12kW分体式水源热泵空调机组设计

12kW分体式水源热泵空调机组设计郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 12kW 分体式水源 _ 热泵空调机组设计 _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 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 水源热泵技术介绍11.2 水源热泵技术的原理11.3 水源热泵的分类21.4水源热泵技术的优点21.4.1 高效节能，运行费用低21.4.2 运用的是可再生能源31.4.3 环保效益显著31.4.4 运行稳定范围广泛31.4.5 一机多用41.4.6 机房面积小，灵活安全41.4.7 国家政策的支持51.5 水源热泵技术的运用51.6 水源热泵技术的应用问题分析61.6.1 水源热泵技术面临的问题61.6.2 水源热泵对水源的要求与选择71.7 分体式空调的简介81.7.1 分体式空调的定义81.7.2 分体式空调的优缺点81.7.3 分体式空调的市场状况82 制冷剂、载冷剂与润滑油的选择92.1 制冷剂92.1.1 制冷剂的介绍92.1.2 制冷剂的选用原则102.2.1 载冷剂的介绍112.2.2 载冷剂的选择112.3 润滑油123 制冷系统的热力计算123.1 系统工况的设计123.2 系统的热力计算134 压缩机的选型154.1 压缩机的类型选定154.2 压缩机的级数确定164.3 压缩机的型号选择174.4 压缩机的校核计算175 冷凝器195.1 冷凝器的类型选定195.1.1冷凝器的分类195.1.2冷凝器的选择215.2 冷凝器的设计计算216 蒸发器236.1 蒸发器的类型选定236.2 蒸发器的设计计算257 节流机构307.1 节流机构的作用307.2 节流机构的类型317.3 节流机构的设计计算337.3.1 节流机构的选型337.3.2 节流机构的校核计算348 辅助设备的选择358.1 干燥过滤器358.1.1 干燥过滤器的作用及类型358.1.2 干燥过滤器的选型368.2 油分离器368.3 截止阀378.4 电磁阀388.4.2 电磁阀的选型398.5 单向阀408.6 视液镜42结 束 语43致 谢44参考文献4512kW分体式水源热泵空调机组设计摘 要本文简要介绍了制冷量为12kW的分体式水源热泵空调机组设计，并且分析了制冷设备中制冷循环的热力计算、压缩机的选配及校核、蒸发器、冷凝器的结构设计计算及性能校核，制冷设备中管路的连接与布置、其他附件的选择标准及要求、制冷工况的选择、制冷剂与载冷剂的选择。在设计过程中，分析制冷剂选用原则及限制条件并确定R134a为制冷剂，综合考虑了各种压缩机的性能特点并确定了合适的压缩机。通过方案论证确定了合适的冷凝器、蒸发器以及相关辅助设备，并详细介绍了热力计算、冷凝器的设计计算、蒸发器的设计计算、节流机构的选择计算以及其他零部件的选择过程。关键词：水源热泵；分体式；空气调节；节能；IThe Split Type Water Source HeatPump Air Conditioning WhoseCooling Capacity Is 12KWABSTRACTThis paper introduces the briefly design processes and methods of the split type water source heat pump air conditioning whose cooling capacity is 12KW,and we mainly introduce the thermodynamic calculation in the refrigeration cycle of refrigeration equipment, the matching of the compressor and check, design and calculation of evaporator and condenser and performance check. Besides other accessories, including refrigeration equipment in the selection criteria and requirements of the connection and arrangement of piping, cooling conditions choice, the choice of refrigerant and cooling medium.the selection principle of refrigerant analysis and limitations and determined for refrigerant R134a; Considering the characteristics of the performance of the compressor and determine the appropriate compressor. Through the scheme comparison determined the suitable condenser, evaporator and auxiliary equipment,and introduces the thermodynamic calculation, design and calculation of the condenser,evaporator design calculation,the throttle body choice calculation and the other parts of the selection process.Keywords: Water source heat pump; Split type; Air conditioning; Energy-saving;II1 绪论1.1 水源热泵技术介绍水源热泵是利用地球水所储藏的太阳能资源作为冷、热源，进行转换的空调技术。水源热泵可分为地源热泵和水环热泵。地源热泵包括地下水热泵、地表（江、河、湖、海）热泵、土壤源热泵；利用自来水的水源热泵习惯上被称为水环热泵。随着国民经济的飞速发展，人民生活水平的不断提高，我国能源消耗也在不断增加，进入二十一世纪之后我国的建筑能耗已占社会总能耗的近三分之一。如何合理地利用不同形式的能源，特别是可再生能源，以满足日益增长的建筑耗能需求，成为摆在我们面前亟待解决的问题。水源热泵是一种利用地下浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）的既可供热又可制冷的高效节能空调系统3。这符合当今社会节能环保的要求，提高能源利用率，最大限度的利用有限的能源创造更大的价值是当前研究的热点。把握好分体式水源热泵空调机组的优缺点及发展前景也是尤为重要的。1.2 水源热泵技术的原理地球表面浅层水源（一般在1000米以内），如地下水、地表的河流、湖泊和海洋，吸收了太阳进入地球的相当的辐射能量，并且水源的温度一般都十分稳定。水源热泵技术的工作原理就是：通过输入少量高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移。水体分别作为冬季热泵供暖的热源和夏季空调的冷源，即在夏季将建筑物中的热量“取”出来，释放到水体中去，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，以达到夏季给建筑物室内制冷的目的；而冬季，则是通过水源热泵机组，从水源中“提取”热能，送到建筑物中采暖。水源热泵机组工作的大致原理是，夏季将建筑物中的热量转移到水源中，由于水源温度低，所以可以高效地带走热量，而冬季，则从水源中提取热量。其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量,形成高温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。其具体工作原理如下：在制冷模式时，高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向冷却水（地下水）中放出热量,形成高温高压液体，并使冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷冻水（建筑制冷用水）中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷冻水水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷冻水。1.3 水源热泵的分类热泵系统以花费一部分高质能为代价。从自然环境中获取能量并连同所花费的高质能一起向用户供热，从而有效地利用了低水平的热能，是一种高教、节能、节资、冷暖两用、运行灵活且无污染的新型空调系统。据ASHRAE Hmldbook：HvAc Applications(1995)的分类。将地热能资源按温度范围不同分为三类其中地源热泵应用类包括了水源热泵的两种方式：地下水源和地表水源热泵。1.4 水源热泵技术的优点水源热泵技术通过消耗部分电能，采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能作为空调机组的冷、热源，具有以下很多优点：1.4.1 高效节能，运行费用低我们在评价热泵机组和制冷机组的性能时常用到“功效比”一词，用COP表示，它的定义是系统输出的功率与所消耗的功率之比。风冷热泵其COP值一般在2.0至3.0之间，而水源热泵，国内产品在供热时COP值可达3.5至4.0供冷时活塞式机组为5.0至5.2，螺杆式机组可达6.0，从这一点上看，水源热泵可以被称作高效节能的供冷供热设备。水源热泵在制热时所需的地下水即相当于锅炉燃烧的煤或油，而且地下水占热泵所供热量的7075，这些热量所消耗的代价仅为廉价的地下水，其成本要大大低于燃油和燃煤。以我市的水源热泵运行状况来看，冬季供暖的运行费用为15元每平方米左右，而热网供暖为24元每平方米。燃油供暖为35元每平方米左右，因此运行费用低是水源热泵的一个显著特点。水源热泵机组可利用的水体温度冬季为1222，水体温度比环境空气温度高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高。而夏季水体温度为1835，水体温度比环境空气温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，从而提高机组运行效率。水源热泵消耗1kW.h的电量，用户可以得到4.35.0kW.h的热量或5.46.2kW.h的冷量1。与空气源热泵相比，其运行效率要高出2060，运行费用仅为普通中央空调的4060。1.4.2 运用的是可再生能源水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资源作为热源，利用地球水体自然散热后的低温水作为冷源，进行能量转换的供暖空调系统。其中可以利用的水体，包括地下水或河流、地表的部分的河流和湖泊以及海洋。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了47的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多（地下的水体是通过土壤间接的接受太阳辐射能量），而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表的土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地能成为可能。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。1.4.3 环保效益显著源热泵技术在利用地下水以及地表水源的过程当中，不会引起区域性的地下以及地表水污染。实际上，水源水经过热泵机组后，只是交换了热量，水质几乎没有发生变化，经回灌至地层或重新排入地表水体后，不会造成对于原有水源的污染。水源热泵供热时省去了燃煤、燃气、燃油等锅炉房系统，没有燃烧过程，避免了排烟污染；供冷时省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音及霉菌污染。不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，减少了环境污染。水源热泵的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少40以上，与电供暖相比，相当于减少70N以上。水源热泵制冷剂充灌量比常规空调装置减少25；又属自含式系统，因此，制冷剂泄漏机率大为减少。水源热泵可以利用的水体，包括地下水和地表水。地表土壤和水体收集了47的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的500倍还多，而且是一个巨大的动态能量平衡系统。所以说，水源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。1.4.4 运行稳定范围广泛地球表面或浅层水源的温度一年四季相对稳定，一般为l025，其波动的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空调冷源。水体温度较恒定的特性，使得水源热泵机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。水源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调的两套装置或系统。特别是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点。不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。其总投资额仅为传统空调系统的60，并且安装容易，安装工作量比传统空调系统少，安装工期短，更改安装也容易。水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于别墅、住宅小区的采暖、供冷。1.4.5 一机多用源热泵系统可供暖、空调，还可供生活热水，一机多用，不仅节省了大量能源，而且用一套设备可以同时满足供热和供冷的要求，减少了设备的初投资。由于水源热泵冬季可向建筑物供暖。夏季可向建筑物供冷，真正做到了一机两用，提高了设备的利用率。从初投资来看，现在国内主要热泵生产厂家的热泵机组价格大致在09至1.0元W之间，而同样具备一机两用的溴化锂直燃机的价格在1.4至1.5元W，而且水源热泵机组无需设置冷却塔及烟气排放系统，省去了高成本的自来水，避免了向大气排放烟尘及有害气体，因此水源热泵可称其为低成本的绿色空调产品。1.4.6 机房面积小，灵活安全由于热泵机组兼有供冷供热的功能，机组本身体积较小，因而使机房面积大大减小，机组可灵活地安装在任何地方，没有储煤、储油罐等卫生及安全隐患，机组采用智能化微电脑控制系统，并有备用手动操作系统，无需专业人员操控，完善的电脑控制和多重保护，使整机运行安全可靠。水源热泵机组从严寒地区至热带地区均适用，机组适用的水源温度从8到35均可，既可以提供7或50的空调用水，也可以提供同样温度的生活热水；既可以作为城市区域供热的热源使用，也可以为办公楼、宾馆、别墅、居民小区等提供中央空调系统。随着居民生活水平的普遍提高，设有中央空调系统的住宅小区逐渐增多，而对于这样的小区而言，地下水水源热泵无疑是较为理想的冷热源，与采用集中供热的住宅小区相比，初投资虽然偏高，但能耗费用低，设有空调系统小区内的住户冬暖夏凉，生活品质得到改善，住户可以接受，而且其初投资高出的部分不出数年已为能耗费用的节省所抵消。随着住宅分户供暖方式在全国的推广，一些热泵生产厂又推出了用于每户使用的户式水源热泵机组，具体应用方式为水源热泵分户设置，地下水统一供给，电费按每户的电表计量收取，水费按每户水表的计量收取，给物业管理部门的收费工作提供了方便。1.4.7 国家政策的支持国家十分重视可再生能源开发利用工作，中华人民共和国可再生能源法已于2006年1月1日起实施，同时，在国家中长期科学和技术发展规划纲要中，又把大力发展和规模化应用新能源和可再生能源作为能源领域的优先发展主题。从国家立法和发展战略的高度，对可再生能源的发展应用予以强力推动。根据国家建设部政策规定，凡采用水源热泵空调技术的建筑物，通过向当地建委申报，可获得政府的政策性支持，减免建筑配套费用140200元/。与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比的优势体现在：与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将9098的电能或7090的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为1025，其制冷、制热系数可达3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40左右，其运行费用为普通中央空调的5060。因此，近十几年来，水源热泵空调系统在北美及中、北欧等国家取得了较快的发展，尤其是来，中国的水源热泵市场也日趋活跃，使该项技术得到了相当广泛的应用，成为一种有效的供热和供冷空调技术。1.5 水源热泵技术的运用从水源热泵的市场应用看，中国南方的深圳，广州到过渡地区的上海，南京直到北方采暖地区的北京，大连等城市的公共建筑（办公楼，商住楼，商场等），而且住宅建筑上得到了广泛的应用。我国早在80年代末就开始关注国外污水源热泵技术的研究与应用进展。首例城市污水源热泵系统到2000年才在北京高碑店污水处理厂成功示范。此后，北京、皇岛、石家庄等地相继建成污水源热泵系统，但上述工程均采用污水厂二级污水(水质好、污杂物含量低)为低位热源，没有解决污水取水过程中的污杂物堵塞问题。真正对我国城市污水源热泵空调技术的应用和发展起到重大推动作用的研究，是哈尔滨工业大学完成的城市原生污水热能资源化工艺与技术，该技术于2003年9月份开始应用于哈尔滨望江宾馆。2007年，在山东诸城华元大厦开发应用的太阳能辅助污水源热泵供热空调技术与节能建筑一体有机结合，更是对太阳能技术、污水源热泵空调技术和建筑节能技术综合应用的成功探索。水源热泵使用的是电能，电能本身为一种清洁的能源，但在发电时，消耗一次能源并导致污染物和CO2温室气体的排放。所以节能的设备本身的污染就小。设计良好的水源热泵机组的电力消耗，与空气源热泵相比，相当于减少30以上，与电供暖相比，相当于减少70以上。源热泵利用的是清洁的可再生能源的一种技术。其中已有的应用实例为重庆建筑节能工程，长沙市酒店等。当然不同地区有不同的需求，水源的基本条件也有不同，但是总体来说，水源热泵的运行效率较高、费用较低，还是拥有很好的发展前景。1.6 水源热泵技术的应用问题分析1.6.1 水源热泵技术面临的问题目前水源热泵系统的空调机组主要存在着以下几个方面的不足：（1）受可利用的水源温度，水量，清洁度等条件的限制；（2）有着水层地理结构复杂而带来的水源的探测开采技术和费用的制约；（3）系统设计或控制不当会降低系统节能效果或增加初投资；（4）在水源热泵机组的推广方面存在着地域的差异与不平衡性。与其他热源相比，水源热泵系统中防堵塞、防腐蚀、防污染等技术问题才是真正影响系统是否能够正常运行的关键，由于原生污水中含有大量的(塑料袋、树叶等)杂物的存在，很容易造成设备与管路的堵塞与污染，利用传统的过滤手段与机械格栅尽管能够处理这些杂物，但涉及到占地，清理、杂物运输及周边的环境污染问题，造成实际无法操作。并且其处理成本也要远高于热泵从水中取热与取冷的价值，这无疑给城市原生污水源热泵系统在规模的运用上加大了困难。并且由于地下水质的不稳定，比如含沙量过高，或沙质过细，对机组组有极大的破坏作用，甚至出现安装后无法正使用而更换主机。水源热泵还要用螺杆压缩机电制冷，用电量本来就是理论上相对较低，但厂家从来不说水源热泵还须要把地下水抽到地表，使用高达80120米的扬程泵耗电量从来不在其宣传中，其节能性根本体现不出来，甚至用电量更大。使用地区的地下水位过低，其用电量会更大。深水泵常年泡在井下,生锈损坏是家常便饭,一旦损坏,就须要架起井架,把管道一节节抽出,再抽出泵,一次损坏就须要十多天的维修，地下水位过高的地区(距大型湖泊河流近)其地下水回灌是个更大的问题。1.6.2 水源热泵对水源的要求与选择水源系统的水量、水温、水质和供水稳定性是影响水源热泵系统运行效果的重要因素。应用水源热泵时，对水源系统的原则要求是：水量充足，水温适度，水质适宜，供水稳定。具体说，水源的水量，应当充足够用，能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。如水量不足，机组的制热量和制冷量将随之减少，达不到用户要求。水源的水温应适度，适合机组运行工况要求。例如，清华同方SGHP型水源中央空调系统在制热运行工况时，水源水温应为1222；在制冷运行工况时，水源水温应为1830。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。水源系统供水保证率要高，供水功能具有长期可靠性，能保证水源热泵中央空调系统长期和稳定运行。再生水源是指人工利用后排放但经过处理的城市生活污水、工业废水、矿山废水、油田废水和热电厂冷却水等水源。自然界中的水分布于大气圈、地球表面和地壳岩石中，分别称之为大气水、地表水和地下水。陆地上的地表水和地下水均来自于大气降水2。水源水可以是地下水、地表水、地热尾水、湖水、海水、江河水、城市废水、工业废水等。水源热泵提取的是水中的能量，因此对水源水的水质、温度要求比较宽。如果水源水质达不到要求时，可采取各种处理手段来满足水源中央主机对水质的要求。水源水含砂量较高时，可在水系统中加装漩流除砂器，降低水中含砂量，避免机组和关发遭受磨损，除砂器选型可以根据标准处理流量选配型号和台数。如果工程场地面积较大，也可修建沉淀池除砂。有些水源，特别是地表水混浊度较大，用于回灌时容易造成管井滤水管和含水层堵塞，影响供水系统的稳定性和使用寿命。对混浊度大的水源，可以安装净水器进行过滤。水源水腐蚀性及硬度都很高的水源，如海水、工业废水等。1.7 分体式空调的简介1.7.1 分体式空调的定义分体式空调，即“一拖一”，由一台室外机加一台室内机组成，室外机一般置于设备阳台上。分体式空调室内机有壁挂式、立柜式、吊顶式、嵌入式、落地式。家庭用分体式空调较多。1.7.2 分体式空调的优缺点(1)分体式空调运行管理灵活方便。集中式中央空调只要有1个末端在用，空调主机必须开启。而分体空调如果只想开一个房间的话，只要开启相应房间的空调设备，其运行电费就小于集中式中央空调。(2)分体式空调由于主机是通过不断的开启与关闭来实现调温的，故空调效果较差。(3)分体式空调只能夏季供冷，而冬季供暖则须另外设置供暖系统。(4)分体式空调不能确保每个房间均能装上空调机，因分体式空调机的室内机与室外机的连管一般为3长，最长为5，有些房间由于条件所限，室内外机安装距离难以确保。(5)分体式空调无法送入新风，故难以确保空调房间空气的新鲜度。而如果通过开门、窗通风换气，则冷量就会大量损失，这不仅影响房间温度，而且浪费了能源。(6)分体式空调的凝结水不易处理好。1.7.3 分体式空调的市场状况在这里我们主要以印度市场近十年的市场变化为例：五年前，窗式空调占印度空调市场70的份额，分体式空调占30，而目前情况却发生了逆转。外观时尚、噪声低且性能更高的分体式空调越来越受到印度消费者的认可。从全球家用空调的使用情况来看，美国和日本的使用率90，中国城区为80，泰国70，而印度只有35。但印度有2亿人口,目前，印度正转型成为世界上最有潜力的空调市场之一，持续吸引着越来越多的外国空调制造商。日本的大金、Panasonic、三菱电子、东芝开利，韩国的 ，中国的格力、美的，美国的开利特灵，欧洲的丹佛斯和Clim aveneta等品牌均有突出表现3。因此我们可以看出，虽然分体式空调与中央空调相比有有着噪音大，易出故障，难以送入新风，凝结水不好处理等缺点，但却仍拥有着很高的市场占有率，其发展前景在一些地区和国家尤为良好。2 制冷剂、载冷剂与润滑油的选择2.1 制冷剂2.1.1 制冷剂的介绍制冷剂又称制冷工质，在南方一些地区俗称雪种。它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内吸收被冷却介质（水或空气等）的热量而汽化，在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。制冷剂可一般分为：无机化合物、有机化合物、混合工质。我们使用的制冷剂已达7080种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种：(1) R-12：制冷剂别名R12、氟利昂12、F-12、CFC-12、二氟二氯甲烷，商品名称有Freon 12等，名称二氟二氯甲烷，Dichlorodifluoromethane，分子式CCl2F2。由于R-12属于CFC类物质.对臭氧层有破坏、并且存在温室效应，因此在发达国家和部分发展中国家，已经停止了在新空调、制冷设备上的初装或旧设备上的再添加；中国2007年已停止了R12制冷剂的生产、以及在新制冷空调设备上的初装。(2) R-134a:制冷剂别名R134a、HFC134a、HFC-134a、四氟乙烷，商品名称有SUVA134a、Genetron 134a、KLEA 134a等，中文名称四氟乙烷，化学名1,1,1,2四氟乙烷，分子式CH2FCF3。由于R-134a属于HFC类物质（非ODS物质Ozone-depleting Substances）因此完全不破坏臭氧层，前世界绝大多数国家认可并推荐使用的环保制冷剂，也是发文时主流的环保是当制冷剂，广泛用于新制冷空调设备上的初装和维修过程中的再添加。R-134a作为使用最广泛的中低温环保制冷剂，由于HFC-134a良好的综合性能，使其成为一种非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要应用于在使用R-12（R12、氟利昂12、F-12、CFC-12、Freon 12、二氯二氟甲烷）制冷剂的多数领域，包括：冰箱、冷柜、饮水机、汽车空调、中央空调、除湿机、冷库、商业制冷、冰水机、冰淇淋机、冷冻冷凝机组等制冷设备中，同时还可应用于气雾推进剂、医用气雾剂、杀虫药抛射剂、聚合物（塑料）物理发泡剂，以及镁合金保护气体等。(3) R-22:分子式CHClF2，分子量86.47。R-22在常温下为无色，近似无味的气体，不燃烧、无腐蚀、毒性极微，加压可液化为无色透明的液体，为 HCFC 型制冷剂。制冷剂：绿色环保天然工质以其无毒，对臭氧层无影响。2.1.2 制冷剂的选用原则在蒸汽压缩式制冷机中，除了要有较好的热力性质和物理化学性质外，更应具有优良的环境特性。具体要求如下：(1) 对人类生态环境无破坏作用。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。希望临界温度比环境温度高的多，才能减少制冷剂节流损失，提高循环经济性。(3) 在工作温度范围内，具有适当的饱合蒸汽压力，最起码蒸发压力不得低于大气压力，以免外部空气渗入系统中；冷凝压力不宜过高，否则会引起压缩机耗功增加，并要求系统具有较高的承压能力，增加设备成本。(4) 单位容积制冷量大。可以减少压缩机输气量。(5) 粘度和密度小。减少系统中流动阻力损失。(6) 热导率高。可以提高换热器的传热系数，减少换热设备的传热面积降低材料消耗。(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，高温下不分解。(8) 等熵指数小。可降低排气温度，减少压缩过程耗功，有利安全运行和提高使用寿命。(9) 凝固温度低。避免在蒸发温度下出现凝固。(10) 具有良好的绝缘性能。(11) 价格低易获得。(12) 单位容积压缩功小。综合考虑，在该设计中采用R-134a作为水源热泵系统的制冷剂。R-134a作为使用最广泛的中低温环保制冷剂，由于HFC-134a良好的综合性能，使其成为一种非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要应用于在使用R-12制冷剂的多数领域，包括：冰箱、冷柜、饮水机、汽车空调、中央空调、除湿机、冷库、商业制冷、冰水机、冰淇淋机、冷冻冷凝机组等制冷设备中，同时还可应用于气雾推进剂、医用气雾剂、杀虫药抛射剂、聚合物（塑料）物理发泡剂，以及镁合金保护气体等。R-134a是目前国际公认的CFC-12最佳的环保替代品。HFC-134a不含氯原子，对臭氧层不起破坏作用，具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性、无腐蚀性）；其制冷量与效率与CFC-12非常接近，所以视为优秀的长期替代制冷剂。HFC-134a可广泛用做汽车空调，冰箱、中央空调、商业制冷等行业的制冷剂，并可用于医药、农药、化妆品、清洗行业。2.2 载冷剂2.2.1 载冷剂的介绍以间接冷却方式工作的制冷装置中，将被冷却物体的热量传给正在蒸发的制冷剂的物质称为载冷剂。载冷剂通常为液体，在传送热量过程中一般不发生相变。但也有些载冷剂为气体，或者液固混合物，如二元冰等4。常用的载冷剂有：水、盐水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烯，一般不包括一氟二氯甲烷，这个通常作为制冷剂，只有在直接制冷时，才使用制冷剂作为载冷剂。直接制冷用大量的制冷剂，制冷剂一般对环境的友好程度低，如氟利昂，氨气等，因此间接制冷是节能环保的一种方式。2.2.2 载冷剂的选择选择载冷剂需考虑以下各点：(1) 冻结温度低，必须低于制冷的操作温度；(2) 传热分系数大,即热导率和热容要大,而粘度要小；(3) 性质稳定，腐蚀性小；(4) 安全无毒、价格低廉；(5) 价格便宜，便于获得。水的凝固点0，标准沸点100，传热性能好，流动阻力小，无毒，价廉，是一种理想载冷剂。在0以上的温度范围内，如空调系统中，水被广泛地采用作为载冷剂。但是水的凝固点较高因此水作为载冷剂受到很大的限制。在低温应用场合往往采用水溶液代替水作为载冷剂。因此本装置采用水作为载冷剂。2.3 润滑油润滑油是用在各种类型汽车、机械设备上以减少摩擦，保护机械及加工件的液体或半固体润滑剂，主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。制冷系统中所使用润滑油的选择主要取决于制冷剂种类、压缩机形式和运转工况（蒸发温度、冷凝温度）等，一般是使用制冷机制造厂推荐的牌号。在选择润滑油时，首先要考虑的是该润滑油的低温性能和对制冷剂的相溶性。从压缩机出来随制冷剂一起进入蒸发器的润滑油由于温度的降低，如果制冷剂对润滑油的溶解性能不好的话，则润滑油要在蒸发器传热管壁面上形成一层油膜，从而增加热阻，降低系统性能。从传热角度看，应该选取与制冷剂互溶性好的润滑油。选择润滑油除了考虑与制冷剂的互溶性以外，还要考虑润滑油的粘度。一般来说，在较高温度范围工作的制冷系统选用粘度较高的润滑油；反之，选用较低粘度的润滑油。运动速度较高的压缩机选用粘度较低的润滑油；反之，选用粘度较高的润滑油5。本制冷系统中采用R134A作为制冷剂，并根据活塞式压缩机的运行特点，固选用美国西匹埃CPISolest 68型号的润滑油。3 制冷系统的热力计算3.1 系统工况的设计已知制热工况：进水温度40,出水温度45；环境干球温度7、环境湿球温度6。制冷工况：制冷量12 kW,进水温度12,出水温度7；环境温度35；控温精度：2；电源：220 V 50Hz；工质：HCFC类或HFC类。(1) 冷凝温度的确定系统以水为冷却介质，冷凝温度比冷却水进口温度高约714，比出口温度高约24，综合考虑，取冷凝温度=48。(2) 蒸发温度的确定蒸发温度是制冷剂液体在蒸发器中汽化时的温度。蒸发温度的高低取决于被冷却物体的温度，另外蒸发温度还与蒸发器的型式有关。选用壳管式蒸发器，蒸发温度比冷冻水出口温度低23，取=5(3) 过冷温度的确定过冷度是在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值。它与所采用的制冷剂种类和膨胀阀开口大小有关，开口的大小决定了进入蒸发器的制冷剂的量，进入的量多导致过冷，进入的量少导致过热。拟采用壳管式冷凝器。在此情况下，一般过冷温度要比冷凝温度低35，这里取过冷度为3。即过冷温度： (3-1)(4) 过热温度的确定过热度(superheat)”这个术语，用于热力膨胀阀是指低压侧和感温包内蒸气之间的温度差。经查阅资料得R134a的过热度为9至2。取过热度为10故过热温度为： (3-2)3.2 系统的热力计算p (MPa)342s2051h(kJ/kg)图3-1 制冷系统压焓图运用Solkane计算软件计算热力循环各点参数见表3-1表3-1 热力循环各点的状态参数p(kPa)t()(/kg)h(kJ/kg)s(kJ/kg.k)03505.000.05835401.371.7241135015.000.06137410.411.75602s125361.680.01759438.411.75602125367.970.01827445.421.7673125348.000.00090268.451.22734125345.000.00089263.91.213253505.000.01041253.591.1931(1) 单位质量制冷量 （3-3）(2) 单位容积制冷量 （3-4）(3) 单位理论功 （3-5）(4) 制冷剂质量流量 （3-6）(5) 压缩理论功率 （3-7）取压缩机的指示效率，则压缩机的指示功率 （3-8）取压缩机的机械效率，则压缩机的轴功率为 (3-9)(6) 实际输气量 （3-10）(7) 冷凝器单位热负荷 （3-11）(8) 冷凝器热负荷 （3-12）(9) 压比(10) 制冷系数 (3-13) (3-14) (3-15)(11) 热力完善度 (3-16)(12) 能效比 (3-17)4 压缩机的选型4.1 压缩机的类型选定压缩机主要分为活塞式压缩机、离心式压缩机和螺杆式压缩机等。其中各类压缩机的适用范围如下：(1) 绝大多数全封闭活塞式压缩机制冷量不超过0.5kW，主要应用于家用电冰箱/冷冻柜和小型商用制冷设备。(2) 涡旋式压缩机制冷量范围为0.7515kW（不包括特殊型号），并且多数在35kW之间，最多应用是在小型家用空调、商用空调系统中。此类压缩机不用于零下5度的制冷工况。(3) 离心式制冷压缩机主要用于空调工况的冷水机组。(4) 螺杆式压缩机单机制冷量在30kW1500kW，可用于冷库、人造冰场、冷水机组中。(5) 半封闭活塞式制冷压缩机用途广泛，单机制冷量从3kW100kW，同时可以多机头并联使用，因此可提供制冷量范围从3kW1000kW，多工况使用，既可用于制冷工况，又可以适用于空调工况。(6) 开启活塞式制冷压缩机只常用于冷库，极少数空调工况的冷水机组。由于本次设计的为12kW水源热泵空调机组，综合制冷设计要求、经济条件、设备运行操作管理等多方面的考虑，此次设计宜采用半封闭式活塞式制冷压缩机。其优点为：有气阀的控制，所以抛弃压力稳定，其可达到的压力范围非常宽，单级压缩的终压一般都为0.30.5MPa以上、机器的效率高、排气范围、热效率较高，气量调节时，其排气量几乎不受排气压力变动的影响；气量调节时，其排气量几乎不受排气压力变动的影响；气体的特效对压缩机的工作性能影响不大，同一台压缩机可以用于不同的气体；适用范围广，既可用于制冷工况，又可以适用于空调工况。但也有一些缺点，其半封闭活塞式压缩机的缺点主要有：构复杂笨重，易损件较多，占地面积较大，设备投资较高，维修工作量大，实用周期较短；转速较低，设备体积大而重；动平衡性较差，设备在运转时会产生较大的振动；排气连续但不均匀，气流有脉动现象，很容易引起管道的振动6。4.2 压缩机的级数确定由于冷凝压力与蒸发压力之比 (4-1)所以应选用单机制冷压缩机。压缩机的级数理论上说越多越好，但是实际上压缩机的级数不应太多，因为级数每增加一级，相应的就多增加一套汽缸气阀等机件，使压缩机结构复杂。压缩比越大，出口温度就越高，消耗的功率大，出口温度也可能会超过润滑油的闪点，导致润滑油会被烧成碳渣。一般情况下，压缩机每一级压缩比不超过3至5。4.3 压缩机的型号选择取相对余隙容积，取排气终了相对压力损失，取多变膨胀过程指数，则压缩机容积系数 （4-2）取吸气终了相对压力损失 （4-3）则压力系数 （4-4）取泄露系数，温度系数 （4-5）则压缩机容积效率 （4-6）压缩机的理论输气量 （4-7）根据制冷所需理论输气量，初步选定丹佛的半封闭往复式压缩机，其型号为MTZ125-4，其主要技术参数如表4-1所示：表4-1 MTZ125-4型压缩机的主要技术参数型号MTZ125-4容量级数100%制冷量(kW)16.988电流消耗(A)10.24输入功率(kW)5.84质量流量（kg/h）441冷凝器容量(kW)19.86制冷剂R134aCOP/EER2.914.4 压缩机的校核计算在确定压缩机型号的情况下，校核压缩机在设计工况下的制冷量，若压缩机在设计工况下的制冷量不满足要求，则重新选定压缩机的型号，再进行校核，直到选定的压缩机的制冷量满足设计要求后，再进行压缩机轴功率、压缩机配用电机功率的计算。选择的是MTZ125-4型号的压缩机。该压缩机在设计工况下的实际排气量： （4-8）压缩机在设计工况下的制冷量： （4-9）则所选压缩机满足要求，以下进行压缩机校核相关计算：等熵比功 （4-10）压缩机在设计工况下的理论（等熵）功率： （4-11）查图表，取压缩机指示功率，机械效率，电动机效率，压缩机电效率。因此可得压缩机的效率 （4-12）压缩机在设计工况下的电功率： （4-13）压缩机在设计工况下的轴功率 （4-14）压缩机在设计工况下的配用电动机功率其中，为传动效率，直联时，；皮带传动时，。该设计系统中采用直联方式，即取。综上所述，可选用型号为MTZ125-4的半封闭往复式制冷压缩机。5 冷凝器5.1 冷凝器的类型选定冷凝器能将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气，大部分汽车上的冷凝器安装在水箱前面。把气体或蒸气转变成液体的装置。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。5.1.1冷凝器的分类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。（1） 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7。(1) 立式冷凝器此种由一直立的圆筒形外壳，内设有上下管板封闭，而上下管板之间连接着数根无缝钢管。冷却制冷剂的水从顶部进入配水箱中，配水箱内装有能均匀分配进入到每根冷却管水量的导流管嘴，使水能沿着切线方向进入管内，并以螺旋线状沿冷却水管的内壁向下流动，形成一层水膜，冷却制冷剂从底部后流人主水池内，可通过凉水设备循环使用。而气体制冷剂约从圆筒中部进入筒体，在筒体与冷却水管之间的缝隙流动，与冷却水进行热交换，被冷凝成高压液态制冷剂积存在冷凝器底部流出。(2) 卧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。(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