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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 30kw空氣源熱泵熱水器設(shè)計
學生姓名
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完成時間
I
30KW空氣源熱泵熱水器設(shè)計
摘 要
本文主要介紹了對30KW空氣源熱泵熱水器的設(shè)計。該設(shè)計首先闡述了熱泵熱水器的工作原理及其優(yōu)缺點，如高效節(jié)能，環(huán)境效益顯著等等。其次說明了有關(guān)空氣源熱泵熱水器的方案選擇和論證，并根據(jù)給定的工況對空氣源熱泵進行設(shè)計計算。最后，通過制冷劑制冷循環(huán)的熱力計算、冷凝器的設(shè)計計算、蒸發(fā)器的設(shè)計計算、熱力膨脹閥的設(shè)計計算，選擇壓縮機、風機，并進行校核，在此設(shè)計的基礎(chǔ)上選出其他的輔助設(shè)備，包括設(shè)備中其他附件的選擇標準及要求、管路的連接與布置、制冷工況的選擇、制冷劑的選擇等。
關(guān)鍵詞 熱泵/空氣源/熱水器/設(shè)計
THE DESIGN OF 30KW AIR SOURCE HEAT
PUMP WATER HEATER
ABSTRACT
This paper mainly introduces the design of 30KW air source heat pump water heater. The air source heat pump water heater design first described the working principle and its advantages and disadvantages, such as energy efficient, environmental benefits are remarkable and so on. Secondly, the air source heat pump water heater shows the program selection and verification, According to the given conditions on the design and calculation of air - source heat pump. Lastly, the compressor and fan were selected according to the thermodynamic calculation of the refrigerant refrigeration cycle, design and calculation of the condenser and the evaporator design calculations. In addition other auxiliary equipments were selected based on the design, including selection criteria and requirements, piping connection and arrangement, cooling conditions the choice of refrigerant selection.
KEY WORDS heat pump, air source, water heater, design
II
I
<30KW空氣源熱泵熱水器設(shè)計
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT 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
1.4 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
2.1.4 制冷劑介紹與選擇 10
2.2 壓縮機 12
2.2.1 壓縮機概述 12
2.2.2 壓縮機的比較 12
2.2.3 針對30kw空氣源熱泵壓縮機的選型 14
2.3 冷凝器 15
2.3.1 冷凝器概述 15
2.3.2 冷凝器的比較 16
2.4 蒸發(fā)器 18
2.4.1 蒸發(fā)器概述 18
2.4.2 蒸發(fā)器的比較 18
3 設(shè)計計算 21
4 冷凝器的設(shè)計計算 24
4.1 氟利昂套管式冷凝器的結(jié)構(gòu) 24
4.2 氟利昂套管式冷凝器的傳熱計算 24
4.3 氟利昂套管式冷凝器的設(shè)計計算 25
4.3.1 有關(guān)參數(shù)的選擇及計算 25
4.3.2 確定內(nèi)管根數(shù) 25
4.3.3 傳熱計算 26
4.3.4 冷凝器整體結(jié)構(gòu) 27
5 熱泵蒸發(fā)器設(shè)計計算 28
5.1 強制通風空氣冷卻式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 28
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) 31
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 35
5.2.6 空氣側(cè)當量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算 35
5.2.7 管內(nèi)R134a蒸發(fā)時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算 36
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 40
5.2.11 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸的確定 40
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 42
5.2.14 蒸發(fā)器風機的選型 43
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
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 氣液分離器的計算與選型 56
8.3 油分離器 58
8.4 視液鏡 59
8.5 截止閥的選取 60
8.6 電磁閥的選取 60
8.7 分流頭的選擇 62
8.8 壓力控制器的選擇 62
8.9 高壓儲液器 63
9 儲水箱 65
9.1 熱水箱的組成 65
9.1.1 外殼 65
9.1.2 內(nèi)膽 66
9.1.3 保溫層 66
9.2 熱水箱的設(shè)計[28] 67
結(jié)束語 68
致 謝 69
參考文獻 70
III
1 緒論
2006年2月16 日，旨在限制溫室氣體排放、遏制全球變暖的《京都議定書》生效， 大力鼓勵、推廣綠色環(huán)保的新能源及其應(yīng)用產(chǎn)品成為必然的選擇。而能源緊張、拉閘限電、 燃氣漲價等問題的凸顯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)與利用，這促使傳統(tǒng)的、高能耗的家電產(chǎn)品逐步退出市場。
隨著生活水平的提高，人們對居住環(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，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 萬億噸標準煤，居世界第三位，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%，這是導致環(huán)境嚴重污染、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?？諝庠茨艿睦貌幌竦厍蛏纤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，不需要開采和運輸，使用安全衛(wèi)生，對環(huán)境無污染，是當之無愧的清潔能源。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)進行研究，熱泵產(chǎn)業(yè)得到了很大的發(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)品在海外已經(jīng)發(fā)展多年。在20世紀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。澳大利亞的Quantum公司，從上世紀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)相當成熟，在一些發(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)境溫度下復疊式循環(huán)具有最好的運行特性。Satoru Okamoto研制的熱泵系統(tǒng)利用海水作為低溫熱源，向房間進行供熱。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的水箱進行動態(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%以內(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的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-2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、哈爾濱工業(yè)大學為代表，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)相對復雜，投資成本高。
在系統(tǒng)優(yōu)化方面，上海交通大學的張潔[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；同濟大學蘇生、陳汝東教授[10] 從經(jīng)濟學的角度出發(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，以空氣作為低溫熱源獲取熱量，經(jīng)過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮?，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)吸收低溫熱源的熱量，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以下四個方面的優(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以下四個方面的優(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，當前應(yīng)用的家用熱泵熱水器亟待解決的問題有以下幾點：
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常可達到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?？諝庠礋岜门c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
制冷劑是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熱源中吸取熱量，在低溫下汽化，再在高溫下凝結(jié)，想高溫熱源排放熱量。所以，只有在工作溫度范圍內(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和標準大氣壓下的蒸發(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。
③凝固點要低。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。
?、茉谧銐虻牡蜏叵拢评鋭┑恼舭l(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≡胶谩＿@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。
?、咧评鋭┑膶嵯禂?shù)和放熱系數(shù)要高。這可提高熱交換器的效率，減小熱交換器的尺寸。
(3)其它要求；
?、僦评鋭┑恼扯群兔芏人１M量小。這可減少制冷劑循環(huán)流動阻力，降低循環(huán)耗功量，提高制冷壓縮機的使用壽命。
?、谠诟邷叵虏粫纸猓瘜W結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
?、蹖鹦己推渌こ滩牧蠜]有腐蝕性，即使與水或油混合后，也沒有明顯的浸蝕作用。
?、芤子谂c潤滑油混合，而不損害其制冷效果，并有助于制冷壓縮機機件的潤滑。
?、萦幸欢ǖ奈芰Α．斨评湎到y(tǒng)內(nèi)有少量水分時，不會在低溫下析出而形成“冰堵”。
?、迌r格便宜，易于購買。目前所采用的制冷劑或多或少都存在一定的缺點。在使用中，可根據(jù)不同的用途和工作條件來選擇比較理想的制冷劑。
2.1.4 制冷劑介紹與選擇
目前使用的制冷劑已多達近百種，并正在不斷發(fā)展增多。但用于食品工業(yè)和空調(diào)制冷的僅十多種。其中被廣泛采用的只有以下幾種：
①R717（氨，NH3）氨是目前使用最為廣泛的一種中壓中溫制冷劑。氨的凝固溫度為-77.7℃，標準蒸發(fā)溫度為－33.3℃，在常溫下冷凝壓力一般為1.1～1.3MPa，即使當夏季冷卻水溫高達30℃時也不超過1.5MPa。氨的單位標準容積制冷量大約為。氨有很好的吸水性，即使在低溫下水也不會從氨液中析出而凍結(jié)，故系統(tǒng)內(nèi)不會發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。氨對鋼鐵不起腐蝕作用，但氨液中含有水分后，對銅及銅合金有腐蝕作用。氨作為制冷劑的優(yōu)點是：易于獲得、價格低廉、壓力適中、單位制冷量大、放熱系數(shù)高、幾乎不溶解于油、流動阻力小，泄漏時易發(fā)現(xiàn)。其缺點是：有刺激性臭味、有毒、可以燃燒和爆炸，對銅及銅合金有腐蝕作用。
②R134a（四氟乙烷，）是目前廣泛使用的R12的替代制冷劑。它的許多特性與R12很接近。其臭氧破壞指數(shù)（ODP）值為0，溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）值為0.24～0.29。標準蒸發(fā)溫度為-26.2℃，凝固點為-101.0℃。其制冷循環(huán)特性與R12接近，但不如R12。R134a相對分子量大，流動阻力損失比R12d大，傳熱性比R12好。R134a與R12在溶油種類和溶油行為上有很大差異。R134a的分子極性大，在非極性油中的溶解度極小，在為R134a專門開發(fā)的諸多合成油中，主要是聚烯醇類油PAGs、酯基油和氨基油。PAGs作用R134a系統(tǒng)潤滑油對金屬有輕微腐蝕作用。PAGs的吸濕性強，吸濕后會加速金屬腐蝕。R134a分子不含Cl，自身不具備潤滑性。機器中的運動件供油不足時，會加速磨損，為此，在合成油中需要添加添加劑以提高潤滑性。R134a對鋼鐵銅鋁等金屬均未發(fā)現(xiàn)有相互反應(yīng)現(xiàn)象，僅對鋅有輕微作用。和塑料相比，合成橡膠受R134a的影響略大，特別是氟橡膠。因為R134a分子中不含Cl，不能用傳統(tǒng)電子撿漏儀器撿漏，應(yīng)用專門的撿漏儀器撿漏。
③R12（二氟二氯甲烷，CF2Cl2）為烷烴的鹵代物，學名二氟二氯甲烷。它是我國中小型制冷裝置中使用較為廣泛的中壓中溫制冷劑。R12的標準蒸發(fā)溫度為－29.8℃，冷凝壓力一般為0.78～0.98MPa，凝固溫度為-155℃，單位容積標準制冷量約為288kcal/m3。R12是一種無色、透明、沒有氣味，幾乎無毒性、不燃燒、不爆炸，很安全的制冷劑。只有在空氣中容積濃度超過80％時才會使人窒息。但與明火接觸或溫度達400℃以上時，則分解出對人體有害的氣體。
④R22（二氟一氯甲烷，CHClF2）也是烷烴的鹵代物，學名二氟一氯甲烷，標準蒸發(fā)溫度約為－41℃，凝固溫度約為－160℃，冷凝壓力同氨相似，單位容積標準制冷量約為454kcal/m3。R22的許多性質(zhì)與R12相似，但化學穩(wěn)定性不如R12，毒性也比R12稍強。但是，R22的單位容積制冷量卻比R12大的多，接近于氨。當要求－40～－70℃的低溫時，利用R22比R12適宜，故目前R22被廣泛應(yīng)用于－40～－60℃的雙級壓縮或空調(diào)制冷系統(tǒng)中。
⑤R410A在常溫常壓下是一種不含氯的氟代烷非共沸混合制冷劑，貯存在鋼瓶內(nèi)是被壓縮的液化氣體。其ODP為0，因此R410A是不破壞大氣臭氧層的環(huán)保制冷劑。主要用途：R410A主要用于替代R22和R502，具有清潔、低毒、不燃、制冷效果好等特點，大量用于家用空調(diào)、小型商用空調(diào)、戶式中央空調(diào)等。
現(xiàn)在普遍使用的制冷劑也就R22、R717和R134a等幾種。最早較全面地進行CFCs替代物研究的是美國國家標準與技術(shù)研究院的麥克林頓等人。他們從制冷劑的基本要求出發(fā)，對860中純物質(zhì)用計算機進行全面篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)較有前途的替代物仍然是氟利昂家族中的HFCs，從而提出用HFC134a（R134a）替代R22，用HCFC123替代R11。用來替代R22的主要物質(zhì)有R134a、R407c及R410a，R134a在常壓下的蒸發(fā)溫度為-26.2℃，無毒，不燃燒不爆炸。其ODP值為0，GWP值為0.24～0.29，對臭氧層無破壞作用，溫室效應(yīng)也較小。R134a與R12相比，在相同的蒸發(fā)溫度下，其蒸發(fā)壓力略低，在相同的冷凝溫度下，其冷凝壓力略高。R134a的單位體積制冷量略低于R12，其理論循環(huán)效率也比R12略有下降，一般來講采用R134a的壓縮機其制冷量和單位功耗都將下降2%～5%，采用過冷和回熱循環(huán)后，可縮小這種差距。R134a的等熵指數(shù)較R12小，所以在同樣的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，其排氣溫度較低。水在R134a中的溶解度更小，因此在使用R134a的制冷系統(tǒng)中，尤其是低溫系統(tǒng)，需要采用吸水性更好的干燥過濾器。R134a的換熱性能比R12有較大提高，其冷凝和蒸發(fā)過程的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)一般與R12相比要高出15%～35%，這將提高R134a系統(tǒng)的效率和性能。R134a與傳統(tǒng)的礦物油不相溶，因此必須采用新的潤滑油與之相適應(yīng)。目前有聚二醇類和聚酯類兩種。經(jīng)上述比較R134a更適合本設(shè)計熱泵熱水器的使用。
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往復式）壓縮機是活塞在氣缸內(nèi)作往復運動，故稱為往復活塞式；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。速度型壓縮機是氣體在高速轉(zhuǎn)動的葉輪中提高速度，而后通過導向器使氣體的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而完成氣體的壓縮和輸送過程。目前速度型壓縮機最常用的是離心式壓縮機。
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[12]。
2.2.2 壓縮機的比較
壓縮機從往復式壓縮機開始，發(fā)展不過100多年，目前用于小型制冷系統(tǒng)上的渦旋壓縮機商品化應(yīng)用，也只有30多年的時間，但新型的壓縮機也在不斷的出現(xiàn)。
現(xiàn)將幾種壓縮機的特點列舉如下：
2.2.2.1 容積型制冷壓縮機
（1）往復式壓縮機
往復式壓縮機適應(yīng)范圍和制冷量范圍廣，壓力穩(wěn)定；熱效率高，在變工況運行時尤為突出；對材料要求低，加工容易，造價低；設(shè)計與制造技術(shù)成熟；但往復式壓縮機也有其局限性，其結(jié)構(gòu)復雜，零部件太多；轉(zhuǎn)速不能太高，變頻特性不如回轉(zhuǎn)式壓縮機；不能連續(xù)輸氣，工作時產(chǎn)生振動大。
（2）滾動轉(zhuǎn)子壓縮機
滾動轉(zhuǎn)子壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，震動小，摩擦損失小，制冷工質(zhì)流動阻力??；吸氣過熱小，輸氣系數(shù)高；結(jié)構(gòu)簡單，零部件少重量輕，形狀規(guī)則，適宜大批量生產(chǎn)。但是滾動轉(zhuǎn)子壓縮機還具有其自身的缺點，制造精度高要求高，裝配精度要求高，否則會引起壓縮機效率和可靠性降低；在熱泵的工況下運行時，由于壓比大，造成內(nèi)部泄漏量大，影響其制熱能力；對單缸機器，轉(zhuǎn)矩峰值達，滑片仍是易損部件。
（3）渦旋式壓縮機
渦旋式壓縮機力矩變化小，振動小，噪聲低，氣體壓差小，泄露量也小，容積效率可達90﹪～98﹪；結(jié)構(gòu)簡單，零部件少，采用柔性結(jié)構(gòu)，抗雜質(zhì)和液壓能力強，可靠性高；可高速運轉(zhuǎn)，變速性能好，可連續(xù)吸氣氣流脈動小。但是渦旋式壓縮機還具有其自身的缺點，其運動機件表面多是呈曲面形狀，這些曲面的加工及其檢驗均較復雜，制造需高精度的加工設(shè)備及精確的調(diào)心裝配技術(shù)，因此制造成本較高；其運動機件之間或運動機件與固定機件之間，常以保持一定的運動間隙來達到密封，氣體通過間隙勢必引起泄漏，這就限制了回轉(zhuǎn)式壓縮機難以達到較大的壓縮比。
圖2-1 渦旋式壓縮機外形
（4）螺桿式壓縮機
螺桿式壓縮機零部件少，易損件少，可靠性高，操作維護方便；沒有不平衡慣性力.運轉(zhuǎn)平穩(wěn)安全，振動小，螺桿壓縮機的轉(zhuǎn)子齒面實際上是有間隙的，能耐液擊；排氣溫度低，可在較高壓比的工況下運行，可實現(xiàn)制冷情無級調(diào)節(jié),具有強制輸氣的特點，排氣量幾乎不受排氣壓力的影響， 工況適應(yīng)性強；容易實現(xiàn)自動化，可實現(xiàn)遠程通信。但是螺桿式壓縮機還具有其自身的缺點，制造價格昂貴，裝配要求精度高；由于齒間容積周期性地與吸、排氣口連通，故壓縮機噪聲高；由于受到轉(zhuǎn)子剛度和軸承壽命等限制，壓縮機內(nèi)部只能依 靠間隙密封，所以螺桿壓縮機只能適用于中、低壓范圍，不能用于高壓場合，螺桿壓縮機依靠間隙密封氣休，在小容積范圍內(nèi)不具有優(yōu) 越的性能；噴油量大，油處理系統(tǒng)復雜，故機組附屬設(shè)備多。
2.2.2.2 速度型制冷壓縮機--離心式壓縮機
離心式壓縮機的氣量大，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，機組尺寸小，占地面積小；運轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因之備件需用量少，維護費用及人員少。工作輪和機殼之間沒有摩擦，無需潤滑。在化工流程中，離心式壓縮機對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮過程。離心式壓縮機換具有自身的缺點，離心式壓縮機目前還不適用于氣量太小及壓比過高的場合，并且由于適宜采用分子量比較大的制冷劑，故只適用于大制冷量，一般都在25～30萬大卡/時以上。離心式壓縮機的穩(wěn)定工況區(qū)較窄，其氣量調(diào)節(jié)雖較方便，但經(jīng)濟性較差。目前離心式壓縮機效率一般比活塞式壓縮機低。一般要用增速齒輪傳動，轉(zhuǎn)速較高，對軸端密封要求高，這些均增加了制造上的困難和結(jié)構(gòu)上的復雜性。
2.2.3 針對30kw空氣源熱泵壓縮機的選型
目前,熱泵機組采用的壓縮機主要有全封閉活全封閉渦旋式半封閉活塞式、半封閉螺桿式等。中小型機組一般都采用活塞式或全封閉渦旋式壓縮機, 大型機組一般都采用半封閉雙螺桿壓縮機。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。
適用范圍
（1）絕大多數(shù)全封閉活塞式壓縮機制冷量不超過1.5KW，主要應(yīng)用于家用電冰箱/冷凍柜和小型商用制冷設(shè)備。
（2）渦旋式壓縮機制冷量范圍為5～70KW（不包括特殊型號），最多應(yīng)用是在小型家用空調(diào)、商用空調(diào)系統(tǒng)中。此類壓縮機不用于零下5度的制冷工況。
（3）離心式制冷壓縮機主要用于空調(diào)工況的冷水機組。只使用大型制冷。
（4）螺桿式壓縮機單機制冷量在150kw-1500kw，可用于冷庫、人造冰場、冷水機組中。
（5）半封閉活塞式制冷壓縮機用途廣泛，單機制冷量從3kw-100kw,同時可以多機頭并聯(lián)使用，因此可提供制冷量范圍從3kw-1000kw,多工況使用，既可用于制冷工況，又可以適用于空調(diào)工況。
（6）開啟活塞式制冷壓縮機目前國內(nèi)只常用于冷庫，極少數(shù)空調(diào)工況的冷水機組。
所以，對小型的空氣源熱泵熱水器, 應(yīng)選用全封閉式渦旋式壓縮機。它利用渦旋轉(zhuǎn)子與渦旋定子的嚙合形成多個壓縮室, 隨著渦旋轉(zhuǎn)子的平動回轉(zhuǎn), 各壓縮室的容積不斷變化,泄露量也小，容積效率可達90﹪～98﹪。 以此達到壓縮氣體的目的, 具有效率高、噪聲低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗液擊能力強的特點, 有著其它壓縮機不可比擬的優(yōu)越性。
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)。空氣冷卻式冷凝器根據(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，不僅氨損失相當嚴重，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，由于裝置所特有的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、傳熱系數(shù)較小等特點，并且套管式對流水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。故可選用套管式冷凝器。
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
系統(tǒng)方案的初定：該熱泵熱水器中采用的制冷劑為R134a，制熱量為30kw，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。
（1）熱泵系統(tǒng)的熱力計算
名義工況下制熱量30KW，制冷劑為R134a。
制冷循環(huán)熱力計算
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?shù)卮髿鈮? 101.32kPa ，
蒸發(fā)溫度℃，冷凝溫度℃，
過冷溫度℃，
吸氣溫度℃，
進風干球溫度20℃，濕球溫度15℃，
出風干球溫度15℃，濕球溫度13℃.
循環(huán)的p-h圖如圖3-1所示
圖3-1 循環(huán)的p-h