空气热源热泵单元的设计毕业论文.pdf

南昌航空大学科技学院毕业论文 1 1 1 概述概述 . .热泵技术发展史热泵技术发展史 随着工业革命的发展，19世纪初，人们对能否将热量从温度较低的介质“泵”送 到温度较高的介质中这一问题发生了浓厚的兴趣。 英国物理学家J.P.Joule提出了 “通 过改变可压缩流体的压力就能够使其温度发生变化”的原理。1854年，W.Thomson教 授 （即大家熟知的Lord Kelvin勋爵） 发表论文， 提出了热量倍增器 （Heat Multiplier） 的概念，首次描述了热泵的设想。 当时，热泵供暖的对象主要是民用，供暖需求总量小，特别是对取暖方式及其对 环境的影响尚没有足够的意识。人们取暖的方式主要是燃煤和木材，因而，热泵的发 展长期明显滞后于空调的发展。 上世纪 30 年代，随着氟利昂制冷机的发展，热泵有了较快的发展。特别是二战 以后， 工业经济的长足发展带来的对供热的大量需求及相对能源短缺，促进了大型供 热及工业用热泵的发展。1973 年的全球性能源危机，进一步促进了热泵在全世界范 围内的发展。但热泵在世界范围内的大规模商业应用是最近 20 年的事，如美国，截 止 1985 年全国共有 14，000 台地源热泵，而 1997 年就安装了 45，000 台，到目前为 止已安装了 400，000 台，而且每年以 10的速度稳步增长。我国是在最近四、五年 之内，热泵才得到了快速发展，主要是集中在经济发达的两个三角洲地区。全国有山 东、浙江宁波、江苏个别厂商也在制造热泵热水器，在广东形成了生产规模，有批量 出口，形成了产业链。最近又有不少地方在研制和制造热泵，在质量方面也有了突破 性的发展。 南昌航空大学科技学院毕业论文 2 . .热泵优势热泵优势 当前，我们在使用能源中存在着许多不合理的现象，造成了极大的浪费。其中最 突出的浪费是对能源没有“量才而用” ，普遍地把煤炭、石油、天然气等高质能源“降 级使用” 。而热泵是一种能使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。恰当 地运用热泵可以把那些不能直接利用的低温能变为有用的热能。具有显著的节能效 果。 热泵具有以下良好性能: 1、高高效率效率 在说明这个问题之前，我们先举个例子， 假设冬季取暖要求维持室温在 20左右。如果直接用电热加热器取暖，在用能 上是最大的浪费。因为，电热器虽然能将电能全部转换成热能，1KW.h 也只能产生 3600KJ 的热。如果采用电动热泵，由于致热系数远大于 1，因此可以向室内提供耗 电量几倍热量。例如，如果室温为 20，室外气温为 5，设他们与工质的传热温差 为 5，则 设热泵的有效系数为 0.6，则实际致热系数 1 . 551. 86 . 0 / max 与电热相比，消耗同等量的电能放出的热量大约为电热放出的 5 倍左右 这说明利用热泵可以提供消耗电力 5 倍多的热量。或者说，在提供相同热量的情况 下，可以节约 80的电力。 、环境问题环境问题 虽然制冷剂选择的是 R22，对空气中的臭氧有一定的破坏力，也就是说对空气 有污染，但是如果严格控制好它的密封性的话，那么它所泄漏的制冷剂 R22 可以忽 略不计，也就是说对空气基本上是没有污染的。而对于其它的，特别是依靠燃烧来取 暖，它所放出气体对环境的污染绝对要远远大于热泵所造成的污染。所以说，空气热 源热泵环境友好度还是不错的。 72.11 25 293 )5273()20273( )20273( max LH H TT T 51. 8 35 298 )10273()25273( )25273( 21 1 max / TT T 南昌航空大学科技学院毕业论文 3 . .热泵工作原理及结构热泵工作原理及结构 热泵是通过消耗一部分高品质的能量把热量从低温热源转移到高温热源中的一 种装置。转移到高温热源中的热量包括消耗的高品质热量和从低温热源中吸收的热 量。在上个世纪初，科学家就提出了热泵的工作原理，为人类使用低温热源指出了方 向， 目前热泵技术在世界上也已经有了许多方面的应用，国内的应用主要在冷热双效 空调产品中，即以室外空气为热源对室内空气进行加热，以达到节能的目的。 热泵不是热能的转换设备，而是热量的搬运设备。 空气热源热泵就是根据热泵原理及技术设计研发的一种制热设备。 它就是通过消 耗少部分电能， 把外界空气中的热量转移到热泵低温空气当中。它利用逆卡诺循环原 理，以制冷剂R22为媒介，通过压缩机的做功，实现低温热能向高温热能的搬运。压 缩机排出的高温高压的制冷剂气体在冷凝器冷凝成液体，同时放出大量的冷凝热，冷 凝热被热泵中的低温空气吸收， 使得热泵中的空气的温度得以升高，制冷剂液体经过 节流元件以后压力大幅降低，在蒸发器中吸热蒸发，蒸发所需热量全部来自于空气， 全部蒸发完毕的低压制冷剂气体被压缩机吸入，通过压缩机做功后，变成了高温高压 的制冷剂气体，重新由压缩机排气口排出，如此往复循环。转移到高温热源中的热量 包括消耗的高品质热量和从低温源中吸收的热量。 通过这个过程我们可以进一步看到， 热泵不是热能的转换设备而是热量的搬运 设备， 因此热泵制热的效率不受能量转换效率(100%为其极限)的制约，而是受到逆向 卡诺循环效率的制约，这就是其制热系数可以达到300500%甚至更高的原因。 一台压缩式热泵装置，主要有蒸发器、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） 压缩冷凝（放出热量）节流 再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到暖房中的空气（如图所示） 南昌航空大学科技学院毕业论文 4 热泵在工作时，把环境介质中贮存的能量 QA 在蒸发器中加以吸收；它本身消耗 一部分能量， 即压缩机耗电 QB； 通过工质循环系统在冷凝器中进行放热 QC， QC=QA+QB， 由此可以看出，热泵输出的能量为压缩机做的功 QB 和热泵从环境中吸收的热量 QA； 因此，采用热泵技术可以节约大量的电能。 南昌航空大学科技学院毕业论文 5 1.1.热泵发展趋势热泵发展趋势 欧洲第一台热泵机组是在 1938 年间制造的。它以河水低温热源，向市政厅供热， 输出的热水温度可达 60。在冬季采用热泵作为采暖需要，在夏季也能用来制冷。 在 1973 年能源危机的推动下，热泵的发展形成了一个高潮。目前，欧洲的热泵理论 与技术均已高度发达，这种“一举两得”并且环保的设备在法、德、日、美等发达国 家业已广泛使用。 80 年代来，中国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展。针对中国地热资 源较丰富的情况，若把一次直接利用或经过降温的地下热水作为热泵的低位热源使 用，就可增大使用地下水的温度差，并提高地热的利用率，这在京津地区早已有过应 用实践。 而这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一 个有效的解决方法 。 全球热泵总的销售额达到 160 亿美元，是 2001 年总的空调市场销售额 340 亿美 元的 47。前三名国家：美国，中国和日本共占世界总空调器销售额的 64，并占 总热泵销售额的 72。前 9 名国家和地区，包括韩国、意大利、西班牙、台湾地区、 澳大利亚和法国等，占世界总空调器销售额的 76， 并世界总热泵销售额的 86。 令人注意的是 SRAC 和 SPAC 的无风管分体机组占世界总空调器市场的 50.8，并占 世界总热泵的 71.6。 南昌航空大学科技学院毕业论文 6 2 2 总体设计方案的确定总体设计方案的确定 21 热泵机组类型及热泵机组类型及选择选择 由于不同的热泵机组类型有不同的优势和缺点， 所以热泵单元类型选择的方式应 根据不同特点选择不同的方式，下面是热泵机组类型及其特点： 211 热泵机组及其特点热泵机组及其特点 1、涡旋式压缩机热泵机组： 涡旋式压缩机为容积式压缩机，具有运转平稳、振动小、噪音低等优点，常用在 空气热泵机组，适用于中、小型工程。 2、活塞式压缩机热泵机组： 活塞式压缩机为容积式压缩机，结构复杂、转速低、振动大、噪音大、单机容量 较小，多机头组合可拼装成100万大卡/时左右热泵机组，COP=3.03.5； 3、 螺杆式压缩机热泵机组： 螺杆式压缩机也为容积式压缩机，结构简单、运转平稳、振动小、噪音低、寿命 长，COP=3.54.5，适用于中、小型工程，多机头热泵机组可用于较大工程。单螺杆 为平衡式单向运转，磨损小，无轴向推力，其排气效率比双螺杆略低。 设计空气热泵应注意： 1、空气热泵机组特点及适合性： 空气热泵机组有优点也有缺点，与同容量单冷冷水机组相比，其用电量大，造价 高，冬季随室外气温下降制热量衰减严重、结霜严重等，因此，当某工程有蒸汽源 时，空调冷热源应尽量采用“单冷冷水机组加热交换器”方案。本人认为医院、宾馆 等对冬季采暖温度要求较高的工程不适宜采用热泵机组，办公楼、饭店等工程则较适 宜，因为它们一般白天使用，热泵机组制热量衰减小，就算采暖效果差些，室内人员 可多穿衣服，影响小些。 2、 活塞式及螺杆式热泵机组若干性能比较： 许多厂家销售人员出于商业利益，往往片面甚至恶意中伤某品牌或活塞、螺杆式 热泵机组，我们设计人员不能被一叶障目，要认真细致地了解各类机型性能，作出正 确的选型判断。 烧压缩机问题：原因之一是蒸发器选型不对所致，例如，活塞式或螺杆式热泵 机组（采 用F22制冷剂）选用满液式蒸发器时因回油困难就易烧压缩机；原因之二是 润滑系统有杂质致使润滑油脏或压缩机吸气过滤网因杂质堵塞而被吸破致使杂质吸 南昌航空大学科技学院毕业论文 7 入压缩机等，杂质易损坏电机绝缘层；原因之三是过热保护、过压保护、短路保护等 失灵所致； 液击问题：其实液击对活塞式及螺杆式压缩机都是不利的，两者压缩效率都 要降低； 压缩机效率的控制问题：活塞式及螺杆式热泵机组制冷（热）量由其容量调节 电磁阀调节， 活塞式压缩机部分负荷时可减少运行气缸数来调节，螺杆式压缩机则靠 滑阀调节。在部分负荷时，两者轴功率均降低，运行COP值差不多； 润滑油问题： 活塞式及螺杆式压缩机在夏冬季均需对润滑油加热，使润滑油中 制冷剂挥发出来，保证压缩机正常润滑； 维护保养问题：活塞式压缩机零部件约268个，易损件多，1000小时需中修， 维修量大；而螺杆式压缩机零部件约26个，易损件少，无故障运转时间长。在正常运 行下，若干年后只要更换润滑油、过滤器、轴承等； 噪音问题： 螺杆式热泵机组主要噪音源是风机，机组一般噪音在80dB(A)左右， 因此机组应选用低噪音、转速低、振动小（经动静平衡测试）的风机产品，如选用德 国施乐百公司轴流风机， 100RT螺杆式热泵机组噪音可控制在74dB(A)左右。而活塞 式热泵机组噪音一般在80dB(A)以上。我们要注意噪音的标准测法及测音室与普通环 境下的区别问题； 我们也要注意厂家样本上热泵机组冬季制热量是在 8环境温度下的值，不是 冬季空调计算温度下之值。 3、节能设计注意原则 采用空气源热泵冷热水机组时应符合以下原则: 1 较适用于夏热冬冷地区的中小型公共建筑。 2 夏热冬暖地区采用时，应以热负荷选型，不足冷量由水冷机组提供。 3在寒冷地区，当冬季运行性能系数低于18时或具有集中热源、气源时不宜采 用。 注： 冬季运行性能系数=冬季室外空调计算温度时的机组供热量(KW) 、机组输入 功率(KW) 关于空气源热泵经济合理应用，节能运行的基本原则如下: 空气源热和水冷机组相比， 空气源热泵耗电较高， 价格也高。 但其具备供热功能。 对不具备集中热源的夏热冬冷地区来说较为适合，尤其是机组的供冷、供热量和该地 南昌航空大学科技学院毕业论文 8 区建筑空调夏、冬冷热负荷的需求量较匹配，冬季运行效率较高。从技术经济、合理 使用电力方面考虑，日间使用的中、小型公共建筑最为合适。 综合上述，很容易发现涡旋式压缩机热泵机组适合该课题的设计要求。 南昌航空大学科技学院毕业论文 9 .2.2热泵单元的初步计算及其选择热泵单元的初步计算及其选择 压缩式热泵是以消耗一部分高质能（机械能或电能）为代价制热的，如图. 所示。低沸点工质通过压缩机压缩，消耗外功，使工质的压力和温度升高。由于他 的温度高于供热所需温度h，让他通过冷凝器向室内供出热量2而本身被冷凝。然 后通过膨胀阀节流降压，同时温度也降低。由于它的温度降低于低温（一般环境 温度为） ，在蒸发器中吸收外界热量1而蒸发。蒸汽在回到压缩机继续压缩，完 成一个循环。 图 2.1 -压缩机；-冷凝器；-膨胀阀；-蒸发器 衡量压缩式热泵的性能指标是叫“致热系数” W Q COP 1 如完全可逆，即按逆向卡诺循环 1-2-3-4-1 进行，如下图 2.2 所示，则此时的致热 系数应为最大，即 H L LH H T T TT T QQ Q 1 1 21 1 max 实际上由于热传递必然存在温差，工质向室内放热时的冷凝温度高于 ， 从低温热源吸收热时的工质温度低于， 如果按工质实际工作温度范围 （ ）计算其最大的致热系数，则为 南昌航空大学科技学院毕业论文 10 H L LH H T T TT T QQ Q 1 1 21 1 max 图 2.2 由上式可见，如果（）越小，或者/约大，则 max / 越大， max / 始 终大于。当/接近时， max / 将趋于无穷大，这说明热泵所能提供的热两在 数量上是超过所消耗的功。并且，当转移热量的温差越小时，他做的功越大。就这点 来说，利用热泵取暖是最适合的方式。 世界的热泵除有不可逆转损失外，由于在压缩机及膨胀阀中也存在不可逆损失， 世界的致热系数将小于理论值，即 max / max 在确定了热泵的工质、 热力循环参数及压缩机的效率后，可以利用工质热力学性 质来计算： max / 式中热泵有效系数，一般在 0.450.75 范围，概算时可取 0.6 设室温为 20，要求烘干的东西在 50，设他们与工质的传递温差为 5，则 南昌航空大学科技学院毕业论文 11 2 1 21 1 21 1 max / 1 1 T T TT T QQ Q 把 TH=273+50=323，TL=273+20 代入得： 77.10 )20273()50273( 50273 max 2 . 8 )15273()55273( 55273 / max 92. 42 . 86 . 0 / max 大于设计给定的 COP=2.5 符合要求 南昌航空大学科技学院毕业论文 12 3 3 换热器的选择换热器的选择 换热器是热泵中不可缺少的重要装置， 换热器的传热效果直接影响热泵致热的效 率、经济特性。冷凝器和蒸发器是热泵中不可缺少的换热器，是热泵取暖的重要组成 部分。 3.1 冷凝器冷凝器 冷凝器是热泵向热泵中低温空气放出热量的换热装置。 低温的制冷剂从压缩机出 来后，变成高温高压，经过冷凝器发热，将热量传递给热泵中低温的空气，使热泵中 空气变高。 制冷剂在冷凝器中放出的热量同时自身因冷凝却结为液体。制冷剂在冷凝 器中放出的热量包括两部分： 一是在蒸发器中吸收来自外界空气的的热量；二是制冷 剂蒸汽在制冷压缩机中被压缩时，由压缩机消耗的机械功转化的热量。 冷凝器按冷却介质和冷却方式，可以分为三种类型： （1）水冷冷凝器用水作为冷却介质，使高温高压的制冷剂蒸汽冷凝的换热器，称 为水冷式冷凝器。 （2）空气冷凝器用空气作为冷却介质，使高温高压的制冷剂蒸汽冷凝的换热器， 称为空气冷式冷凝器 （3）蒸发式冷凝器利用水蒸汽吸收大量的潜热而使高温高压的制冷剂蒸汽冷凝的 换热器，称为蒸发式冷凝器。 3.113.11 水冷式冷凝器特点水冷式冷凝器特点 水冷式冷凝器的结构有管壳式、套管式、板式、螺旋板式等几种形式。水冷式冷 凝器是水吸收制冷剂放出的热量。其特点传热效率高，因此结构紧凑，多用于中大型 制冷设备。这类制冷设备都需要有一套冷却水系统，冷却水可以使用江、河、湖、海 水或地下水，也可以循环使用。其缺点是占地方大。所以不适合该课设最佳选择。 3.123.12 蒸发式冷凝器特点蒸发式冷凝器特点 蒸发式冷凝器跟水冷式冷凝器比较相近， 主要是利用冷却水汽化的潜热来吸收制 冷剂的热量，所以蒸发式冷凝器的水消耗量很小，其耗水量仅是水冷冷凝器的 10%， 其功率也比较小。一般用于小型设备当中 。所以也不适合我们的选择。 3.133.13 空气冷却式冷凝器特点空气冷却式冷凝器特点 空气冷却式冷凝器又称为风冷冷凝器。在这种冷凝器中，制冷剂蒸汽和冷凝所放 出的热量是由空气来冷却的。 空气式冷凝器按空气冷却方式又分为自然对流空气冷却 式冷凝器和强迫对流空气冷却式冷凝器。前者多用于小型制冷设备。在缺水的地方， 南昌航空大学科技学院毕业论文 13 为了减少冷却水的消耗，制冷设备多采用空气冷却式冷凝器。目前，有些中型空调和 制冷设备中也采用空气冷却式冷凝器。 空气冷却式冷凝器的换热管一般按蛇管排列，制冷剂蒸汽在换热管内冷凝，空气 在换热管外流过。 由于空气侧的换热系数比较小，所以在空气冷却式冷凝器的空气侧 通常采取加翅片等强化换热的一些措施。 在设计中，考虑到节能和噪音问地。选择自然对流空气冷却式冷凝器。这种冷凝 器具有以下优点： 、节省风机的电耗 2、减少了噪音 但是也有其自身的不足，传热系数比较低，一般为 916W/(m2.) 下图图 3.1 是空冷式冷凝器的三维视图 空冷式冷凝器 图 3.1 南昌航空大学科技学院毕业论文 14 图 3.2 它有平板式（上图 b） 、百叶窗式、钢丝式（上图 a） 。平板式由蛇形管和用以增 加换热面积的平板组成，蛇形管焊接或者压死在平板上，以强化换热。百叶窗式是将 平板作成百叶窗形式和蛇形管焊接， 起目的是增加冷凝器的散热面积， 改善通风条件。 钢丝式冷凝器是在百叶窗式的基础上进一步改进的，钢丝焊接在蛇形管的两面，并与 换热管成直角，钢丝直径 12.5mm，钢丝间的距离为 610mm。自然对流空气冷却式 冷凝器的换热管通常直径为 58mm， 管间距离为 4060mm。 3.4 冷凝冷凝器翅片面积计算器翅片面积计算 确定了选择冷凝器类型后， 接下来就是要估算冷凝器的面积，然后去查生产厂家 生产的蒸发器，直接选定 因为我们选定的工质是 R22，所以根据制冷技术及其应用这本书的压-焓去 查表。 根据第2 章总体设计里面选定的温度t0=20和t2=50， 致热系数为COP=4.92 2.5 又已知压缩机功率 N=3.0KW 查付表得： 蒸发压力P00.8MP 冷凝压力P22.2MP 吸气比体积v10.0425（m 3/kg） 吸气比焓h1430（kJ/kg） 排气比焓h2410（kJ/kg） 南昌航空大学科技学院毕业论文 15 节流前后的比焓h4=h5310（kJ/kg） 又已知压缩机功率 N=3。0KW， 又根据如下公式： 单位制热量q0=h1-h4 单位容积制热量qv=q0/v1 单位压缩机功耗 = h2 - h1 总制热量Q0=N=34.92=14.76KW 制冷剂质量流量qm=Q0/q0 冷凝器单位散热量qk=h2-h4 得冷凝器总放热量 ： 单位为 K 又根据公式 F=Qk/（K m t ） F 为换热器的换热面积（m2） K 为换热器的传热系数（W/（m2.) 查表得，K 为 12（W/（m2.) m t 为换热器的平均传热温差 根据选定温度 t0=20和 t2=50， ，可知 m t 30 那么 3 .1276.14 310430 310410 0 41 42 Q hh hh qqQ kmk 3 3 2 .34 3012 103 .12 m tK Q F m k 南昌航空大学科技学院毕业论文 16 3.2 蒸发器蒸发器 热泵中蒸发器是制冷剂从系统外界吸热即取暖的换热器。 制冷剂液体在蒸发器的 换热管内流动，并在低温下蒸发，变为蒸汽，制冷剂在蒸发过程中吸收来自外界空气 的热量。 所以蒸发器是热泵取暖设备中重要的部件。蒸发器位于热泵的节流阀和压缩 机的吸气管之间。 冷却空气的蒸发器又分为直接蒸发式空气冷却蒸发器(冷风机)和排管式空气冷 却蒸发器两种。 冷却空气的蒸发器的制冷剂在换热管内流动蒸发，空气在换热管外流 动被冷却。 .直接蒸发式空气冷却蒸发器直接蒸发式空气冷却蒸发器 直接蒸发式空气冷却蒸发器广泛用于空调、冷库库房、低温试验箱和各种型式的 冷风机，制冷剂在换热管内蒸发，空气在风机的作用下从换热管外流动。为了提高空 气侧的换热系数， 换热管通常采用翅片管。翅片管通常有紫铜管和套在紫铜管外的铝 片组成，铜管直径为9X0.516X1.0mm，铝片厚度为 0.150.30mm。对于空调翅片间 距为 2.04.5mm，对于冷库使用的冷风机翅片间距要大一些，以放冷凝水流动不畅或 被积箱堵死而影响空气的流动，是传热情况恶化。 直接蒸发式空气冷却蒸发器的传热系数比较低。 当空气的迎面风速为 23m/s 时， 对于用于空调机组的蒸发器，传热系数为 3040W/(m 2.);对于用于冷库的冷风机， 蒸发器的传热系数为 1220W/(m 2.)。 这种蒸发器的优点是结构紧凑， 占地面积小， 冷量损失小。 缺点是气密性要求高， 制冷两调节比较困难。 3.22 排管式蒸发器排管式蒸发器 排管式蒸发器主要用于冷库的冷藏库房、低温试验箱和各种冰箱。制冷剂在换热 管内蒸发，空气在换热管外自然对流。对于氨制冷装置换热管选用钢管，而对于 R22 制冷装置换热管选用铜管。 排管式蒸发器按安装位置的不同可以分为墙排管、顶排管、和搁架势排管。按结 构有立管式和蛇管式两种。 立管式蒸发器只用于氨制冷装置，蛇管式蒸发器可以用于 氨和氟利昂两种制冷装置。 立管式冷却排管蒸发器的优点是结构简单， 排气油方便。 缺点是氨液的充液量大， 充液量为立管容积的 80%；由于氨液柱的高度影响，排管的底部的蒸发温度升高，所 南昌航空大学科技学院毕业论文 17 以这种排管不宜用于低于 40的冷库。 蛇管式排管式蒸发器优点是充液量少。缺点是制冷剂的流动阻力大。 由于冷却式排管管外的空气是自然对流，所以传热系数很低，传热系数为 612W/ （m2.） ；翅片管约为 3.56W/（m2.） 。 3.233.23 蒸发器的选择蒸发器的选择 1、直接蒸发式空气冷却蒸发器的传热系数比较低。当空气的迎面风速为 23m/s 时， 对于用于空调机组的蒸发器， 传热系数， 3040W/(m 2.);对于用于冷库的冷风机， 蒸发器的传热系数为 1220W/(m 2.)。这种蒸发器的优点是结构紧凑，占地面积小， 冷量损失小。 缺点是气密性要求高， 制冷两调节比较困难。 广泛用于空调、 冷库库房、 低温试验箱和各种型式的冷风机。 2、冷却式排管管外的空气是自然对流，所以传热系数很低，传热系数为 612W/ （m2.） ；翅片管约为 3.56W/（m2.） 。冷库的冷藏库房、低温试验箱和各种冰箱 综合考虑，我们选择直接蒸发式空气冷却蒸发器。原因如下： 1、由于直接蒸发式空气冷却蒸发器广泛应用，即使坏了也好替换。 2、传热系数相对排管式还是要高一点 3、冷却式排管冷凝器用于冷库的冷藏库房、低温试验箱和各种冰箱而广泛用于 空调、冷库库房、低温试验箱和各种型式的冷风机。 3.24 蒸发器面积计算蒸发器面积计算 确定了选择蒸发器类型后，接下来就是要估算 蒸发器的面积，然后去查个生产 厂家生产的蒸发器，直接选定 因为我们选定的工质是 R22，所以根据制冷技术及其应用这很书的压-焓去 查表。 根据第 2 章总体设计里面选定的温度 t0=20和 t2=50，制热系数为 COP= 2.5 又已知压缩机功率 N=3.0KW 查付表得： 蒸发压力P00.8MP 冷凝压力P22.2MP 吸气比体积v10.0425（m 3/kg） 吸气比焓h1430（kJ/kg） 排气比焓h2410（kJ/kg） 节流前后的比焓h4=h5310（kJ/kg） 又已知压缩机功率 N=3.0KW， 南昌航空大学科技学院毕业论文 18 又根据如下公式： 单位制热量q0=h1-h4 单位容积制热量qv=q0/v1 单位压缩机功耗 = h2 - h1 总制热量Q0=N=34。92=14.76KW 制冷剂质量流量qm=Q0/q0 冷凝器单位散热量qk=h2-h4 得蒸发器总吸收热量： 单位为 K 又根据公式 F=Qk/（K m t ） F 为换热器的换热面积（m2） K 为换热器的传，系数（W/（m2.) 查表得，K 为 480（W/（m2.) m t 为换热器的平均传热温差 根据制冷剂温度在 t0=0以及管道传热损失温度为左右， 可知 m t 10 那么 3 3 75.30 1040 103 .12 m tK Q F m k 3 .1276.14 310430 310410 0 41 42 Q hh hh qqQ kmk 南昌航空大学科技学院毕业论文 19 4 制冷剂介绍制冷剂介绍 热泵制热是制冷的一个逆过程，制冷装置必须有压缩机、冷凝器、蒸发器和节流 装置这四大基本部件才能组成一个制冷系统，所以热泵制热也需要这几个部件。但是 仅有这四大基本部件组成的制热系统仍然不能正常工作、制热。系统里必须还要充注 一定量的专用的工作介质，制热装置才能工作、制热，而却充注不同的工作介质制热 装置的制热的效率也有很大的不同，这个工作介质就是我们所称的制冷剂，因此制冷 剂在制冷装置中其着极其重要的作用。 4.1 制冷剂的作用制冷剂的作用 制冷剂是制冷机中的工作介质，成为制冷剂或制冷工质，它在制冷系统内部循环 流动中， 通过自己的热力状态的变化与外界发生能量交换，从而实现制冷去冷量的目 的。 对蒸汽压缩式制冷循环中， 制冷剂在低温低压下气化， 从被冷却物体中吸收热量， 从而实现制冷， 然后又在高温高压下把热量传给周围环境，把制冷剂冷凝释放的热量 放到环境介质中去， 如此不断循环制冷。以制冷剂必须在工作温度环卫内能够气化和 冷凝。在制冷系统中如果没有制冷剂，制冷装置就无法实现制冷，当然制冷系统中选 用不同的制冷剂，制冷装置的运行性能也不同。 南昌航空大学科技学院毕业论文 20 4.2 对制冷剂的要求对制冷剂的要求 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： （）临界温度较高，在常温或制冷温度下能够液化。一般来说，制冷循环越近临界 温度，节流损失越大，制冷系数越小。 （） 在蒸发器和冷凝器内制冷剂的压力要适中。即要求在蒸发器内制冷剂的压力最 好和大气压力相近并稍高于大气压力。因为当蒸发器中制冷剂的压力低于大气压力 时， 外部的空气会从不严密处漏入系统中，这样漏入的空气不但会降低制冷装置的制 冷能力， 而且由于空气中有水蒸气，这些水蒸气进入氟利昂制冷系统后对设备和管路 还会发生腐蚀；同时在低温部分的节流孔口处还可能发生“冰塞”现象。 在冷凝器中制冷剂的压力不应该过高，这样能减少制冷设备承受的压力，同时可 降低对冷凝器密封性的要求， 从而减少金属消耗量和降低制冷剂泄漏的可能性。如果 压力过高，不仅制冷剂有向外泄漏的可能，而且还会增加循环中的功耗。冷凝温度是 根据冷却介质的温度和冷凝器的构造来确定的。 （）单位容积制冷量 qv要大。对于一台压缩机在一定的工况下，如果所用的制冷 剂的单位容积制冷量大，则其制冷量也就大；而要求产生同样的制冷量时，若制冷剂 的单位溶剂制冷量大起制冷剂的循环量就少， 所以起压缩机和系统的尺寸就可以大大 减少。 （）对于大、中型的往复式压缩机，制冷剂的单位容积制冷量越大越好。但是对于 离心式压缩机和小型往复式压缩机要求恰恰相反， 否则由于制冷剂的单位容积制冷量 太大而导致压缩机尺寸太小， 就会给制造带来一定的困难，但是随着机械加工工艺的 提高，这个问题逐步会得到解决。 应该说明，同一种制冷剂在不同的蒸发温度和冷凝温度（或节流前的温度）下， 起单位容积制冷量是不同的； 而且不同的制冷剂即使在相同的温度条件下，单位容积 冷凝也各不相同； （）凝固温度要低，以避免制冷剂在系统中的流动阻力损失小。 （）导热系数要高，可以提高各个换热器制冷剂侧的换热系数。 （）粘度和密度要小，以保证制冷剂在系统中的流动阻力损失要小。 （）与润滑油的溶解性。制冷剂与润滑油是否溶解的性质各有利弊。制冷剂能溶解 于润滑油， 优点是润滑油能于制冷剂一起渗透到压缩机各个部件，为机件润滑创造良 好的条件； 蒸发器和冷凝器的传热面上不会形成阻碍传热的润滑油层。缺点是从压缩 南昌航空大学科技学院毕业论文 21 机中带出的油量多，在蒸发器中产生的泡沫多，影响传热，并会引起蒸发温度升高； 使润滑油的粘度降低。 不溶或稍微溶于润滑油的制冷剂，有点是从压缩机带出的油量 少； 在蒸发器中的蒸发温度比较稳定。缺点是在蒸发器和冷凝器传热面上会形成很难 清楚的油层，影响传热。 ( 1 )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 ( 2 )液体比热容小，可使节流过程损失减小 ( 3 )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。 ( 4 )价格便宜，便宜获得。 除上述共同要求外，不同型式的蒸汽压缩式制冷机对制冷剂还有一些特殊要求， 活塞式制冷机要求制冷剂的气化潜热和单位容积制冷量要大， 以利缩小机器的尺寸和 减小制冷剂的循环量； 离心式制冷机要求制冷剂的分子量要大， 以便提高级的压缩比， 在一定的冷凝压力和蒸发压力范围内，使级数减小；封闭式压缩机中，制冷剂与电极 线想接触，不能使用像氨一类会与铜起化学作哟感的制冷剂；石油、化学等工业用的 制冷机，系统制冷剂使用量很大，从经济角度出发，常采用碳氢化合物。 南昌航空大学科技学院毕业论文 22 4.3 常用制冷剂及其特性常用制冷剂及其特性 表. 制冷剂 名称 化学分子 式 代号 分子 量 标准 气压 下沸 点/ 临界 点温 度/ 临界压 力/ a 标准气 压下凝 固温度 / 国内 用 国际通 用 水H2O-R71818100374220 氨NH3-R71717-33.3513211-77 一氟三 氯甲烷 CFCL3F11R1113723.71974.3-111 二氟二 氯甲烷 CF2CL2F12R12120-29.81124.1-155 三氟一 氯甲烷 CF3CLF13R13104-81。5283.7-184 四氟甲 烷 CF4F21R2188-128-455.1-135 一氟二 氯甲烷 CHFCL2F22R221038.9964.9-160 三氟三 氯乙烯 CF2CLF113R11386.5-40.82143.4-36.6 四氟二 氯乙烯 C2F4CL2F114R1141873.51453.2-94 五氟一 氯乙烯 C2F5CLF115R115154-38803.2-106 二氟一 氯乙烯 C2H3F2CLF142R142100-9.251374.1-130 乙烯C2H4-R115028-1039.55.0-169 丙烯C3H6-R127042-47.7914.5-185 综合上述考虑，我们选择常用制冷剂22，它不但价格便宜，常用，而且在温度 上适合我们选择，在 10左右为气体，0为液体。 南昌航空大学科技学院毕业论文 23 5 5 润滑油润滑油 润滑油也称冷冻油，他在制冷压缩机中主要起以下 5 个作用： （1）润滑摩擦件表面，降低摩擦而引起的温升，减少零件的磨损； （2）冷却作用，冷却摩擦件产生的摩擦热； （3）带走金属摩擦表面的摩屑 （4）密封作用，在汽缸与活塞及轴封摩擦面间充满润滑油起密封作用，以防止制 冷剂的泄漏。 （5）利用油呀作为控制卸载机构的液压传动动力。 不同的制冷系统应使用专门的制冷机构润滑油， 木棉我国生产并普遍采用的制冷 机润滑油有 13 号、18 号和 25 号三种，三种都适用于氨制冷机。下表是国产制冷机 润滑油的牌号和规格。 表. 牌号SYB12 13-59 YB122 0-65 YB121 9-65 代号 标号131825304960 运动粘 度 11.51825.4304060 闪点不 低于 160160170180190165 酸值不 大于 0.140.030.020.10.10.05 水分无无无无-无 从上表可以看出，我们选定润滑油为 YB1219-65 南昌航空大学科技学院毕业论文 24 6 节流装置与辅助设备节流装置与辅助设备 在热泵系统中，除了制冷压缩机、蒸发器及其它换热装置等主要设备外，还需要 有专门的节流装置，这些膨胀机构使制冷剂在节流后降低温度和压力。低温、低压的 制冷剂工质在蒸发器中气化，吸收气化潜热，达到制冷的目的。 在整个热泵系统中，还包括了一些辅助设备，如润滑油的分离及收集设备、制冷 剂工质的储存及分离设备、 制冷剂工质的净化设备以及安全设备等。这些辅助设备的 用途是保证制冷设备的正常运转、 提高运行的经济性和保证操作的安全可靠。由于在 这些设备中制冷剂并不发生状态变化，他们不是完成制冷机循环所必须的设备，所以 在小型制冷设备中为了简化，往往将某些辅助设备省去。 .节流装置节流装置 节流装置是制冷机系统中的关键部件之一。 到目前为止， 在蒸汽压缩式制冷机 （以 及吸收式和整齐喷射式制冷机） 中，仍然是用各种型式的节流机构来实现制冷液体的 膨胀过程。节流装置位于冷凝器之后，他的作用是将冷落、拧器或储液桶中冷凝压力 下的饱和液体（或过冷液体） ，节流后降至蒸发压力0和蒸发温度o，然后进入蒸 发器。 节流装置除了节流作用外，还起着根据负荷的变化调节进入蒸发器的制冷剂流 量的作用。通过节流装置的调节，使制冷剂离开蒸发器时有一定的过热度，保证制冷 剂液体不会进入压缩机。 工程热力学指出，工质在管路中遇到缩口和节流机构的孔口，由于局部阻力，使 其压力显著下降的现象称为称为“节流“。工程上当流体流经节流机构的孔口时，由于 流速大， 时间短来不及与外界进行热交换，因而将这种流动过程可以近似作为决热过 程来处理，所以又将他称作“绝热节流“。节流后，液体变成湿蒸汽，其中蒸汽的含量 约占总制冷剂的 10%30%。液体节流后产生的蒸汽是饱和蒸汽，有称闪蒸汽，以区 别于加热液体后产生的饱和蒸汽。 6.11 节流装置的分类及选择节流装置的分类及选择 制冷机的节流装置按其在使用中的调节方式可以分为如下四类： （1）手动调节的节流装置，即手动节流阀。他的结构比较简单，可以单独使用，也 可以同其它的控制器件配合使用。长用于工业用的制冷系统 （2）用液位调节的节流装置，其中常用的是浮球调节阀。浮球阀既可以单独使用也 可以作为流感应元件与其它元件配合使用。现在主要用于中型及大型氨制冷装置之 中。 （3）用蒸汽过热度调节的节流装置，包括热力膨胀阀及热电膨胀阀等，现在主要用 南昌航空大学科技学院毕业论文 25 于管内蒸发的氟利昂蒸发器及中间冷却器等。 （4）不调节的节流装置，有自动膨胀阀、节流管（毛细管） 、节流短管和节流孔等多 种，宜用于工况比较稳定的制冷机组。 因为我们设计的是热泵，要求的是蒸汽温度和压力恒定，所以选择热力膨胀阀。 6.12 热力膨胀阀热力膨胀阀 热力膨胀阀是应用最广的一类节流机构， 氟利昂制冷装置一般都用热力膨胀阀来 调节制冷剂流量它既是控制蒸发器的供液量的调节阀，同时也是制冷装置的节流阀， 所以称为热力调节阀或感应调节阀。 到制冷剂流经蒸发器产生一定的压力损失，为降低开启过热度，提高熵的利用 率，一般自膨胀阀出口至蒸发器出口，制冷剂的压力降所对应的发温度降超过 23，应选用外平衡式热力膨胀阀。 外平衡式热力膨胀阀的工作原理是建立在力平衡的基础上。工作时，弹性金属膜 片上部受感温包内工质的压力P3作用， 下面受蒸发器出口压力P1与弹簧力P2的作用。 膜片在三个力的作用下，向上或向下鼓起，从而使阀孔关下或开大，用以调节蒸发器 的供液量。 当进入蒸发器的液量小于蒸发器热负荷的需要时，则蒸发器出口蒸气的过 热度增大，膜片上方的压力大于下方的压力，这样就迫使膜片向下鼓出，通过顶杆压 缩弹簧，并把阀针顶开，使阀孔开大，则供液量增大。反之当供液量大于蒸发器热负 荷的需要时，则出口处蒸气的过热度减小，感温系统中的压力降低，膜片上方的作用 力小于下方的作用力时，使膜片向上鼓出，弹簧度组成，开启过热度与弹簧的预紧力 有关， 有效过热度与弹簧的强度及阀针的行程有关。膨胀阀的弹簧是按标准工况设计 的，机组在标准工况下，机组满负荷或变负荷运行均维持较高的 COP 值。但在大压 差工况下，蒸发压力降低，蒸发器负荷需求的液量减少，但实际情况相反，在吸气过 热度不变的情况下，由于蒸发压力降低，蒸发器出口压力 P1相应降低，膜片上下的 压差变大，使主阀开度增大，供液量增加；但在小压差工况下，蒸发压力上升，蒸发 器负荷需求的液量增多， 但实际情况是在吸气过热度不变的情况下，由于蒸发压力上 升，蒸发器出口压力 P1相应提高，膜片上下的压差变小，使主阀开度减小，供液量 减少； 在变负荷下亦如此。因此热力膨胀阀在变工况下供液量的调节方面需进一步改 进 南昌航空大学科技学院毕业论文 26 图3 内平衡式热力膨胀阀 1阀芯 2弹性金属膜片 3弹簧 4调整螺丝 5感温包 南昌航空大学科技学院毕业论文 27 图4 外平衡式热力膨胀阀 1阀芯 2弹性金属膜片 3弹簧 4调整螺丝 5感温包 6平衡管 热力膨胀阀种类很多，根据它对工质要求和温度范围，选择 601-1 系列热力膨胀。 适应工质:R22电压:-50V+50V温度：-5+60。 南昌航空大学科技学院毕业论文 28 6.26.2 辅助设备辅助设备 6.216.21 润滑油的分离及收集设备润滑油的分离及收集设备 往复活塞式和回转式压缩机都需要润滑油在机内进行润滑，螺杆式及滚动转子压 缩机还需要向机内喷入一定量的润滑油以起密封和冷却作用， 因此这些压缩机的排气 中便不可避免地带有一定的润滑油。 润滑油进入制冷机系统后要影响冷凝器和蒸发器 中的传热过程， 会使制冷剂的蒸发温度高于蒸发压力下的饱和温度；或者占据一部分 蒸发器容积， 使其传热面不能完全发挥作用。因此必须设法将润滑油从制冷剂中分离 出来并给予回收。 1、油分离齐的基本工作原理，是利用油滴与制冷剂整齐的密度不同，是混合气 体流过直径较大的油分离器时， 利用突然扩大通道面积而使其流速降低，同时改变流 动方向，或利用其它分油措施，使润滑油沉降而分离。对于蒸汽状态的润滑油，则可 采取洗涤或冷却的方式降低温度，使之分离。 2、油分离器的种类 （1）洗涤式油分离器这种油分离器用语氨制冷机 （2） 离心式油分离器这种油分离器适用于中等和较大制冷量的压缩机，是利用气 流程螺旋形成流动时的离心力使油滴分离。 （3）过滤式油分流器目前在氟利昂制冷系统中常用使用这种油分离器。 南昌航空大学科技学院毕业论文 29 离心通风机的选择及压缩机的的选择离心通风机的选择及压缩机的的选择 、离心通风机的选择、离心通风机的选择 由于离心通风机有标准件，考虑到购买方便和互换性好，所以我们选择标准件， 下面只需要根据设计要求去查表就可以 根据南昌人民风机厂这本书，查得 4-79 型号适合选择，它的性能如下： 机号转速 （r/min） 风量风口方 向 传动方式型号功率 （KW） 414509001500径向A4-790.75 该离心通风机可用语一般通风换气。还用于一般工厂及大型建筑的室内通风换气 2 2、压缩机的选择、压缩机的选择 压缩机跟离心通风机一样有标准件，所以我们同样只需要查表也可以，考虑到 ZR 系列压缩机市场上比较好买，而且性能也不错，所以选择 ZR 系列压缩机。 。下列是 ZR 系列压缩机： 型号马力HP排气量m 3/h ARI工况 7.2/54。 4 重量Kg高度mm 制冷量 W 输 入 功 率W 单相 ZR16K3-PFJ1.333.974010132025.9370.4 ZR18K3-PFJ1.504.374400144025.9370.4 ZR20K3-PFJ1.694.764890160025.9370.4 ZR22K3-PFJ1.835.345330173025.9382.8 ZR24K3-PFJ2.005.925920187026.3382.8 ZR26K3-PFJ2.176.276330200025.9382.8 ZR28K3-PFJ2.336.836910215027.2382.8 ZR30K3-PFJ2.507.307380229028.6405.5 ZR32K3-PFJ2.677.557760241028.1405.5 ZR34K3-PFJ2.838.028200252029.5405.5 ZR36K3-PFJ3.008.618790270029.5405.5 南昌航空大学科技学院毕业论文 30 ZR40K3-PFJ3.339.439670297029.9419.3 ZR42K3-PFJ3.509.9410100312029.9419.3 ZR47K3-PFJ3.9211.1611500353030.4436.6 三相 ZR22K3-TFD1.835.345330165025.9382.8 ZR24K3-TFD2.005.925920184025.9382.8 ZR26K3-TFD2.176.276330196025.93