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本科畢業(yè)設(shè)計 論文 題 目 直膨式太陽能熱泵熱水器設(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 I 直膨式太陽能熱泵熱水器設(shè)計 摘 要 多功能熱泵空調(diào)熱水一體系統(tǒng)是將建筑物夏季供冷 冬季供熱功能與熱泵熱水 功能集成為一體的建筑物小型綜合能源系統(tǒng) 整個系統(tǒng)只是在普通熱泵空調(diào)的基礎(chǔ) 上增加水一制冷劑換熱器和一些管道以及閥門等附件 是一種提高空調(diào)設(shè)備利用率 和提高空調(diào)器整體能源利用率的系統(tǒng) 該系統(tǒng)在夏季的時候利用空調(diào)制冷時向環(huán)境 排放的熱量制取生活熱水 過渡季節(jié)可以獨(dú)立作為熱泵熱水器運(yùn)行 冬季在制熱和 制熱水間交替運(yùn)行 利用不向建筑物供熱的時間制取生活熱水 本文對多功能空調(diào) 熱水一體系統(tǒng)的原理及其在空氣源熱泵和地源熱泵系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析 和研究 本文提出多功能空氣源熱泵空調(diào)熱水一體系統(tǒng) 對系統(tǒng)構(gòu)成和功能分析的基礎(chǔ) 上 設(shè)計和搭建了家用多功能熱泵空調(diào)熱水試驗系統(tǒng) 在該試驗系統(tǒng)上完成了夏季 制冷兼制熱水的試驗和春秋季以及冬季單獨(dú)制熱水的試驗 試驗結(jié)果表明獲得 40 和 50 的生活熱水 夏季制熱水性能系數(shù)達(dá)到 2 5 4 0 春秋過渡季節(jié)在 2 9 2 2 之 間變化 冬季的平均制熱水性能系數(shù)可以達(dá)到 2 1 試驗驗證了系統(tǒng)可靠性和節(jié)能效 果 根據(jù)多功能空氣源熱泵空調(diào)熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的構(gòu)想 完成 了兩者聯(lián)合運(yùn)行的初步試驗 試驗數(shù)據(jù)表明兩者可以聯(lián)合運(yùn)行降低制熱水的能耗 同等升溫幅度的情況下先運(yùn)行熱泵比后運(yùn)行熱泵耗時少 耗能少 關(guān)鍵詞 多功能 復(fù)合熱水系統(tǒng) 空調(diào) 太陽能熱泵 系統(tǒng)模擬 節(jié)能 II Direct expansion solar assisted heat pump water heater ABSTRACT Multifunctional heat pump system is a kind of heat pump in which a heat pump air conditioner and heat pump water heater is integrated The multifunctional heat pump is built up by installing a wafer tank water cooled condenser and necessary valves and pipes It improves the total energy efficient and also makes the most use of the heat pump equipment which does not run during Spring and Autumn The multifunctional heat pump system performs in fours models space cooling and water heating simultaneously in Summer space cooling only in Summer water healing in Spring and Autumn when space cooling and heating is not necessary space heating only in Winter and water heating in Winter when space heating is not needed This work presents the research df multifunctional heat pump system in both air source heat pump arid ground source heat pump system A multifunctional air source heat pump system is introduced according to which a prototype equipment is manufactured in the laboratory and experiment of water beating and space cooling simultaneously in summer and experiment of water heating in Spring and winter were carried out The summer experiment results shows that the multifunctional heat pump system supplied hot water with a temperature at 40 50 and the performance coefficient EER ranged from 2 5 4 0 The Spring Autumn experiment results shows that the performance coefficient EERW ranged from 2 9 2 2 And the winter the average performance coefficient is 2 1 Experiments of performance with combined heat pump water heater and solar water heater was also accomplished The results shows that heat pump running before solar water heater results in both the less total heating time and higher heat pump performance coefficient KEY WORDS Multifunctional hybrid water heating system air III conditioning air source heat pump experimental study system simulation energy saving 1 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1 1 直膨式太陽能熱泵熱水器的工作原理及其特點(diǎn) 1 1 1 1 直膨式太陽能熱泵熱水器的工作原理 1 1 1 2 直膨式太陽能熱泵熱水器的特點(diǎn) 2 1 2 直膨式太陽能熱泵熱水器的應(yīng)用及其發(fā)展前景 3 1 3 直膨式太陽能熱泵熱水器的設(shè)計要點(diǎn) 5 2 方案選擇與論證 6 2 1 壓縮機(jī) 6 2 1 1 壓縮機(jī)概述 6 2 1 2 壓縮機(jī)的比較 6 2 2 冷凝器 10 2 2 1 冷凝器概述 10 2 2 2 冷凝器的比較 10 2 3 蒸發(fā)器 12 2 3 1 蒸發(fā)器概述 12 2 3 2 蒸發(fā)器的比較 12 2 4 制冷劑 13 3 設(shè)計 計算 15 3 1 系統(tǒng)的熱力計算 15 3 1 1 空調(diào)系統(tǒng)的 熱力計算 15 2 3 1 2 房間的熱力計算 17 3 2 壓縮機(jī)的選取 19 3 3 冷 凝器 設(shè)計計算 21 3 4 蒸發(fā)器設(shè)計 計算 22 4 節(jié)流機(jī) 構(gòu) 的 選擇 28 4 1 節(jié)流機(jī)構(gòu)概述 28 4 2 節(jié)流機(jī)構(gòu)的分類 28 4 3 毛細(xì)管的選擇計算 34 5 其他輔助設(shè)備 的計算與選型 36 5 1 干燥過濾器計算與選型 36 5 2 氣液分離器的計算與選型 37 5 3 截止閥的選取 39 5 4 電磁閥的選取 41 5 5 壓力控制器選取 42 5 6 壓差控制器的選取 42 5 7 溫度控制器的選取 42 6 制冷劑充注量計算 44 結(jié)束 語 45 致 謝 46 2 參考文獻(xiàn) 47 1 1 緒論 通過將太陽能熱水系統(tǒng)和空調(diào)熱泵系統(tǒng)結(jié)合 設(shè)計出太陽能復(fù)合能源空調(diào)系統(tǒng) 太陽能復(fù)合能源空調(diào)熱水系統(tǒng)是采用一種新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將太陽能熱水系統(tǒng)和熱泵 空調(diào)熱水系統(tǒng)相結(jié)合 夏季通過室內(nèi)的蒸發(fā)器降低室內(nèi)溫度和濕度 并可以同以利 用冷凝器散熱和太陽能提供生活熱水 冬季不需要室內(nèi)降溫降濕的情況下 可以利 用熱泵與太陽能提供生活熱水 系統(tǒng)主要通過太陽能系統(tǒng)提供熱水 由于太陽能輻 射表現(xiàn)為夏季充足和冬季不足的特點(diǎn) 當(dāng)太陽能輻射充足時 直接通過太陽能熱水 系統(tǒng)提供生活熱水 當(dāng)太陽能輻射不足時 啟動熱泵系統(tǒng)輔助制熱 因此太陽能復(fù) 合能源空調(diào)系統(tǒng)克服了單一太陽能熱水系統(tǒng)的季節(jié)問題 本文主要介紹了太陽能復(fù) 合能源空調(diào)熱水系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和工作原理 較為詳細(xì)的介紹了 6KW 太陽能復(fù)合 能源空調(diào)熱水系統(tǒng)設(shè)計計算以及其相關(guān)零部件的選取 1 1直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的工作原理及其特點(diǎn) 1 1 1 直膨式太陽能熱泵熱水器的工作原理 太陽能復(fù)合能源空調(diào)系統(tǒng)由太陽能熱水子系統(tǒng) 熱泵空調(diào)熱水子系統(tǒng)組成 太 陽能子系統(tǒng)包括集熱器 保溫水箱等 熱泵空調(diào)熱水子系統(tǒng)包括壓縮機(jī) 蒸發(fā)器 冷凝器 節(jié)流裝置 以及帶有盤管換熱器的保溫水箱 循環(huán)水泵等 如圖 1 所示 太陽能復(fù)合能源空調(diào)熱水系統(tǒng) 是利用水冷冷凝器的形式回收空調(diào)冷凝熱 并用于 生活熱水的初級加熱 利用太陽能對生活熱水進(jìn)行二級加熱供全年生活熱水使用 12 圖 1 系統(tǒng)熱泵側(cè)原理圖 該系統(tǒng)將太陽能熱水器與傳統(tǒng)蒸汽壓縮式家用空調(diào)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合 在壓縮機(jī)的 排氣側(cè) 用一個 水 制冷劑 的排氣換熱器替代了原有的 空氣 制冷劑 的換熱 器 提高進(jìn)入太陽能集熱器的用戶側(cè)回水溫度 由于系統(tǒng)將傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的室外 空氣 制冷劑 換熱器改為 水 制冷劑 的排氣換熱器 因此 在制冷過程中 原來制冷工質(zhì)應(yīng)與室外空氣進(jìn)行熱交換而向外界排出冷凝熱 而現(xiàn)在該過程轉(zhuǎn)換成 與冷水進(jìn)行熱交換以加熱家庭熱水 從而將原來需排向室外空氣的冷凝熱加以利用 起到了熱回收的作用 得到較高的系統(tǒng)能效比 該系統(tǒng)有如下幾種模式 1 單獨(dú)制冷模式原理 制冷劑通過室內(nèi)換熱器在室內(nèi)蒸發(fā)吸熱 提供冷量 經(jīng) 壓縮機(jī)壓縮 通過水冷冷凝器在熱泵水箱里冷凝放熱給水 水再進(jìn)過風(fēng)冷水循環(huán)通 過室外換熱器將熱量排放到室外 2 單獨(dú)熱水模式原理 制冷劑通過室外換熱器吸收室外環(huán)境環(huán)境熱量 經(jīng)過壓 縮機(jī)壓縮 通過水冷冷凝器在熱泵水箱中放熱給水從而提供生活熱水 3 制冷兼熱水模式原理 制冷劑通過室內(nèi)換熱器在室內(nèi)蒸發(fā)吸熱 提供冷量 經(jīng)壓縮機(jī)壓縮 同 通過水冷冷凝器在熱泵水箱里冷凝放熱給水來提供生活熱水 1 1 2 直膨式太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的特點(diǎn) 空調(diào)熱水器的工作原理與空調(diào)原理有一定相似 應(yīng)用了逆卡諾原理 通過 吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?經(jīng)過壓縮機(jī)的壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮?傳遞給水箱中 把 水加熱起來 整個過程是一種能量轉(zhuǎn)移個過程 從空氣中用轉(zhuǎn)移到水中 不是能量 轉(zhuǎn)換的過程 沒有通過電加熱元件加熱熱水 或者燃燒可燃?xì)怏w加熱熱水 因而它 相對其它熱水器 具有以下特點(diǎn) 1 廚房制冷功能 這個是最大的優(yōu)勢 普通熱水器 如電加熱 燃?xì)鉄崴?太陽能熱水器等 根本不可能有制冷的功能 如果廚房要額外增加制冷功能 需要 買一臺廚房空調(diào) 由于廚房有油煙 是個特殊的環(huán)境 所以廚房空調(diào)跟普通空調(diào)是 不一樣的 價格也要貴很多 2 卓越的安全性 由于它不是采用電熱元件直接加熱 故相對電熱水器而言 杜絕了漏電的安全隱患 相對燃?xì)鉄崴鱽碇v 沒有燃?xì)庑孤?或一氧化碳中毒之 類的安全隱患 因而具有更卓越的安全性能 3 3 無與倫比的舒適體驗 空調(diào)熱水器是蓄熱式的 加熱功能根據(jù)水箱內(nèi)的溫度 自動啟動 保證熱水 24 小時充足供應(yīng) 因此不會出現(xiàn)像燃?xì)鉄崴髂菢訜o法同時滿 足多個水龍頭用熱水的問題 也不會出現(xiàn)電熱水器容量小 多人洗澡需要等待的問 題 即開即用熱水 出水量大 出水溫度穩(wěn)定 滿足你所有對熱水的期望 4 綠色環(huán)保 冷氣熱水器之環(huán)保 燃?xì)鉄崴魍ㄟ^燃燒可燃?xì)怏w加熱熱水 同 時排放大量的二氧化碳 二氧化硫等有害廢氣 空調(diào)熱水器只是將周圍空氣中的熱 量轉(zhuǎn)移到水中 完全做到零排放 對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生影響 是真正的環(huán)保熱水器 5 低碳時尚 在節(jié)能減排已經(jīng)成為時代潮流的今天 節(jié)約能源 減少碳排放是 最時尚的生活方式 前面已經(jīng)提到 空調(diào)熱水器采用的是逆卡諾原理 將空氣中的 能量轉(zhuǎn)移到水中 不是直接用電熱元件加熱 因此其能效可達(dá)到電熱水器的 4 倍 即加熱等量的熱水 耗電量相當(dāng)于電熱水器的四分之一 大大節(jié)約了電力的消耗 6 省錢 由于其耗電量只有等量電熱水器的四分之一 即相當(dāng)于使用同樣多的 熱水 使用空調(diào)熱水器 電費(fèi)只需電加熱的四分之一 以一個 4 口之家來計算 正 常熱水使用量在 200L 天左右 用電熱水器加熱 電費(fèi)大約需要 4 元 天 而空調(diào)熱 水器則只需要約 1 元 天 一年可以節(jié)約 1000 元左右的電費(fèi) 1 2 直膨式太陽能熱泵熱水器的應(yīng)用及其發(fā)展前景 在現(xiàn)代社會中 制冷技術(shù)的應(yīng)用已涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門以及人們的日常 生活 伴隨著生產(chǎn)力 國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人民生活水平的快速提高 太陽能復(fù) 合能源空調(diào)熱水器有著廣大的發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿?生活水平的提高使得人們對家居環(huán)境及辦公場所的舒適性和健康性的要求越來 越高 但是現(xiàn)在一般的家庭居住面積或者辦公室的面積都不是特別大 室內(nèi)負(fù)荷小 采用中央空調(diào)會造成巨大的能源浪費(fèi) 同時如果采用一套大型的中央空調(diào)系統(tǒng) 中 央空調(diào)不容易計算費(fèi)用的問題又隨之而來 所以就目前中國的現(xiàn)狀來說 像中央空 調(diào)這種集中式的空調(diào)系統(tǒng)在我國還是無法廣泛的應(yīng)用 一般的家庭都會選擇制冷量 比較小 占地面積小的空調(diào)器 這樣不僅能滿足人們對舒適環(huán)境的需求 還能減少 能源的浪費(fèi) 又不會帶來不必要的收費(fèi)困難 現(xiàn)在小型家用空調(diào)也應(yīng)該向著節(jié)能 直流變頻 無氟和健康等方向發(fā)展 空調(diào)發(fā)展到現(xiàn)在 家用空調(diào)對節(jié)能型以及環(huán)保的要求也很高 目前 建筑能耗 在社會總能耗中占的比重比較大 而空調(diào)的能耗在建筑能耗中占了非常大的比重 4 如何開發(fā)節(jié)能技術(shù) 空調(diào)能耗 是行業(yè)內(nèi)的重要課題 變頻技術(shù)應(yīng)用在空調(diào)領(lǐng)域可 以降低電能的損耗 因而變頻空調(diào)是時下比較引人注目的 空調(diào)產(chǎn)品 隨著哥本哈根氣候大會之后 氣候問題已經(jīng)成為全球人共同關(guān)注的問題 因此 發(fā)展無氟空調(diào)是大勢所趨 臭氧層的破壞是當(dāng)前全球面臨的重大的環(huán)境問題之一 由于以前空調(diào)業(yè)所采取的傳統(tǒng)制冷劑對臭氧層有破壞作用及溫室效應(yīng) 對大氣造成 破壞 因而無氟空調(diào)是眾所期待的產(chǎn)品 尤其是歐盟及美國等發(fā)達(dá)國家已禁止有氟 空調(diào)進(jìn)入國內(nèi)市場 從能源學(xué)的角度來看 不建議用電熱水器 電是高品位的能源 熱是低品位的 能源 所有的能量最后都能轉(zhuǎn)變成熱 電應(yīng)該做動力 譬如用在空氣能熱水器上作 為壓縮機(jī)的動力來源 作為一種節(jié)能的熱水器 從國家層面上來說 能取代電熱水器是好事 日本花 了十年 把電熱水器替換掉 日本政府對空氣能熱水器進(jìn)行了一系列補(bǔ)貼 用戶花 買電熱水器的錢 買到空氣能熱水器 而對于我國來說 目前還有許多基本的民生 問題 如教育 醫(yī)療 養(yǎng)老等需解決 熱水供應(yīng)目前還不能像日本那樣享受補(bǔ)貼 如果空氣能熱水器大批量生產(chǎn) 價格會降下來 相信總有一天 電熱水器會被淘汰 掉 空氣能熱泵熱水器用于家庭 好處多多 嚴(yán)冬水溫低 燃?xì)鉄崴鬏^難把水溫 燒到足夠熱 儲水式電熱水器燒水速度比較慢 儲水量一般只有 80 升左右 太陽能 熱水器占用空間比較大 冬天陰冷天氣多 日照時間短 較難保證水溫 沒有太陽 照射的天氣需要依靠電輔加熱 相比之下 空氣能熱泵熱水器制熱水量充足 還可 按照多口之家的日常熱水需求 靈活搭配 100 至 400 升的大容量水箱 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同 時供應(yīng)熱水 同時滿足浴缸 淋浴 廚房 洗衣等多類用水 它的水溫恒定 不會 因為水龍頭開多開少而忽冷忽熱 據(jù)專家測算 如果用空氣能熱水器來代替電熱水 器 一年就可節(jié)省八百多度電 相當(dāng)于一個普通家庭三個月的用電量 目前全國熱 水器保有量約 1 3 億臺套 其中電熱水器保有量約 4000 萬臺 每年耗電約 670 億度 全國只要有 10 的電熱水器被這樣替代 一年就可以節(jié)約出 33 億度電 折合約 129 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤 相當(dāng)于兩個中等煤礦全年的產(chǎn)量 空氣能熱泵熱水器高效節(jié)能 環(huán)保 安全 所以成為當(dāng)今世界上開拓利用能源 最好的設(shè)備之一 據(jù)悉 國外同類產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)成熟 在發(fā)達(dá)國家使用的比例高達(dá) 70 由于看好熱泵熱水器的發(fā)展前景 近年國內(nèi)投資也開始向這一行業(yè)集聚 5 1 3 直膨式太陽能熱泵熱水器的設(shè)計要點(diǎn) 這種空調(diào)熱水器是針對家庭的使用需要研發(fā)的 首先能滿足家庭一年四季的熱 水供應(yīng) 對于家庭用戶來說 一年四季都需要熱水 只有少數(shù)的幾個月需要冷氣 熱水需求大于冷氣需求 因此從全年來看 家庭需求更強(qiáng)調(diào)的是 熱水器 空調(diào)熱 水器的工作原理是將空氣中的能量吸收 變成熱量轉(zhuǎn)移到水箱中 把水加熱起來 同時把失去大量能量的低溫空氣釋放到室內(nèi) 用于部分制冷 簡單來說 一臺空調(diào) 熱水器 可以給全家提供中央熱水的同時 免費(fèi)給某個房間制冷 產(chǎn)生空調(diào)的效果 1 選用比較節(jié)能和高效的設(shè)備 以減少不必要的能量損失 提高空調(diào)器的實(shí) 際工作效率 2 是從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā) 采用早期制冷劑氟利昂的替代品 R410A 3 改進(jìn)空調(diào)系統(tǒng)的單一性 增加了冷藏箱 采用 一拖二 的形式 既給人 們帶來舒適的生活環(huán)境 又給食物的冷藏帶來了便利 4 壓縮機(jī)的合理選擇 壓縮機(jī)是太陽能復(fù)合能源空調(diào)熱水器的關(guān)鍵裝置 其 性能的優(yōu)劣直接影響整個制冷循環(huán)的性能 在選擇壓縮機(jī)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn) 首先在高溫工況下運(yùn)行 對于戶外分體機(jī) 夏季較高的室外溫度使蒸發(fā)器蒸發(fā)溫 度過高 導(dǎo)致壓縮機(jī)的吸氣壓力 吸氣溫度過高 其次在低溫工況下運(yùn)行 對于戶外分體機(jī) 冬季較低的室外溫度 使蒸發(fā)器蒸發(fā)溫 度 蒸發(fā)壓力下降 會造成壓縮機(jī)的壓縮比升高 過高的壓縮比將超出壓縮機(jī)的運(yùn)行 范圍 使壓縮機(jī)不能正常工作 6 2 方案選擇與論證 2 1 壓縮機(jī) 2 1 1 壓縮機(jī)概述 壓縮機(jī)在蒸汽壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)中 壓縮機(jī)是決定制冷系統(tǒng)能力大小的關(guān)鍵 部件 對系統(tǒng)的運(yùn)行性能 噪聲 振動 維護(hù)和使用壽命等有著直接的影響 它是 整個制冷系統(tǒng)的動力來源 它在消耗一定的電功后 將蒸發(fā)器中的低壓制冷劑氣體 吸入 并把它壓縮到冷凝壓力再進(jìn)入冷凝器中去 從而保證制冷劑蒸汽能在常溫下 冷凝液化 從而使得制冷循環(huán)得以順利進(jìn)行 因而人們形象地稱之為制冷設(shè)備的心 臟 制冷壓縮機(jī)按密封結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式壓縮機(jī) 半封閉式壓縮機(jī)和全封閉式 壓縮機(jī) 15KW 以下的小容量制冷壓縮機(jī)大多采用全封閉式壓縮機(jī) 全封閉式壓縮 機(jī)中電動機(jī)和壓縮機(jī)連成一個整體 裝在一個不能拆開的密封機(jī)殼中 使用可靠性 高 壽命長 運(yùn)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 的空調(diào)系統(tǒng)的制冷量為 6kw 因此本設(shè)計選用全封閉式制冷壓縮機(jī) 由于壓縮機(jī)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 上對制冷壓縮機(jī)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(jī)理分析 理論研究到機(jī)械結(jié)構(gòu) 測試技 術(shù)等 幾乎無所不包 每年都有大量的研究成果和文獻(xiàn)出現(xiàn) 也能夠觀察到因之帶 來的進(jìn)步和收益 同時近年來 國內(nèi)制冷壓縮機(jī)的研究與技術(shù)進(jìn)步也取得了可喜的 進(jìn)展 特別是冰箱壓縮機(jī)行業(yè) 在 UNDP GEF 中國節(jié)能冰箱項目的推動下 冰箱 壓縮機(jī)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(jī)企業(yè)最高 達(dá)到 1 95 從而在一定程度上促進(jìn)了制冷設(shè)備的發(fā)展 4 2 1 2 壓縮機(jī)的比較 2 1 2 1 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī) 5 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)是家用空調(diào)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式之一 滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)比往復(fù) 式壓縮機(jī)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(jī)體積可減少 60 重量減少 35 零件減少 50 這種壓縮機(jī)只進(jìn) 行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 不需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動 所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 振動小 噪聲低 7 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(jī)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(jī)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(jī)組 其氣缸排量一般在 6 44cm 3 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(jī) COP 值的措施主要是提高加工和裝配精度 對壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu) 化設(shè)計 改進(jìn)排氣閥結(jié)構(gòu) 增大電機(jī)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(shí)現(xiàn) 降低壓縮機(jī)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(shí)現(xiàn) 而提高壓縮機(jī)的可靠性主要采 用改進(jìn)材料 加強(qiáng)工藝控制 強(qiáng)化實(shí)驗手段 特別加工和設(shè)計保護(hù)元件和連接元件等來 確保電機(jī)可靠性 利用徹底清除垃圾 應(yīng)用高強(qiáng)度材料 進(jìn)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(jī)的可靠性 2 1 2 2 渦旋式壓縮機(jī) 渦旋式壓縮機(jī)是一類較新型的壓縮機(jī) 它也是家用空調(diào)壓縮機(jī)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(jī)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(dá)到實(shí)用化程度 直至 70 年代后 經(jīng)美 日等國的研究 才使渦旋式壓縮機(jī)走上實(shí)用化道路 考普蘭 開利 日立 三菱公司均生產(chǎn)這種壓 縮機(jī) 其主要特點(diǎn)有 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 渦旋回旋運(yùn)動能形成幾對壓縮腔 因此力 矩變化小 振動小 噪音低 結(jié)構(gòu)簡單 零部件少 尤其易損件少 體積小 重量輕 對液擊不敏感 轉(zhuǎn)速高 有利于實(shí)現(xiàn)變頻控制的方式來調(diào)節(jié)制冷量 采用一種背 壓可自動調(diào)節(jié)的可控推力機(jī)構(gòu) 這樣可保持軸向密封 減少機(jī)械損失 防止異常高壓 確保壓縮機(jī)安全 便于采用氣體注入循環(huán) 從而可提高節(jié)能效果 減少壓縮機(jī)開 停 頻率 控制室溫變化 實(shí)現(xiàn)舒適空調(diào) 制造 加工精度高 成本較高 總體來說 其 綜合性能稍好于滾動轉(zhuǎn)子式 特別適合于低噪聲要求 目前主要用在 3 5HP3 大功率 高檔空調(diào)器上 是當(dāng)前產(chǎn)品中最先進(jìn)的 目前渦旋式壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢主要在 進(jìn)一步改進(jìn)渦旋盤加工制造工藝 降 低成本 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) 8 一步提高效率 研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機(jī)性能 提高工作轉(zhuǎn)速 研究開發(fā)自 轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機(jī)等 2 1 2 3 往復(fù)式活塞式壓縮機(jī) 往復(fù)式制冷壓縮機(jī)迄今還是應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)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(jī)兩類 1 滑管式壓縮機(jī) 滑管式壓縮機(jī)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 60 年代 它是往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的一種類型 其 特點(diǎn)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(jī)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(diǎn)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(jī)正在進(jìn)入衰退期 將逐漸被連桿式壓縮機(jī)或旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)所取代 2 連桿式壓縮機(jī) 連桿式壓縮機(jī)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(diǎn)是運(yùn) 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(jī)所取代 近幾年來隨 著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展 對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的技術(shù)改進(jìn) 目前連桿式壓縮機(jī)已成 為電冰箱壓縮機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品 總需求是有較大的提高 2 1 2 4 離心式壓縮機(jī) 離心式壓縮機(jī)是一種速度型壓縮機(jī) 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(jī)中安 裝的工作輪數(shù)量的多少 分為單級式和多級式 如果只有一個工作輪 就稱為單級 離心式壓縮機(jī) 如果由幾個工作輪串聯(lián)而組成 就稱為多級離心式壓縮機(jī) 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(jī)大都是多級的 單級離心式制冷壓縮機(jī)的構(gòu)造主要由工作輪 擴(kuò)壓器和蝸殼等所 組成 壓縮機(jī)工作時制冷劑蒸汽由吸汽口軸向進(jìn)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(jìn)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(jī)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(kuò)壓流動 從而使汽體的壓力和速度都得到提高 由工作輪出 9 來的汽體再進(jìn)入截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器 因為汽體從工作輪流出時具有較高的流速 擴(kuò)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(kuò)壓器時速 度減小 而壓力則進(jìn)一步提高 經(jīng)擴(kuò)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(jī)的特點(diǎn)與特性 離心式制冷壓縮機(jī)與活塞式制冷壓縮機(jī)相比 較 具有下列優(yōu)點(diǎn) 單機(jī)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(jī)構(gòu) 因而工作可靠 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 噪音小 操作簡單 維護(hù)費(fèi)用低 工作輪和機(jī)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(jì)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(jī)只能適應(yīng)一種制冷劑 離心式壓縮機(jī)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(jī)的運(yùn)動零件少而簡單 且其制造精度要比螺桿式壓 縮機(jī)低的多 這些都帶來制造費(fèi)用相對低且可靠的特點(diǎn) 此外 大型離心式壓縮機(jī) 如應(yīng)用在工作壓力變化范圍狹小的場合中 可以避開由喘振所帶來的問題 在不久 的將來 總體和部分負(fù)荷 Integrated part lode value 將愈來愈被重視 從而要 求離心式壓縮機(jī)要在較寬廣的應(yīng)用工況中工作效率高 但是 相對來講 離心式壓 縮機(jī)的發(fā)展近來有所緩慢 因為受到螺桿式壓縮機(jī)和吸收式制冷機(jī)的挑戰(zhàn) 離心式 壓縮機(jī)自 1993 年就開始根據(jù) CFCS 替代的需要進(jìn)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(jī)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 1 2 5 螺 桿 式 壓 縮 機(jī) 螺桿式壓縮機(jī)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(jìn)行制冷劑氣體壓縮 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(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 6 隨著螺桿式空氣壓縮機(jī)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(jī)界面 安裝費(fèi)用低 適應(yīng)國內(nèi)電源 運(yùn)行費(fèi)用低 10 節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn) 因此 在今后相當(dāng)長的時期內(nèi) 小容量空氣壓縮機(jī)將以螺桿式為主 綜上所述可知 就壓縮機(jī)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(jī) 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(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 在本次設(shè)計中 本系統(tǒng)選擇全封閉渦旋式 制冷壓縮機(jī) 2 2 冷凝器 2 2 1 冷凝器概述 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(jī)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 7 2 2 2 冷凝器的比較 2 2 2 1 空氣冷卻式冷凝器 空氣冷卻式冷凝器用于電冰箱 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(yùn)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(qiáng)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(jī)組 自然對流空氣冷卻式冷凝器依靠空氣受熱后產(chǎn)生的自然對流 將制冷劑放出的 熱量帶走 這種冷凝器的傳熱效果低于強(qiáng)制流動空氣冷卻式冷凝器 由于不用風(fēng)機(jī) 節(jié)省了風(fēng)機(jī)電耗 還避免了風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的噪音 但是這種冷凝器的傳熱系數(shù)很低一 般為9 16W m K 8 強(qiáng)制對流空氣冷卻式冷凝器一般都制作成套片管式 由一組或者幾組蛇形管組 成 空氣在軸流風(fēng)機(jī)的作用下橫向流過翅片管 強(qiáng)制通風(fēng)用的風(fēng)機(jī)常用軸流式風(fēng)機(jī) 11 這種冷凝器的傳熱系數(shù)同樣也較小 一般約為23 35 W m K 9 它必須使用風(fēng)機(jī) 要消耗一定的電能 2 2 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(jī)的排汽進(jìn)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(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(diǎn)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(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(diǎn)是 傳熱系數(shù)高 結(jié)構(gòu)緊湊 空間高度低 有利于機(jī)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(yùn)行可靠 缺點(diǎn)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(yùn)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(yùn)行時制冷劑蒸氣從上部進(jìn)入 凝結(jié)液從下部流出 冷 卻水從上部進(jìn)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 套管式冷凝器的優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡單 傳熱效果好 缺點(diǎn)是制冷 劑和冷卻水的流動阻力大 對水質(zhì)要求較高 方 2 2 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(jìn)行的 蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少 空氣流量也不大 10 蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點(diǎn) 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 12 到飛濺損失等因素 實(shí)際耗水量約為水冷式的5 10 11 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(jī)的輸入功率減少 冷凝器的總耗功率 水泵 風(fēng) 機(jī) 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(diǎn) 水冷冷凝器加熱熱水等優(yōu)點(diǎn) 且制冷量為6KW 故可選用套管式冷凝器 2 3 蒸發(fā)器 2 3 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(dá)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(jìn)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 3 2 蒸發(fā)器的比較 2 3 2 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 可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕 潤面積 同時其進(jìn)出口處的壓差隨流動阻力增大而增加 以致使制冷系數(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 而冷卻空 氣的干式蒸發(fā)器又可分為冷卻自由運(yùn)動空氣的蒸發(fā)器和冷卻強(qiáng)制流動空氣的蒸發(fā)器 13 自由運(yùn)動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) 其多 用于空氣調(diào)節(jié)裝置和大型冷藏庫以及大型低溫實(shí)驗環(huán)境場合 干式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是 應(yīng)用相對要成熟很多 而且采用干式蒸發(fā)器不需要單獨(dú)的換熱器回油設(shè)計 但是其缺 點(diǎn)是系統(tǒng)效率會有所降低 12 2 3 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(diǎn)是在蒸發(fā)器中充滿液態(tài)制冷劑 運(yùn)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(diǎn)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(jī)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(jī) 此外清洗時需停止工作 2 3 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(diǎn)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 R22 故而可選擇強(qiáng)制對流直接蒸發(fā)式 蒸發(fā)器 2 4 制冷劑 制冷劑是制冷裝置中的工作介質(zhì) 又稱制冷工質(zhì) 制冷裝置進(jìn)行制熱制冷就是利 用制冷劑的循環(huán)流動去進(jìn)行熱量交換 所以制冷劑是制冷裝置必不可少的部分 早期 使用的制冷劑有乙醚 二氧化硫 氯化鉀 二氧化碳等 由于其本身的缺點(diǎn) 現(xiàn)除二 氧化碳還用于生產(chǎn)干冰等制冷系統(tǒng)外 其余均被淘汰 現(xiàn)被采用的制冷劑約有二三十 種 主要有氨 氟利昂 水等 13 從19 世紀(jì)30 年代 Perkins 發(fā)明了蒸氣壓縮式制冷循環(huán)后 人類迎來了制冷技術(shù) 的發(fā)展期 而制冷劑的發(fā)明 更新和替換始終貫穿整個過程 目前根據(jù)新時期的發(fā)展 要求 制冷劑又將面臨新的挑戰(zhàn) 表2 1所表示的是J M Calm所描述的制冷劑的發(fā)展的 4個階段 14 14 為發(fā)展制冷工業(yè) 人類發(fā)明了各種各樣的制冷劑 但是 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或者潛藏著 對環(huán)境的危害作用 這時 第1代制冷劑中的 天然制冷劑 重新燃起了人們的希望 表2 1 制冷劑發(fā)展歷程 第1代 第2代 第3代 第4代 年代 1830 1930 1931 1990 1991 2010 2010 原則 能用即可 安全與耐久性 臭氧層保護(hù) 防止全球變暖 低ODP 低 GWP 高效 制冷劑 醚類 CO2 空氣 甲酸甲酯 CFCs HCFCs NH3 H2O HCFCs HFCs NH3 H2O HCs CO2 HCFCs NH3 H2O HCs CO2 空氣 氨具有優(yōu)良的熱力性能 ODP 0和GWP 1 但有毒 在化學(xué)工業(yè)和食品工業(yè)中 以及中央空調(diào) 歐洲 都重新得到了應(yīng)用 二氧化碳 ODP 0和GWP 1 用跨臨界 循環(huán)熱泵提供熱水 作為復(fù)疊循環(huán)低壓級和低溫載冷劑時具有優(yōu)良性能 碳?xì)浠衔?ODP 0和GWP 1 用于冰箱制冷劑和發(fā)泡劑 也可用于冷水機(jī)組 RAC 和PAC等 但易燃易爆 這非常不利 水 ODP 0和GWP 1 用于冷凝溫度較低的水冷冷水機(jī) 組以及冰蓄冷機(jī)組 在不同的目標(biāo)下 采用有優(yōu)良性能的 天然制冷劑 可能是大勢所趨 15 3 設(shè)計計算 3 1 系統(tǒng)的熱力計算 系統(tǒng)方案的初定 該帶有冷藏功能的家用柜式空調(diào)中采用的制冷劑為 R22 制冷量為 6kw 暫取 過冷度為 5 過熱度為 5 冷凝器類型為套管式冷凝器 空調(diào)蒸發(fā)器類型為強(qiáng)制 對流直接蒸發(fā)式冷凝器 壓縮機(jī)為全封閉活塞式壓縮機(jī) 3 1 1 空調(diào)系統(tǒng)的熱力計算 名義工況下制冷量為 6KW 制冷劑為 R22 1 制冷循環(huán)熱力計算 1 循環(huán)參數(shù)及壓焓圖 所設(shè)計空調(diào)器實(shí)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 BP 蒸發(fā)溫度 冷凝溫度 50 t5kt 過冷溫度 4 吸氣溫度 1t 室內(nèi)干球溫度 27 濕球溫度 19 5 室外水溫度 32 循環(huán)的 p h 圖如圖所示 16 圖 3 1 R22 壓焓圖 2 各點(diǎn)參數(shù)值 查 R410a 熱力性質(zhì)表和圖 參數(shù) Ct aMP kgmv 3 kgJh KkgJs 0 5 00 0 584 0 0403 406 71 1 7433 1 10 00 0 584 0 0414 410 51 1 7568 2s 80 62 2 175 0 0131 444 39 1 7568 2 89 60 2 175 0 0131 452 86 1 7804 4 50 00 2 175 0 0092 263 05 1 2076 表 3 1 R22 參數(shù)值表 3 熱力計算 單位質(zhì)量制冷量 3 1 0406 7123 54 6 qhkJg 單位理論功 17 3 2 02145 8610 42 35whkJg 單位冷凝負(fù)荷 3 3 24 39 8 ksq 制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量 3 4 06 0417 13mQkgsq 實(shí)際輸氣量 3 5 3310 47 6 28 vsmq msh 輸氣系數(shù) 3 7 LTpv 取 0 65 壓縮機(jī)的理論輸氣量 3 8 331 7290 2 610 65vshqmss 壓縮機(jī)理論功率 3 9 0 417 379mPqwkW 壓縮機(jī)指示功率 取壓縮機(jī)指示效率為 3 10 0 8i 3 11 0 692 18iik 壓縮機(jī)軸效率 取壓縮機(jī)摩擦效率 3 12 0 1mPKW 壓縮機(jī)電機(jī)即輸入功率 3 13 2 3elim 3 1 2 房間的熱力計算 1 使用環(huán)境條件 房間周圍環(huán)境溫度 相對濕度 40at 75 2 室內(nèi)溫度 冷藏室不高于 20 18 3 室內(nèi)有效容積 360m 4 制冷系統(tǒng)為單級蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng) 冷卻方式采用直冷式 5 房間結(jié)構(gòu) 外形尺寸為 4m 5m 3m 寬 長 高 熱負(fù)荷 房間漏熱量 Q 房間隔熱量包括 通過房間墻體的漏熱量 通過房門和門框的漏熱量 aQbQ 通過房間結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量 即c 3 15 abc 1 箱體隔熱層的漏熱量 aQ 由于箱體外殼鋼板很薄 而其熱導(dǎo)率 值很大 所以熱阻很小 可忽略不計 內(nèi)殼多用 ABS 塑料板真空成形 最薄的四周部位只有 1 0mm 塑料熱阻較大 可將 其厚度一起計入隔熱層 因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程 即 3 16 aabQKAt 式中 A 房間外表面 單位為 2m 室外空氣溫度 取 40 at 室內(nèi)空氣溫度 取 26 b 傳熱系數(shù) 為 2KWK 單 位 為 3 17 12 式中 室外空氣對墻體外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 取 1 210WmK 墻體內(nèi)壁表面對室內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 取 2 墻體厚度 取 200mm 墻體的熱導(dǎo)率 取 0 2WmK 箱體隔熱層漏熱量為以上各箱面?zhèn)鳠崃康目偤?3 18 18aQ 19 2 通過箱門與門封條進(jìn)入的漏熱量 bQ 由于 值很難用計算法計算 一般根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)給出 可取 為 的 15 值 bQ bQa 3 19 0 15 182 baW 3 箱體結(jié)構(gòu)部件的漏熱量 c 取為 10WcQ 冷藏箱箱體漏熱量為 3 20 1 182 06 2abcQW 3 2 壓縮機(jī)的選取 根據(jù)以上計算結(jié)果知 總的制冷量為 3 21 062 6 2QW 壓縮機(jī)的選擇及制冷劑流量校核 選用丹佛斯 MT028 型渦旋式壓縮機(jī) 額定制 冷量為 6700W 電機(jī)輸出功率為 2 51KW 壓縮機(jī)總的理論輸氣量為 3 22 330 29 10 4 vhqmsh 名義工況下的制冷劑質(zhì)量流量為 3 23 1 306 75 451230mQkgsq 3 3 冷凝器設(shè)計計算 冷凝器采用水冷冷凝器 制冷量 6 7KW 使用套管式 下圖所示為強(qiáng)制通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器的整體結(jié)構(gòu)示意圖 20 圖 3 2 套管式冷凝器 1 進(jìn)水溫度 32 輸水溫度 40 則對數(shù)平均溫差為 3 24 21240318 765lnlwmktt 選取管內(nèi)流速 5 s 選取管內(nèi)冷卻水污垢系數(shù) 320 17 irmkw 選取 的紫銅管軋制的低翅片管為內(nèi)管 選用管的管型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下 16 m 翅片節(jié)距 管內(nèi)徑 翅根管面外徑 翅頂直5h id12 86bdm 徑 8td 每米管長各有關(guān)換熱面積分別為 3 25 220 1 0 346 iiadm 3 26 2 58615 089 dtfS m 2 22 2 13 ftbfa 3 27 2 0 186 50 3 05 bftfdS 21 3 28 3 29 200 154 fdfbaam 時 冷凝器負(fù)荷系數(shù)5kt 0t 8C 則冷凝熱負(fù)荷 3 30 01 26705kQW 2 確定內(nèi)管根數(shù) 水在平均溫度 時 密度 比定壓熱容34mt 394 kgm 則冷卻水流量 4179 pCJkg 3 31 21 4385762 5810 94 31403kvwq sct 根據(jù)所選管型 及管內(nèi)水速 則所需內(nèi)管根數(shù)idm2 ms 3 32 422 5810 4vqnd 根 3 傳熱計算 先計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 水在 時 運(yùn)動粘度3mt 62 0 741 ms 3 33 62 501Re274td 故水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流 考慮將套管盤成 的螺旋盤管 盤管水5R 側(cè)換熱修正系數(shù) 3 34 1 1 7 7 62iRd 則水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 3 35 0 80 8 2225190 wiRiBWmkd R22 在 時物性集合系數(shù) B 1233 5kt 所選管增強(qiáng)系數(shù) 取蒸氣流速影響系數(shù) 1 3 6 套管管間 R22 冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 3 00 25 0 250 250 25 7 72513 8131kbBd 22 36 取紫銅管熱導(dǎo)率 39 wmk 3 37 00 250 7511kq 00 038 69218 764 031 72960 61imfofiqar 3 38 單位為 20 qW單 位 為 0 聯(lián)立 0 78 兩式 分別為0221659 163 mW和 取 計算 則冷凝器所需傳熱面積2 q 3 39 2208570 116kofQAmq 所需低翅片管有效總管長 3 40 2 57 3 401ofLa 因為為一根套管 且外管 半徑3 m 125Rm 3 41 34521 所以冷凝器總高約為 0 16m 532 160m 3 4 蒸發(fā)器設(shè)計計算 3 4 1 室內(nèi)蒸發(fā)器設(shè)計計算 1 進(jìn)口空氣狀態(tài)參數(shù) 空氣干球溫度 濕球溫度127gt 19 5st 查濕空氣 h d 圖 進(jìn)口處空氣比焓值 含濕量 相5 8 hkJ dgk 對濕度 50 2 風(fēng)量及風(fēng)機(jī)的選擇 23 一般每 KW 冷量 的風(fēng)量 故蒸發(fā)器風(fēng)量為 30 5 ms 3 42 336 70 5 1206 vqmsh 選 DF2 4 型離心通風(fēng)機(jī) 風(fēng)量 全壓 110Pa 轉(zhuǎn)速 14 89vh 配用電機(jī)功率 90W 720 inr 3 蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度焓差 及出口處空氣焓值 3 43 0126 714 35 89vQhkJgq 出口空氣焓值 3 44 215 kJ 設(shè)出口處相對濕度 則出口處空氣干球溫度 含濕量90 216gt 將 h d 圖上的空氣的進(jìn)出口狀態(tài)點(diǎn) 1 2 相連 延長與飽和線相交 10 2 dgk 得 3 8 wthJg 圖 3 3 空氣處理過程 h d 圖 24 4 初步確定蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù) 采用強(qiáng)制對流的直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器 連接整體式鋁套片 紫銅管為 正三角形排列 管間距 排間距 鋁片厚10 5m 125Sm 21 65Sm 片距 鋁片熱導(dǎo)率數(shù) 1 8fSm 04 wk 每米管長翅片表面積 3 45 2 210 22 50 216 44 0 514 8ffda mS 每米管長翅片間基管外表面 3 46 0 220 180 15 0 8 fbdSa mm 每米管長總外表面積 3 47 20 514 28 543 offba 每米管長內(nèi)表面 3 48 22 9 0 iidlmm 肋化系數(shù) 3 49 0 5431 28ofia 肋通系數(shù) 指每排肋管外表面積與迎風(fēng)面積之比 3 50 10 54321 7offyAaNS 凈面比 指最窄流通截面積與迎風(fēng)面積之比 3 51 100 5 0 8 05 21fSd 5 結(jié)構(gòu)設(shè)計傳熱面積 管長及外形尺寸 取沿氣流方向管牌數(shù) N 3 分兩路供液 迎面風(fēng)速 則最小截面流速2 fms 為 25 3 52 max23 6 0 5f ms 迎面風(fēng)速 3 53 2214 194360vyfqA 總傳熱面積 3 54 22 194 73 6ofyaNm 所需管長 3 55 6 2 80543ofALa 取蒸發(fā)器高度方向為 12 排 蒸發(fā)器高為 3 56 1 0 HSm 蒸發(fā)器長 3 57 94 370yAL 蒸發(fā)器寬 3 58 32 31 65 BNSm 26 圖 3 4 蒸發(fā)器管排方式 6 傳熱溫差 3 59 1207165 87lnlgmt 7 傳熱計算所需傳熱面積 取總的傳熱系數(shù) 所需傳熱面積為 243 5 kWk 3 60 20679 1 58ofmQAmA 所設(shè)計的蒸發(fā)器能滿足要求 8 空氣側(cè)流動阻力 凝露工況下 氣體橫向流動整套叉排管簇時的阻力可按下式計算 3 61 1 7max1 298eBpAd 對于粗糙的翅片表面 0 3A 當(dāng)量直徑 27 3 62 1022510 852 97feSd m 沿氣流方向蒸發(fā)器長 寬度 空氣密度 6Bm3 kg 凝露工況下取 則1 2 3 63 42 8 10 PpaH 所以 選擇的 DF2 4 型離心式通風(fēng)機(jī)能滿足壓頭要求 3 4 2 室外蒸發(fā)器設(shè)計計算 查 MT028 型渦旋式壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度為 10 冷凝溫度為 55 時的制冷量 0 2 9QKW 蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差及出口焓值的計算 3 64 0122 94 8 13vQhkJgq 時 15t 1 5 kJg 所以 3 65 21 5483 hkJg 故可知 28t 傳熱溫度 3 66 120583 271lnlmt 所需傳熱面積 3 67 2029 14 743 5mQAmk 取與室內(nèi)蒸發(fā)器相同的管型 相同的結(jié)構(gòu) 將沿氣流方向管牌數(shù) N 設(shè)置為 4 即 可滿足換熱面積 3 68 20 65 20 87BS 長寬與室內(nèi)蒸發(fā)器相同即可實(shí)現(xiàn)換熱面積 28 4 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇 4 1 節(jié)流機(jī)構(gòu)概述 作為制冷循環(huán)的四大部件之一 節(jié)流裝置在系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用 通過 選擇應(yīng)用合適的節(jié)流機(jī)構(gòu)與制冷系統(tǒng)匹配是整個制冷設(shè)備降低能耗的重要一環(huán) 節(jié) 流的工作原理是制冷工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮 流體流速加快 壓力