末，美国热泵热水器累计安装数量约为2万台。进入90年代，不少热泵生产企业相继停产。虽然美国能源部和有关机构着手促进热泵热水器的应用，并取得不少研究成果，但是市场多年来一直未能突破年销量4000台的规模。目前，美国本土的热泵热水器制造商或品牌主要有通用电气、A.O.史密斯、Air -Tap、E-Tech、Geyser、 Aqual、Trevor-Martin等，部分产品是在国外生产后运往美国销售的。澳大利亚和新西兰的情况与美国有不少相似之处，整体式热泵热水器是主要的品种，经历20世纪80年代的热泵热水器发展高峰后，也在较长时间内处于停滞状态。 通用电气公司从2009年起开始销售需求响应型复合热源热泵热水器，该热水器的空气源热泵单元以小功率、高效率的持续运行作为基本模式，辅助电热元件在需要较高温度的热水进行消毒处理，或者热泵供热未能满足需求时投入运行。按需求响应运行，要求电热元件只在电网负荷低谷时段或者有临时特殊需求时投入运行，为用户节省电费。通用电气公司预计，一台储水容量约200L的复合热源热泵热水器平均每年可以减少2500kWh的电力消耗。该产品是通用电气公司开发的智能电网家电系列产品之一，主要针对电热水器市场，通用电气公司期待采用新技术的热泵热水器能够开拓庞大的热泵热水器潜在市场。 需求响应（Demand Response）即电力需求响应的简称，是指当电网负荷较高时，电动器具接收到供电网络传送的相应信号后，改变常规运行模式，减少或者推移某时段用电负荷，响应供电方要求，从而改善电网运行质量，同时降低用户电费支出。供电频率是反映电网运行状态的一个特征量，通过供电频率的测量基本可以确定电力供求情况的变化，供电频率提高意味着供过于求，反之则意味着供不应求。具有 需求响应功能的家用电器可以根据频率的变化及时调整运行状态，在基本不影响用户正常使用的情况下，稳定电网运行状态。在美国，住宅电力消费约占全部电力生产的37，厨房电器、照明、采暖和空调的耗电量约占美国家庭电力消费的82。需求响应型家用电器是通用电气公司零净能耗住宅开发计划的主要内容，迄今该公司已成功开发出冰箱、洗衣机、热泵热水器等一系列具有需求响应功能的产品。目前，欧盟和美国一些家电制造企业也在积极开发类似的产品。1.2.2空气源热泵热水器的原理、特点 热水器就是指通过各种物理原理，在一定时间内使冷水温度升高变成热水的一种装置。目前我国市场上的热水器主要有：电热水器、燃气热水器、太阳能热水器及空气源热泵热水器。电热水器由电能通过电热丝、陶瓷管、或电热膜式加热管等方式加热水，加热管直接接触水，电能理论百分百转换为热能，是热效率较高的一种。电热水器有两种形式：一种即热式电热水器一般功率较大，普通居民家庭的电线线路难以承受，并且由于加热时水电不分离，存在较大安全隐患；另一种热水器是贮水式，需要长时间预热，并且受容积限制，出水量小，同时还要考虑到水箱保温、密闭性能的影响，存在着一定安全隐患。燃气热水器以燃烧天然气或管道煤气作为热源，即开即用，使用方便、不受时间限制，但能耗较高，热效率差，而且有时出水不稳定，使用罐装液化气的用户，存在着“换气”等不便问题，在大部分农村地区就不适合使用；由于燃气在通风不当、不充分燃烧时容易产生一氧化碳中毒，故存在着较大的安全隐患；燃烧后的产物排放也会对环境造成一定污染。太阳能热水器以洁净太阳能作为能源，基本不消耗其他能源，能源效益高，但初投资大成本高，体积庞大，安装位置受到限制，并且对外界气候环境条件要求苛刻，阴雨天时不可用，特别是冬季水温经常达不到正常要求，往往还需要附加其它电加热设备4 。“空气能”热水器是一种采用空气热能生产热水的热水器。通过电能驱动空气压缩机搬运空气中的热量，通过冷媒的膨胀和压缩实现与水的热交换。它是继燃气热水器、电热水器和太阳能热水器之后的第4代热水器，综合电热水器和太阳能热水器的优点安全、节能、环保型热水器，可一年365天全天候运转，制造相同的热水量，使用成本只有电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，太阳热水器的1/2。在我国，空气源热泵热水器目前按销售领域来说，热泵热水器厂家主要是生产商用机（工程机），还有部分家用机型。对于此类产品，按热源来源来分主要分为：空气源热泵热水器；水源热泵热水器。按加热方式来分主要分为：一次加热式热泵热水器；循环加热式热泵热水器；静态加热式热泵热水器。按结构方式来分主要分为：整体式热式热泵热水器；分体式热式热泵热水器。目前市场上较多的空气源热泵热水器，主要有分体机和一体机两种类型，但多为容积式换热器，热泵机组的冷凝器直接置于承压水箱中达到制取热水的目的，其主要特点是系统简单、换热效率高、工作成本低、制造价格相应较低、分体机安装方便、对环境影响小，但安装人员需要一定的安装技术，主机相当于分体空调室外机，水箱相当于分体空调的室内机，小容量可以壁挂，大容量落地安装，一体机体积较大，占用地方较大、噪声也大，只能落地安装，主要优点是不需要太多的安装技术，只要通电通水就可以工作。自然界中，水总是往低处流，热量总是从高温自发的传向低温，这些自然现象很容易发生。那么，水如何流向高处呢？这就需要借助于水泵的力量。类似的，我们也可以利用热泵将热量由低温传递到高温。故热泵实际上是一种热量的提升装置，它主要是利用逆卡诺循环的原理，从周围环境中吸取热量，然后将它传递给需要加热的对象（一般是温度较高的物体）。一台压缩式热泵装置，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和 膨胀阀四部分组成，通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量）压缩（压缩为高温高压气体）冷凝（放出热量到需要加热的对象中）节流（降压）再蒸发的热力循环过程，将环境里的热量转移到水中（如图1所示）。热泵在工作时，把环境介质中储存的能量在蒸发器中吸收；压缩机消耗部分电能QB；通过工质循环系统最后在冷凝器中放热，。由此看出，热能输出的能量为压缩机之功与热泵从环境中吸收的热量之和。故热泵技术可以节约大量的电能，从而降低能源消耗，实现绿色发展。 图1-1 空气源热泵热水器工作原理图 同其他型式的热水器相比，热泵热水器的主要特点如下【3-11】 :1）超大水量：水箱容量根据具体要求量身订做，水量充足，可满足不同客户不同时段需求。2）经济节省，高效节能：从空气中获取大量的能源，能效比高达300%400%。根据使用规律设定热水器自动运行时间，费用自然节省。3）适用范围广：不受阴雨天等气候影响，在环境温度为-1043下均能正常工作，可广泛应用于家庭、宾馆、酒店、学校、医院、集体宿舍、住宅小区、桑拿等集中供热。4）持久恒温：使用非常简单，整个热水器采用自动化智能控制系统，用户只需在初次使用时开一下电源，在以后的使用过程中完全实现自动化运行，到达用户指定水温时自动停机，低于用户指定水温时系统自行开机运行，完全实现一天24小时随时有热水而不用等候。5）安全环保：结构上水电完全分离，且无任何有害有毒气体排放或燃烧，不受台风等自然灾害的影响；克服了太阳能热水器只能安装顶楼、破坏屋顶的防水层和承重能力、影响市容的缺点。6）防冻功能：具有智能化霜功能，确保热水器在低气温环境下稳定运行，它可根据室外环境温度、蒸发器翅片温度和机组运行时间等多个参数综合、智能判断自动进入和退出化箱。7）安装方便：体积小巧 可以安装在任何地方，安装在室内不占用空间，也可以安装在室外，如屋顶、地面等露天放置，可以实现远程监控，占地面积小、安装简单，无需另设机房。8）蓄热运行：“移峰填谷”，充分利用晚间低谷电价运行。但热泵热水器也有其明显的缺点，尤其是空气源热泵热水器：1）热泵在冬季寒冷季节时的能效比是很低的，季节运行性能波动很大。2）成本较高。1.2.3 需要解决的问题及发展方向1.2.3.1 问题目前,空气源热泵热水器主要应用在长江以南的地区,这主要是因为在低温条件下,普通空气源热泵系统的运行性能会受到很大影响,主要表现在以下几个方面12 :1) 随着环境温度的降低,普通空气源热泵系统蒸发温度降低,在冷凝温度(或冷凝压力)不变的情况下,压缩机压缩比增大,超出了普通单级压缩系统正常运行的临界值(根据资料,容积式压缩机压缩比临界值一般为810), 压缩效率降低。2) 普通空气源热泵在低温环境下工作时,系统蒸发温度降低,压缩机压比增大, 输气系数减小,制热量减少,系统制热性能系数下降,经济性降低。3) 当环境温度降至0以下,蒸发温度过低时,压缩机压缩比增大引起排气温度过高,超过压缩机允许的工作范围,致使压缩机频繁启停,系统无法正常工作, 严重时会导致压缩机烧毁。针对以上情况,提出双级压缩热泵热水器系统,通过双级压缩中间冷却方式来解决压缩机压缩比过大排气温度过高的问题,提高热泵热水器系统性能。文章在系统的热力学分析基础上,给出了系统性能评价系数和各部件损失的计算式,通过对设定运行工况的计算,得出:系统在冷凝温度60和蒸发温度-30工况下,性能系数大于2,系统有用能损失主要集中在冷凝器端, 高、低压两压缩机 损失之和不到系统总损失的1/3。1.2.3.2发展方向我们知道,氟里昂破坏大气臭氧层,且有些氟里昂GWP(温室效应指数)值比较高,这就迫使人们寻找新的绿色制冷剂,欧洲人很推崇天然制冷剂,由此,天然制冷剂重新获得重视。它无毒、不可燃、不破坏臭氧层、GWP为1,除此之外,的单位容积制冷量是R22的5倍,流动性和传热性都很好。近年来,无论是国内还是国外都在研究在制冷空调的应用,这其中有很大一部分是应用在空气源热泵热水器上。美国、欧洲和日本等国家和地区研制出了热泵系统样机,并且与之相配套的压缩机已经批量生产,因此,我们有理由相信制冷系统将成为发展趋势。国内很多高校和研究部门对系统做了一些开创性的研究。通过实验研究,在蒸发温度0的条件下,把水从9加热至60,热泵热水系统的COP值可达4.3。以周围空气为热源时,全年的运行平均供热COP值可以达到4.0,与传统的电加热或者燃煤系统相比,可以节省75%的能量.文献14 对热泵热水系统及其压缩机、换热器、膨胀阀等各重要部件的研究状况做出介绍。由于跨临界循环中,冷凝压力相当高,这就给压缩机的设计带来了困难,各国都加大投资进行研发,这方面的介绍见文献。2空气源热泵热水器的组成2.1压缩机分类及特点制冷压缩机在制冷系统中的作用是将吸入的来自蒸发器的制冷剂蒸气,在经过压缩后使制冷剂蒸气变成高温高压的制冷剂气体,然后排到冷凝器,经过冷凝器的降温后气体冷凝,在节流装置下变成低温低压的气体流向蒸发器,制冷剂在蒸发器下进行蒸发吸热沸腾,变为制冷剂蒸气后又被压缩机的吸气管吸入,这样就使系统中的制冷剂在压缩机的动力作用不断循环流动。 制冷压缩机根据其对制冷剂蒸气的压缩热力学原理可以分为容积型和速度型两大类。 1 容积型压缩机 在容积型压缩机中，一定容积的气体先被吸入到气缸里，继而在气缸中其容积被强制缩小，压力升高，当达到一定压力时气体并被强制地从气缸排出。可见，容积型压缩机的吸排气过程是间歇进行，其流动并非连续稳定的。容积型压缩机按其压缩部件的运动特点可分为两种形式：往复活塞式（简称往复式）和回转式。而后者又可根据其压缩机的结构特点分为滚动转子式（简称转子式）、滑片式、螺杆式（又称双螺杆式）、单螺杆式、涡旋式等。 2 速度型压缩机 在速度型压缩机中，气体压力的增长是由气体的速度转化而来的，即先使吸入的气流获得一定的高度，然后再使之缓慢下来，让其动量转化为气体的压力升高，而后排出。可见，速度型压缩机中的压缩流程可以连续地进行，其流动是稳定的。在制冷和热泵系统中应用的速度型压缩机几乎都是离心式压缩机。按密封结构形式分类 制冷系统中的制冷剂应是不容许泄露的，这意味着系统中凡与制冷剂接触的每个部件都应是对外界是密封的。根据制冷压缩机所采取的防泄露方式和结构，可有三种不同的基本压缩机形式。1 开启式压缩机 以往复式为例，压缩机的曲轴的功率输入端伸出压缩机机体之外，再通过传动装置与原动机相连接。在伸出部分要用轴封装置防止轴段和机体间的泄露。利用这种轴封装置的隔离作用使原动机独立于制冷剂系统之外的压缩机形式称为开启式压缩机（通常，这种压缩机的制冷量较大）。若原动机是电动机，因它与制冷剂和润滑油不接触而无需具备耐制冷剂和耐油的要求。因此，开启式压缩机可用于以氨为工质的制冷系统中。2 半封闭式压缩机 采用封闭式的结构，把电动机和压缩机连成一整体，装在同一机体内共用一根主轴，因而可以取消开启式压缩机中的轴封装置，避免了由此产生或多或少泄露的可能性。图1-3是半封闭式压缩机（以往复式为例）的结构例子。从中可见，电动机室11内充有制冷剂和润滑油，这种与制冷剂和润滑油相接触的电动机被称为内置电动机。其端盖都是用垫片和螺栓拧牢压紧来防止泄露，因而压缩机内零部件易于拆卸修理更换。半封闭式压缩机的制冷量一般居于中等水平。3 全封闭式压缩机 全封闭式压缩机也象半封闭式一样，把电动机和压缩机连成一整体，共用一根主轴，它与半封闭式的差异在于，连接在一起的压缩机和电动机组安装在一个密闭的薄壁机壳中，机壳由两部分焊接而成，这样既取消了轴封装置，又大大减轻和缩小了整个压缩机的尺寸和重量，露在机壳外表的只焊有一些吸排气管、工艺管以及其它（如喷液管）必要的管道、输入电源接线柱和压缩机支架等。图1-4表示了全封闭式压缩机（以往复式为例）的结构剖面图。由于整个压缩机电动机组是装在一个不能拆开的密封机壳中，不易打开进行内部修理，因而要求这类压缩机的使用可靠性高，寿命长，对整个制冷系统的安装要求也高。这种全封闭结构形式一般用于大批量生产的小冷量制冷压缩机中。全封闭式制冷压缩机 全封闭式制冷压缩机的电动机和压缩机装在一起后，放入机壳中，上、下机壳接合处焊封。全封闭式制冷压缩机密封性好，但维修时需剖开机壳，维修后又要重新焊接，为此要求它有10-15年的使用期间，在此期间内不必拆修。绝大多数的全封闭式制冷压缩机采用立轴式布置，这样就可以用简单的离心式供油在立轴压缩机中，有的电动机位于上部，有的电动机位于下部。GL系列压缩机的电动机位于上部。从吸气管吸入的制冷剂穿过电动机外壳，再经过转子和定子之间的间隙进入气缸。蒸气在气缸内压缩后，经排气消声器流出机壳。由于吸气充分冷却。电动机上部的空间起第一吸气消声室的作用，电动机下部与机体之间的空间起第二吸气消声室的作用。电动机位于上部有利于压缩机的润滑14 。由实践可知：1 就性能来讲，涡旋式最好，滚动转子式次之，往复式最差。2 就成本价格而言，相同制冷能力的压缩机，涡旋式滚动转子式往复式。据目前的条件，往复式使用技术最成熟，设计中选用往复式压缩机。2.2 冷凝器分类及特点冷凝器是制冷装置的主要热交换设备之一。它的主要任务是通过环境介质（空气或水）将压缩机排出的高压过热制冷剂蒸汽冷却、冷凝成为饱和液体，甚至过冷液体。在大型制冷机中，有的设置专用过冷器与冷凝器配合使用，使制冷剂液体过冷，以增大制冷机的制冷量，提高其经济性。2.2.1 冷凝器的结构冷凝器按冷却方式分为三类：水冷式冷凝器，空气冷却式冷凝器，蒸发式冷凝器。1 水冷式冷凝器这种形式的冷凝器是用水作为冷却介质带走制冷剂冷凝时放出的热量。冷却水可以一次性使用，也可以循环使用。循环使用时必须配有冷却塔或者冷水池，保证水不断得到冷却。水冷式冷凝器主要有壳管式冷凝器与套管式冷凝器。(1) 壳管式冷凝器 分为立式和卧式冷凝器。采用哪一种形式制冷机与使用哪一种制冷剂有关。一般立式壳管式冷凝器用于大型氨制冷系统，而卧式壳管式冷凝器则普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷系统中。 图2-1 左为立式冷凝器，右为卧式冷凝器其壳内管外为制冷剂，管内为冷却水。壳体的两端管板上穿有传热管。壳体一般用钢板卷制（或直接采用无缝钢管）焊接而成。管板与传热管的连接方式可采用胀接法和焊接法，一般胀接法更便于修理和更换传热管。 1) 卧式壳管式冷凝器 除上述壳管式冷凝器器的一般特点外，卧式壳管式冷凝器在管板外侧设有左右端盖，端盖内侧设有满足水流程需要的隔腔，保证冷却水在管程中往返流动，使冷却水从一侧端盖的下部进入冷凝器，经过若干个流程后由同侧端盖的上部流出。国产卧式壳管式冷凝器一般为410个流程。在端盖的上部和下部设有排气和放水阀，以便装置启动运行时排出水侧空气，或在停止运行时排出管内存水，防止冬季时冻裂传热管。表2-1 面积热流量与质量流速热流密度12002300580011600R12质量流速R12质量流速 2）立式壳管式冷凝器 立式壳管式冷凝器以适合立式安装而得名。与卧式壳管式冷凝器不同之处在于它的壳体两端无端盖，制冷剂过热蒸汽由竖直壳体的上部进入壳内，在竖直管簇外冷凝成为液体，然后从壳体下部引出。壳体的上端口设有配水槽，管簇的每一根管口装有一个水分配器，冷却水通过该分配器上的斜分水槽进入管内，并沿内表面形成液膜向下流动，以提高表面传热系数，节约冷却水循环量。冷却水由下端流出并集中到水池内，再用水泵送到冷却塔降温后，可循环使用。 （2）套管式冷凝器 它是由不同直径的管子套在一起，并弯制成螺旋形或蛇形的一种水冷式冷凝器。如图所示图2-2 套管式冷凝器制冷剂蒸汽在套管间冷凝，冷凝液从下面引出，冷却水在直径较小的管道内自下而上流动，与制冷剂成逆流式，因此传热效果较好。当水速为12m/s时，传热系数K在930W/M2K左右.该冷凝器结构简单、制作方便。但是在套管长度较大时，下部管间易被液体充斥，使传热面积不能得到充分利用，而且金属耗量较大，一般只在小型氟利昂制冷装置中使用。2 空气冷却式冷凝器这种冷凝器以空气为冷却介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂放出的热量。由于空气的传热系数较小，管外（空气侧）常常要设置肋片，以强化管外换热。按空气流动的方式不同此类冷凝器分为空气自由运动和空气强制运动两种形式。（1） 空气自由运动的空冷冷凝器 该冷凝器利用空气在管外流动式吸收制冷剂排放的热量后，密度发生变化引起空气的自由流动而不断地带走制冷剂蒸汽的凝结热。它不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置。目前应用非常普遍的是丝管式结构的空气自由运动式冷凝器。（2） 空气强制流动的空冷冷凝器 如图所示，图2-3 强制空冷冷凝器它有一组或几组带有肋片的蛇形管组成。制冷剂蒸汽从上部集管进入蛇管，其管外肋片用以强化空气侧换热，补偿空气表面传热系数过低的缺陷。肋片一般采的铝片制成，套在的铜管外，由弯头连接成蛇形管管组。肋片根部用二次翻边与管外壁接触，静机械过液压胀管后，两者紧密接触以减少其传热热阻。一般肋片距离在范围。由低噪声轴流风机迫使空气流过肋片间隙，通过肋片接管外壁与管内制冷剂蒸气进行热交换，将其冷凝成为液体。适用于中、小型氟利昂制冷装置。它具有结构紧凑、换热效果好、制造简单等优点。纯铜管铝肋片空气强制流动热交换器的典型结构参数：一般60KW以下的装置多采用纯铜管，管间距25mm；或纯铜管，管间距35mm，管壁厚度为；其肋管排列方式可顺排，也可叉排；肋片间距在范围。风速一般控制在范围内。空气进出冷凝器的温差一般取。为提高换热面积的利用率，管排数以取排15 。3 蒸发式冷凝器图2-4 蒸发式冷凝器 蒸发式冷凝器（Evaporative condenser)又叫蒸发冷、冷却器，是由制冷利用盘管外的喷淋水部分蒸发时吸收盘管内高温气态制冷剂的热量而使管内的制冷剂逐渐由气态被冷却为液态的一种设备。 制冷蒸发式冷凝器是由专用轴流风机、喷淋嘴、电子水除垢仪、集气囊、PVC换热片、高效脱水器、冷却管组、填料集水槽、水泵、收水器、箱体等部件组成。 换热管采用多种形式，常用的有碳钢热浸锌管（又分圆管和椭圆管）、铝合金管、不锈钢管（又分314/316圆管、波接管 ）；其中碳钢热浸锌型蒸发式冷凝器为最早开始使用的产品且占有国内大部分的用户主要用于高压气体冷凝、冷却，适用压力范围在030MPa；铝合金型蒸发式冷凝器为新型节能型新一代产品适用于冰机制冷剂冷凝，适用压力范围在05MPa；不锈钢管蒸发式冷凝器主要用在一些化工厂的腐蚀性气体冷却及冷凝工艺中。 制冷蒸发式冷凝器的外壳一般用镀锌板喷塑，后因不耐腐蚀，逐渐采用了镀铝锌板喷塑，市场上最新使用的是镀铝镁锌板，这种板材有不锈钢的特点，不生锈，外观好看，易加工。轴流风机强迫空气从顶部和侧壁下部被吸入流经盘管，填料、饱和热湿空气则被排到周围大气中，热湿空气中夹带的部分水滴通过收水器截留，有效地控制水滴飘散损失，散失致大气中的水蒸气在系统中由浮球阀控制补充冷却水。综上所述，卧式壳管式冷凝器使用范围广泛、传热性能好、造价适中，故选卧式壳管式冷凝器。2.3节流装置分类及特点节流阀是最常用的节流机构，也是种类最多的节流机构，其主要种类和用途为：手动节流阀 它是所有膨胀阀的原型和基础，通常用于试验用制冷装置、作为其他节流机构的备用件、制冷装置定型试验等。有直角式和直通式两种，与管路的连接方法有管接头、焊接、法兰连接三种。卤代烃制冷剂用的手动节流阀一般为铜制，流道公称直径为，氨用手动节流阀一般用铸铁和钢制成，少数为不锈钢制成，目前，手动节流阀全部为定型产品。浮球阀，他利用液位控制通断和流量的节流机构，适用于具有自由液面容器的系统，如设有满液式蒸发器、中间冷却器、高压贮液器等容器的系统，目前，多用于氨制冷系统。工作原理：浮漂始终都要漂在水上，当水面上涨时，浮漂也跟着上升。漂上升就带动连杆也上升。连杆与另一端的阀门相连，当上升到一定位置时，连杆支起橡胶活塞垫，封闭水源。当水位下降时，浮漂也下降，连杆又带动活塞垫开启。浮球阀是通过控制液位来调节供液量的。满液式蒸发器要求液面保持一定高度，一般适合采用浮球膨胀阀。浮球阀工作原理是依靠浮球室中的浮球受液面作用的降低和升高，去控制一个阀门的开启或关闭。浮球室置于满液式蒸发器一侧，上下用平衡管与蒸发器相通，所以两者的液面高度一致。当蒸发器中液面下降时，浮球室液面也下降，于是浮球下降，依靠杠杆作用使阀门开启度增大，加大供液量。反之亦然。塑料浮球阀具有自动开启、关闭管路，以控制水位的功能。采用优质铜材精制而成，其体积小安装简便，启用灵敏度高，水头损失小、无水锤现象，能大大提高水塔(池)利率。图2-5 浮球阀小孔式浮球阀具有自动开启、关闭管路，以控制水位的功能。对于新建水塔(池)，由于浮球体积的大大缩小，而使水塔(池)，上部应留给浮球自由浮动所需的高度也相应减小，降低了水塔(池)的造价，它克服了老式杆浮球阀体积大，易损坏，工作不可靠而大量滋水弊病。它是您理想的水塔(池)自动控制水位的最新型阀门，对于现有的水塔(池)需更换老式的浮球阀更是合适更新换代产品。不锈钢浮球阀与塑料浮球阀的功能几乎一样，但不锈钢浮球阀的价格却比塑料浮球阀的价格高出许多热力膨胀阀，它是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量的节流机构，能够适用于各种系统。功能：热力膨胀阀实现冷凝压力至蒸发压力的节流，同时控制制冷剂的流量；它的体积虽小，但作用巨大，它的工作好坏，直接决定整个系统的工作质量，以最佳的方式给蒸发器供液，保证蒸发器出口制冷剂蒸汽的过热度稳定，感温包必须与压缩机的吸气管良好的接触从而准确的感应压缩机的吸气温度，通常充注着与制冷系统内部相同的制冷剂，从而实现通过感温包反馈回来的压力即是压缩机吸气温度对应的该种类型制冷剂的饱和压力，通过膨胀阀确保了在运行环境发生变化时(比如热负荷变化)，实现蒸发器最优及最佳的供液方式，感温包的充注量只根据在某一特定的温度下完全感温包内液态制冷剂完全蒸发来进行修正的，这就等于给作用在膨胀阀膜片上方感温包反馈回来的压力规定了一个上限，因为如果管壁表面温度继续增高，只会增加感温包内部气态制冷剂的温度(处于过热状态)，而压力基本上不再改变。按照平衡方式不同，膨胀阀分为外平衡式和内平衡式。在专用空调中，由于蒸发器有分路并采用莲蓬头分液器，压降比较大，造成蒸发器进出口温度各不相同。在这种情况下，使用内平衡式膨胀阀会因蒸发器出口温度过低而造成热力膨胀阀过度关闭，以至膨胀阀丧失对蒸发器的供液调节功能。所以专用空调均采用外平衡式膨胀阀，采用外平衡式可以避免膨胀阀过度关闭的情况，保证有压降的蒸发器也得到正常的供液。热电膨胀阀：它是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，能够适用于各种系统。电子膨胀阀：有电磁式和电动式两类，利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，需要与单片机控制系统配套，适用于各种系统。电子膨胀阀是一种新型的节流装置，它由微处理器进行控制，它的出现实现了微机直接控制和调节制冷循环.电子膨胀阀有步进电机型和电磁线圈型两种结构形式。电磁线圈型严格地说是一种电磁膨胀阀。目前现在我们说的电子膨胀阀通常指的是步进电机型。它由阀体、阀芯、波纹管、传动机构和脉冲步进电机等组成。脉冲步进电机是驱动机构，波纹管是将制冷剂通道与运动部件隔开，以防制冷剂泄露。传动机构的作用是将电机的旋转运动转变为阀芯的往复运动。传动机构有两种，减速式传动机构包括齿轮副、罗纹副、传动杆等。直动式传动机构没有齿轮副。电子膨胀阀的特点是调节范围大、动作迅速灵敏、调节精密、稳定可靠。制冷剂在电子膨胀阀中可以正、逆两个方向流动，避免了热力膨胀阀只有一个方向的缺点。用于热泵时可使制冷系统大为简化。制冷系统停机时，电子膨胀阀可以完全关闭，使制冷剂进口处无需安装电磁阀16 。综上所述，根据此系统的压差，选外平衡式热力膨胀阀。2.4 蒸发器分类及特点蒸发器也是一种间壁式热交换设备。低温低压的液态制冷剂在传热壁的一侧气化吸热，从而使传热壁另一侧的介质被冷却。被冷却的介质通常是水或空气，为此蒸发器可分为两大类，即：1 冷却液体（水或盐水）的蒸发器，这种蒸发器又可分为卧式壳管式蒸发器（制冷剂在管外蒸发的为满液式，制冷剂在管内蒸发的称干式），和立管式冷水箱。2 冷却空气的蒸发器，这种蒸发器有可分为两大类，一类是空气做自然对流的蒸发排管，如广泛使用于冷库的墙排管、顶排管，一般是做成立管式、单排蛇管、双排蛇管、双排U形管或四排U形管式等型式；另一类是空气被强制流动的冷风机，冷库中使用的冷风机系做成