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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 150升即熱式二氧化碳熱泵熱水器
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
150L即熱式二氧化碳熱泵熱水器
摘要
自從人類進(jìn)入蒸汽時(shí)代以來，人類進(jìn)步飛速，但隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)已經(jīng)成為現(xiàn)今不可忽略的問題。而本次研究的以二氧化碳為工質(zhì)的熱泵對環(huán)境沒有危害，不會(huì)有如氟利昂等破壞臭氧層的問題，同時(shí)有無毒，不產(chǎn)生溫室效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。利用二氧化碳跨臨界循環(huán)能夠制取高于常見熱泵所能制取的高溫?zé)崴?，使其相比較其他工質(zhì)來說有無可比擬的優(yōu)勢。
本文將簡要介紹二氧化碳熱泵的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)一款150L即熱式二氧化碳熱泵熱水器。其主要部件及其控制部件的設(shè)計(jì)選擇如下：
⑴氣體冷卻器采用的是套管盤管式換熱器。同時(shí)為減小其結(jié)構(gòu)和尺寸，用紫銅管軋制的低翅片管作內(nèi)管；
⑵蒸發(fā)器采用的是風(fēng)冷式翅片管式換熱器，管子采用紫銅管，翅片采用鋁翅片。
⑶系統(tǒng)的壓縮機(jī)采用的是BOCK公司的CO2半封閉活塞式壓縮機(jī)；
⑷節(jié)流機(jī)構(gòu)選用谷輪公司的熱力膨脹閥。
關(guān)鍵詞 熱泵熱水器/二氧化碳/跨臨界循環(huán)
150L CO2 heat pump instant water heater
ABSTRACT
The technology of human become better and better from the time of heat machine being invented. Along with the signing of "Montreal Protocol", carbon dioxide has been paid much attention again due to its no toxic, no influence to ozonosphere, GWP=1 and attractive thermodynamic characteristics. Under its trans-critical cycle, there appears high temperature at compressor exit and a large temperature glide at the gas cooler, which makes CO2 have a wide application in the water heater. In this paper, the trans-critical cycle characteristics of heat pump system is introduced, the virtue and shortcoming of CO2heat pump water heater is discussed, the overview of its research and its application on heat pump water heater is presentation and the suggestion of improving the carbon dioxide heat pump water heater efficiency was put forward.
According to the carbon dioxide cycle characteristic, a 150L the CO2 heat pump instant water heater is designed, major components and the control mode as follows:
⑴Serpentined thimble is designed as the gas cooler. And in order to reduce its structure size, the inner copper tube is made up with low fins;
⑵ Evaporator uses the forced-air cooling type fin-and-tube heat exchanger, the pipe is copper tube, the fin is aluminum fin;
⑶CO2 half seal reciprocating compressor made in BOCK Corporation is used in this system;
⑷We uses the Coopland’s thermal expansion valve as the throttle mechanism of this system.
KEYWORDS heat pump water heater,co2, transcritical cycle
III
150升即熱式二氧化碳熱泵熱水器
目 錄
中文摘要I
英文摘要II
1 概述1
1.1緒論1
1.1.1引言1
1.2熱水器制熱原理 4
1.2.1卡諾循環(huán)基本原理4
1.2.2 二氧化碳跨臨界循環(huán)原理5
1.3方案論證 6
1.3.1 壓縮機(jī)6
1.3.2 冷凝器的選擇10
1.3.3 蒸發(fā)器的選擇12
1.3.4 制冷劑的選擇13
1.3.5 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇13
1.4 經(jīng)濟(jì)性分析 18
1.4.1 直熱式熱泵熱水器與循環(huán)式熱泵熱水器對比分析19
1.4.2 二氧化碳跨臨界循環(huán)分析21
1.4 小結(jié) 18
2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算24
2.1制熱量及功率的計(jì)算24
2.1.1制熱參數(shù)的計(jì)算24
2.1制熱量及功率的計(jì)算24
2.1.1制熱參數(shù)的計(jì)算24
2.2壓縮機(jī)的選擇及熱力的計(jì)算24
2.2.1壓縮機(jī)熱功率計(jì)算24
2.2.2取最優(yōu)高壓值24
2.2.3壓縮機(jī)的選擇和確定26
2.2.4對所選的壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際熱力計(jì)算27
2.2.5實(shí)際的熱水產(chǎn)量及時(shí)間計(jì)算28
2.3冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算28
2.3.1冷凝器的熱平衡計(jì)算28
2.3.2冷凝器類型選擇28
2.4蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算31
2.4.1蒸發(fā)器的類型選擇31
2.4.2選定蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)31
2.4.3計(jì)算幾何系數(shù)31
2.4.4計(jì)算空氣側(cè)干表面的傳熱系數(shù)33
3零部件的選擇計(jì)算39
3.1管道的選擇39
3.1.1壓縮機(jī)-氣體冷卻器間的高壓氣體管道39
3.1.2氣體冷卻器-蒸發(fā)器間的氣體管道39
3.1.3壓縮機(jī)吸氣管道39
3.2節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇39
3.3壓力控制器的選擇39
3.4視液鏡44
3.5蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的選擇45
3.6風(fēng)扇扇葉的選擇46
3.7干燥過濾器選型47
3.8單向閥選型49
3.9儲液器選擇50
結(jié)束語52
致謝53
參考文獻(xiàn)54
1 概述
1.1 緒論
1.1.1 引言
人類原本為自然界中的一員，人們在漸漸的改造著自然，同時(shí)也依賴著自然。但是隨著人類文明的進(jìn)步和人口的迅速膨脹，人類改變自然的能力也越來越強(qiáng)。人類樂此不疲，直到我們漸漸發(fā)現(xiàn)我們改造的環(huán)境越來越不適合我們的生存。
而現(xiàn)在，人類對環(huán)境改造的限度和對資源的過度開發(fā)已經(jīng)接近自然界的極限。這時(shí)，可持續(xù)發(fā)展的問題變得愈加重要。
目前的環(huán)境問題很多，如溫室效應(yīng)，臭氧層空洞等[[] Lorentzen G., J.Pettersen. A new efficient and environmentally benign system for car air conditioning[J]. Int. J. Refrig1993. 16(1):4-12.
]。而其中溫室效應(yīng)主要原因是大量二氧化碳的排放?，F(xiàn)今我們主要利用的能源是石化能源，如煤炭，石油，天然氣等，這些也正是二氧化碳的主要來源。因此，節(jié)約能源成為解決這些問題的主要途徑。另一方面，氟利昂的排放是臭氧層空洞的主要原因。所以，盡量減少氟利昂的應(yīng)用是減輕該問題的主要途徑。[[] Naksa Petter. CO2 Heat pump systems. Int[J]. Refrig. 2002(25):421-427.
]
1987年9月16日，為了避免工業(yè)產(chǎn)品中的氟氯碳化合物繼續(xù)破壞臭氧層，聯(lián)合國邀請26個(gè)會(huì)員國簽署了蒙特利爾公約。其中對部分氟氯碳化合物等的生產(chǎn)做了嚴(yán)格的規(guī)定，并要求各國共同為保護(hù)臭氧層而努力?？梢姡评錁I(yè)廣泛使用的CFCs、HCFCs工質(zhì)是破壞臭氧層的主要物質(zhì)。同時(shí)這些工質(zhì)也是溫室氣體，已經(jīng)被列入淘汰名單之中。
而二氧化碳是熱泵系統(tǒng)中最有潛力的天然工質(zhì)之一。在二氧化碳跨臨界系統(tǒng)中，在氣體冷卻器端的出口溫度移動(dòng)可與變溫?zé)嵩春芎玫钠ヅ?。同時(shí)，它在熱水器方面的應(yīng)用有著突出的優(yōu)勢。
二氧化碳作為較早的制冷劑，在19世紀(jì)末開始便得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著CFCs的出現(xiàn)，二氧化碳便漸漸淡出制冷劑領(lǐng)域，其主要原因?yàn)楫?dāng)時(shí)主要采用的是亞臨界循環(huán)，而二氧化碳在這種循環(huán)中功耗很大，經(jīng)濟(jì)性受到嚴(yán)重影響。當(dāng)制冷劑在環(huán)保方面的問題日趨突出，跨臨界循環(huán)的提出，二氧化碳重新進(jìn)入人們的視野之中。1993年，挪威SINTEF能源研究所的研究人員率先對二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)上的研究。他們的研究表明，二氧化碳跨臨界循環(huán)具有很高的供熱系數(shù)，同時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)水溫度高，在民用和工業(yè)兩方面都有著非常大的發(fā)展?jié)摿[] Saikawa M,Hashimoto kobayakawa Tetal.Development of prototype of CO2heat pump water heater for residential use[J]. In 4th IIR Gustav Lorentzen conference on natural working fluids , Purdue University,USA. 2000. 51～58.
]。早在1995年，日本多家公司就開始合作，共同研究二氧化碳熱泵系統(tǒng)，同時(shí)也開發(fā)出了相關(guān)的熱水器。通過相關(guān)計(jì)算和理論分析，得出的COP可以大到3，從而實(shí)現(xiàn)了相關(guān)熱水器的商業(yè)化。
二氧化碳作為制冷劑，具有以下特點(diǎn)[[] Saikawa M,Hashimoto kobayakawa Tetal. Experimental results and evaluation of residential CO2 heat pump water heater[J].In:4th IIR Gustav Lorentzen conference on natural working fluids, Purdue University,USA. 2000. 67～74.
]：
⑴二氧化碳不消耗臭氧層，即ODP=0，全球變暖潛能值GWP=1，遠(yuǎn)小于常見的CFCs、HCFCs，符合相關(guān)環(huán)保規(guī)定；
⑵單位容積制冷量大，結(jié)構(gòu)緊湊；
⑶絕熱指數(shù)大，所以壓縮機(jī)排氣溫度較高，同時(shí)也負(fù)荷制取熱水溫度需要；
⑷臨界溫度低，因此其一般在跨臨界狀態(tài)下運(yùn)行。
此外，二氧化碳還有無毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流狀態(tài)使其傳熱性能高等優(yōu)點(diǎn)。二氧化碳的主要熱物理性質(zhì)如下表1-1
表1-1 二氧化碳的熱物理性質(zhì)[[]喬麗，二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵熱水機(jī)組的應(yīng)用研究[碩士論文].西安建筑科技大學(xué)，2006：14-32.
]
飽和狀態(tài)參
數(shù)℃
壓力
Mpa
液體密度 kg/m3
蒸氣密度 kg/m3
液體比熱kJ/(kg.K)
蒸氣比熱kJ/(kg.K)
液體粘度 μPa.S
蒸氣粘度 μPa.S
液體導(dǎo)熱系數(shù)W/(m(μPa.S))
蒸氣導(dǎo)熱系數(shù)W/(m(μPa.S))
0
3.94
928.1
97.7
2.54
1.87
104.5
14.8
0.1113
0.0208
10
4.5
861.5
135.1
3.00
2.56
86.4
16.0
0.0993
0.0255
二氧化碳的臨界溫度只有31.1℃，其熱泵循環(huán)打的流程采用的是跨臨界循環(huán)。此循環(huán)類型不但可以避免受到環(huán)境溫度的影響，而且可以其其他的作為制冷工質(zhì)的其他優(yōu)點(diǎn)。吸熱過程在亞臨界條件下進(jìn)行，而潛熱是換熱的主要依靠方式；在大約臨界點(diǎn)區(qū)域，是冷凝過程進(jìn)行的主要區(qū)域，依靠顯熱完成的放熱過程是一個(gè)含有很大溫度滑移的溫變過程。而這恰好與加熱時(shí)水的溫升相配合，因而可減少位于高壓側(cè)的能量損失。因此，這種特殊的洛倫茲循環(huán)，特別適合用于設(shè)計(jì)家用熱水器，可有效得到很高的熱泵效率。而在二氧化碳跨臨界循環(huán)中，兩相區(qū)域并不存在于超臨界壓力區(qū)內(nèi)，壓力和溫度彼此沒有關(guān)聯(lián)，所以高壓壓力對制冷劑的焓值也有一定影響，其變化也將導(dǎo)致制冷量、壓縮機(jī)功耗和COP值產(chǎn)生改變。因此可以方便的實(shí)現(xiàn)滿足需要的多種控制方式。同時(shí)由實(shí)驗(yàn)研究分析得出，二氧化碳跨臨界循環(huán)的高壓側(cè)有一個(gè)最優(yōu)的運(yùn)行控制壓力，同時(shí)在最優(yōu)壓力下，循環(huán)性能系數(shù)可達(dá)到最大。其主要有以下特點(diǎn)：
⑴二氧化碳ODP=0， GWP=1，遠(yuǎn)小于常見的CFCs、HCFCs，符合相關(guān)環(huán)保規(guī)定；
⑵單位容積制冷量大，結(jié)構(gòu)緊湊；
⑶絕熱指數(shù)大，所以壓縮機(jī)排氣溫度較高，同時(shí)也負(fù)荷制取熱水溫度需要；
⑷臨界溫度低，因此其一般在跨臨界狀態(tài)下運(yùn)行。
此外，二氧化碳還有無毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流狀態(tài)使其傳熱性能高等優(yōu)點(diǎn)。
在熱力性能上，二氧化碳作為工質(zhì)來說也具有一些缺陷。但是，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，工作介質(zhì)的熱力性質(zhì)并不影響理論性能系數(shù)，因此COP也并不是工質(zhì)的內(nèi)在屬性。
從環(huán)保和節(jié)能兩個(gè)角度來說，只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理，二氧化碳熱泵熱水器的COP已經(jīng)可以輕松超越其他傳統(tǒng)工質(zhì)的系統(tǒng)。同時(shí)將之與水箱結(jié)合這也是未來的發(fā)展趨勢之一。因?yàn)樗鋬λ梢杂行У睦靡归g的廉價(jià)的電力，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”。但由于二氧化碳需要穿越其臨界點(diǎn)，所以目前二氧化碳熱泵熱水器普及的主要阻力在于降低成本和提高運(yùn)行效率。因此在今后的設(shè)計(jì)中還有許多待改進(jìn)的技術(shù)難點(diǎn)：
⑴目前，R22、R134a、R407c等是熱泵領(lǐng)域用作制冷劑的主要物質(zhì)。但是當(dāng)冷凝溫度為55℃時(shí)，上述制冷劑的冷凝壓力分別為2.1753MPa、1.4917MPa、2.2153MPa。而二氧化碳熱泵熱水器壓力可以達(dá)到9～10MPa，其吸氣壓力和排氣壓力的差值很大。而由于其基本都在高壓下運(yùn)行，所以設(shè)計(jì)計(jì)算中必須考慮系統(tǒng)所能承受的最高壓力，以及壓縮機(jī)，潤滑油等的耐壓性質(zhì)。
⑵在小管徑、高質(zhì)量流量等情況下的二氧化碳流動(dòng)時(shí)，提高傳熱效率的相關(guān)研究。比如通過改變管排形式，設(shè)計(jì)開發(fā)高效的跨臨界循環(huán)熱交換器等。
⑶由于冷凝的出口處的壓力與蒸發(fā)處的壓力差值大，所以降低膨脹部分的相關(guān)的損失，是有效的解決效率問題的途徑。利用膨脹機(jī)的輸出來帶動(dòng)壓縮機(jī)完成壓縮，設(shè)計(jì)一個(gè)很高效率的膨脹過程，使其成為一個(gè)重要的關(guān)鍵步驟，需要突破的部分。
⑷對先進(jìn)的電子控制和感應(yīng)技術(shù)的研究，從而使其可以應(yīng)對不同的環(huán)境，進(jìn)行壓力與冷房和暖房的最佳匹配的控制。
⑸合理有效的利用低品位的能源和可再生能源，并研究熱水的供應(yīng)途徑，以及其他供熱方式的耦合問題。
⑹其他的問題，比如如何控制高壓系統(tǒng)的動(dòng)能特性，如何減小高壓負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不可避免的相關(guān)振動(dòng)噪音，都是研究二氧化碳壓縮機(jī)所必須面對的重要技術(shù)課題?？傊?，隨著科技的進(jìn)步，我們可以相信在不久的將來，二氧化碳熱泵熱水器會(huì)成為熱水器市場上不可忽視的一部分。
1.2 熱水器制熱原理
1.2.1 卡諾循環(huán)基本原理
圖1-1 熱泵熱水器的工作原理
在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳熱工質(zhì)二氧化碳在蒸發(fā)器中吸收來自環(huán)境中的熱量。之后蒸汽狀態(tài)的二氧化碳在壓縮機(jī)中被壓縮，使其壓力和溫度都得到升高。之后壓縮機(jī)中出來的高溫蒸汽在冷凝器中冷凝成液體，同時(shí)釋放出了大量的熱量，被儲水罐中的水所吸收。之后的二氧化碳先經(jīng)過膨脹閥，隨后返回到蒸發(fā)器，完成一次循環(huán)。在超臨界的壓力下，比熱大、動(dòng)力粘度小、導(dǎo)熱系數(shù)高都是二氧化碳的顯著特點(diǎn)，使其更有利于流動(dòng)和傳熱。但是在實(shí)際的系統(tǒng)中，在蒸發(fā)器中不可避免的會(huì)有壓力損失，這將導(dǎo)致系統(tǒng)平均正大溫度的降低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的COP的降低。膨脹機(jī)構(gòu)可以使低溫低壓的制冷劑截留降壓，從而進(jìn)入空氣交換機(jī)中進(jìn)行蒸發(fā)，同時(shí)吸取來自空氣中的大量的Q1；從蒸發(fā)器出來的氣態(tài)的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，之后升溫升壓（此時(shí)制冷劑的熱量主要由兩部分組成：空氣中的熱量Q1和壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量Q2）。壓縮機(jī)出來的高溫高壓的制冷劑隨后進(jìn)入熱交換器，將吸收的熱量通過換熱傳入冷水中，冷水在被加熱到65℃后由出水口流出。同時(shí)放熱后的制冷劑變?yōu)闅鈶B(tài)，慢慢流入到膨脹機(jī)構(gòu)中，截留降壓，之后進(jìn)入蒸發(fā)器中完成一次循環(huán)。
1.2.2 二氧化碳跨臨界循環(huán)原理
圖1-2 二氧化碳循環(huán)系統(tǒng)圖和T-S圖
壓縮機(jī)、氣體冷卻器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器共同組成二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，其循環(huán)圖如上圖1-1所示。而該循環(huán)原理與常見的蒸汽壓縮式的制冷循環(huán)有所不同，其T-S圖如下圖1-2所示：
如圖，2-1為該循環(huán)的壓縮過程，這時(shí)壓縮機(jī)的吸氣壓力會(huì)低于臨界壓力，二氧化碳在壓縮機(jī)中被壓縮，壓力將升至超臨界壓力；1-3為冷卻過程，二氧化碳的顯熱是完成換熱過程的關(guān)鍵，制冷劑在這個(gè)冷卻過程中出于超臨界狀態(tài)，無飽和狀態(tài)。全過程二氧化碳始終處于氣態(tài)，同時(shí)溫度不斷改變，有較大的溫度滑移。因此高壓端的換熱器不能稱為冷凝器，而改稱為氣體冷卻器。在氣體冷卻器中，二氧化碳與冷卻的介質(zhì)發(fā)生逆流換熱，這種換熱方式可近似成為洛倫茲循環(huán)，不可逆的損失較小，壓縮機(jī)功耗也較小。在冷卻過程中，工質(zhì)的各種狀態(tài)都與亞臨界下的狀態(tài)不同，超臨界狀態(tài)下的二氧化碳被冷卻介質(zhì)在氣體冷卻器中冷卻，減焓降溫，釋放熱量；3-4為節(jié)流過程，二氧化碳經(jīng)過節(jié)流閥的節(jié)流減壓，從超臨界狀態(tài)下的壓力降低到臨界壓力以下的蒸發(fā)壓力；4-2為蒸發(fā)過程，該過程則與常見的蒸汽壓縮式循環(huán)類似，二氧化碳的蒸發(fā)潛熱在亞臨界狀態(tài)下便可以完成汽化吸熱。
1.3方案論證
從合理使用能源的角度來入手，使用燃?xì)狻㈦娏?、燃油等等高品位的能源來加熱獲得熱水是既不合理的，并且由于在能源轉(zhuǎn)換的過程中，會(huì)存在熱損失，使得上述制熱時(shí)的制熱系數(shù)僅在0.5-0.7之間。另外，燃油燃?xì)忮仩t還存在各種環(huán)境污染，漏油漏氣等諸多安全隱患，并且有運(yùn)行的費(fèi)用較高，但效率低，易結(jié)污垢，需要專人維護(hù)等缺點(diǎn)。但是熱泵因?yàn)樽裱氖悄婵ㄖZ循環(huán)工作原理，以從冷凝器中放出的熱量來供熱，所以通過消耗少量的高品位的能量，將低品位的熱量從低溫?zé)嵩催\(yùn)送到高溫?zé)嵩粗校瑥亩?jié)約了部分高品位的能源。而輸出的熱量之中包含了一部分來自高品位產(chǎn)出的部分熱量和從低溫?zé)嵩粗形盏降臒崃窟@兩部分。而從熱力學(xué)角度來說，熱泵就是制冷機(jī)中的一種。熱泵并不是熱能的轉(zhuǎn)換設(shè)備，而是熱量的搬運(yùn)設(shè)備。在20世紀(jì)初期，科學(xué)家便提出了熱泵這個(gè)概念，為人類利用低溫?zé)嵩粗该髁朔较?。到目前為止，熱泵技術(shù)早已在世界各地有了多方面的應(yīng)用，為改善人類的生存環(huán)境，節(jié)約高品位的能源貢獻(xiàn)了不可或缺的貢獻(xiàn)。
二氧化碳熱泵熱水器是一種用于將能量轉(zhuǎn)運(yùn)到冷水中的熱泵，它通過吸收環(huán)境中的能量，通過整個(gè)系統(tǒng)，將吸收到的能量轉(zhuǎn)運(yùn)給換熱器中的冷水中產(chǎn)出熱水，用于洗浴等日常需要。由于二氧化碳對環(huán)境沒有危害，同時(shí)傳熱和節(jié)能優(yōu)良，所以今年來二氧化碳熱泵熱水器發(fā)展迅速，尤其在日本國內(nèi)。
二氧化碳熱泵熱水器在節(jié)能和環(huán)保兩方面都有著極強(qiáng)的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的熱泵熱水器所能制取的最高溫度為55℃，而對于亞臨界循環(huán)，如果還想要更高的熱水溫度，那么冷凝溫度就會(huì)趨近它的臨界溫度，從而導(dǎo)致制冷系數(shù)的下降。而二氧化碳熱泵熱水器則不會(huì)存在該問題，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中的氣體冷卻器中有著很大的溫度滑移，從而可以實(shí)現(xiàn)和熱媒之間有著良好的溫度匹配，同時(shí)又有較小的換熱溫差，提高換熱效率，并能獲得90℃的高溫?zé)崴?，這是常規(guī)熱泵所做不到的。同時(shí)該機(jī)組即使在冬季室外溫度很低的情況下也能正常運(yùn)行。
1.3.1 壓縮機(jī)
1.3.1.1 壓縮機(jī)的比較
1.3 .1.1.1 往復(fù)式制冷壓縮機(jī)
往復(fù)式壓縮機(jī)是到目前為止應(yīng)用最為廣泛的一種壓縮機(jī)，其出現(xiàn)在中小型制冷裝置中。但由于往復(fù)式壓縮機(jī)在容積效率、可靠性、壓力穩(wěn)定等發(fā)面的性能均不如其他形式的壓縮機(jī)，所以在不久的將來，往復(fù)式壓縮機(jī)的市場份額必將逐漸縮小。目前，大部分往復(fù)式的性能系數(shù)約為：2—2.5w/w（制冷）、2.9—3.4w/w（空調(diào)）。
1.3 .1.1.2 轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)
轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)現(xiàn)今逐漸成為家用冰箱和空調(diào)中的常見部件。從結(jié)構(gòu)上來看，因?yàn)槠洳恍枰鼩忾y，所以可靠性得以提高。同樣的原因也有利于它的變速運(yùn)行，比如在家用空調(diào)領(lǐng)域，其變速比可達(dá)10/1（從10~15HZ到 100~150HZ），同時(shí)機(jī)器內(nèi)部零件少，尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)重量又控制的很好。但是單缸在轉(zhuǎn)速很低時(shí)不均勻度會(huì)變大，所以人們又開發(fā)出了雙缸壓縮機(jī)來客服該缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)子式的主要研究方向?yàn)榻档凸?，采用新的替代工質(zhì)（如HFC—134a），采用新型的潤滑油，變速控制電動(dòng)機(jī)和減小噪音等方面，其性能系數(shù)一般為2.9w/w（制冷）和 3.4w/w（制熱）。
目前，小型封閉式是常見滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的主要類型，一般分為臥式和立式兩種，臥式多用于冰箱中，而立式多用于空調(diào)器中。
1.3 .1.1.3渦旋式壓縮機(jī)
渦旋式是近期開發(fā)的最新型的空氣壓縮機(jī)，它的顯著特點(diǎn)有結(jié)構(gòu)新穎、體積小、重量輕、壽命長、操作簡便、維護(hù)費(fèi)用少等。它也被業(yè)內(nèi)譽(yù)為“無需維修空氣壓縮機(jī)”，是50HP以下壓縮機(jī)的最佳選擇。
渦旋式壓縮機(jī)由兩個(gè)類似雙函數(shù)方程型線的動(dòng)、靜渦盤相互共同嚙合組成。在吸氣、壓縮和排氣三個(gè)工作過程中，靜盤始終固定在機(jī)架上保持靜止，而動(dòng)盤通過偏心軸帶動(dòng)并通過防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制約，從而使其始終圍著偏心軸旋轉(zhuǎn)，氣體在兩個(gè)渦盤間的許多月牙形壓縮腔內(nèi)被壓縮，然后通過靜盤中心的軸向孔排出。70年代后, 經(jīng)美、日等國的研究確保渦旋式壓縮機(jī)走上正途，可以實(shí)用化，很多跨國公司比如開利等都會(huì)生產(chǎn)這種壓縮機(jī)，他們主要特點(diǎn)就是：沒有吸氣閥、排氣閥，壓力損失減少，壓縮室壓差小，無余系容積，容積效率高，可靠性高，功耗小。渦旋式運(yùn)動(dòng)能夠減少力矩的變化形成壓縮腔從而降級噪音，震動(dòng)減少。其結(jié)構(gòu)簡單，這就使得零部件損壞的量少，體積小。對液擊不是很敏感。另外它的轉(zhuǎn)速很高，便于實(shí)現(xiàn)變頻控制從而調(diào)節(jié)制冷量。采用一種背壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)的可控推力機(jī)構(gòu)。這樣的話可以保持縱向蜜蜂，減少機(jī)械損傷，防止偶爾出現(xiàn)的高壓，確保壓縮機(jī)安全。還有將氣體注入循環(huán)，提高運(yùn)行效率和節(jié)能，減少壓縮機(jī)開機(jī)頻率和停機(jī)頻率，控制室溫變化，可以實(shí)現(xiàn)舒適的空調(diào)。最后就其加工工藝來說，制造精度高，加工精密，成本較高，總體來說，其綜合性能稍遜滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式，特別適合于低噪聲的要求，目前多用在大功率的高檔次空調(diào)器上，是產(chǎn)品中的佼佼者。
目前渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢主要在：
① 進(jìn)一步改進(jìn)渦旋盤加工制造工藝, 降低成本；
② 提高加工和裝配精度, 合理考慮實(shí)際運(yùn)行中密封間隙，降低泄漏損失, 進(jìn)一步提高效率；
③ 研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機(jī)性能, 提高工作轉(zhuǎn)速；
④ 研究開發(fā)自轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機(jī)等。
1.3 .1.1.4 螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)是主要靠轉(zhuǎn)子的相互嚙合，它們是帶有螺旋齒槽的，形成有齒形的基元容積的變化。螺桿式空氣壓縮機(jī)的工業(yè)生產(chǎn)始于1950 年，由于結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、外形比較緊密、質(zhì)量依然很輕、排氣溫度低、氣體中可以帶有塵等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。在操作上, 螺桿壓縮機(jī)是壓縮機(jī)中最簡單的類型之一。在成本上，螺桿式壓縮機(jī)和往復(fù)的、重型水冷卻式壓縮機(jī)相比, 每單位馬力的原始投資要低30 %。
綜上所述可知：就壓縮機(jī)的性能來講，渦旋式最好，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差；就成本價(jià)格而言，相同制冷能力的壓縮機(jī)，渦旋式最高，往復(fù)式最低，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式介于其中；不同的壓縮機(jī)其安全運(yùn)行工況范圍是不同的，通常活塞壓縮機(jī)能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。
1.3 .1.1.5離心式壓縮機(jī)
離心式壓縮機(jī)的基本構(gòu)造與原理如下：其工作原理與離心式鼓風(fēng)機(jī)有著許多的相似點(diǎn)。但有一個(gè)根本的區(qū)別的工作原理和活塞的壓縮機(jī)，它不使用氣缸容積被減小，以提高蒸汽壓力，但對能量的變化，用以改善蒸汽的壓力。離心式的工作輪帶有葉片，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片是由驅(qū)動(dòng)蒸汽身體運(yùn)動(dòng)或使氣體的動(dòng)能，然后將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高蒸汽壓力。該壓縮機(jī)由于其的工作，以制冷劑蒸汽吸入，和連續(xù)地沿半徑方向被拋出出來，壓縮機(jī)，使得這種類型的離心式壓縮機(jī)。根據(jù)工作壓縮機(jī)的安裝數(shù)量，可以將之分為??單級和多級型。如果只有一個(gè)車輪，所謂的單級離心式壓縮機(jī)，如果由幾個(gè)工作輪系，稱為多級離心式壓縮機(jī)。在空調(diào)，該壓力更小，所以一般使用單級離心式壓縮機(jī)，在其它大部分是多級。單一的構(gòu)建級離心壓縮機(jī)主要由一個(gè)輪，擴(kuò)壓器和蝸殼其中，當(dāng)所述壓縮機(jī)的制冷劑從蒸汽蒸汽出口軸向進(jìn)蒸汽腔室，并在臥引導(dǎo)蒸汽室由導(dǎo)向槽蒸發(fā)器（或中間冷卻器泥）的制冷劑碼蒸汽，以均勻地進(jìn)入了的高速旋轉(zhuǎn)工作輪（也被稱為葉輪輪，它是一種重要的成分的離心壓縮機(jī)，由于只通過工作輪可將能量轉(zhuǎn)移到氣體）。在氣相下刀片，隨后的工作旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，而由于離心力的作用，作為該擴(kuò)壓器中的流動(dòng)葉片槽，從而使壓力和流速的氣體得到改善。的蒸汽輪出再次進(jìn)入截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器（因?yàn)闅怏w從流輪具有較高的速度，擴(kuò)散器具有動(dòng)能的能量部分地為壓力能，從而提高了氣體壓力）。氣體流經(jīng)擴(kuò)散速度減小，而壓力則進(jìn)一步提高。該擴(kuò)散器后蒸汽匯集到蝸殼，該出口導(dǎo)向至中間冷卻器或冷凝器。
離心式壓縮機(jī)的特性：離心式壓縮機(jī)及活塞式制冷壓縮機(jī)相比較，具有以下的優(yōu)點(diǎn)：單個(gè)的冷卻容量，冷卻能力在同一時(shí)間它具有尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，占地面積小的區(qū)域，輕重量比活塞型5 ?8倍，因?yàn)樗鼪]有汽閥活塞環(huán)。組件，并沒有一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，因此工作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，操作簡單，維護(hù)成本低，無的之間的摩擦輪與該殼，無需潤滑。的制冷劑蒸汽和油不接觸，從而提高了傳熱性能的蒸發(fā)器和冷凝器; 可以方便地調(diào)節(jié)范圍經(jīng)濟(jì)冷卻能力和調(diào)控較大; 上的制冷劑的適應(yīng)性，一結(jié)構(gòu)一離心壓縮機(jī)能適應(yīng)制冷劑，離心式壓縮機(jī)在高容量范圍（超過1500千瓦）仍然占主導(dǎo)地位，這主要得益于該冷量范圍內(nèi)，它有無可比擬的整體系統(tǒng)效率。移動(dòng)部分離心式壓縮機(jī)的一些和簡單，并且制造精度比螺桿式壓縮機(jī)低許多，這些具有相對較低的制造成本和可靠性。此外，一個(gè)大的離心式壓縮機(jī)中所使用的工作壓力的變化如的狹窄的范圍的場合，可避免的問題所造成的激增，在不久的將來，整體和部分負(fù)荷（集成部分礦脈值）會(huì)越來越多的關(guān)注，這就需要離心式壓縮機(jī)保密工作的工作效率寬高。然而，相對來說，在發(fā)展的離心壓縮機(jī)的具有最近緩慢，因?yàn)槁輻U式壓縮機(jī)及冷凍機(jī)的挑戰(zhàn)，離心式壓縮機(jī)開始根據(jù)需求CFCS 替代進(jìn)行重新設(shè)計(jì)自1993年以來，為了使在熱和空氣動(dòng)力性能改善。所以制冷劑已經(jīng)有很多的離心壓縮機(jī)更換轉(zhuǎn)向由HCFC - 22替代品HFC - 134 ，其制冷量范圍為90?1250千瓦。
由以上的對壓縮機(jī)的介紹可知：從性能方面來說，渦旋式最好，往復(fù)式最差；從價(jià)格來說，往復(fù)式最差，渦旋式最好；但考慮到實(shí)際情況和技術(shù)成熟度等問題，本次設(shè)計(jì)采用的是活塞式壓縮機(jī)。
1.3.2 冷凝器的選擇
冷凝器是空調(diào)裝備中的主要部件之一，它是一種換熱設(shè)備，其主要功能就是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽冷卻成液態(tài)，此過程放出的熱量被冷卻介質(zhì)吸收，然后隨之排放到周圍環(huán)境中，過熱蒸汽在冷凝器中放熱而變成液體時(shí)，過程一般如下：
制冷劑蒸汽先是會(huì)在冷凝器中被過熱蒸汽冷卻為干飽和蒸汽，放出大量的熱量，由于干飽和蒸汽遇冷要冷凝為飽和液體，放出大量的熱量，如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體，通常按照冷卻方式不同，冷凝器可分為空氣冷卻式冷凝器、水冷卻式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器三大類。
1.3.2.1 冷凝器的種類及特點(diǎn)
⑴空氣冷卻式冷凝器：空氣冷卻式冷凝器用于電冰箱、、窗式空調(diào)器、冷藏柜、汽車及鐵路車廂用空調(diào)裝置等運(yùn)輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，多應(yīng)用與干旱地區(qū)。空氣冷卻式冷凝器根據(jù)空氣的流動(dòng)情況還可分為自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻兩種。前者主要用于小型的家用冰箱的冷凝器，強(qiáng)制對流冷卻主要用于中小型氟利昂機(jī)組。
自然對流空氣冷卻式冷凝器帶走熱量的主要方式是憑借空氣受熱產(chǎn)生自然對流的方式。這種冷凝器的傳熱效果低于強(qiáng)制流動(dòng)空氣冷卻式冷凝器。由于自燃對流作用，省去了安裝風(fēng)機(jī)過程，節(jié)省資源，減少風(fēng)機(jī)的電能消耗，完全避免風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的噪音、但是這種冷凝器也有其致命的缺點(diǎn)就是傳熱系數(shù)低。
再來說強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器，其一般用套片管式，選擇合適數(shù)量組的蛇形管組成，空氣在軸流風(fēng)機(jī)的作用下被壓力作用流進(jìn)翅片管強(qiáng)制通風(fēng)，一般強(qiáng)制通風(fēng)用的風(fēng)機(jī)是軸流式的。這種冷凝器的傳熱系數(shù)也比較小，一般約為23～35 W/(m?K) 。它必須使用風(fēng)機(jī)，要消耗一定的電能。
⑵水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)對排氣進(jìn)行冷凝，冷卻水來源廣闊比如江水、湖水、河水、等等由于水溫低，所以很多用水冷式冷凝器可以得到更低的冷凝溫度和壓力，這樣的話就對提高制冷裝置的制冷能力有很大的提高，同時(shí)提高了其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前常用的水冷式冷凝器有立式殼管式、臥式殼管式、套管式三種。
（1）立式殼管式冷凝器應(yīng)用范圍主要是大中型制冷系統(tǒng)。立式殼管式冷凝器占地面積小，可以漏天安裝，便于清潔，對水質(zhì)也無要求，傳熱效果很好。其缺點(diǎn)為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。
（2）臥式殼管式冷凝器主要用在氨制冷和氟利昂制冷等大中型制冷裝備中，臥式殼管式冷凝器傳熱系數(shù)高、占用空間面積小、結(jié)構(gòu)緊密、有利于機(jī)組化，并且冷卻水可以重復(fù)利用。耗水量相對立式殼管式冷凝器少；操作方便，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是：需水量很大，對缺水地區(qū)有限制性，冷卻水流動(dòng)阻力大，
（3）套管式冷凝器由數(shù)根大小不同的管子組成。大管子內(nèi)套小管子，小管子可以是一根，也可以是數(shù)根。套管式冷凝器適用范圍有一定的限度，多應(yīng)用于制冷量在50KW左右的小型制冷裝置中且多為氟利昂型，制冷劑蒸汽從上進(jìn)從下出去，冷卻水從上部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱流出，制冷劑和冷卻水間多為逆流換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時(shí)受到冷水及管外空氣的冷卻，其傳熱效果好，但是不排除金屬的消耗量大，套管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效果好，缺點(diǎn)已很明顯機(jī)冷卻水的流動(dòng)阻力大，對水質(zhì)要求較高。
⑶蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式冷凝器的換熱主要是靠冷卻水在空氣中蒸發(fā)吸收氣化潛熱而進(jìn)行的。蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少，空氣流量也不大。蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。
（1）節(jié)水,多數(shù)水冷式冷凝器可以帶走大量的熱量，主要由于水的狀態(tài)不同吸收熱量不同，這是由于水的比熱容不同，蒸發(fā)式冷凝器是利用水的蒸發(fā)散發(fā)出來的潛熱帶走制冷劑熱量，因此蒸發(fā)式冷凝器理論上來說耗水量更少，但是考慮到飛濺損失等因素，實(shí)際耗水量一般。
（2）節(jié)電，蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)冷凝溫度比用風(fēng)冷式或水冷式冷凝器低。因此采用蒸發(fā)式冷凝器就會(huì)使冷凝器的總功耗顯著減低，壓縮機(jī)的輸入功率也將減少。
（3）結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)式冷凝器自身的原因就有冷卻塔的作用，因此不需配備冷卻塔，因此完全可以不裝備冷卻塔就行，這樣的話，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)就很緊湊。
（4）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式冷凝器，夏季時(shí)候由于冷凝壓力太高，采用放空降壓的辦法，但是效果不很理想，因?yàn)槊看蝺H能放出部分蒸汽，而且期間還含有大量的氨氣，損失嚴(yán)重還容易污染環(huán)境，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。
綜上所述，由于裝置具有多種優(yōu)勢：構(gòu)造簡單，溫度低，安排緊湊，傳熱系數(shù)小，制作方便等等并且套片管式強(qiáng)制空氣對流冷卻時(shí)冷凝器結(jié)構(gòu)簡單，容易制作，傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)，故選用套管式冷凝器。
1.3.3 蒸發(fā)器的選擇
蒸發(fā)器概述：蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中一個(gè)主要的換熱部件，其作用主要是把制冷劑蒸發(fā)，此過程在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行，制冷劑被節(jié)流后蒸發(fā)，這部分制冷劑處于蒸汽狀態(tài)。濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)期蒸發(fā)的含量只占10%左右，其余都是液體。隨著蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)與吸熱，液體逐漸蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽越來越多，當(dāng)流至接近蒸發(fā)器出口處時(shí)，一般已成為干蒸汽，到蒸發(fā)器末段，繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽。蒸發(fā)器按其冷卻的介質(zhì)不同分為冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器和冷卻空氣的蒸發(fā)器。根據(jù)供液方式的不同，有滿液式、干式、循環(huán)式、和噴淋式等。
1.3.3.1干式氟利昂蒸發(fā)器
干式蒸發(fā)器是一種制冷劑液體在傳熱管內(nèi)能夠完全汽化的蒸發(fā)器。蒸發(fā)器傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)是載冷劑或空氣,制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā),蒸發(fā)器流量約為傳熱管內(nèi)容積的百分之二十到三十.增加制冷劑的質(zhì)量流量,通過增加制冷劑的接觸面積或者在館內(nèi)部的濕潤面積，在進(jìn)口和出口的壓差應(yīng)控制隨流動(dòng)阻力增大而增加，以便于降低制冷系數(shù)，干式蒸發(fā)器長分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩個(gè)大類，這里是按照冷卻介質(zhì)的不同而分類。而冷卻空氣的干式蒸發(fā)器又可分為冷卻自由運(yùn)動(dòng)空氣的蒸發(fā)器和冷卻強(qiáng)制流動(dòng)空氣的蒸發(fā)器. 自由運(yùn)動(dòng)型一般被制成光管蛇形管管組，通常稱作冷卻排管，一般用于冷藏庫和低溫的實(shí)驗(yàn)裝置中。強(qiáng)制對流型則是在自由型的管外設(shè)置肋片以提高傳熱系數(shù)。其應(yīng)用范圍廣，可以用于低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境場合也可以用于冷藏庫等等。而干式蒸發(fā)器應(yīng)用更加廣泛，如果采用干式蒸發(fā)器則完全不采用回油設(shè)計(jì)，簡潔化，但是其缺點(diǎn)突出：系統(tǒng)效率有所降低。
1.3.3.2滿液式蒸發(fā)器
滿液式蒸發(fā)器按其借個(gè)分為殼管式、直管式、螺旋管式等幾種結(jié)構(gòu)形式。他們都是在蒸發(fā)器中充滿制冷劑，這些制冷劑呈現(xiàn)液態(tài)，運(yùn)行時(shí)候，需要吸收熱量，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽源源不斷哋從液體中分離除去，他的好處就是制冷劑與傳熱面接觸面廣闊，具有很大的接觸面積。但不足之處是制冷劑充注量大，液柱靜壓會(huì)給蒸發(fā)溫度造成不良影響。當(dāng)由于偶然因素導(dǎo)致停機(jī)或者鹽水濃度驟然下降時(shí)候，鹽水就可能被凍結(jié)在管內(nèi)，阻礙流通，若制冷劑為氟利昂，則溶解在氟利昂內(nèi)的潤滑油幾乎不能返回到壓縮機(jī)，此外在清洗時(shí)候需要停止工作。
1.3.3.3循環(huán)式蒸發(fā)器
這種蒸發(fā)器中,制冷劑在其管內(nèi)反復(fù)循環(huán)吸熱蒸發(fā)直至完全汽化,被稱為循環(huán)式蒸發(fā)器。循環(huán)式蒸發(fā)器的應(yīng)用范圍挺廣闊的，可以用于大型的液泵供液，也可以用于中立供液冷庫系統(tǒng)甚至用于低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)裝置。循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)在于傳熱系數(shù)高因?yàn)檎舭l(fā)器管道內(nèi)部能夠完全濕潤，其不足之處在與體積較大，制冷劑充注量較多。
綜上所述，此次設(shè)計(jì)更適合采用翅片管式換熱器。
1.3.4 制冷劑的選擇
由于本次課題已規(guī)定制冷劑，故制冷劑為R744。
1.3.5 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇
1.3.5.1 制冷劑液體膨脹過程分析
制冷劑的液體膨脹過程有以下特點(diǎn)：
⑴通過液體膨脹，溫度將降低。的的膨脹過程的壓力差較大時(shí)，它降低了溫度的液體是更大的。之間的溫度差相同的獨(dú)立過程。其原因在于兩相區(qū)飽和溫度與相關(guān)聯(lián)的飽和壓力。
⑵在膨脹過程是可能的比體積比，并與壓力比增大。而使得難以實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)比有限體積。
⑶膨脹過程中的等熵焓降很?。蓴U(kuò)展功率是非常小的），不使用的損失也不會(huì)很大，因此在制冷裝置用在小孔或管道節(jié)流機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)制冷的液體制冷劑擴(kuò)張。
1.3.5.2節(jié)流機(jī)構(gòu)的種類
常用的節(jié)流機(jī)構(gòu)有手動(dòng)膨脹閥、浮球式膨脹閥、熱力膨脹閥以及阻流式膨脹閥(毛細(xì)管)等。它們的基本原理都是使高壓液態(tài)制冷劑受迫流過一個(gè)小過流截面，產(chǎn)生合適的局部沿程損失，使制冷劑壓力驟降，與此同時(shí)一部分液態(tài)制冷劑汽化，吸收潛熱，使節(jié)流后的制冷劑成為低壓低溫狀態(tài)。
主要解釋一下熱力膨脹閥：熱力膨脹閥是氟利昂制冷裝置中根據(jù)吸入蒸氣的過熱程度來調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑量，同時(shí)將液體由冷凝壓力節(jié)流降壓到蒸發(fā)壓力的。
熱力膨脹閥的型式很多，但在結(jié)構(gòu)上大致相同。按膨脹閥中感應(yīng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力室中傳力零件的結(jié)構(gòu)不同，可分為薄膜式和波紋管式兩種；按使用條件不同，又可分為內(nèi)平衡式和外平衡式兩種。目前常用的小型氟利昂熱力膨脹閥多為薄膜式內(nèi)平衡熱力膨脹閥。
內(nèi)平衡式熱力膨脹閥：內(nèi)平衡式熱力膨脹閥一般都由閥體、閥座、閥針、調(diào)節(jié)桿座、調(diào)節(jié)桿、彈簧、過濾器、傳動(dòng)桿、感溫包、毛細(xì)管、氣箱蓋和感應(yīng)薄膜等組成。
圖1-3熱力膨脹閥原理簡圖
感溫包里灌注氟利昂或其它易揮發(fā)的液體，把它緊固在蒸發(fā)器出口的回氣管上，用以感受回氣的溫度變化；毛細(xì)管是用直徑很細(xì)的銅管制成，其作用是將感溫包內(nèi)由于溫度的變化而造成的壓力變化傳遞到動(dòng)力室的波紋薄膜上去。波紋薄膜是由很薄的(0.1～0.2mm)合金片沖壓而成，斷面呈波浪形，能有2～3mm的位移變形。波紋薄膜由于動(dòng)力室中壓力的變化而產(chǎn)生的位移通過其下方的傳動(dòng)桿傳遞到閥針上，使閥針隨著傳動(dòng)桿的上下移動(dòng)而一起移動(dòng)，以控制閥孔的開啟度。調(diào)節(jié)桿的作用是在系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)中，用以調(diào)整彈簧的壓緊程度來調(diào)整膨脹閥的開啟過熱度的，系統(tǒng)正常工作后不可隨意調(diào)節(jié)且應(yīng)擰上調(diào)節(jié)桿座上的帽罩，以防止制冷劑從填料處泄漏。過濾網(wǎng)安裝在膨脹閥的進(jìn)液端，用以過濾制冷劑中的異物，防止閥孔堵塞。至于其工作原理，我們首先分析一下熱力膨脹閥工作時(shí)波紋薄膜的受力情況。由下圖1-3可知，金屬波紋薄膜受有三種力的作用，在膜片的上方，為感溫包中液體(與其感受到的溫度相對應(yīng)的)的飽和壓力P對膜片產(chǎn)生的向下推力P，在膜片的下方，受閥座后面與蒸發(fā)器相通的低壓液體對膜片產(chǎn)生一個(gè)向上的推力 (制冷劑的蒸發(fā)壓力)和彈簧的張力W的作用。此外還有活動(dòng)零件之間的摩擦力等因素構(gòu)成的作用力，因?yàn)槠渲瞪跣?，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)。由以上分析可知，當(dāng)三力處于平衡狀態(tài)，即滿足 時(shí)，膜片不動(dòng)，則閥口處于一定的開啟度。而當(dāng)其中任何一個(gè)力發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)破壞原有的平衡，則閥口的開啟度也就隨之發(fā)生變化，直到建立新的平衡為止。
當(dāng)外界情況改變，如由于供液不足或熱負(fù)荷增大，引起蒸發(fā)器的回氣過熱度增大時(shí)，則感溫包感受到的溫度也升高，飽和壓力P也就增大，因此形成：P＞P0+W，這樣就會(huì)導(dǎo)至膜片下移，使閥口開啟度增大，制冷劑的流量也就增大，直至供液量與蒸發(fā)量相等時(shí)達(dá)到另一平衡。反之，若由于供液過多或熱負(fù)荷減少，引起蒸發(fā)器的回氣過熱度減小，使感溫包感受到的溫度也降低時(shí)，則飽和壓力P也就減小，因此形成：P＜P0+W，這樣就會(huì)導(dǎo)至膜片上移，使閥口開啟度減小，制冷劑的供液量也就減少，直至與蒸發(fā)器的熱負(fù)荷相匹配為此。熱力膨脹閥的工作原理就是利用與回氣過熱度相關(guān)的P力的變化來調(diào)節(jié)閥口的開啟度的，從而控制制冷劑的流量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。
另外，從上述關(guān)系也可看出，調(diào)節(jié)不同的彈簧張力W，便能獲得使閥口開啟的不同過熱度。與調(diào)定的彈簧張力W相對應(yīng)的制冷劑的過熱度稱為靜裝配過熱度(又稱關(guān)閉過熱度)。一般希望蒸發(fā)器的過熱度維持在3～5℃的范圍內(nèi)。
外平衡式熱力膨脹閥：外平衡熱力膨脹閥與內(nèi)平衡熱力膨脹閥在結(jié)構(gòu)上略有不同，其不同處是感應(yīng)薄膜下部空間與膨脹閥出口互不相通，而且通過一根小口徑的平衡管與蒸發(fā)器出口相連。換句話說，外平衡熱力膨脹閥膜片下部的制冷劑壓力不是閥門節(jié)流后的蒸發(fā)壓力，而是蒸發(fā)器出口處的制冷劑壓力。這樣可以避免蒸發(fā)器阻力損失較大時(shí)的影響，把過熱度控制在一定的范圍內(nèi)，使蒸發(fā)器傳熱面積充分利用。
內(nèi)、外平衡式熱力膨脹閥工作原理完全相同，只是適用的條件不同，如果蒸發(fā)器中制冷劑的壓力損失較大，使用內(nèi)平衡式熱力膨脹閥時(shí)，就會(huì)造成蒸發(fā)器供液量不足，出口處氣態(tài)制冷劑的過熱度增大。也就使蒸發(fā)器的傳熱面積的利用率降低，制冷量相應(yīng)減小，所以在實(shí)際應(yīng)用中，蒸發(fā)器壓力損失較小時(shí)，一般使用內(nèi)平衡式熱力膨脹閥，而壓力損失較大時(shí)(當(dāng)膨脹閥出口至蒸發(fā)器出口制冷劑的壓力降相應(yīng)的蒸發(fā)溫度降低超過2～3℃時(shí))，應(yīng)采用外平衡式熱力膨脹閥。
安裝熱力膨脹閥時(shí)應(yīng)注意的問題：首先應(yīng)檢查膨脹閥是否完好，特別注意檢查感溫動(dòng)力機(jī)構(gòu)是否泄漏；膨脹閥應(yīng)正立式安裝，不允許倒置；感溫包安裝在蒸發(fā)器的出氣管上，緊貼包纏在水平無積液的管段上，外加隔熱材料纏包，或插入吸氣管上的感溫套內(nèi)；當(dāng)水平回氣管直徑小于25mm時(shí)，感溫包可扎在回氣管項(xiàng)部；當(dāng)水平回氣管直徑大于25mm時(shí)，感溫包可扎在回氣管下側(cè)45°處[20]，以防管子底部積油等因素影響感溫包正確感溫；外平衡膨脹閥的平衡管一般都安裝在感溫包后面100mm處的回氣管上，并應(yīng)從管頂部引出，以防潤滑油進(jìn)入閥內(nèi)；一個(gè)系統(tǒng)中有多個(gè)膨脹閥時(shí)，外平衡管應(yīng)接到各自蒸發(fā)器的出口。
④毛細(xì)管：在電冰箱、空調(diào)器等小型制冷設(shè)備中，常用毛細(xì)管做節(jié)流裝置，它主要是靠其管徑和長度的大小來控制液體制冷劑的流量以使蒸發(fā)器能在適當(dāng)?shù)臓顩r下工作。制冷工程中一般稱內(nèi)徑0.5～2mm左右，長度在1～4m左右的紫鋼管為毛細(xì)管。與節(jié)流閥相比毛細(xì)管作為節(jié)流裝置的優(yōu)點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)件不會(huì)磨損不易泄漏、制造容易價(jià)格便宜、安裝省事，缺點(diǎn)是流量小且不能隨時(shí)隨意進(jìn)行人為調(diào)整。
在內(nèi)徑及長度已確定后，毛細(xì)管的流量主要受進(jìn)、出口兩側(cè)即高、低壓兩端壓力差大小的影響，與來液過冷度大小、含閃發(fā)氣體多少以及管彎曲程度、盤繞圈數(shù)等也有關(guān)。因此機(jī)組系統(tǒng)一定時(shí)，不能任意改變工況或更換任意規(guī)格的毛細(xì)管。據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在同樣工況和同樣流量條件下，毛細(xì)管的長度與其內(nèi)徑的4.6次方近似成正比，即當(dāng)環(huán)境溫度升高或制冷劑充加量過多時(shí)，冷凝器壓力變高，毛細(xì)管流量增大會(huì)使蒸發(fā)器壓力及蒸發(fā)溫度隨之升高。反之，當(dāng)環(huán)境溫度降低或制冷劑充加量不足時(shí)，冷凝器壓力變低，毛細(xì)管流量減小會(huì)使蒸發(fā)器壓力及蒸發(fā)溫度隨之降低，導(dǎo)致制冷量下降，甚至降不到所需的溫度。
因此，采用毛細(xì)管的制冷設(shè)備，必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制制冷劑的充加量。
根據(jù)毛細(xì)管進(jìn)口處制冷劑的狀態(tài)分為過冷液體，飽和液體和稍有氣化等情況。從毛細(xì)管的安裝方式考慮，制冷劑在其進(jìn)口的狀態(tài)按毛細(xì)管是否與吸氣管存在熱交換而分為回?zé)嵝秃蜔o回?zé)嵝蛢煞N。回?zé)嵝图疵?xì)管內(nèi)制冷劑在膨脹過程對外放熱;無回?zé)嵝图疵?xì)管內(nèi)制冷劑為絕熱膨脹。
⑤電子膨脹閥
電子膨脹閥—吸氣過熱度控制
吸氣過熱度控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器組成，工作時(shí)，壓力傳感器將蒸發(fā)器出口壓力P1、溫度傳感器將壓縮機(jī)吸氣過熱度傳給控制器，控制器將信號處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī)， 將閥開到需要的位置要， 以保持蒸發(fā)器需要的供液量。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)蒸發(fā)器出口壓力P1 變化、壓縮機(jī)吸氣過熱度變化實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力,這個(gè)實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力能及時(shí)克服各種工況和各種負(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求，進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實(shí)時(shí)與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定，有效地控制過熱度。另外，電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動(dòng)作速度快，開閉特性和速度均可人為設(shè)定；電子膨脹閥可在10%～100%進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍可根據(jù)不同產(chǎn)品的特性進(jìn)行設(shè)定。選用電子膨脹閥—吸氣過熱度控制，機(jī)組無論在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運(yùn)行均維持較高的COP 值水平。電子膨脹閥—吸氣過熱度控制制圖1-4電子膨脹閥- 吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖
冷系統(tǒng)原理圖如圖所示。
電子膨脹閥-液位控制
液位控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、液位傳感器、液位控制器組成，如圖。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)的液面上下變化時(shí), 蒸發(fā)器內(nèi)的液位傳感器將液位變動(dòng)的比例關(guān)系用4～20mA信號傳給液位控制器, 液位控制器將信號處理后, 隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī), 使其開度增大、減小, 以保持制冷劑液位在限定的范圍內(nèi)。電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)制冷劑液位變化實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力, 這個(gè)實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力能及時(shí)克服各種工況和各種負(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力, 使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求, 進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實(shí)時(shí)與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配, 即電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定, 有效地控制蒸發(fā)液位。選用電子膨脹閥—液位控制,機(jī)組無論在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運(yùn)行均維持較高的COP值水平。電子膨脹閥—液位控制一般應(yīng)用在吸氣過熱度低于2 ℃冷裝置, 而電子膨脹閥—吸氣過熱度控制一般應(yīng)用在吸氣過熱度5 ℃左右的制冷裝置, 因此前者比后者更能有效地利用蒸發(fā)面積, 提高蒸發(fā)負(fù)荷, 獲取更高的COP值。
1.4 經(jīng)濟(jì)性分析
為了分析的二氧化碳經(jīng)濟(jì)的熱泵熱水器，熱水到200L 作為一個(gè)例子，比較經(jīng)濟(jì)的燃油，燃?xì)?，電加熱，二氧化碳熱泵熱水器和其他類型的熱水器。的二氧化碳熱泵熱水器沒有批量供應(yīng)市場，所以一個(gè)參考其他熱泵熱水器的市場價(jià)格，考慮到二氧化碳熱泵熱水器結(jié)構(gòu)緊湊，中等價(jià)格低，所以在市場價(jià)格的熱泵熱水器用10％來計(jì)算。
計(jì)算條件：以某賓館為例，該賓館共有108個(gè)客房，總共216個(gè)床位，24小時(shí)不間斷供應(yīng)熱水，每天大約消耗25.92噸熱水，每床每日供應(yīng)120L熱水。冷水溫度設(shè)定為15℃，熱水溫度設(shè)定大約為65℃運(yùn)行費(fèi)用如表 1-2 中數(shù)據(jù)。
表 1-2 單位能源價(jià)格
能源類型
管道煤氣
氣
石油液化氣
商業(yè)用電
市場價(jià)格
2.8元
15.8元/m3
0.92元/kWh
/m3
單位標(biāo)準(zhǔn)熱值
17MJ/m3
113 MJ/m3
3.6 MJ/ kWh
單位熱值價(jià)格
0.16
0.14
0.255
從表1-3中可以看出，二氧化碳熱泵熱水器的使用投入遠(yuǎn)低于電熱水器、燃油和燃?xì)鉄崴?，但設(shè)備的第一次建設(shè)投資要高于其他的三種方式。雖然二氧化碳熱泵熱水器的第一次建設(shè)投資比較高，但其正常的運(yùn)行投入?yún)s大大降低，約是燃?xì)獾?9.5%，燃油的 50.4%,電加熱器的 55.7%。若使用10年，將比燃?xì)饧訜峁?jié)約1488.6萬元，比燃油節(jié)約949.6萬元，比電加熱節(jié)約765.6萬元，經(jīng)濟(jì)性非常可觀。而且，如果二氧化碳熱泵熱水器產(chǎn)品可以達(dá)到批量生產(chǎn)水平，有較大的市場后，成本有望降低。
表 1-3 幾種不同類型加熱方式經(jīng)濟(jì)性比較
加熱形式
燃?xì)忮仩t
爐
燃油鍋爐
爐
電加熱
CO2熱泵熱水器
器
給水溫度 ℃
15
15
15
15
出水溫度 ℃
65
65
65
65
年運(yùn)行天數(shù)
365
365
365
365
天
熱效率
75%
85%
95%
3
年實(shí)際耗能
1.54х
1.36х
1.22х
0.39х107
MJ
107
107
107
年燃燒費(fèi)用
246
190.4
176
98
萬元
人工費(fèi) 萬元
2
4
0
0
/年
年運(yùn)行費(fèi)用
248
194.4
176
98
萬元
設(shè)備價(jià)格 萬
15
12
12
26.4
元
1年總投資
263
206.4
188
124.4
萬元
10年總投資
2495
1956
1772
1006.4
萬元
總之，二氧化碳熱泵熱水器不僅具有環(huán)保的優(yōu)勢，良好的節(jié)能效果，經(jīng)濟(jì)和具有優(yōu)異，贏得了一個(gè)人的空間可能會(huì)使其在國內(nèi)熱水器市場競爭激烈，被稱為另一選擇消費(fèi)者，有效地改變國內(nèi)熱水器市場，隨著改善環(huán)保要求，將被廣泛應(yīng)用于給水工程，導(dǎo)致更換鍋爐已逐漸成為一個(gè)熱水。
1.4.1 直熱式熱泵熱水器與循環(huán)式熱泵熱水器對比分析
二氧化碳熱泵熱水器與直接加熱式和循環(huán)式兩種，直熱式熱泵熱水器系統(tǒng)框圖，如圖1-4所示，循環(huán)式熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖1-5 。熱泵熱水器有許多優(yōu)點(diǎn)，如主機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定，高效率，高利用率的速度水箱，及時(shí)補(bǔ)水能力不錯(cuò)，而且霜不會(huì)造成水溫的變化。的循環(huán)式熱泵熱水加熱水流速，水溫差，水在熱泵系統(tǒng)中循環(huán)加熱，所以這樣的主機(jī)不穩(wěn)定的條件下，溫度的變化滋補(bǔ)水和很大的變化，雖然溫度低的條件下與輔助電加熱除霜是方便，但會(huì)導(dǎo)致溫