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本科畢業(yè)設(shè)計（設(shè)計）
題 目 ASWH-2HP 空氣源熱泵熱水器
機組樣機的設(shè)計
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué) 號
院（系）
指導(dǎo)教師（職稱）
完成時間
ASWH－2HP空氣源熱泵熱水器機組樣機的設(shè)計
摘 要
本設(shè)計主要介紹了空氣源熱泵熱水器的工作原理、特點及其應(yīng)用。20世紀(jì)開始，空氣源熱泵機組有了很大的發(fā)展。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，空氣源熱泵廣泛用于中國大部分地區(qū)，源于它的優(yōu)點。例如高效率、節(jié)能、使用經(jīng)濟等。本設(shè)計根據(jù)給定的工況對空氣源熱泵熱水器機組進行設(shè)計。
在這篇設(shè)計中，主要內(nèi)容是通過相關(guān)的理論計算對空氣源熱泵冷凝器和蒸發(fā)器進行設(shè)計，并選擇合適的壓縮機和節(jié)流機構(gòu)。而且，在理論計算與設(shè)備選型的過程中進行換熱面積、有效管長、COP等方面的校核，盡量使設(shè)備選型與理論計算的參數(shù)接近，減小誤差，使設(shè)計出來的設(shè)備具有更高的經(jīng)濟性、實用性，除此之外，還模擬了三維實體圖形以及CAD視圖。通過這次設(shè)計過程中不斷地探索、求解，我可以將理論運用于設(shè)計之中，并且能夠更好更全面的掌握小型制冷裝置的基本設(shè)計方法。而且對于所學(xué)習(xí)到的相關(guān)專業(yè)知識融會貫通，將理論計算與實際應(yīng)用完美結(jié)合。
關(guān)鍵詞 熱泵/空氣源/熱水器/功能性
THE DESIGN OF ASWH－2HP AIR SOURCE HEAT
PUMP WATER HEATER
ABSTRACT
Air source heat pump water heater is mainly introduced in this paper the working principle, characteristics and applications. Since the mid-20th century, the air source heat pump had a great development. With the national economic development and improvement of living standards, air source heat pump is widely used in the most parts of China, due to its advantages, Such as high efficiency, energy saving, and economical. This report is based on the given conditions of air source heat pump design.
This paper mainly introduces the working principle, the air source heat pump water heater characteristic and its application. The first is introduced from the overview, air source heat pump's origin, development, design and calculation of the overall layout and component. Through the expertise learned introduces refrigeration equipment refrigeration cycle thermodynamic calculation, matching and checking the compressor, evaporator, condenser performance calculation and check of structural design, in addition to other refrigeration equipment attachments including selection criteria and requirements, piping connection and arrangement, cooling conditions the choice of refrigerant selection.
KEY WORDS heat pump, air source, water heater, functionality
II
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
1 緒論 1
1.1 空氣源熱泵熱水器的概況 1
1.1.1 空氣源熱泵熱水器的研究背景及意義 1
1.1.2 空氣源熱泵熱水器的國內(nèi)外現(xiàn)狀 2
1.2 空氣源熱泵熱水器的工作原理 4
1.3 空氣源熱泵熱水器的優(yōu)缺點 5
1.3.1 空氣源熱泵熱水器的優(yōu)點 5
1.4 空氣源熱泵熱水器的發(fā)展前景 6
2 設(shè)計方案選擇與論證 8
2.1 制冷劑 8
2.1.1 制冷劑的概述 8
2.1.2 制冷劑的分類 8
2.1.3 制冷劑的選用原則 9
2.2 壓縮機 9
2.2.1 壓縮機概述 9
2.2.2 壓縮機的比較 10
2.3 冷凝器 14
2.3.1 冷凝器概述 14
2.3.2 冷凝器的比較 14
2.4 蒸發(fā)器 16
2.4.1 蒸發(fā)器概述 16
2.4.2 蒸發(fā)器的比較 17
3 設(shè)計計算 20
3.1 系統(tǒng)的熱力計算 20
3.1.1 空調(diào)系統(tǒng)的熱力計算 20
4 冷凝器的設(shè)計計算 23
4.1 氟利昂套管式冷凝器的結(jié)構(gòu) 23
4.2 氟利昂套管式冷凝器的傳熱計算 23
4.3 氟利昂套管式冷凝器的設(shè)計計算 24
4.3.1 有關(guān)參數(shù)的選擇及計算 24
4.3.2 確定內(nèi)管根數(shù) 24
4.3.3 傳熱計算 25
4.3.4 冷凝器整體結(jié)構(gòu) 26
5 熱泵蒸發(fā)器設(shè)計計算 27
5.1 強制通風(fēng)空氣冷卻式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 27
5.2 蒸發(fā)器的設(shè)計計算 30
5.2.1 初步的結(jié)構(gòu)規(guī)劃 30
5.2.2 計算幾何參數(shù) 30
5.2.3 計算空氣側(cè)干表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 32
5.2.4 確定空氣在蒸發(fā)器內(nèi)的狀態(tài)變化過程 33
5.2.5 循環(huán)空氣量的計算 34
5.2.6 空氣側(cè)當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算 34
5.2.7 管內(nèi)R134a蒸發(fā)時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算 35
5.2.8 傳熱溫差的初步計算 39
5.2.9 傳熱系數(shù)的計算 39
5.2.10 核算假設(shè)的qi值 39
5.2.11 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸的確定 39
5.2.12 R134a的流動阻力及其對傳熱溫差的影響 41
5.2.13 空氣側(cè)的阻力計算 41
5.2.14 蒸發(fā)器風(fēng)機的選型 42
6 壓縮機的選型計算 45
6.1 理論排氣量的計算 45
6.2 軸功率的計算 45
6.3 壓縮機選型 45
6.4 壓縮機的校核 45
6.4.1 壓縮機名義工況下的熱力計算 46
6.4.2 壓縮機的選型及校核計算 47
7 節(jié)流裝置介紹與類型選擇 49
7.1 熱力膨脹閥的選型 51
7.1.1 熱力膨脹閥名義工況下的熱力學(xué)計算 52
7.1.2 選定熱力膨脹閥 53
8 其他輔助設(shè)備的計算與選型 55
8.1 干燥過濾器計算與選型 55
8.2 氣液分離器 56
8.3 油分離器 57
8.4 視液鏡 57
8.5 截止閥的選取 58
8.6 電磁閥的選取 59
8.7 分流頭的選擇 61
8.8 壓力控制器的選擇 61
9 儲水箱[25] 63
9.1 熱水箱的組成 63
9.1.1 外殼 63
9.1.2 內(nèi)膽 64
9.1.3 保溫層 64
9.2 熱水箱的設(shè)計[28] 65
結(jié)束語 66
致 謝 67
參考文獻 68
II
ASWH-2HP空氣源熱泵熱水器機組樣機的設(shè)計
1 緒論
能源是當(dāng)今各個國家可持續(xù)發(fā)展中的重要課題。我國經(jīng)濟已經(jīng)經(jīng)歷了近30 年的高速增長，而支持我國經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎(chǔ)之一是能源利用水平的迅速提高。但是隨著經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大，能源資源缺乏、結(jié)構(gòu)不夠合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題日益突出。黨的十八大提出了到2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值要比2000年再翻兩番的宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)，這對能源安全等問題提出了更高的要求。在新的形勢下，我國有必要大力發(fā)展可再生能源[1]， 。而熱泵產(chǎn)品是當(dāng)今世界先進的節(jié)能產(chǎn)品之一，空氣源熱泵熱水器就是在這種背景下被人們所重視及推崇起來的。
隨著生活水平的提高，人們對人居環(huán)境的要求逐步提高，與此同時對能源的需求也逐步增加，能源供需間的矛盾也日益突出。能源便成為當(dāng)今各個國家可持續(xù)發(fā)展中的重要課題。我國經(jīng)濟已經(jīng)經(jīng)歷了近 30 年的高速增長，而支持我國經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎(chǔ)之一是能源利用水平的迅速提高。但是隨著經(jīng)濟規(guī)模的迅速擴大，能源資源缺乏、結(jié)構(gòu)不夠合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題日益突出。黨的十八大提出了到2020年國內(nèi)生產(chǎn)總值要比2000年再翻兩番的宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)，這對能源安全等問題提出了更高的要求。在新的形勢下，我國有必要大力發(fā)展可再生能源，。而熱泵產(chǎn)品是當(dāng)今世界先進的節(jié)能產(chǎn)品之一，空氣源熱泵熱水器就是在這種背景下被人們所重視及推崇起來的。
1.1 空氣源熱泵熱水器的概況
1.1.1 空氣源熱泵熱水器的研究背景及意義
能源是人類社會求生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，中國作為一個能源消耗大國，人口眾多，能源相對匱乏, 自然資源總量排在世界第七位， 能源總量約4 萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，居世三位，而人均能源占有量約為世界平均水平的40%。盡管我國人均用能不及世界平均人均能耗水平的一半,但能源消費總量已達世界第二。從能源消費結(jié)構(gòu)來看，我國是世界上最大的煤炭消費國，煤炭消費約占總能量的67%，這是導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重污染、生態(tài)逐年惡化的根本原因之一。因此，大力開拓新能源與可再生能源的實際應(yīng)用成為我國解決能源緊張和保護生態(tài)環(huán)境的重要戰(zhàn)略任務(wù)。
空氣源能是新能源與可再生能源的重要組成部分?？諝庠茨芰烤薮?，是取之不盡用之不竭的能源?？諝庠茨艿睦貌幌駥Φ厍蛏纤N藏的常規(guī)能源那樣，可能會在幾百年后就完全枯竭?？諝庠茨芊植紡V闊，獲取方便?？諝庠茨懿恍枰_采和運輸，使用安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染，是當(dāng)之無愧的清潔能源。空氣源能的利用具有巨大的市場前景，不僅帶來很好的社會效益、環(huán)境效益，而且還有明顯的經(jīng)濟價值。
近年來隨著資源和環(huán)境的問題日益嚴(yán)重，在滿足人們健康、舒適要求的前提下，合理利用自然資源，保護環(huán)境，減少常規(guī)能源消耗，已成為暖通空調(diào)行業(yè)需要面對的一個重要問題。為了使空調(diào)行業(yè)走可持續(xù)發(fā)展的道路，有必要對其技術(shù)進行創(chuàng)新?？諝庠礋岜霉峥照{(diào)系統(tǒng)是一種利用可再生能源的高效節(jié)能、無污染的既可供暖又可制冷的環(huán)保型的新型空調(diào)系統(tǒng)。作為一種有效的節(jié)能綠色產(chǎn)品，空氣源熱泵將在我國建筑空調(diào)系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。因此，空氣源熱泵技術(shù)在我國有著廣闊的應(yīng)用前景，它的應(yīng)用將產(chǎn)生重大的經(jīng)濟效益和社會效益。
1.1.2 空氣源熱泵熱水器的國內(nèi)外現(xiàn)狀
1.1.2.1 國外研究狀況
1824年，卡諾提出熱-功轉(zhuǎn)換概念即“卡諾循環(huán)”，奠定了熱泵的理論基礎(chǔ)。1850 年，開爾文在此理論的基礎(chǔ)上，提出了“逆卡諾循環(huán)”的熱泵概念。從此以后，世界各國開始對熱泵技術(shù)的研究，熱泵產(chǎn)業(yè)得到很大的發(fā)展[1]。
從我國看來，熱泵熱水器或許還是一種新產(chǎn)品。但事實上，這種產(chǎn)品已經(jīng)在海外發(fā)展多年。在20世紀(jì)60年代，世界能源危機爆發(fā)，熱泵熱水器受到充分的重視，歐美發(fā)達國家的政府和企業(yè)都投入了大量的資金用于開發(fā)熱泵熱水器產(chǎn)品，目前，熱泵熱水器在歐美發(fā)達國家已經(jīng)比較成熟。
據(jù)悉，在大多數(shù)歐美發(fā)達國家，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)進入了大多數(shù)家庭。澳大利亞Quantum公司，從上世紀(jì)70年代生產(chǎn)出家用空氣源熱泵產(chǎn)品至今，有的產(chǎn)品已正常運行了十幾年，其性能得到了用戶的肯定?，F(xiàn)在，國外的空氣能熱泵熱水器市場已經(jīng)相當(dāng)成熟，在有的發(fā)達國家使用的比例高達70%。
而日本、新加坡、馬來西亞等與中國毗鄰的國家，熱泵熱水器使用也比較普遍。特別是日本，具備節(jié)能優(yōu)勢的熱泵熱水器近年來使用量急速上升。據(jù)記者了解，熱泵熱水器從2001年開始進入日本家庭，日本資源能源廳對熱泵蓄熱空調(diào)系統(tǒng)給予設(shè)備投資補助，到2005年4月，日本已經(jīng)有2.1萬座樓房使用了熱泵熱水器。在日本，這種產(chǎn)品進一步普及的主要困難是價格太貴，每臺熱泵熱水器售價60萬日元(1美元約合110日元)，即使有政府補助，也比一般熱水器貴15萬日元。目前，各制造廠家正在想方設(shè)法降低制造成本，使熱泵熱水器的價格更能讓人接受。同時，政府也正在增加補貼，促進熱泵式熱水器市場的發(fā)展。據(jù)日本制冷工業(yè)協(xié)會(JRA)有關(guān)人員介紹，2006年，日本政府對熱泵熱水器的補貼預(yù)算高達125億日元，比2004年增長了55億日元。到2010年，日本計劃全國熱泵熱水器的使用量要達到520萬臺。此外，三洋、三菱等企業(yè)已經(jīng)配套開發(fā)了一系列適合熱泵熱水器的壓縮機及其配套技術(shù)。
從目前的研究現(xiàn)狀來說，在技術(shù)創(chuàng)新上，1998年P(guān)etter Neksa等提出了利用二氧化碳作為空氣源熱泵熱水器工質(zhì)來解決R22的溫室效應(yīng)問題，并且開發(fā)樣機進行實驗研究。該系統(tǒng)在0℃的氣候環(huán)境下能夠把水的溫度從9℃升高到 60℃，并且COP值高達4.3。二氧化碳熱泵系統(tǒng)不僅比電加熱設(shè)備減少了75%的能耗，另外一個特點就是出水溫度可以很容易達到 90℃[2]。Masahiro Kobayashi對低溫寒冷地區(qū)進行了CO2熱泵熱水器研究，為日本寒冷地區(qū)的CO2熱泵熱水器使用提供依據(jù)。
在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，美國學(xué)者Stefans. Bertsch[3]等通過對帶中間冷卻器的雙級壓縮循環(huán)、帶經(jīng)濟器的雙級壓縮循環(huán)、復(fù)疊式循環(huán)三種循環(huán)進行穩(wěn)態(tài)模擬，認為在－30℃環(huán)境溫度下復(fù)疊式循環(huán)具有最好運行特性。Satoru Okamoto研制的熱泵系統(tǒng)利用海水作為低溫?zé)嵩矗蚍块g進行供熱。由于單熱源熱泵系統(tǒng)很多時候受到氣候、地域的限制，因此近年來不少高校、研究所都在從事復(fù)合熱源熱泵系統(tǒng)的研究，例如晴天可以充分利用太陽能，陰雨天則可以采用空氣源熱泵輔助供熱[4]。 在動態(tài)模擬上，G.L.Morrison[5]等提出了利用Trnsys仿真軟件對熱泵進行全年綜合性的動態(tài)仿真，并且評定了各類熱泵性能等級；Minsung Kim[6]等對熱泵熱水器的不同型號水箱進行動態(tài)模擬，認為水箱體積越小，瞬間性能退化越大；相反，水箱體積越大，熱量損失越快。Christian J. L.Hermes 等利用熱力學(xué)第一定律對家用冰箱的開啟閉合建立了瞬間動態(tài)仿真，對比實驗數(shù)據(jù)表明誤差值在10%內(nèi)。
總之，目前國外針對普通的定頻空氣源熱泵熱水器進行了很多研究,并取得了一定的成果，例如，針對定頻空氣源熱泵熱水器目前存在的問題,提出了一種直流變頻空氣源熱水器[7]。面對國際上正在限用HCFC類制冷劑,國外HCFC—22的主要替代物為R407C、 R410A和HFC -134a等。有關(guān)HCFC—22的替代物,從環(huán)保性能、使用性能和經(jīng)濟成本等方面來講，都不是太理想，國外正在做進一步的探索和研究。
1.1.2.2 國內(nèi)研究狀況
我國的熱泵研究相對其他發(fā)達國家的熱泵發(fā)展來說，有一段明顯的滯后期。目前，空氣源熱泵熱水器的理論基礎(chǔ)漸趨成熟，并且在工程應(yīng)用上越來越普遍。然而空氣源熱泵熱水器對環(huán)境氣候依賴性大，因此國內(nèi)不少研發(fā)人員不斷提出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改良、系統(tǒng)優(yōu)化、技術(shù)創(chuàng)新方案。具體如下：
在技術(shù)改良方面，以西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表，探討降低蒸發(fā)器空氣側(cè)的結(jié)霜，減少傳熱熱阻，強化蒸發(fā)器對流換熱。
在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，陳光明[8]等提出了一種用于低溫環(huán)境下新型空氣源熱泵裝置，它既可以采用傳統(tǒng)單級空氣源熱泵方式運行，又可按復(fù)疊循環(huán)方式運行，這樣熱泵制熱應(yīng)在最佳節(jié)能控制條件下運行以實現(xiàn)最大限度節(jié)能。但是這樣的系統(tǒng)相對復(fù)雜，投資成本高。
在系統(tǒng)優(yōu)化方面，上海交通大學(xué)的張潔[9]等在空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的充注量、冷凝盤管長度以及系統(tǒng)匹配問題加以討論，提出優(yōu)化并進行相應(yīng)計算和試驗驗證；
同濟大學(xué)蘇生、陳汝東教授[10] 從經(jīng)濟學(xué)的角度出發(fā)，把握熱泵供熱量、功率消耗、環(huán)境因素以及價格問題，認為熱泵熱水器具有一個最佳熱容量的選取問題。
在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬上，國內(nèi)已經(jīng)有很多相關(guān)的研究，這里不一一細述。在動態(tài)模擬方面，華南理工大學(xué)劉金平教授[11]在已有的熱泵熱水器動態(tài)試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上擬合試驗結(jié)果，建立模型，研究儲熱水箱水溫變化和外界環(huán)境的溫濕度變化對運行性能影響，并計算分析我國南方地區(qū)熱泵年供熱性能系數(shù)。
總的來說，國內(nèi)熱泵技術(shù)研究開發(fā)工作的起點和發(fā)展歷史與國外相比有較大差距。我國的熱泵事業(yè)剛開始起步,而且發(fā)展勢頭看好。目前,利用較多的是水源熱泵,而用空氣源熱泵制取生活用熱水在國內(nèi)近幾年剛剛起步?？諝庠礋岜脽崴饔捎诎踩?、節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點,以及可以有效解決目前國內(nèi)有關(guān)部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面比較棘手的問題,而受到社會各方面的廣泛關(guān)注。
1.2 空氣源熱泵熱水器的工作原理
空氣源熱泵熱水器一般由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、過濾器、儲液罐、儲水箱及輔助熱源等部分組成，如圖1。運用逆卡諾循環(huán)原理，以空氣作為低溫?zé)嵩传@取熱量，經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?，并傳遞到水箱中把冷水加熱。其工作流程如下: 首先，傳熱工質(zhì)( 過熱液體媒體) 在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫?zé)嵩吹臒崃?，蒸發(fā)成氣體媒體，經(jīng)過壓縮器的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w媒體;高溫高壓的氣體媒體流經(jīng)冷凝器將熱能傳遞給冷水，同時自身變?yōu)楦邏阂后w媒體; 高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變成過熱液體媒體，進入蒸發(fā)器，完成一個循環(huán); 通過冷凝器向冷水中不斷放熱，使水逐漸升溫，達到制熱水的目的。
圖1-1 空氣源熱泵熱水器工作流程
1.3 空氣源熱泵熱水器的優(yōu)缺點
1.3.1 空氣源熱泵熱水器的優(yōu)點
與常規(guī)太陽能相比，空氣源熱泵熱水器具有四個方面的優(yōu)勢：??????
（1）投資方面：如達到相同供水效果，資金投入空氣源熱泵熱水器比常規(guī)太陽能產(chǎn)品少，并且可以使用經(jīng)濟電能，在用電低谷時制熱水儲備。
（2）使用方面：常規(guī)太陽能產(chǎn)品受天氣影響明顯，陰雨天、下雪天、夜晚就不能工作，而空氣源熱泵熱水器不管陰天、雨天、下雪天、夜晚或陽光明媚都能照常工作，全天候提供熱水。????
（3）運行成本方面：常規(guī)太陽能在太陽直射下，幾乎零成本運行，可惜在陰雨雪天或夜晚只能依靠輔助系統(tǒng)工作，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，正常使用時，常規(guī)太陽能輔助系統(tǒng)全年耗電能比空氣源熱泵熱水器全年總耗電能要高1.5倍。
（4）其它功能方面：空氣源熱泵熱水器使用不受地點限制，可以擺放在任何地方，而且占地空間很小，而常規(guī)太陽能要達到同等供熱效果則需占用很大空間，還必須露天擺放。同時使用壽命可達15年以上，維護費用低，設(shè)備性能穩(wěn)定。
與鍋爐相比，空氣源熱泵熱水器具有四個方面的優(yōu)勢：
（1）熱效率高：產(chǎn)品熱效率全年平均在300%以上，而鍋爐的熱效率不會超過100%。
（2）運行費用低：與燃油，燃氣鍋爐比，全年平均可節(jié)70%的能源，加上電價的走低和燃料價格的上漲，運行費用低的優(yōu)點日益突出。
（3）環(huán)保：空氣源熱泵熱水器無任何燃燒排放物，制冷劑選用了環(huán)保制冷劑，對臭氧層零污染，是較好的環(huán)保型產(chǎn)品。
（4）運行安全，無需值守：與燃料鍋爐相比，運行絕對安全，而且全自動控制，無需人員值守，可節(jié)省人員成本。
1.3.2 空氣源熱泵熱水器的缺點
目前國內(nèi)外對商用熱泵熱水器已進行了大量深入的研究，并取得了一定的成果及較廣泛的應(yīng)用。但是，目前家用熱泵熱水器尚存在許多問題亟待解決。
總的來說，當(dāng)前應(yīng)用家用熱泵熱水器亟待解決四大問題：
第一，COP 水平,涉及熱泵循環(huán)的選擇；壓縮機的性能、壽命、成本設(shè)計；熱交換器換熱能力與阻力的匹配，熱媒的選擇等問題。
第二，結(jié)霜問題。區(qū)域性特征明顯，因其對外界環(huán)境溫度依賴過大，其正常工作環(huán)境溫度在-5度-40度之間，故基本適用于華東、華南等長江以南地區(qū)，廣東、福建、浙江、湖南、江西、云南等省份空氣能熱泵熱水器發(fā)展比較良好。而在還沒有真正的技術(shù)解決結(jié)霜等造成產(chǎn)品運行困難的問題之前，廣大的北方則基本無人敢企及。
第三，經(jīng)濟性。衡量熱泵熱水器的經(jīng)濟性一方面要考慮運行費另一方面要考慮初投資及隨后的維修費等其余費用。運行費用除了能源價格外還必須考慮一次能使用的經(jīng)性。
第四，換熱器和套管換熱器易結(jié)垢斷裂。熱泵熱水器的出水溫度通?？蛇_到50至60攝氏度，在這個溫度范圍內(nèi)水是最易結(jié)垢的，如果不能定期清洗換熱器，對于板式換熱器而言，就會脹破，對于套管式換熱器而言，其內(nèi)管會破裂，從而導(dǎo)致整個熱泵熱水機組失去功能。
1.4 空氣源熱泵熱水器的發(fā)展前景
隨著能源緊缺的進一步擴大，全民的節(jié)能意識也得到了很大的提高。節(jié)能不再只是作為一種宣傳口號被傳播，而是切實地被各地的政府等相關(guān)職能部門提上了日程。從長江三角洲的“電荒”到涉及東北、華東、華南、西南等地區(qū)的“煤荒”與“缺油”，傳統(tǒng)能源緊缺的“紅燈籠”掛遍中國大地。能源危機的警鐘喚起了人們對能源戰(zhàn)略應(yīng)用的重新思考，同時也將人們的目光引向了新型能源的開發(fā)及利用。
伴隨著能源緊缺的影響，一些標(biāo)榜節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品應(yīng)運而生，特別是夏季來臨時各個行業(yè)對電能的嚴(yán)重依賴，“電荒”的影響對一些耗電大的產(chǎn)品的節(jié)能性提出了更高的要求，諸如空調(diào)、電熱水器等產(chǎn)品。近兩年來，一種更新型的節(jié)能熱水器產(chǎn)品——空氣源熱泵熱水器，在全國市場都吹響了號角。空氣源熱泵與目前常用的電熱水器不同，它不是用電熱管在水中直接加熱，而是通過熱泵集熱器從自然空氣中收集熱源，傳熱工質(zhì)吸熱自然汽化，經(jīng)壓縮后形成高溫高壓氣體，再通過冷凝盤管“搬運”到水中釋放熱量。冷凝后工質(zhì)變成液體經(jīng)膨脹閥回到終端，周而復(fù)始，閉合循環(huán)，從而達到加熱冷水制取生活熱水的目的。
空氣源熱泵熱水器具有太陽能熱水器節(jié)能、環(huán)保、安全的優(yōu)點，又解決了太陽能熱水器依靠陽光采熱和安裝不便的缺點。由于高安全、高節(jié)能、壽命長、不排放毒氣等諸多優(yōu)點，以及可以有效的解決目前國內(nèi)有關(guān)部門對節(jié)約能源、環(huán)保、安全等各方面較棘手問題，而日益受到社會各方面的廣泛關(guān)注。
事實上，目前國內(nèi)的熱水器市場仍以燃電當(dāng)家。而太陽能熱水器品牌眾多但由于自身的缺點目前還不能與燃電并駕齊驅(qū)。熱泵熱水器被稱為第四類熱水器產(chǎn)品，其所具有的優(yōu)點決定了它必將成為一種極具發(fā)展前途的熱水器，同時熱泵熱水器產(chǎn)品更加符合國家的能源政策，特別是近年來由于能源問題而促使世界各國正大力倡導(dǎo)及支持節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)和推廣。相信隨著技術(shù)的進一步發(fā)展、制造成本的進一步降低，熱泵熱水器是最有理由成為取代太陽能熱水器及高端大容量電熱水器以及容積式燃氣熱水器的理想產(chǎn)品，并最終將在龐大的熱水器市場中占有重要的一席之位。.
2 設(shè)計方案選擇與論證
2.1 制冷劑
2.1.1 制冷劑的概述
制冷劑式制冷機中的工作介質(zhì)，它在制冷機工作系統(tǒng)中循環(huán)流動，通過自身熱力狀態(tài)的變化與外界發(fā)生能量交換，從而達到制冷的目的。
蒸汽壓縮式制冷機中的制冷劑從低溫?zé)嵩粗形崃?，在低溫下汽化，再在高溫下凝結(jié)，想高溫?zé)嵩磁欧艧崃?。所以，只有在工作溫度范圍?nèi)能夠氣化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用。多數(shù)致冷劑在大氣壓力和環(huán)境溫度下呈氣態(tài)。
2.1.2 制冷劑的分類
制冷劑的種類很多?，F(xiàn)在可用作制冷劑的物質(zhì)有幾十種，但常用的不過十幾種。它的分類方法通常有兩種，一種是根據(jù)制冷劑化學(xué)成分及組成；另一種是根據(jù)制冷的要求，制冷劑常溫下在冷凝器中冷凝時的飽和壓力Pk和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸發(fā)溫度的高低。
制冷劑又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來傳遞熱量，既制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時放熱。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟里昂類、水和少數(shù)碳氫化合物等。制冷劑主要有以下分類：
（1）在壓縮式制冷劑中廣泛使用的制冷劑是氨、氟里昂和烴類。按照化學(xué)成分，制冷劑可分為五類：無機化合物制冷劑、氟里昂、飽和碳氫化合物制冷劑、不飽和碳氫化合物制冷劑和共沸混合物制冷劑。根據(jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫(低壓)制冷劑、中溫(中壓)制冷劑和低溫(高壓)制冷劑。
（2）無機化合物制冷劑：這類制冷劑使用得比較早，如氨(NH3)、水(H2O)、空氣、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等。對于無機化合物制冷劑，國際上規(guī)定的代號為R及后面的三位數(shù)字，其中第一位為“ 7 ”后兩位數(shù)字為分子量，如水R718等。
（3）氟里昂(鹵碳化合物制冷劑)：氟里昂是飽和碳氫化合物中全部或部分氯元素（Cl）、氟（F）和溴（Br）代替后衍生物的總稱。國際規(guī)定用“R”作為這類制冷劑的代號，如R22...等。
（4）飽和碳氫化合物：這類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機化合物等。代號與氟里昂一樣采用“R”，這類制冷劑易燃易爆，安全性很差，如 R50、R170、R290...等。
（5）不飽和碳氫化合物制冷劑：這類制冷劑中主要是乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)和它們的鹵族元素衍生物，它們的R后的數(shù)字多為“1”，如 R113、R1150...等。
（6）共沸混合物制冷劑：這類制冷劑是由兩種以上不同制冷劑以一定比例混合而成的共沸混合物，這類制冷劑在一定壓力下能保持一定的蒸發(fā)溫度，其氣相或液相始終保持組成比例不變，但它們的熱力性質(zhì)卻不同于混合前的物質(zhì)，利用共沸混合物可以改善制冷劑的特性，如R500、R502等。
2.1.3 制冷劑的選用原則
根據(jù)不同的制冷要求應(yīng)選擇不同的制冷劑，為此對有關(guān)制冷劑的性能必須有所了解。對理想制冷劑的要求：
(1)安全性：
應(yīng)具備無毒、無味、不燃燒、不爆炸，對人體無害，并對人體器官沒有刺激性。
(2)熱力學(xué)特性
?、僬舭l(fā)潛熱要大。這樣可以提高制冷效率，即用少量的制冷劑便可吸收大量的熱量。在制冷量一定時，可減少制冷劑的循環(huán)量，縮小制冷設(shè)備的幾何尺寸。
?、谂R界溫度要高于環(huán)境溫度。使制冷劑氣體被壓縮后能在常溫下冷凝液化。
?、勰厅c要低。應(yīng)低于系統(tǒng)內(nèi)制冷劑任何狀態(tài)之溫度，以擴大制冷劑的使用溫度范圍。
?、茉谧銐虻牡蜏叵?，制冷劑的蒸發(fā)壓力最好接近或稍高于大氣壓力，以減少或避免空氣和濕氣滲入系統(tǒng)內(nèi)。
⑤在常溫下冷凝壓力不要過高，最好不大于1．26-1．5MPa，這樣可降低對系統(tǒng)密封性的要求，減輕結(jié)構(gòu)重量。冷凝溫度不宜過低，常溫空氣或水就能使其液化。
?、薇热菰叫≡胶?。這樣可減少系統(tǒng)管路直徑的尺寸，節(jié)約材料，同時也易于液化。
綜合以上內(nèi)容結(jié)合本次設(shè)計的實際情況，決定選擇制冷劑R134a.
2.2 壓縮機
2.2.1 壓縮機概述
壓縮機按工作原理可分為容積型和速度型兩類。容積型壓縮機是通過改變工作容積來完成氣體的壓縮和輸送過程的，它又可分為活塞式和回轉(zhuǎn)式兩種?；钊剑ㄓ址Q往復(fù)式）壓縮機是活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動，故稱為往復(fù)活塞式；回轉(zhuǎn)式壓縮機是轉(zhuǎn)子在氣缸內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運動，主要有螺桿式壓縮機、渦旋式壓縮機和滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機。
制冷壓縮機按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式壓縮機、半封閉式壓縮機和全封閉式壓縮機。小容量制冷壓縮機大多采用全封閉式壓縮機。全封閉式壓縮機中電動機和壓縮機連成一個整體，裝在一個不能拆開的密封機殼中，使用可靠性高，壽命長，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，體積小，使用于小制冷量系統(tǒng)中。由于此次設(shè)計的熱泵系統(tǒng)的制熱量30kw，因此本設(shè)計選用全封閉式壓縮機。
壓縮機是制冷產(chǎn)品技術(shù)含量最高、生產(chǎn)代價最大的關(guān)鍵部件。因而，國際上對壓縮機的研究從未停止、永無止境，從傳熱流動、噪聲振動、摩擦潤滑、材料材質(zhì)、加工工藝到性能與可靠性，從機理分析、理論研究到機械結(jié)構(gòu)、測試技術(shù)等，幾乎無所不包。在UNDP/GEF 中國節(jié)能冰箱項目的推動下，冰箱壓縮機的性能系數(shù)從幾年前的1.0 左右發(fā)展到今天有數(shù)家國內(nèi)冰箱壓縮機企業(yè)最高達到1.95，從而在一定程度上促進了制冷設(shè)備的發(fā)展[12]。
2.2.2 壓縮機的比較
2.2.2.1 往復(fù)式制冷壓縮機
往復(fù)式制冷壓縮機迄今還是應(yīng)用最廣泛的一種機型，廣泛應(yīng)用于中、小型制冷裝置中，按其結(jié)構(gòu)分為滑管式和連桿式壓縮機兩類。
（1）滑管式壓縮機
滑管式壓縮機產(chǎn)生于20 世紀(jì)60 年代，它是往復(fù)活塞式壓縮機的一種類型。其特點是結(jié)構(gòu)簡單， 工藝性好，成本較低，對零部件的加工精度要求不高，制造和裝配都比較容易，所以發(fā)展較快。目前這類壓縮機在國內(nèi)外的電冰箱等小型制冷設(shè)備生產(chǎn)中應(yīng)用比較普遍。缺點是活塞與缸壁間的側(cè)力較大、磨擦功耗大、能效比偏低，因此目前滑管式壓縮機正在進入衰退期，將逐漸被連桿式壓縮機或旋轉(zhuǎn)式壓縮機所取代。
（2）連桿式壓縮機
連桿式壓縮機也屬往復(fù)活塞式，是制冷設(shè)備中采用時間較早的一種。其特點是運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)、噪聲低、磨損小、使用壽命長、能效比較高、工作可靠、綜合性能優(yōu)良。但由于零部件形狀復(fù)雜，加工精度要求較高，工藝難度較大，因此其發(fā)展一度受到限制，在電冰箱及其它小型制冷設(shè)備中被滑管式和旋轉(zhuǎn)式壓縮機所取代。近幾年來隨著機械工業(yè)的不斷發(fā)展，對其結(jié)構(gòu)進行了多方面的技術(shù)改進。目前連桿式壓縮機已成為電冰箱壓縮機的主導(dǎo)產(chǎn)品，總需求是有較大的提高。
2.2.2.2 渦旋式制冷壓縮機
渦旋式壓縮機是一類較新型的壓縮機，它也是家用空調(diào)壓縮機結(jié)構(gòu)型式之一。長期以來， 由于軸向力不能穩(wěn)定平衡， 防自轉(zhuǎn)機構(gòu)不靈活，軸向、徑向密封不完善， 以及渦形盤加工困難， 故未達到實用化程度。
渦旋式壓縮機的效率高，運行平穩(wěn)，外形尺寸小，重量輕，噪聲低，且零件少，與往復(fù)式壓縮機相比，噪聲降低35db。其主要特點有:①無吸、排氣閥，吸氣壓力損失小，壓縮室壓差小， 無余隙容積，容積效率高，可靠性高，功耗小，COP 大；②渦旋回旋運動能形成幾對壓縮腔，因此力矩變化小，振動小，噪音低；③結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，尤其易損件少，體積小，重量輕；④對液擊不敏感；⑤轉(zhuǎn)速高，有利于實現(xiàn)變頻控制的方式來調(diào)節(jié)制冷量；⑥采用一種背壓可自動調(diào)節(jié)的可控推力機構(gòu)，這樣可保持軸向密封， 減少機械損失，防止異常高壓， 確保壓縮機安全。
目前渦旋式壓縮機的發(fā)展趨勢主要在：①進一步改進渦旋盤加工制造工藝， 降低成本；②提高加工和裝配精度， 合理考慮實際運行中密封間隙，降低泄漏損失， 進一步提高效率；③研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機性能， 提高工作轉(zhuǎn)速；④研究開發(fā)自轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機等。
圖2-1 渦旋式壓縮機外形
2.2.2.3 滾動轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機
滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機比往復(fù)式壓縮機結(jié)構(gòu)簡單得多， 而且體積小、重量輕、零部件少，尤其易損件少，比同樣制冷量的往復(fù)式壓縮機體積可減少60%，重量減少35% ，零件減少50%。這種壓縮機只進行旋轉(zhuǎn)運動，不需將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運動，所以運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動小、噪聲低、質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高。在結(jié)構(gòu)上，可把余隙容積做得很小，基本上沒有膨脹氣體的干擾。此外無吸氣閥，使流動阻力小，導(dǎo)致容積效率高、性能好、能效比高。但這種壓縮機對零件加工精度要求高，比活塞式的壽命短；而且這種壓縮機只有一個轉(zhuǎn)子且為偏心布置，轉(zhuǎn)動起來振動和噪聲仍較大，特別是對于較大功率機組，其氣缸排量一般在6～44cm3/ r。它分成幾個系列，從小功率到中功率， 品種較多。而且為了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度較高，每個系列產(chǎn)品外形基本相似，均為定功率段的產(chǎn)品。
提高壓縮機COP 值的措施主要是提高加工和裝配精度，對壓縮機結(jié)構(gòu)進行最優(yōu)化設(shè)計，改進排氣閥結(jié)構(gòu)，增大電機疊片厚度，采用特低鐵損高磁通量的硅鋼片和提高槽前率等多方面來實現(xiàn)；降低壓縮機噪聲主要通過更好的動、靜平衡來減小振動， 緩沖壓力脈動，以及設(shè)計更好的消聲器等途徑來實現(xiàn)；而提高壓縮機的可靠性主要采用改進材料、加強工藝控制，強化實驗手段，特別加工和設(shè)計保護元件和連接元件等來確保電機可靠性。利用徹底清除垃圾、應(yīng)用高強度材料、進行各種試驗以及根據(jù)不同情況配以不同儲液器來確保壓縮機的可靠性。
2.2.2.4 離心式壓縮機
離心式壓縮機是一種速度型壓縮機。氣體在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪中獲得高速度后，再在環(huán)形通道中將速度動能變?yōu)閴毫ξ荒?，從而提高氣體的壓力。根據(jù)壓縮機中安裝的工作輪數(shù)量的多少，分為單級式和多級式。在空調(diào)中，由于壓力增高較少，所以一般都是采用單級，其它方面所用的離心式制冷壓縮機大都是多級的。單級離心式制冷壓縮機的構(gòu)造主要由工作輪、擴壓器和蝸殼等所組成，壓縮機工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進入吸汽室，并在吸汽室的導(dǎo)流作用引導(dǎo)由蒸發(fā)器(或中間冷卻器)來的制冷劑蒸汽均勻地進入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪(工作輪也稱葉輪，它是離心式制冷壓縮機的重要部件，因為只有通過工作輪才能將能量傳給汽體)。汽體在葉片作用下，一邊跟著工作輪做高速旋轉(zhuǎn)，一邊由于受離心力的作用，在葉片槽道中作擴壓流動，從而使汽體的壓力和速度都得到提高。由工作輪出來的汽體再進入截面積逐漸擴大的擴壓器(因為汽體從工作輪流出時具有較高的流速，擴壓器便把動能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高汽體的壓力)。汽體流過擴壓器時速度減小，而壓力則進一步提高，經(jīng)擴壓器后汽體匯集到蝸殼中，再經(jīng)排氣口引導(dǎo)至中間冷卻器或冷凝器中。
離心式制冷壓縮機的特點與特性：離心式制冷壓縮機與活塞式制冷壓縮機相比較，具有下列優(yōu)點：單機制冷量大，在制冷量相同時它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕5～8倍；由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒有曲柄連桿機構(gòu)，因而工作可靠、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音小、操作簡單、維護費用低；工作輪和機殼之間沒有摩擦，無需潤滑。故制冷劑蒸汽與潤滑油不接觸，從而提高了蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱性能；能經(jīng)濟方便的調(diào)節(jié)制冷量且調(diào)節(jié)的范圍較大；對制冷劑的適應(yīng)性差，一臺結(jié)構(gòu)一定的離心式制冷壓縮機只能適應(yīng)一種制冷劑；離心式壓縮機在大冷量范圍內(nèi)（大于1500kw）仍保持優(yōu)勢，這主要是受益于在這個冷量范圍內(nèi)，它具有無可比擬的系統(tǒng)總效率。離心式壓縮機的運動零件少而簡單，且其制造精度要比螺桿式壓縮機低的多，這些都帶來制造費用相對低且可靠的特點。但是，相對來講，離心式壓縮機的發(fā)展近來有所緩慢，因為受到螺桿式壓縮機和吸收式制冷機的挑戰(zhàn)，離心式壓縮機自1993年就開始根據(jù)CFCS替代的需要進行著重新的設(shè)計，以使其熱力和氣動力性能得到更好的改善。因而已有很多離心式壓縮機的工質(zhì)替代轉(zhuǎn)向從HCFC—22置換為HFC—134方面，其制冷量范圍為90~1250kw。
2.2.2.5 螺桿式壓縮機
螺桿式壓縮機是靠汽缸中一對含有螺旋齒槽的轉(zhuǎn)子相互嚙合，造成有齒形空間組成的基元容積的變化，進行制冷劑氣體壓縮。螺桿式空氣壓縮機的工業(yè)生產(chǎn)始于1950 年，由于結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、外形緊湊、排氣溫度低、質(zhì)量輕、不怕氣體中帶液和帶塵壓縮等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。在操作上， 螺桿壓縮機是壓縮機中最簡單的類型之一。在成本上，螺桿式壓縮機和往復(fù)的、重型水冷卻式壓縮機相比， 每單位馬力的原始投資要低30 %[13]。
隨著螺桿式空氣壓縮機的更新?lián)Q代， 它更是具備了高性能配置、高效率、高可靠性、高度智能化、友好的人機界面、安裝費用低、適應(yīng)國內(nèi)電源、運行費用低、節(jié)能環(huán)保等特點。因此， 在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)， 小容量空氣壓縮機將以螺桿式為主。
綜上所述可知：就壓縮機的性能來講，渦旋式最好，滾動轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差；就成本價格而言，相同制冷能力的壓縮機，渦旋式最高，往復(fù)式最低，滾動轉(zhuǎn)子式介于其中；不同的壓縮機其安全運行工況范圍是不同的，通?；钊麎嚎s機能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。在本次設(shè)計中，考慮到市場中有在ARI工況下運行的渦旋式壓縮機，因此本系統(tǒng)選擇全封閉渦旋式制冷壓縮機。
2.3 冷凝器
2.3.1 冷凝器概述
冷凝器是制冷系統(tǒng)中的四大部件之一。冷凝器是空調(diào)裝置的主要換熱設(shè)備之一。其功能是將壓縮機排出的高溫過熱蒸汽冷卻成液態(tài)制冷劑，所放出的熱量被冷卻介質(zhì)吸收后排至周圍環(huán)境中。過熱蒸汽在冷凝器中放熱而變成液體時，過程一般如下。
制冷劑在冷凝器中先由過熱蒸汽冷卻為干飽和蒸汽，放出濕熱，再由干飽和蒸汽冷凝為飽和液體，放出大量潛熱。如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體。按冷卻方式的不同，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[14]。
2.3.2 冷凝器的比較
2.3.2.1 空氣冷卻式冷凝器
空氣冷卻式冷凝器這種冷凝器以空氣為冷卻介質(zhì)，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動，吸收管內(nèi)制冷劑蒸氣放出的熱量。由于空氣的傳熱系數(shù)較小，管外（空氣側(cè)）常常要設(shè)置肋片，以強化管外換熱。
按空氣流動的方式不同，此類冷凝器分為空氣自由運動和空氣強制運動兩種形式。
(1) 空氣自由運動的空冷冷凝器，該冷凝器利用空氣在管外流動時吸收制冷劑排外的熱量后，密度發(fā)生變化引起空氣的自由流動而不斷的帶走制冷劑蒸氣的凝結(jié)熱。它不需要風(fēng)機，沒有噪聲，多用于小型制冷裝置。目前應(yīng)用非常普遍的是絲管式結(jié)構(gòu)的空氣自由運動式冷凝器。
(2) 空氣強制流動的空冷冷凝器，它由一組或者幾組帶有肋片的蛇管組成。制冷劑蒸氣從上部集管進入蛇管，其管外肋片用以強化空氣側(cè)換熱，補償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低的缺陷[15]。
主要用于電冰箱、冷藏柜、窗式空調(diào)器、汽車及鐵路車廂用空調(diào)裝置、冷藏等運輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，適用于干旱缺水或水質(zhì)低劣的地區(qū)?？諝饫鋮s式冷凝器根據(jù)空氣的流動情況還可分為自然對流冷卻和強制對流冷卻兩種。前者主要用做300L以下家用冰箱的冷凝器，后者主要用于中小型氟利昂機組。
2.3.2.2 水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)來對壓縮機的排汽進行冷卻使其冷凝，冷卻水可用江、湖、河、海及井水等。由于水的溫度較低，所以采用水冷式冷凝器可以得到較低的冷凝溫度和壓力，從而有利于提高制冷裝置的制冷能力及其運行的經(jīng)濟性。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）立式殼管式冷凝器在中型或大型的制冷系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。立式殼管式冷凝器的優(yōu)點是：占地面積小，可露天安裝，對水質(zhì)要求較低，清洗方便，傳熱效果比較好，冷卻能力大。其缺點為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。
（2）臥式殼管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷裝置中都用的很普遍。臥式殼管式冷凝器的優(yōu)點是：傳熱系數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊湊，空間高度低，有利于機組化；冷卻水循環(huán)使用，耗水量相對立式殼管式冷凝器少；操作方便，運行可靠。缺點是：耗水量大，冷卻水流動阻力大，水泵耗電多；對水質(zhì)要求較高，清洗水垢不方便，且需要停止運行。
（3）套管式冷凝器由兩根或幾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。套管式冷凝器一般應(yīng)用于制冷量在40kW以下的小型氟利昂制冷裝置中。運行時制冷劑蒸氣從上部進入，凝結(jié)液從下部流出。冷卻水從上部進入內(nèi)管，吸熱后從上部流出。制冷劑與冷卻水之間為逆流換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時受到冷水及管外空氣的冷卻，因而它的傳熱效果好，但是金屬的消耗量較大。
圖2-2套管式冷凝器
這種冷凝器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，且因系單管冷凝，介質(zhì)流動方向相反，故傳熱效果好，當(dāng)水流速為1～2m/s時傳熱系數(shù)可達800kcal/。其缺點是金屬消耗量大，而且當(dāng)縱向管數(shù)較多時，下部的管子充有較多的液體，使傳熱面積不能充分利用。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。因此，這種冷凝器在氨制冷裝置中已很少應(yīng)用[16]。缺點是制冷劑和冷卻水的流動阻力大，對水質(zhì)要求較高。方
2.3.2.3 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)吸收氣化潛熱而進行的。蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少，空氣流量也不大[17]。蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點。
（1）節(jié)水，一般在水冷式冷凝器中，每1kg冷卻水能帶走16.75～25.12kJ熱量，而1kg水在常壓下蒸發(fā)能帶走約2428kJ熱量，蒸發(fā)式冷凝器正是利用水的蒸發(fā)潛熱來帶走制冷劑熱量，因而蒸發(fā)式冷凝器理論耗水量僅為一般水冷式冷凝器的1%；考慮到飛濺損失等因素，實際耗水量約為水冷式的5%-10%[18] 。
（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。因而采用蒸發(fā)式冷凝器將使壓縮機的輸入功率減少，冷凝器的總耗功率（水泵、風(fēng)機）也顯著降低。
（3）結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)式冷凝器本身起了冷卻塔的作用，因此不需配備冷卻塔，由于不需要設(shè)置冷卻塔，故整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、占地面積小。
（4）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式或著淋激式冷凝器，夏季時由于冷凝壓力過高，常常采用“放空降壓”，但每次放出的并不全是不凝性氣體，其中含有大量的氨氣，不僅氨損失相當(dāng)嚴(yán)重，還造成環(huán)境污染，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。
綜上所述，由于裝置所特有的低溫、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、傳熱系數(shù)較小等特點，并且套片管式強制對流空氣冷卻式冷凝器具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，傳熱特性好等優(yōu)點。故可選用鋁翅片管簇式冷凝器。
2.4 蒸發(fā)器
2.4.1 蒸發(fā)器概述
蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中一個主要的換熱部件，其功能是將節(jié)流后的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)低壓蒸發(fā)吸熱，達到制冷目的。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的大部分區(qū)域處于是蒸汽狀態(tài)，濕蒸汽進入蒸發(fā)器時期蒸發(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，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。
2.4.2 蒸發(fā)器的比較
2.4.2.1 干式蒸發(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。其傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)是載冷劑（水）或空氣，制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，其填充量約為傳熱管內(nèi)容積的20％～30％。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤面積。同時，其進出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，以至使制冷系數(shù)降低。
干式蒸發(fā)器按其被冷卻介質(zhì)的不同分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩類。
干式蒸發(fā)器克服了滿液式蒸發(fā)器的部分缺點，其優(yōu)點為：
1) 制冷劑充注量??；
2) 載冷劑在管外流動，不易凍結(jié)，凍結(jié)后不易損壞傳熱管；
3) 容易回油，制冷劑與潤滑油不分離，無需從下部回油；
4) 不存在制冷劑自由液面，可用于車船；
5) 幾乎沒有靜液柱影響。
干式蒸發(fā)器的缺點為：
1) 制冷劑在換熱面上的浸潤面積小，使得平均蒸發(fā)換熱系數(shù)較小，在同樣制冷量的條件下，干式蒸發(fā)器的換熱面積比滿液式的大；
2) 由于制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，且需轉(zhuǎn)向，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)均較大。
3) 重量大，制造成本高；
4) 制冷劑易由封頭與管板之間的密封墊處泄漏
在干式蒸發(fā)器中，液態(tài)制冷劑經(jīng)節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器內(nèi)，隨著在管內(nèi)流動，不斷吸收管外載冷劑的熱量，逐漸汽化，故蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑處于氣液共存狀態(tài)，這種蒸發(fā)器雖克服了滿液式蒸發(fā)器的缺點，但是有較多的傳熱面也氣態(tài)制冷劑接觸，故傳熱效果不如滿液式蒸發(fā)器[19]。
2.4.2.2 滿液式蒸發(fā)器
滿液式蒸發(fā)器按其借個分為殼管式、直管式、螺旋管式等幾種結(jié)構(gòu)形式。它們的共同特點是在蒸發(fā)器中充滿液態(tài)制冷劑，運行中吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的制冷劑蒸汽不斷地從液體中分離出來。其優(yōu)點是制冷劑與傳熱面充分接觸，具有較大的傳熱系數(shù)。但不足之處是制冷劑充注量大，液柱靜壓會給蒸發(fā)溫度造成不良影響。且當(dāng)鹽水濃度降低或鹽水泵因故停機時，鹽水在管內(nèi)有被凍結(jié)的可能。若制冷劑為氟利昂，則氟利昂內(nèi)溶解的潤滑油很難返回壓縮機。此外清洗時需停止工作。
(1) 殼管式滿液式蒸發(fā)器 殼管式滿液式蒸發(fā)器一般為臥式結(jié)構(gòu)，制冷劑在殼內(nèi)管外蒸發(fā)；載冷劑在管內(nèi)流動，一般分多流程。
(2) 立式蒸發(fā)器 立式蒸發(fā)器可由平行直管或螺旋管組成。它們均在液體載冷劑中工作，由于攪拌器的作用，液體載冷劑在容器內(nèi)循環(huán)流動，以增強傳熱效果。制冷劑液體在管內(nèi)蒸發(fā)吸熱，使管外載冷劑降溫。
滿液式蒸發(fā)器的優(yōu)點為：
制冷劑蒸發(fā)換熱系數(shù)較大，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)極小。
滿液式蒸發(fā)器的缺點為：
1) 制冷劑充注量極大；
2) 容易凍結(jié)；
3) 靜液柱影響較大；
4) 不易回油；
5) 殼體內(nèi)存在自由液面，不能用于車船；
6) 重量大，成本高.
2.4.2.3 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，故稱做循環(huán)式蒸發(fā)器。循環(huán)式蒸發(fā)器多應(yīng)用于大型的液泵供液和重力供液冷庫系統(tǒng)或低溫環(huán)境試驗裝置。
循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點在于蒸發(fā)器管道內(nèi)表面能始終完全潤濕，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)很高，其不足之處在與體積較大，制冷劑充注量較多。
綜上所述，由于在此次設(shè)計中的制冷劑為R134a，故而可選擇干式氟利昂蒸發(fā)器。
3 設(shè)計計算
3.1 系統(tǒng)的熱力計算
系統(tǒng)方案的初定：該熱泵熱水器中采用的制冷劑為R134a，暫取過冷度為5℃，無效過熱度為8℃。冷凝器類型為套管式冷凝器；蒸發(fā)器類型為干式翅片型蒸發(fā)器。壓縮機為谷輪渦旋式壓縮機。
3.1.1 空調(diào)系統(tǒng)的熱力計算
制冷劑為R134a。
（1） 制冷循環(huán)熱力計算
1） 循環(huán)參數(shù)及壓焓圖
所設(shè)計熱水器實際工況下制冷循環(huán)參數(shù)及室內(nèi)、外空氣參數(shù)如下：
當(dāng)?shù)卮髿鈮? 101.32kPa ，
蒸發(fā)溫度℃，冷凝溫度℃，
過冷溫度℃，
吸氣溫度℃，
進風(fēng)干球溫度15℃，濕球溫度10℃，
出風(fēng)干球溫度10℃，濕球溫度8℃.
循環(huán)的p-h圖如圖3-1所示
圖3-1 循環(huán)的p-h圖
2） 各點參數(shù)值
查R134a熱力性質(zhì)表和圖，如表3-1所示：
表3-1 各關(guān)節(jié)點的參數(shù)
參數(shù)
狀態(tài)點
0
500
0.415
404.19
1
13.00
0.415
0.05154
411.6
1.7475
2s
81.02
1.682
441.93
1.7475
2
72.57
1.682
450.80
3
60.00
1.682
4
55.00
1.682
279.32
3) 熱力計算[20]
單位質(zhì)量制冷量
（3-1）
單位理論功
（3-2）
單位理論制熱量
（3-3）
制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量
（3-4）
制冷負荷
(3-5)
實際輸氣量
（3-6）
渦旋式壓縮機取
（3-7）
輸氣系數(shù)
（3-8）
故
壓縮機的理論輸氣量
（3-9）
壓縮機理論功率
（3-10）
壓縮機指示功率（取壓縮機指示效率為）
（3-11）
壓縮機軸功率（取機械效率）