循环式空气源热泵热水机组设计

1、本科毕业设计（论文）50kW循环式空气源热泵热水机组设计学 院 材料与能源学院 专 业 热能与动力工程 （制冷与空调方向) 年级班别 学 号 2011年 6月50kW循环式空气源热泵热水机组设计 材料与能源学院 广东工业大学本科生毕业设计（论文）任务书题目名称50KW循环式空气源热泵热水机组设计学 院材料与能源学院专业班级热能与动力教研室姓 名学 号一、毕业设计（论文）的内容1. 熟悉空气源热泵机组的工作原理。2. 根据空气源热泵的要求，选择合适的压缩机型式。3. 进行冷凝器和蒸发器的热力计算以及管道阻力计算，并计算水箱容积。4. 完成换热器图纸的绘制。5. 分析不同设备的性能特点。 二、毕业

2、设计（论文）的要求与数据设计目标：空气源热泵热水机组设计计算工况：选用压缩机1台，工质R22，制热量50KW，冷凝温度twl50。采用管壳式冷凝器和管翅式蒸发器，蒸发温度t0=10。三、毕业设计（论文）应完成的工作1. 完成工况选择。2. 完成压缩机负荷的计算并说明设备的特点。3. 完成蒸发器的详细计算并说明设备特点。4. 完成冷凝器、储水箱等的详细计算并说明设备特点。5. 最终根据计算结果绘制出相应的装配、零件图，编写设计说明书。四、毕业设计（论文）进程安排序号设计（论文）各阶段内容地点起止日期1文献查阅与安装相关软件图书馆，宿舍5周2毕业实习工厂6周3翻译外文文献，熟悉资料工3-720和宿

3、舍7周4进行热力工况计算工3-720和宿舍8，9，10，11周5进行蒸发器以及冷凝器的设计工3-720和宿舍12，13周6进行蒸发器冷凝器图纸绘制，论文撰写工3-720和宿舍14，15周7完成论文撰写和答辩工3-720和宿舍16周五、应收集的资料及主要参考文献1. 空调用热泵技术及应用；2. 制冷机工艺；3. 换热器原理与设计；4. 制冷空调设备电气与控制；5. 制冷空调原理及应用；6. 制冷原理与设备；制冷压缩机；7. 制冷工程设计手册；制冷设备手册；8. 国内外有关产品的目录与介绍。9. 中国期刊网上的有关文献。图书馆外文数据库的有关文献。发出任务书日期：2011 年 3 月 8 日 指导

4、教师签名：刘湘云预计完成日期： 2011 年 6 月 10日 专业负责人签章：主管院长签章：摘要通过十多周的努力，完成了50KW循环式空气源热泵热水机组的设计。本次设计的内容包括了：绪论，设计参数确定，管壳式冷凝器和管翅式蒸发器的工作原理简介及优化要点，管壳式冷凝器和管翅式蒸发器的设计，压缩机的选择，管道的选择和计算，辅助设备的选择，制冷剂充注量的计算等9大部分。本文详细地介绍了（1）能源的作用、能源的储存量和我国能源使用的结构（2）空气源热泵发展历史（3）热泵热水机组的研究意义（4）热泵的工作原理。毕业设计（论文）的要求与数据如下，计算工况：选用压缩机1台，工质R22，制热量50KW，冷凝温

5、度twl50 。采用管壳式冷凝器和管翅式蒸发器，蒸发温度t0=10。在本次设计中工况的选择如下：冷凝温度50，蒸发温度10，冷凝器进出口水温差为15，出口温度为45，其中冷媒水通过一次冷凝器的温升为5，共要循环6次来达到出口温度45；蒸发器进口空气干球温度20，进口空气湿球温度15，出口空气干球温度12，出口空气湿球温度11，进口空气含湿量13.7 g/kg，出口空气含湿量10.5 g/kg，进口空气焓值52.3 kJ/kg，出口空气焓值42 kJ/kg。在本次的设计中，按照空气源热泵热水机组原理及设计方法的探讨来设计,主要是冷凝器和蒸发器的设计和辅助设备的选择包括：毛细管，干燥过滤器，油分离

6、器，气液分离器，电磁阀，压力表，压力控制器，夜视镜，截止阀等辅助设备的选择关键词：空气源热泵，管壳式冷凝器，管翅式蒸发器，热水 AbstractThe design of 50W Circulating Air-source Heat Pump Heating Water Machine Unit has been finished through the efforts of over ten weeks. Nine parts are included in the content of this design. They are introduction, confirmation of

7、 the design parameter, brief introduction and optimization to the operating principles of tube-shell type condenser and tube-fin type evaporator, design of tube-shell type condenser and tube-fin type evaporator, selection of compressor, selection and calculation of pipeline, selection of auxiliary e

8、quipment and calculation of refrigerant charge.The paper makes a detailed description as follow: (1) the effect of energy, the storage of energy and the structure of energy use in China; (2)the history of air-source heat pump; (3)the study signification of heat pump heating water machine unit; (4)th

9、e operating principles of heat pump.The demands and the datas of this design are as follow, calculating the working condition: choosing 1 compressor, R22 working medium, 50KW heating capacity, and the condensing temperature50. It should be choose tube-shell type condenser and tube-fin type evaporato

10、r, and the evaporation temperature=10.The choices of the working condition in this design are as follow: the condensing temperature is 50, the evaporation temperature is 10, the temperature differences between the entrance and exit waters in condenser is 15, and when the chilled water passes the con

11、denser once, its temperature will be up to 5 so that it need 6 circles to make the temperature of exit water up to 45. In evaporation, the dry-bulb temperature of entrance air in evaporation is 20, the wet-bulb temperature of entrance air is 15, the dry-bulb temperature of exit air is 12, the wet-bu

12、lb temperature of exit air is 11, the humidity ratio of entrance air is 13.7 g/kg, the humidity ratio of exit air is 10.5 g/kg, the enthalpy of entrance air is 52.3 kJ/kg and the enthalpy of exit air is 42 kJ/kg.The discussion of this design is according to the principle and the designing method of

13、air-source heat pump heating water machine unit.This design focus on condensor and evaporator. And the choices of auxiliary equipments include the choices of capillary, filter drier, oil extractor, gas-liquid separator, solenoid valves, pressure gauge, pressure controller, night-vision, stop valve a

14、nd so on. Key words: air-source heat pump, tube-shell type condenser, tube-fin type evaporator, heating water目 录1 绪论11.1引言11.2空气源热泵发展历史21.3热泵热水机组的研究意义31.4工作原理42 设计参数的确定62.1 设计原始数据62.2 确定循环过程62.3 确定各点状态参数73 两器的简介和优化要点83.1 管壳式换热器83.2 管翅式换热器93.3 管翅式换热器的优化114 冷凝器的设计124.1 确定各参数124.2 冷媒水流量124.3设计方案134.4换热

15、管的选择和排列134.5 管内侧表面传热系数154.6传热平均温差的计算154.7 冷却水的流动阻力184.8 筒体194.9 管板194.10 法兰204.11 端盖214.12 支持板214.13 拉杆214.14 支座214.15垫片的选取224.16螺栓234.17 连接管的确定244.17.1 冷却水进出口连接管244.17.2 制冷剂连接管255 蒸发器的设计计算265.1 蒸发器有关参数的确定265.2 蒸发器结构参数的选定265.3 蒸发器几何参数的计算265.4 计算空气侧干表面传热系数275.5 确定空气在换热器内的状态变化过程295.6 空气侧当量表面传热系数305.7

16、管内R22蒸发时表面传热传热系数的计算315.8 蒸发器结构尺寸确定345.9 传热管355.10 制冷剂饱和蒸汽的流速365.11 阻力计算365.12 蒸发器风扇的选择375.12.1 空气流过蒸发器时所需风压的计算375.12.2 风机的选型及校核386 压缩机的选型406.1 压缩机的选型406.2 压缩机使用时注意事项407 管道选择和阻力计算427.1 管道的选择427.2 管道的阻力计算428 其他辅助设备的选择448.1 毛细管的选择448.2 干燥过滤器的选择448.3 油分离器的选择458.4 气液分离器的选择468.5 电磁阀的选择468.6 压力控制器和压力表的选择46

17、8.7 视液镜和截止阀的选择468.8 热水箱的选择478.9 储液器的选择479 制冷剂充注量的计算499.1 制冷剂充注量的计算方法499.2 各设备容积的计算509.3 总的制冷剂充注量51结论52参考文献53致谢541 绪论1.1引言能源、人口和环境是制约人类社会与经济发展的三大要素，能源的需求与经济的发展、人口的增长和环境具有密切关系1。 能源是人类赖以生存和社会进步的重要物质基础。能源的每次重大突破，都会引起生产和社会的重大变革。钻木取火，使吃熟食和取暖成为人类生活的必须。后来，人类直接吧埋藏在地下的煤、石油作为能源，导致了产业革命。随着科学技术的进步，在初级能源的基础上，电力作为

18、“二次能源”的出现，又进一步变革了人类文明。人类文明的每一步，都和能源的利用息息相关2。随着世界经济的不断发展和人口的增长，全世界的能源需求量将不断增长。在19972020年之间，所预测的世界一次能源需求将增加57，年均增长2。石油仍是一次能源构成中的主要燃料，在预测期内将有每年1.9的增长，到2020年其比例是40，几乎与目前一样。预计2020年世界石油需求将近于1.15亿桶/日，而1997年是7500万桶/日。天然气在预测期内将每年增长2.7，到2020年它在世界一次能源构成中的比例将由目前的22增至26。煤炭在这一时期的需求将每年增长1.7，其中煤炭需求的增长有2/3以上发生在中国和印度

19、。预测期内，电力需求的年增长率为2.7，它在世界能源消费中所占的份额，将由目前的17增加到2020年的203。然而，一次能源是有限的。石油的世界总储量，悲观估计为2700亿吨，乐观估计为6500亿吨，在油砂和油页岩中还有7000亿吨，但能经济地回采的约有1750亿吨。按悲观估计，回采量最少约1000亿吨，照目前世界年耗油量30亿吨推算，可用130年左右。但是全世界已查明的石油可采储量仅879亿吨，如每年开采30亿吨，不到30年就可用光。天然气储量约1800亿吨到4000亿吨，全世界天然气的可采储量为70多亿立方米，按照目前的天然气供应水平，只能满足170年的需求。煤炭目前已证实的储量为1400

20、0亿吨，按目前全世界的耗煤量计算，可用500年。还有一种估计是，全世界煤储量的预测量是10万亿吨，但可供采掘的只有7000亿吨。以每年开采量34亿吨计算，只能维持200年。由于这些能源储地并不是平均分布于全球，所以各国为了自身的发展，对能源的争夺也将随着能耗的增长而剧烈起来。在二十世纪末与二十一世界初美国发起的几次战争，归根结底也是能源之争的战争。可见能源问题已经成为当今世界面临的首要议题。我国是能源消耗大户，在能源消费结构中，煤炭占能源总消费的73.5，原油占18.6，天然气占2.2和水电占5.7。煤炭高效、洁净利用的难度远比油、气燃料大得多2。而且我国大量的煤炭是直接燃烧使用，用于工业锅炉

21、、窑炉、炊事和采暖的煤炭占47.3，用于发电或热电联产的煤炭只有38.1，而美国为89.5。煤炭燃烧排放的废气已经成为我国大气污染的主要原因。在单位产品能耗高、能源利用率低能源浪费严重的情况下，我国能源供应也严重短缺。一方面我国常规能源非常有限，而且地区分布不均，另一方面，由于我国经济的快速发展，面临着经济增长所带来的能源消耗增长及环境保护的压力，改变能源的生产和消费方式，用现代技术开发利用新型能源、节约能源和提高能源利用率，促进社会经济发展和生态环境改善。采用新技术或对现有技术的改造，改变能源消费方式，是现在可采取节能最直接的方法。本文主要讲一种新型的节能装置热泵，它以消耗一部分电能为代价（

22、补偿），通过热力循环，把大量低温热能变为高温热能装置。按热泵的工作原理，可分为蒸气压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵、蒸气喷射式热泵、热点热泵等。按低温热源的不同，热泵还可以分为空气源、水源、地源等类型。1.2空气源热泵发展历史第一代 大功率燃气： 1、 出水温度和水压受气候条件影响大，不稳定不易调节水温。 2、 2、燃烧能耗高并伴随排放大量有毒废气，使用年限低。第二代 大功率电热水器： 1、 主要是能耗超高，容易漏电伤人，储水量不足。 2、 水温过高内胆结垢严重使用寿命短。第三代太阳能热水器： 1、 理论上最为节能，但是考虑到实际情况现实环境中会经常下雨阴天及北方冬季等需要外加电辅助，就相当一

23、个电热水器安全隐患大。 2、 由于一般太阳能为开式系统热水的水压完全由高差决定舒适性差。 3、 一般太阳能所使用的真空管极易破碎维修麻烦使用年限较低。第四代：空气能热泵 针对空气能热泵价格高功能单一的情况，芬尼人不懈努力与2005年研制出了空气能热泵。其工作原理是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放到厨房，用于厨房制冷。空气在失去能量降低温度的同时，大量的水蒸气被冷凝，因而释放的冷气湿度大大降低，相当于具有除湿的效果。因此该产品集节能中央热水、厨房（卫生间）制冷、局部除湿功能于一体，大大挺高的产品的性价比和使用性能。为跟多富裕家庭享受高品质生

24、活提供了条件。1.3热泵热水机组的研究意义简单而言，只要需要热能的地方，就有热泵应用的机会。但具体到某个需热场合，是否适宜采用热泵供热，还需要取决于有无合适的低温热源，充裕的驱动能源及供热温度的高低。本文主要讲述空气源热泵热水器的设计和应用。随着社会的进步发展，人民生活水平的提高及建筑业迅速发展，家庭、公共场所及商业用热水的需求量越来越大，各类热水器也开始随之逐渐发展起来。目前市场上的热水器按其所使用的能源不同可以分为燃气热水器、电热水器和太阳能热水器三大类4。燃气热水器：具有热水流量大、升温快、功率大、使用费用较低等诸多优点；但使用极不安全，热利用效率最差，使用过程中会排出有害气体，损害健康

25、，甚至危及生命。电热水器：由电能通过电热丝或陶瓷管加热热水。电热水器可分为两种，一种是贮水式，另一种是快热式。加热管直接浸于水箱中，电能将百分百地转换为热能，在目前使用的热水器中式热效率最高的一种。但快热式电热水器由于大功率供电，一半居民难以承受，并且由于加热时水电不分离，存在着较大安全隐患，使用率较低。而贮水式，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性能的影响；尽管已经由了较完善的安全保护措施，仍存在着一定的安全隐患。太阳能热水器：以取之不尽，用之不竭的洁净的太阳能最为能源，能源效益高，经济性好；但是初投资大，体积庞大，安装位置受到限制，使用受外界气候环境的影响大。

26、 热泵热水器是以消耗一部分电能为补偿，把环境介质水、地热源、空气等中贮存的能量加以发掘利用，用来生产热水。热泵热水器的优点是耗能少，以一般热泵的COP为3.0计算，热泵热水器的供热能力是普通电热水器的3倍。与电热水器、燃气热水器相比，热泵热水器的节能效果明显，且对环境污染小，出水稳定。由于加热过程中水电分离，所以安全性能好。热泵热水器以高效的节能效果，良好的环境效益在世界各国具有广阔的发展空间和应用前景。然而，热泵的工作效率受环境气候的影响，季节运行性能波动较大。当环境温度降低时，热泵的工作效率也随之降低，并且温度过低时，热泵无法工作。这正是热泵热水器产品走向市场化必须解决的问题之一。 1.4

27、工作原理空气源热泵热水机组是一种新型、可替代热水锅炉的热水装置。与传统太阳能相比，空气能源热泵热水机组不仅可吸收空气中的热量，还可吸收太阳能，它是将电热水器和y冷剂状态、温度的变化和压缩机压缩制取热量，通过换热装置将热量传递给水，使水的温度升高来，升高温度的水通过水循环系统送入用户散热器进行采暖或直接用于卫生热水的供应。 空气源热泵热水机组技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵热水中机组系统通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经热泵系统高效集热整合后成为高温热源，用来制取供暖或卫生热水。整个系统集热效率较电热水机组（锅炉）、燃油、燃气热水机组有了很大提高。 空气源

28、热泵热水中心机组遵循能量守恒定律和热力学第二定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功（电能），将处于低温环境（大气）中的热量转移到水中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移（传送），而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到水中。 空气

29、源热泵热水机组由压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀等部件组成。它运用逆卡诺循环原理，通过压缩机做功使工质产生相变（气态液态气态），在这种往复循环相变的过程中，通过蒸发器不间断的从环境吸取热量，通过冷凝器（换热器）不间断的放出热量，使冷水逐步升温，制取的热水通过热水管网循环装置输出到用户使用终端 热泵用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水，所以它能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强，源源不断的供应热水。作为热水系统它具有无以比拟的优点。 1-涡旋式压缩机；2-高低压控制器；3-截止阀；4-油分离器；5-电磁阀；6-管壳式冷凝器；

30、7-循环泵；8-储液罐；9-三通阀；10-干燥过滤器；11-视液镜；12-热力膨胀阀；13-管翅式蒸发器；14-轴流式风扇；15-气液分离器图1.1 空气源热泵工作原理图热泵热水机组遵循能量守恒定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功（电能），将处于低温环境（大气或地下水等）下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移（传送），而要实现这个目的，必须要有一

31、台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。这样的机器就称之为“热泵”。热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高温环境中去应用。2 设计参数的确定2.1 设计原始数据计算工况：选用压缩机1台，工质R22，制热量50KW，冷凝温度twl50。采用管壳式冷凝器和管翅式蒸发器，蒸发温度t0=10。2.2 确定循环过程为了防止制冷剂液滴进入制冷压缩机导致液击，因此选择蒸发器出口处制冷剂存在一定的过热度。但我们也知道，由于过热度的存在，它必定导致蒸发器出口处制冷剂的比体积增大，对于涡旋压缩机来说，出现的结果是制冷剂的质量流量

32、下降, 导致整个制冷系统的制冷效率下降。同时由于本设计采用的是R22制冷剂，它本身的绝热系数比较高，如果过热度太大，必定使排气温度排气压力进一步升高，从而对压缩机运行的可靠性及使用寿命都不利。因此我们应该选择合适的过热度，尽管过热度会使单位容积制冷量下降，通常也希望有5左右的过热度。结合所用制冷剂为R22，现将过热度选定为为5。其次，虽然本设计的过冷度已经是给定的了，但在此也将对制冷剂过冷度的实现及作用稍作介绍。当前增加制冷系统过冷度的方法大概有以下几种：1、机械过冷，它是通过采用单独的辅助制冷循环给主制冷循环的制冷剂液体过冷。2、冰蓄冷方法，它是通过利用冰来冷却制冷剂液体，从而实现制冷剂液体

33、过冷。3、用热回收器，是通过一个热交换器来实现蒸发器出口制冷剂与冷凝器出口制冷剂发生热交换，从而达到蒸发器出口处制冷剂过热，冷凝器出口处制冷剂过冷的目的。4、提高冷凝温度，这种方法虽然也可以实现提高过冷度，但是它对整个制冷循环制冷量的提高是不起任何作用的。而制冷剂过冷度的主要作用是：当制冷剂的过冷度越大，系统的制冷量也越大，性能系数也将越大。一般来说我们希望它有5左右的过冷度。根据已知条件作制冷过程的P-h图如下:图2.1 制热过程2.3 确定各点状态参数根据制热过程，查R22的P-h图得各点状态参数如下:表2.2 状态参数值点1122334T()10155073 504510P()6.856

34、.8519.519.519.519.56.85h(kJ/kg)409.12413.86418.81441.26266.85258.70258.70V()0.035690.01170.0137x1110.2253 两器的简介和优化要点3.1 管壳式换热器管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。管壳式换热器作为一种传统的标准换热设备，管壳式换热器在化工、炼油、石油化工、动力、核能和其他工业装置中得到普遍采用，特别是在高温高压和大型换热器中的应用占据绝对优势。通常管壳式换热器的工作压力可达4兆帕，工作温度在200以下，在个别情况下还可达到更高的压力和

35、温度。一般壳体直径在1800毫米以下，管子长度在9米以下,在个别情况下也有更大或更长的。图3.1 管壳式换热器工作原理和结构图工作原理和结构如图3.1 固定管板式换热器为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为

36、圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分

37、为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为14002850瓦每平方米每摄氏度W/(m();用水冷却气体时,为10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽时,为5704000W/(m()。 特点：管壳式换热器是换热器的基本类型之一，19世纪80年代开始就已应用在工业上。这种换热器结构坚固,处理能力大、选材范围广，适应性强，易于制造,生产成本较低，清洗较方便，在高温高压下也能适用。但在传热效能、紧凑性和金属消耗量方面不及板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等高效能换热器先进。 分类:管壳式换热器按结构特点分为固定管板式换热器、浮头式换热器、型管式换热器、双重管式换热器、填函式

38、换热器和双管板换热器等。前 3种应用比较普遍。3.2 管翅式换热器管翅式换热器的基本结构如图3.2所示，管翅式换热器的结构与一般管壳式换热器基本相似，只是用翅片管代替了光管作为传热面。翅片管换热器可以仅有一根或若干根翅片管组成。翅片管事管翅式换热器中主要换热元件。管内管外流体通过管壁及翅片进行热交换，由于翅片扩大了传热面积，使换热得以改善。图3.2 管翅式换热器翅片管规格品种很多。从材料上讲，有碳钢、铜铝、不锈钢等，还有复合材料，如钢铝复合，即基管采用钢，翅片采用铝；较常见的翅片形式大致有以下几种：套胀的整体翅片、螺旋形缠绕或焊接或者钎焊翅片、环形翅片、螺旋型缠绕细金属丝、纵向翅片管等。管翅式

39、换热器是广泛应用的热交换设备之一。它常常应用在两侧流体的换热性能相差甚大的情况下，通常是以管外侧安装翅化表面来减小换热性能较差流体的换热热阻，而换热性能较好的流体在管内流动仍然保持较小的换热热阻，从而达到整体增强换热器传热效果的目的。管翅式换热器的优点主要是：（1）传热能力强，与光管相比，传热面积可增大210倍，传热系数可提高了12倍；（2）结构紧凑。由于单位体积传热面加大，传热能力增强，同样热负荷下与光管相比，翅片管换热器管子少。壳体直径或高度可减小，因而结构紧凑且便于布置；（3）可以更有效和合理地利用材料。不仅因为结构紧凑使材料用量减少，而且有可能针对传热和工艺要求来灵活选用材料，例如不同

40、材料制成地镶嵌或焊接翅片管等；（4）当介质被加热时，与光管相比，同样热负荷下地翅片管管壁温度tw有所降低，这对减轻轻金属面的高温腐蚀和超温破坏是有利的。不管介质是被加热或冷却，传热温差|tftw|都比光管时小，这对减轻管外表面结垢是有利的。结垢减轻的另一重要原因是翅片管不会象光管那样沿圆周或轴向结成均匀的整体垢层，沿翅片和管子表面结成的垢片在胀缩作用下，会在翅根处断裂，促使硬垢自行脱落；（5）对于相变换热，可使换热系数或临界热流密度增高。它的主要缺点是造价高和流阻大。例如空冷器的翅片管由于工艺复杂，其造价达设备费用的3060；在以空冷代替水冷时，由于空气密度远小于水，则相对于水冷却器，空冷器的

41、体积很大；因为表面有翅，流动阻力就大，所以动力消耗也大。当然，设计时应使它造型合理以尽量减少动力消耗，使之与光管相比，达到传热增强的得益优于动力消耗的增加。3.3 管翅式换热器的优化管翅式换热器综合性能优化设计的具体做法是，选定换热器的结构形式、翅片管的结构参数、及流动类型，以可用能损失率最小为目标首先确定管内流体的最佳流动参数，且以此计算出最佳的换热性能参数，同时可以计算出最佳的管长管径比，这也就定下了管内流体流动方向上的尺寸；再设定安装翅片的管外侧（即肋化侧）换热性能参数以换热表面最佳匹配关系确定换热器两侧换热表面积的比值，以此计算出安装翅片一侧的结构尺寸，进而可对其进行可用能分析而得出最

42、佳流动参数并由此计算出换热性能参数；以新得到的换热性能参数取代设定值重复以上的计算，直至前后两次相差甚小而得出收敛的结果；在翅化表面一侧的结构参数以收敛结果确定之后，以最佳的流动参数计算出最佳的管排数，以此就能定下管外流体流动方向上换热器的结构尺寸；还有一个方向上的尺寸由传热量及传热温差来确定。简单的说给定换热器结构材料而使得换热量最大的两侧换热表面的最佳匹给定换热器结构材料而使得换热量最大的两侧换热表面的最佳匹配准则和两侧流体流动换热过程最佳的结构尺寸准则，以及使可用能损失率最小的最佳运行参数准则。利用三个准则间的关系，采用迭代方式完成最终换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到

43、材料省、换热效果好与运行费用低的目的用三个准则间的关系，采用迭代方式完成最终换热器的优化设计。这样的设计方法能使换热器的设计达到材料省、换热效果好与运行费用低的目的。4 冷凝器的设计4.1 确定各参数冷凝器温度为50，假定冷凝器进出口水温差为15，出口温度为45，冷凝器中的温升则要考虑到冷凝器的换热效率和结构的大小以及冷凝器水泵功耗。当选择小温升时虽然可以提高传热温差，从而提高换热器的换热效率，减小冷凝器的结构尺寸，但是它也必将导致热水质量流量的增加，从而增加冷凝器水泵的功耗，导致整台制冷机组能效比下降。而当温升过大时，虽然可以减少热水的质量流量，从而实现采用小功率水泵，但是它也必将导致传热温

44、差的下降，导致传热效率降低，增大冷凝器的结构尺寸。循环中各点状态参数可得冷凝器的各计算参数如下:表4.1 状态参数值点1122334T()10155073 504510P()6.856.8519.519.519.519.56.85h(kJ/kg)409.12413.86418.81441.26266.85258.70258.70V()0.035690.01170.0137x1110.225根据表4.1可知冷凝器制冷剂的入口焓值;出口焓值则可得: (4.1)根据原始设计参数可知系统的制热量为50kW,蒸发器制冷剂的入口焓值;出口焓值，则可得： (4.2)4.2 冷媒水流量表4-2设计参数制热量Q

45、 (kW)50制冷剂R22蒸发温度（)10冷凝温度 ()50冷却介质水进口水初始温度 ()15出口水最终温度 ()45假定冷凝器进出口水温差为15，出口温度为45，即冷却水进出口平均温度：， 根据文献5查得：水的物性参数，, , ,=0.6248W/(mK),Pr=4.7168。4.3设计方案由于水的一次温升不宜太高，一般在7-8左右，所以此次设计的水温升选取5，采用循环加热模式，循环6次达到所要求的出水温度。循环式热泵热水器需要经过水泵多次循环加热,才能达到预定的温度。在水温达到40以上时,由于温差减小了,单位时间内的热传递效率就减小,故选取循环水进口温度tw1=40，出口温度tw2=45，

46、以最后的5的温差作为管壳式冷凝器的设计基础（即tr=40，t2=45)冷却水流量： (4.3) (4.4)4.4换热管的选择和排列根据国标文献8表1，选用规格为的无缝钢管，其内径di=10mm，根据文献3附录F，取管内水流速度u=1.5m/s。单程流通横截面积： (4.5)单程管数： 根，取Z=21根 (4.6)假定热流密度,所需换热面积 (4.7)管程和管子的有效乘积 (4.8)采用管子成正三角形排列的布置方案，由文献3表2.3可取管中心距s=16mm。对于不同的流程数N，就有不同的管长l和壳体内径Di在组合计算中，当传热管根数较多时，壳体内径Di可按下式估算： (4.9)式中：s相邻管中心

47、距，单位：m d0管外径，单位：m流程数N有效单管长lc总管数NZ壳体内径Di长径比lc/Di24.512420.13034.80742.256840.2339.68261.5041260.2845.296从Di、lc/Di的值来看，选择4流程是比较合理。因为lc/Di在6-10之间。取流程数N=4，lc=2.256m，根据文献13,5.5.1,选取lc=2.5m由文献3（2.9）有效传热面积： (4.10)实际热流密度： (4.11)热流密度，与前面假定的7000W/只偏小2.5%，设计在允许的误差范围内，所以可以认为设计合理冷却水实际流速： (4.12)管子的排列： 采用管子成正三角形排列

48、,中心距s=16mm的布置方案，公式（4.9）可得： 根据文献9 ,5.3.1,应采用钢管制作圆筒，以内径作为公称直径，取Di=257mm，外径D0=273mm，厚度S=8mm。 (4.13)4.5 管内侧表面传热系数 (4.14)为旺盛湍流根据文献4P246的Dittus-Boelter公式 (4.15)4.6传热平均温差的计算由能量平衡，有 (4.16) (4.17)图4.1 冷凝器流体温度变化简图各段对数平均温差（1）段： (4.18)（2）段： (4.19)（3）段： (4.20)整个过程的平均温差（积分平均温差） (4.21) 污垢热阻：查文献3附录C、附录E水垢热阻R22侧污垢热阻管外R22冷凝表面传热系数：根据文献5P175,表6-1的经验值，假定热流密度,则 (4.22) =3.91 (4.23)R22液膜定性温度 (4.24)以48.20查文献8P567，附录11得: R22的物性参数 ,，以查得： 假定液膜处于层流流态根据文献4 P310-P311对管排数、蒸汽过热及液膜过冷的修正 (4.25)管外侧表面传热系数 (4.26) 根据文