150L即热式热泵热水器——毕业论文

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计（论文） 题 目 150L 即热式热泵热水器 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 目目 录录 摘摘 要要. 英文摘要英文摘要. 1 前言前言.1 1 1.1 选题背景 .2 2 1.2 研究意义3 3 1.3 热泵热水器运行原理及研究发展现状 3 3 1.3.1 热泵热水器的分类 4 4 1.4 方案选择与论证9 9 2 设计计算设计计算1313 2.1 系统的热力计算 .1313 2.2 压缩机的选取 .1515 2.3 换热器的设计计算 .1616 2.3.1 套管式冷凝器的设计计算1616 2.3.2 风冷式换热器设计计算1919 3 节流机构的选择节流机构的选择.2727 3.1 节流机构概述 .2727 3.2 节流机构的分类 .2727 3.3 电子膨胀阀的选择 .3333 4 4 其他辅助设备的计算与选型其他辅助设备的计算与选型.3535 4.1 气液分离器的计算与选型 .3535 4.2 电磁阀的选取 .3636 结论结论 3636 结束语结束语.3636 致致 谢谢.3838 参考文献参考文献.3939 150L 即热式热泵热水器 II 150L 即热式热泵热水器即热式热泵热水器 摘 要 本文简单介绍了空气源热泵热水器的优点、工作原理.分析了空气源热泵热水器 的设计要点。空气源热泵热水器具有节能、环保的特点. 空气源热泵热水系统利用 空气作为低温热源制取热水, 是可持续发展的技术之一。 空气源是一种具有节能效益和地球环保效益的空调系统的冷热源, 是可持续发 展的可行性技术之一, 自 20 世纪 40 年代推出至今, 已广泛应用于办公楼、宾馆、 娱乐业、厂房、住宅等暖通工程中。空气源热泵热水器作为一种以空气为低温热源, 经电能做功从低温侧吸收热量来加热生活用水,热水通过循环系统直接送入用户,以此 作为热水供应或利用风机盘管来进行小面积采暖。 本论文的主要内容是空气源热泵热水器的方案布置、参数的选择以及制热工 况下相关的理论计算，从而选择出合适的压缩机和节流机构，并进行冷凝器和蒸 发器的设计。本论文选择的是涡旋式压缩机、套管式冷凝器和翅片式蒸发器，通 过本次对空气源热泵热水器的设计计算，为我们以后进一步对其优化与改善打下 了良好的基础。 关键词：空气源热泵/热水器/制热循环 150L 即热式热泵热水器 III 150L HEAT-PUMP WATER HEATER ABSTRACT This paper introduces the advantage and working principle of air/water heat pump water heater. Air source heat pump water heater is energy-conservation and environmental protection. Air sources heat pump water heater is one of sustainable technique which uses low temperature air as source to heat water . Air source is a kind of energy efficiency and global environmental benefits of air conditioning systems and heat source, the feasibility of sustainable development one of the technologies, since the 20th century since its introduction 40 years, has been widely used in office buildings, hotels, entertainment, factories, residential and other HVAC project. air source heat pump water heater with air temperature a heat source, power acting upon the side from the low temperature heat to heat water absorption, hot water directly into the user through the circulatory system, as water supply or use of fans coil for heating a small area. The main contents of this paper is to air source heat pump water heater program layout, the choice of parameters and heating condition related theoretical calculation, and choose the appropriate compressor and throttle mechanisms, and for the condenser and evaporator design. The paper chose scroll compressor, condenser and finned tube evaporator, Through the air source heat pump water heater to the design and calculation for us to further optimize later and laid a good foundation. Key words：Air source heat pump, water heater, heating cycle 前 言 1.1 选题背景18 空气源是一种具有节能效益和地球环保效益的空调系统的冷热源, 是可持续发 展的可行性技术之一, 自 20 世纪 40 年代推出至今, 已广泛应用于办公楼、宾馆、 娱乐业、厂房、住宅等工程中1。 随着经济的快速发展与人们生活水平的提高,生活热水已成为人们生活的必需品, 然而传统的热水(包括电热水器、燃油热水器、燃气热水器) 具有能耗大、费用高、 污染严重等缺点;太阳能热水器虽说节能环保,但其运行又受到气象条件的制约。与此 相比,空气源热泵热水器作为一种以空气为低温热源,经电能做功从低温侧吸收热量来 加热生活用水,热水通过循环系统直接送入用户,以此作为热水供应或利用风机盘管来 进行小面积采暖2。 1.2研究意义 热泵热水器与传统热水器的耗能经济比特性显著。与传统太阳能相比,热泵热水 器不仅可吸收空气中的热量,还可吸收太阳能。热泵热水器通过制冷剂温差吸热和压 缩机压缩制热后,与水换热,大大提高热效率,充分利用了新能源,是将电热水器和太阳 能热水器的各自优点完美的结合于一体的新型热水器。由于太阳能热水器受天气影 响显著,因此分配电辅助加热型与配热水锅炉型,其投资年费用与太阳能节能效果相近 3。 空气源热泵热水系统在节能与环境保护方面的优势明显，其效能的发挥受使用 条件限制。当室外气温5时，空气源热泵机组的 COP 值一般在 2-6，平均可以达 到 3 以上；其能源利用效率为电加热器的 3-4 倍以上，比一般热源节能 30%-80%， 是效率最高、节能最多的供热方式4。 1.3热泵热水器运行原理及研究发展现状 1.3.1 空气源热泵热水机组运行原理和特点 150L 即热式热泵热水器 1 空气源热泵热水机组通常由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀 4 部分构成， 传热工质在机组内封闭运行，并通过冷凝器和蒸发器与外部发生热交换，如图 1 所示。 传热工质通过蒸发器从空气中吸收热量，由低压汽、液混合态变成低压汽态， 进入压缩机压缩后变成高温高压气体；再通过冷凝器向水中释放热量，冷凝后传热 工质变成高压液体，经膨胀阀后变成低压汽、液混合态，同时温度降低，回到蒸发 器，完成循环。如此周而复始，达到制热水的目的。 空气源热泵热水机组目前常用的传热工质有 R22 和 R134a，机组用性能系数 COP 来评价其运行效率，COP 的计算公式如下： COP=制热功率/ 输入功率 在标准工况下，机组的 COP 值通常4。对不同的传热工质、压缩机类型、容量 和种类的机组，其 COP 值会有些差异。在运行中，影响热泵机组 COP 值的主要因素 是蒸发器和冷凝器外部介质（空气或水）的工作温度，以及它们之间的温差。两者 之间的温差越大，COP 值就越低，反之，COP 值就越高。 空气源热泵热水机组的运行特点是机组出水温度过高，当需要高温热水时，需 采用辅助热源；被加热水 1 次温升通常为 5，故采用蓄热运行。另外，机组均有 最佳运行工况，这时的 COP 值最高，当运行工况偏离时， COP 值降低，偏离过大时 150L 即热式热泵热水器 2 甚至不能正常工作4。 1.3.2 热泵热水器的分类 热泵热水器有很多种分类,目前国内外市场热泵热水器按其低温热源来分主要有 两种:一种是以空气为热源的热水机,称为空气源热泵热水器;另一种是以水为直接热 源或作为传热介质传递热量的热泵热水机,称为水源热泵热水器。由于空气热源是一 种广泛存在、平等给予和可以自由利用的低品位能源,所以空气源热泵热水器的应用 较为广泛5。 1.3.3 空气源热泵热水器的结构 热泵热水器有户内整体机、户内分体机、户外分体机 3 种,其结构见图 356。 户内整体机 户内整体机的主机和蓄水箱为一体,置于室内。由于冬夏季室内温度均比较稳定,空 气源热泵热水器的性能受室外温度的影响较弱。户内整体机主要有两种结构:下置式 户内整体机,主机置于蓄水箱下部,冷凝器盘管位于蓄水箱下部; 上置式户内整体机, 主机置于蓄水箱上部,冷凝器盘管位于水箱上部。 150L 即热式热泵热水器 3 两种结构的户内整体机的压缩机回油方式不同。主机置于蓄水箱下部有利于压 缩机的回油。主机置于蓄水箱上部时,压缩机回油较困难,润滑油易沉积在冷凝器盘 管内影响传热,压缩机因缺油增加磨损,可采取安装油分离器等措施。户内整体机工 作时吸取室内空气中的热量,对室内温度略有影响。夏季吹出的冷风有利于降低室内 温度,冬季工况下则对保持室内温度不利。 户内分体机 户内分体机与户内整体机的不同在于蒸发器与主机分离,安装在外墙上或室内排 风口处。蒸发器与主机连接的制冷剂管道较长,需要保温。蒸发器安装在室内卫生间 排风口时,换热后的空气直接排放至排风竖井内。蒸发器风机单独控制,可省去原有 的换气扇。 户外分体机 户外分体机将主机置于室外,蓄水箱置于室内,降低了室内噪声。主机置于室外 时,必须考虑低温环境和高温环境对机组制热性能的影响7。 150L 即热式热泵热水器 4 根据设计内容，我最后选择户外分体机结构的热泵热水器。 1.3.4 蒸发器的结构形式 热泵热水器的蒸发器主要有三种形式：强制空气对流换热翅片式盘管（与空 调换热盘管类似） ，自然空气对流换热平板（与冰箱散热板类似） ，太阳能加热平板 （与平板式太阳能吸热板类似） 。后两种蒸发器结构因加工工艺复杂，吸热能力小 （只适用于家用小型机） ，安装不方便，除霜困难，因而很少采用。而翅片式盘管加 工工艺成熟，工作可靠，能适应各种大小换热量的要求，故应用最广泛8。 1.3.5 空气源热泵热水器在我国的应用情况 国外的空气源热泵热水器市场已经相当成熟,在欧美大多数发达国家使用的比 例有的高达 70%,与我国的毗邻国家如新加坡、马来西亚等也是热泵热水器使用比较 普遍的国家,而在中国的香港和台湾地区也有将近 50%的推广使用力度。据市场的统 计数据来看,2002 年,不到 1000 万元,2003 年,达到了 3000 万元,2004 年达到 1 个亿, 2005 年,超过三个亿。 2003 年以来,在厦门投入使用的热泵热水机的工程项目超过 100 项,今后必将有广阔的发展和应用空间9。 1.3.6 提高空气源热泵热水器性能途径 1、优化空气源热泵热水器控制系统 （1）设计多模式流程控制，提高系统全年运行性能 空气源热泵热水器产品标示的性能系数是名义工况时的性能系数，研究表明环 境温度对空气源热泵热水器的性能系数影响显著，环境温度 30附近时系统运行性 能最佳，因此对同样的空气源热泵热水器产品使用时间及环境不同，运行时性能系 150L 即热式热泵热水器 5 数也不同。若采用单一控制模式，由于环境的变化，空气源热泵热水器大部分时间 运行性能系数不高。为了充分发挥空气源热泵热水器的节能优势，在空气源热泵热 水器控制系统设计时，可根据用户需求不同、典型的季节变化特点及每天的温度变 化规律设计午间模式、冬季节能模式、谷电模式等多模式流程控制系统，供用户选 择，可有效提高空气源热泵热水器全年的运行性能。 午间模式。在冬季及过渡季节，由于全天环境温度的峰值出现在午间，此时 系统运行性能系数通常比夜间高 0.5 以上，控制系统设计午间模式，即热泵热水器 只在这个时段加热，其余时段采取保温措施，有利于提高系统运行性能系数。 冬季节能模式。研究表明，对于空气侧的进风温度为 15的应用条件而言， 在水箱输出热水温度为 45时的单位制热量消耗的电力只为水箱输出热水温度为 55时的 77%。因此空气源热泵热水器热水出口温度低一些有利于提高系统运行效 率，特别是在冬季工况下，水箱设定温度取较小值时保温散热损失小，系统运行节 能效果显著。故设计控制方案时，可单独设置一种冬季节能运行模式，即设定低的 水箱温度（4548）并在午间时段加热，供不需长时间连续使用热水的家庭选择， 可最大程度提高系统运行性能。 谷电模式。随着国家对节能减排的重视，实行峰谷电费差价政策的地区越来 越多。一方面在夏季中午的室外环境温度过高导致热水器性能系数降低，另一方面 中午电价高，因此控制系统设置夏季谷电模式，即系统在运行性能系数较高的夜间 或傍晚时段加热，其余时段保温，既可提高运行性能系数，又可大大降低运行费用。 （2）优化除霜控制 目前从空气源热泵热水器的实际运行效果来看，机组在气温偏低且相对湿度比 较大的地区运行时性能不理想，主要原因是蒸发器结霜及除霜造成的供热能力下降， 因此，必须使用有效的除霜方法及时除霜。目前，空气源热泵最常用的除霜方式是 逆循环热气除霜，而除霜自动控制方法是影响除霜效果的关键。目前除霜自动控制 方法较多，较为先进实用的有模糊智能控制除霜法。模糊智能控制除霜法将模糊控 制技术引入空气源热泵热水器的除霜控制，整个除霜控制系统由数据采集与 AID 转 换、输入量模化、模糊推理、除霜控制、除霜监控及控制规则调整五个功能模块组 成。通过对除霜过程的相应分析，对除霜监控及控制规则进行修正，以使除霜控制 150L 即热式热泵热水器 6 自动适应机组工作环境的变化，达到智能除霜的要求。 (3)设置水箱蓄水量智能控制系统 为了减少水箱的散热损失，避免不必要的重新加热，减少保温加热次数，节约 能源，将模糊控制和其它优化理论方法和控制技术相结合，设计蓄水量智能控制系 统是较好的解决办法。蓄水量智能控制系统能根据一周用水规律，自动保证每天最 适宜的热水加热量。 蓄水量智能控制过程为： A/D 转换器将水流量传感器测的水流量模拟值 f 转换 为数字量 F，再存入系统的定长数据移位存储器中，该存储器以循环移位的方式来 存储前 7 日的热水量。存储器将数字量 F1-F7 传给模糊控制器进行模糊处理，其输 出量为欲设定水箱的水位 H0 经 D/A 转换为 h0，水箱中的水位传感器测量值 h 与标 准值 h0 送入供水控制模块，由模块自动比较来驱动水泵的运行。 2、采用高效换热器 目前市场上家用空气源热泵热水器因成本考虑普遍采用等径螺旋盘管沉浸在水 箱下部的热水换热器作为冷凝器，其换热性能较差，影响空气源热泵热水器的整体 性能。经过不少专业人员对优化热水换热器性能进行深入研究，采用带导流套筒的 热水换热器及非等径螺旋盘管是较为有效的方法。 3、合理配置节流装置，提高系统稳定性 小型热泵系统一般采用毛细管作为节流部件，实验研究发现采用不同的毛细管， 热泵系统在各种环境下的性能差别较大。环境温度较高时，粗而短的毛细管性能更 好；环境温度较低时，细而长的毛细管性能更好。在 35的环境温度下，短毛细管 系统性能比长毛细管性能高 21%，而在 15时，长毛细管系统性能比短毛细管高 3%，为解决这个问题，小型家用热泵热水器的改进方法是采用双毛细管。但即使是 双毛细管，其中某一根的内径和长度是不变的，所以其前后压差也不会随水温而改 变很大，即同一根毛细管的制冷能力在运行中几乎不变。但是热泵热水器的热水一 侧是不断升温的，这就需要工质流量随之变大，以满足制热量需求，因此用热力膨 胀阀代替双毛细管是稳定系统性能的较合理配置。为了进一步提高系统的匹配性能 和可靠性，应采用调节范围更宽和反应更灵敏的电子膨胀阀，虽然成本高一些，但 能显著提高稳定系统性，改善运行性能10。 150L 即热式热泵热水器 7 1.4方案选择与论证 1.4.1 热泵热水器的冷凝器的选型 一、冷凝器的种类及特点 冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式三大类。 （一）水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循 环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳 管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器。 1、立式壳管式冷凝器 立式冷凝器的主要特点是： 1 由于 冷却流量 大流速高 ，故传热 系数较高， 一般 K=600 700(kcal/m2?h?)。 2垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。 3冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。 4管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。 5但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有 24，对数平均温差一般在 56左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易 被发现。 2、卧式壳管式冷凝器 它与立式冷凝器有相类似的壳体结构，主要区别在于壳体的水平安放和水的多 路流动。卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但 其结构略有不同。氨卧式冷凝器的冷却管采用光滑无缝钢管，而氟利昂卧式冷凝器 的冷却管一般采用低肋铜管。这是由于氟利昂放热系数较低的缘故。值得注意的是， 有的氟利昂制冷机组一般不设贮液筒，只采用冷凝器底部少设几排管子，兼作贮液 筒用。 150L 即热式热泵热水器 8 3、套管式冷凝器 制冷剂的蒸气从上方进入内外管之间的空腔，在内管外表面上冷凝，液体在外 管底部依次下流，从下端流入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入，依次经过各 排内管从上部流出，与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器的优点是结构简单，便于制 造，且因系单管冷凝，介质流动方向相反，故传热效果好，当水流速为 12m/s 时 传热系数可达 800kcal/(m2h)。其缺点是金属消耗量大，而且当纵向管数较多时， 下部的管子充有较多的液体，使传热面积不能充分利用。另外紧凑性差，清洗困难， 并需大量连接弯头。因此，这种冷凝器在氨制冷装置中已很少应用。 对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器。 （二）空气冷却式冷凝器 空气冷却式冷凝器是以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量的。这 种冷凝器适用于极度缺水或无法供水的场合，常见于小型氟利昂制冷机组。根据空 气流动方式不同，可分为自然对流式和强迫对流式两种。 （三）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。按 空气流动方式可分为吸入式和压送式。 蒸发式冷凝器由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷 却管组为无缝钢管弯制成的蛇形盘管组，装在薄钢板制成的长方形箱体内。箱体的 两侧或顶部设有通风机，箱体底部兼作冷却水循环水池。蒸发式与壳管式冷凝器的 并联： （四）淋水式冷凝器 淋水式冷凝器的主要优点为：1、结构简单，制造方便；2、漏氨时容易发现， 维修方便；3、清洗方便；4、对水质要求低。其主要缺点是：1、传热系数低；2、 金属消耗量高；3、占地面积大。淋水式冷凝器是靠水的温升和水在空气中蒸发带走 冷凝热量。这种冷凝器主要用于大、中型氨制冷系统中。它可以露天安装，也可安 装在冷却塔的下方，但应避免阳光直射。 在这个设计中，我选择套管式冷凝器，因为套管式换热器的传热效率高。 1.4.2 制冷剂的选择 150L 即热式热泵热水器 9 制冷系统里必须还要充注一定量的专用的工作介质，制冷装置才能工作、制冷， 而且充注不同的工作介质制冷装置制冷的效率也有很大的不同，这个介质就是制冷 剂。 只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。 1） 、制冷剂的作用 制冷剂在制冷系统内部循环流动，制冷剂在循环流动中，通过自己的热力状态的变 化与外界发生能量交换，从而实现制取冷量的目的。 2） 、对制冷剂的要求制冷剂应具备安全、可靠、易得、价廉。一般要求制冷剂 应满足下列要求： 1、临界温度较高，在常温或制冷温度下能够液化。 2、在蒸发器和冷凝器内制冷剂的压力要适中。 3、单位容积制冷量 qv 要大。 4、凝固温度要低，以避免制冷剂在蒸发温度下凝固。 5、粘度和密度要小，以保证制冷剂在系统中的流动阻力损失小。 6、导热系数要高，可以提高各个换热器制冷剂侧的换热系数。 7、与润滑油的溶解性。 8、等熵指数要小，可使压缩过程耗功减小，压缩终了时气体的温度不致 过高。 9、液体比热容小，可使节流过程损失减小。 10、不燃烧，不爆炸，无毒，对金属不起腐蚀作用，与润滑油不起化学作用， 高温下不分解，对人体无毒害, 价格便宜，便于获得。 1） 、制冷剂的分类 150L 即热式热泵热水器 10 在本设计中， 我选择 R22 作为制冷剂。因为 R22 比较常见和普遍，而其也 比较适合我设计的条件。 1.4.3 蒸发器的选择 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11。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。 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。 150L 即热式热泵热水器 11 4）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 R22，故而可选择干式氟利昂蒸发器。 1.5 设计任务和内容 主要任务： 1. 认真进行实习(调研)、完成实习(调研)报告。 2. 阅读文献写出文献综述。 3. 按统一格式完成开题报告。 4. 阅读英文文献，并译成中文(不少于 5000 汉字)。 5. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。 6. 英中文对照摘要，中文不少于 400 字。 7. 按统一格式编制设计说明书，不少于 30000 字。 8. 有全部设计的纸介质文档和电子文档。 工作内容： 1. 设计计算：贮水箱几何参数计算、隔热计算、负荷计算、热水产量计算、循环 热力计算、压缩机选择计算及说明、冷凝器设计计算、蒸发器设计计算、辅助 设备选择计算、节流机构选择计算及说明。 2. 零部件选择：温度控制仪选择、压力控制器选择、其他零部件选择。 3. 设计图样：总装图、主要零部件图、系统流程图、电控原理图。 150L 即热式热泵热水器 12 11 设计计算设计计算 2.1 系统的热力计算 2.1.1 系统循环压焓图 150L 即热式热泵热水器 14 2.1.2 热力计算 单位质量制冷量 （4-1） 单位理论功 （4-2） 查阅一些厂家的资料，根据已经生产成型的空气源热泵热水器的制热量，定适 合本设计 150L 的制热量 Qk=9800W 制冷剂循环质量流量 （4- 4） 实际输气量 （4-5） 输气系数 vpTL 取 150L 即热式热泵热水器 15 压缩机的理论输气量 （4- 6） 压缩机理论功率 （4-7） 压缩机指示功率（取压缩机指示效率为）0.75 i （4- 8） 压缩机轴功率（取机械效率）92 . 0 m （4-9） 压缩机电机即输入功率（电动机效率）86 . 0 mo （4-10） COP 的计算： （4-11） 2.2 压缩机的选取13 根据以上计算结果知： 选用谷轮 ZR 系列柔性涡旋压缩机，其型号为 ZR34K3-PFJ-522，制冷量 8200W， 输入功率为 2520W，均能满足设计要求。 其特点为： 1. 超高能效 能较比以前市场上最先进的活塞式压缩机还高 12。 150L 即热式热泵热水器 16 2. 杰出的可靠性 运动部件少轴向及径向的谷轮专利柔性设计提供了前所未有的耐液击和容忍杂 质的能力。 3. 内置电机断路装置，能有效保护电机免受高温及高电流之损坏 4. 低噪音/低排气脉冲 噪音值比活塞式压缩机低 5 分贝以上 5 .简化系统设计 独特的卸载启动设计使单相压缩机，启动时无须启动电容/继电器，在大多数应 用中无需曲轴加热器和气液分离器 6. 近 100的容积效率带来超常的制热能力 2.3 换热器的设计计算13 2.3.1 套管式冷凝器的设计计算 1. 有关参数的选择与计算 选择冷却水进口温度，出水温度 w1 t=32 C w2 t=40 C 则对数平均温差 （4- 21 m 1 2 t =18.72 ww kw kw t C tt In tt 17） 选取管内水速为2/m s 选取管内冷却水污垢系数 2 0.000086()/ i mKW 选用的的紫铜管轧制的低翅片管为内管，且选用了如图 3-4T 号管，其16 1.5mm 管型结构参数如下： 翅节距，翅厚，翅高，管内径，翅根1.25 f smm0.223 t mm1.5hmm11 i dmm 管面外径，齿顶直径。12.86 b dmm15.86 t dmm 每米管长各有关换热面积分别为: 22 0.011/0.0346/ ii admmmm 150L 即热式热泵热水器 17 2 /0.01586 0.0023/0.0001250.0089/ dttf adsmm 22222 ()/(2)(0.015860.01286 )/(2 0.00125)0.1083/ ftbf addsmm 2 ()/0.01286 (0.001250.000223)/0.001250.0332/ bbftf adsssmm 22 (0.00890.10830.0332)/0.01504/ ofdfb aaaammmm 参考小型制冷装置 有图 3-1 查的 当，时，冷凝负荷参数，则冷凝热负55 k tC 0 5tC 0 1.28C 荷 （4-18） k00 =1.28 38154883.2QC QW （2） 确定内管根数 水在平均温度时，密度，比定压热容 m t =36 C 3 =994.43kg/m ，则冷却水体积流量4179/() p cJkg k （4-19） 43 12 4480 1.348 10/ ()994.43 4179 (4032) K v pww Q qms ctt 根据所选管型及管内水速，则所需内管的根数：d11 i mm2/m s （4-20） 4 2 2 4 1.348 10 0.7091 0.112 4 v i q n d 根 （3） 传热计算：先计算水侧表面传热系数，水在时，运动粘度t36 m C 62 0.744 10/ms 因为 （4- 4 6 2 0.011 Re29569.910 0.744 10 i d 21） 故水在管内的流动状态为湍流，考虑将套管盘成曲率半径为的螺旋盘125Rmm 管，盘管水侧修正系数 （4- i d11 =1+1.771 1.771.16 125 R R 22） 150L 即热式热泵热水器 18 则水侧表面换热系数 （4- 0.80.8 2 wi 0.20.2 2 =21781.1610840.8/() d0.011 R i BWmK 23） 查表 3-11 得 R22 在时，物性几何参数55 k tC1236B 查表 3-4 得 1 号管增强系数1.35 取蒸气流速影响系数6 套管管间 R22 冷凝器表面传热系数由式 3-9 计算得 （4-24） 0.250.25 0 0.250.250.25 00 0.725 0.725 1236 0.012861.35 621554 kob Bd 取紫铜热导率393/()Wm k 将有关各值代入传热方程组得 （4- 0.250.75 00000 2155421554 k q 25） 0 0 of iof wim 0 1 +r+ 18.72 10.150.000930.1318 (0.000086) 10840.80.03463930.036 m q （） （4- 0 1227.8(18.72) 26） 上式中的单位为，的单位为 0 q 2 /Wm 0 C 解联立方程式 当 22 00 1.05q =22357.3/ m22578.7/ mCWW 时，两式和 取 2 0 q =22357.3/ mW 150L 即热式热泵热水器 19 则冷凝器所需传热面积 （4-27） 22 k of 0 4883.2 =m =0.2038m q22357.3 Q A 所需低翅片管有效总管长 （4-28） of of 0.2184 =m=1.452m 0.1504 A L （4） 冷凝器的整体结构 冷凝器的外管采用 51mm3mm。将每根套管式成型为曲率半径的无缝钢管 R=160mm的螺旋盘管，并使换热器的进出口朝同一方向，盘 3.5 圈，冷凝器总高度 为 178.5mm。 2.3.2 风冷式换热器设计计算10 设计参数及条件：冷凝热负荷、冷凝温度、进风温度4.557 k QkW55 k tC 、空气温升、传热管选用、材料为的铜管、 1 32 a tC10 a tC9.520.35mmmm 2 T 材料为的铝翅片、迎风面上的管间距、排间距、管外 2 LF 1 0.025sm 2 0.02165sm 径、管内径、翅片间距、翅片厚度 3 0 9.52 10dm 0.00882 i dm0.0018 f sm 、片宽。进行设计计算。 3 0.18 10 f m 0.044bm （1） 基本结构 空气流动方式：受迫对流，吸风式 基本结构型式：正三角形排列 片型：平式翅片 管排数:n=4 下图 4-4 所示为翅片管管簇排列结构参数示意图。 150L 即热式热泵热水器 20 图 4-4 等边三角形叉排 按等边三角形叉排布置的整套片翅片管簇 ，对每根管而言，其翅片形式相当于 正六角形翅片。 （2） 翅片管几何参数计算 单位管长翅片面积 （4-29） 2 1 2 2 2 2 4 2 0.025 0.021650.009522 0.00018 0.00184 0.516247 fb f fs sd s mm 由 （4- 2 0 20.009522 0.000180.00988 bf ddmm 30） 得肋间管外单位表面积为 b f （4-31） 2 0.00018 10.0098810.027921 0.0018 f bb f fdmm s 管外总单位表面积为 t f （4- 2 0.5162470.0279210.544168 tfb fffmm 150L 即热式热泵热水器 21 32） 管内单位表面积为 i f (4-33) 2 0.00930.027695 ii fdmm 肋化系数为 (4-34) 0.544168 19.64875 0.027695 t i f f （3） 空气侧传热系数计算 1）空气进出冷凝器的温差及风量 出风温度 (4-35) 21 32 1042 aaa tttC 空气平均温度 (4-36) 21 4232 37 22 aa am tt tC 风量 (4-37) 3 3 4883.2 0.4251/ 1.143 1.005 10 10 k Va mpaa Q qms ct 平均温度下空气物性参数为：密度；比定压热容 3 1.143/ m kg m ；运动粘度；热导率1.005/ pa ckJkg K 62 16.58 10/ m vms 。0.0272/ m Wm K 2）肋片效率及空气侧传热系数。根据肋片参数，冷凝器的空气最窄流通面积与迎风 面积之比为 (4-38) 1 1 1.80.18259.88 0.54432 25 1.8 ffb f ssd s s 取迎面风速，则最小流通面的风速2/ f wm s (4-39) max 2 3.6743/ 0.54432 f w wm s 当量直径 150L 即热式热泵热水器 22 (4-40) 1 1 2 2(259.88)(1.80.18) 2.926452 259.88 1.80.18 bff eq bff sds dmm sds 空气的雷诺数 (4-41) 3 max 6 3.6743 2.917196 10 Re646.483 16.58 10 eq f m wd v 单元空气流道长径比 (4-42) 0.044 15.03527 0.002926452 eq L d 根据流体流过整张平套片管管簇时的换热公式，有 23 6 263 0.5180.023150.0004253 10 0.5180.02315 15.035270.000425 15.035273 1015.03527 0.255812 eqeqeq LLL A ddd (4-43) (4-44) 0.24Re 0.24 646.483 (1.36)0.255812(1.36)0.3082 10001000 f CA (4-45)0.450.00660.450.0066 15.035270.549233 eq L n d (4-46) Re 646.483 0.280.080.280.080.228 10001000 f m 平直翅片的管外表面传热系数为 (4-47) 0 0.5492330.228 2 1.1Re 0.0272 1.10.3082646.48315.03527 0.002926452 59.391() m n m f eqeq L aC dd WmK 对于叉排管有 (4-48) 1.271 0.3 其中 150L 即热式热泵热水器 23 (4-49) 1 0.025 2.530364 0.00988 b s d 所以 2.688659 肋片当量高度 (4-50) 1 1 0.35ln 2 0.00988 2.688659 1 1 0.35ln2.688659 2 0.01123 b d h m 肋片特性参数 (4-51) 1 0 3 22 59.391 57.015 203 0.18 10 ff a mm 其中 203/() f Wm K 肋片效率 (4-52) 57.015 0.01123 0.8857 57.015 0.01123 f th mh th mh 冷凝器外表面效率 (4-53) 0.516247 0.88570.027921 0.89156 0.544168 ffb s t ff f 当量表面传热系数 (4-54) 2 0 0.89156 59.39152.9506/ js aaWmK （4） 管内 R22 冷凝时表面传热系数计算 首先设管壁的温度，则平均温度47.0 w tC (4-55) 4755 51 22 wk m tt tC 根据 R22 管内冷凝换热有关计算公式 (4-56) 1/4 1/41/4 0.683 ismkwi arBttd 其中为综合物性参数，为气化热。 m B s r 150L 即热式热泵热水器 24 查表知 3 -3 -62 =1077kg/m =74.55 10/(m) =0.113 10 m / 153.18/ s WC s rkJ kg 综合物性参数为 m B （4-57） 1/4 3 1/4 38 9.81/ 9.81 1077 0.07445 /11.3 10 78.813 m m m B 又 1/4 1/4 1531811.125 s r 代人上式中，则 （4-58） 1/41/4 1/4 0.683 11.125 78.8130.00882 1954.12 ikw kw att tt 由热平衡可得管壁温度平衡方程 （4- 1/4 1954.20.0088252.9506 0.54416836 iikwjtwam kwkww ad tta ftt ttttt 59） 整理得 （4-60） 3/4 54.146 5528.81436 ww tt 由试凑法得 时，等式成立。与设定值近似相等，证明合适。 * 46 w tC 得 （4-61） 1/4 2 1954.1255461128.212 i aWmK （5） 计算所需传热面积 考虑到传热管为纯铜管，取传热管导热热阻、接触热阻和污垢热阻之和 。 2 0 0.0048rmK W 以管外面积为基准的传热系数为 150L 即热式热泵热水器 25 （4- 0 2 1 11 1 19.648751 0.0048 1128.21252.9506 24.33 of ij K r aa WmK 62） 平均温差为 （4- 21 1 2 4232 17.527 5532 lnln 5542 aa m ka ka tt tC tt tt 63） 所需管外面积及结构参数： 管外面积 （4-64） 2 4557 10.686 24.33 17.527 k of ofm Q Am Kt 所需的肋片管总长度 （4-65） 10.686 19.64 0.544168 of t A Lm f 冷凝器每列管数 12 根，总管数为 48 根，单管有效长度 0.6m，总有效管长为 ，裕度为 3.7%。冷凝器高度为，实际迎风面34 0.620.4m17 0.0250.425Hm 积，实际迎面风速，与初取值接近， 2 0.6 0.4250.255Am 0.4251 1.9 0.255 Va q wm s A 设计合理。 （6） 风机的选择计算9 空冷式冷凝器所用风机应根据冷凝器的结构形式，所需风量以及风压选配。风 压包括动压及静压。p p 风机的动压 （4-66） 22 1.158 1.9 1.1001 22 a pPa 150L 即热式热泵热水器 26 式中 冷凝器进口空气的密度，单位为； a 3 kg m 迎面风速，单位为m s 当空冷式冷凝器采用平片整套片翅片管簇时，空气流过冷凝器的阻力即 静压 （4-67） 1.7 max 1.7 0.108 0.044 0.1081.158 3.4917.42 0.00293 a eq b p d Pa 风机采用电动机直接传动，则传动效率，取风机全压效率，1 m 0.65 fan 则电动机输入功率 （4- 0.42511.1001 17.42 0.65 1 12.112 v fanm qpp p W 68） 根据，可选用 YDWF74S4-422