1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 直膨式太阳能热泵热水器设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 1目 录摘 要 IABSTRACTII1 绪论 11.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理及其特点 11.1.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理 11.1.2 直膨式太阳能热泵热水器的特点 21.2 直膨式太阳能热泵热水器的应用及其发展前景 .31.3 直膨式太阳能热泵热水器的设计要点 .42 方案选择与论证 .52.1 压缩机 .52.1.1 压缩机概述 .52.1.2 压缩机的比较 .
2、62.2 冷凝器 .92.2.1 冷凝器概述 .92.2.2 冷凝器的比较 .92.3 蒸发器 .112.3.1 蒸发器概述 .112.3.2 蒸发器的比较 .122.4 制冷剂 .123 设计 计算 .133.1 系统的热力计算 .133.1.1 空调系统的 热力计算 .14直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 23.1.2 房间的热力计算 .163.2 压缩机的选取 .173.3 冷 凝器 设计计算 .193.4 蒸发器设计 计算 .204 节流机 构 的 选择 244.1 节流机构概述 .244.2 节流机构的分类 .254.3 毛细管的选择计算 .305 其他辅助设备
3、的计算与选型 315.1 干燥过滤器计算与选型 .315.2 气液分离器的计算与选型 .325.3 截止阀的选取 .345.4 电磁阀的选取 .355.5 压力控制器选取 .365.6 压差控制器的选取 .375.7 温度控制器的选取 .376 制冷剂充注量计算 38结束 语 40致 谢 .41直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 2参考文献 .42直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 1直膨式太阳能热泵热水器设计摘 要多功能热泵空调热水一体系统是将建筑物夏季供冷，冬季供热功能与热泵热水功能集成为一体的建筑物小型综合能源系统。整个系统只是在普通热泵空调的基础上增
4、加水一制冷剂换热器和一些管道以及阀门等附件，是一种提高空调设备利用率和提高空调器整体能源利用率的系统。该系统在夏季的时候利用空调制冷时向环境排放的热量制取生活热水；过渡季节可以独立作为热泵热水器运行；冬季在制热和制热水间交替运行，利用不向建筑物供热的时间制取生活热水。本文对多功能空调热水一体系统的原理及其在空气源热泵和地源热泵系统上的应用进行了详细的分析和研究。本文提出多功能空气源热泵空调热水一体系统，对系统构成和功能分析的基础上，设计和搭建了家用多功能热泵空调热水试验系统。在该试验系统上完成了夏季制冷兼制热水的试验和春秋季以及冬季单独制热水的试验。试验结果表明获得 40和 50的生活热水，夏
5、季制热水性能系数达到 2.54.0，春秋过渡季节在 2.92.2 之间变化。冬季的平均制热水性能系数可以达到 2.1。试验验证了系统可靠性和节能效果。根据多功能空气源热泵空调热水系统与太阳能热水系统联合运行的构想，完成了两者联合运行的初步试验，试验数据表明两者可以联合运行降低制热水的能耗，同等升温幅度的情况下先运行热泵比后运行热泵耗时少，耗能少。 关键词 多功能/复合热水系统/空调/太阳能热泵/系统模拟/节能Direct expansion solar-assisted heat pump water heaterABSTRACT直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 IIMul
6、tifunctional 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
7、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
8、 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
9、 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 hea
10、t pump system supplied hot water with a temperature at 4050 and the performance coefficient EER ,ranged from 2.54.0. The Spring/Autumn experiment results shows that the performance coefficient EERW ranged from 2.92.2; And the winter the average performance coefficient is 2.1.Experiments of performan
11、ce 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，ai
12、r conditioning，air source heat pump，experimental study，system simulation，energy saving直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 11 绪论通过将太阳能热水系统和空调热泵系统结合，设计出太阳能复合能源空调系统。太阳能复合能源空调热水系统是采用一种新型的系统结构将太阳能热水系统和热泵空调热水系统相结合，夏季通过室内的蒸发器降低室内温度和湿度，并可以同以利用冷凝器散热和太阳能提供生活热水。冬季不需要室内降温降湿的情况下，可以利用热泵与太阳能提供生活热水。系统主要通过太阳能系统提供热水，由于太阳能辐射表现
13、为夏季充足和冬季不足的特点，当太阳能辐射充足时，直接通过太阳能热水系统提供生活热水，当太阳能辐射不足时，启动热泵系统辅助制热，因此太阳能复合能源空调系统克服了单一太阳能热水系统的季节问题。本文主要介绍了太阳能复合能源空调热水系统的技术特点和工作原理，较为详细的介绍了 6KW 太阳能复合能源空调热水系统设计计算以及其相关零部件的选取。1.1直膨式太阳能热泵热水器系统的工作原理及其特点1.1.1 直膨式太阳能热泵热水器的工作原理太阳能复合能源空调系统由太阳能热水子系统，热泵空调热水子系统组成。太阳能子系统包括集热器、保温水箱等；热泵空调热水子系统包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置，以及带有盘管换
14、热器的保温水箱，循环水泵等（如图 1 所示） 。太阳能复合能源空调热水系统，是利用水冷冷凝器的形式回收空调冷凝热，并用于生活热水的初级加热，利用太阳能对生活热水进行二级加热供全年生活热水使用。直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 4图 1 系统热泵侧原理图该系统将太阳能热水器与传统蒸汽压缩式家用空调进行有机结合：在压缩机的排气侧，用一个“水-制冷剂”的排气换热器替代了原有的“空气-制冷剂”的换热器，提高进入太阳能集热器的用户侧回水温度。由于系统将传统空调系统的室外“空气- 制冷剂 ”换热器改为“水-制冷剂”的排气换热器。因此，在制冷过程中，原来制冷工质应与室外空气进行热交换而向
15、外界排出冷凝热，而现在该过程转换成与冷水进行热交换以加热家庭热水，从而将原来需排向室外空气的冷凝热加以利用，起到了热回收的作用，得到较高的系统能效比。该系统有如下几种模式：(1) 单独制冷模式原理：制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱里冷凝放热给水，水再进过风冷水循环通过室外换热器将热量排放到室外。(2) 单独热水模式原理：制冷剂通过室外换热器吸收室外环境环境热量，经过压缩机压缩，通过水冷冷凝器在热泵水箱中放热给水从而提供生活热水。(3) 制冷兼热水模式原理：制冷剂通过室内换热器在室内蒸发吸热(提供冷量)，经压缩机压缩，同 通过水冷冷凝器在热泵
16、水箱里冷凝放热给水来提供生活热水。1.1.2 直膨式太阳能热泵热水器系统的特点空调热水器的工作原理与空调原理有一定相似，应用了逆卡诺原理，通过吸收空气中大量的低温热能，经过压缩机的压缩变为高温热能，传递给水箱中，把水加热起来。整个过程是一种能量转移个过程（从空气中用转移到水中） ，不是能量转换的过程，没有通过电加热元件加热热水，或者燃烧可燃气体加热热水。 因而它相对其它热水器，具有以下特点： (1) 厨房制冷功能：这个是最大的优势，普通热水器（如电加热，燃气热水器，太阳能热水器等）根本不可能有制冷的功能。如果厨房要额外增加制冷功能，需要买一台厨房空调。由于厨房有油烟，是个特殊的环境，所以厨房空
17、调跟普通空调是不一样的，价格也要贵很多。(2) 卓越的安全性：由于它不是采用电热元件直接加热，故相对电热水器而言，杜绝了漏电的安全隐患；相对燃气热水器来讲，没有燃气泄露，或一氧化碳中毒之类的安全隐患，因而具有更卓越的安全性能。 直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 5(3) 无与伦比的舒适体验：空调热水器是蓄热式的，加热功能根据水箱内的温度自动启动，保证热水 24 小时充足供应，因此不会出现像燃气热水器那样无法同时满足多个水龙头用热水的问题，也不会出现电热水器容量小，多人洗澡需要等待的问题。即开即用热水，出水量大，出水温度稳定，满足你所有对热水的期望。 (4) 绿色环保：冷气热
18、水器之环保。燃气热水器通过燃烧可燃气体加热热水，同时排放大量的二氧化碳，二氧化硫等有害废气。空调热水器只是将周围空气中的热量转移到水中，完全做到零排放，对环境几乎不产生影响，是真正的环保热水器。 (5) 低碳时尚：在节能减排已经成为时代潮流的今天，节约能源，减少碳排放是最时尚的生活方式。前面已经提到，空调热水器采用的是逆卡诺原理，将空气中的能量转移到水中，不是直接用电热元件加热，因此其能效可达到电热水器的 4 倍，即加热等量的热水，耗电量相当于电热水器的四分之一，大大节约了电力的消耗。 (6) 省钱：由于其耗电量只有等量电热水器的四分之一，即相当于使用同样多的热水，使用空调热水器，电费只需电加
19、热的四分之一。以一个 4 口之家来计算，正常热水使用量在 200L/天左右，用电热水器加热，电费大约需要 4 元/ 天，而空调热水器则只需要约 1 元/天，一年可以节约 1000 元左右的电费。1.2 直膨式太阳能热泵热水器的应用及其发展前景在现代社会中，制冷技术的应用已涉及到国民经济的各个部门以及人们的日常生活，伴随着生产力、国民经济的迅速发展和人民生活水平的快速提高，太阳能复合能源空调热水器有着广大的发展空间和发展潜力。生活水平的提高使得人们对家居环境及办公场所的舒适性和健康性的要求越来越高，但是现在一般的家庭居住面积或者办公室的面积都不是特别大，室内负荷小，采用中央空调会造成巨大的能源浪
20、费。同时如果采用一套大型的中央空调系统，中央空调不容易计算费用的问题又随之而来，所以就目前中国的现状来说，像中央空调这种集中式的空调系统在我国还是无法广泛的应用。一般的家庭都会选择制冷量比较小，占地面积小的空调器。这样不仅能满足人们对舒适环境的需求，还能减少能源的浪费，又不会带来不必要的收费困难。现在小型家用空调也应该向着节能、直流变频、无氟和健康等方向发展。空调发展到现在，家用空调对节能型以及环保的要求也很高，目前，建筑能耗在社会总能耗中占的比重比较大，而空调的能耗在建筑能耗中占了非常大的比重。直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 6如何开发节能技术、空调能耗，是行业内的重要
21、课题。变频技术应用在空调领域可以降低电能的损耗，因而变频空调是时下比较引人注目的空调产品。随着哥本哈根气候大会之后，气候问题已经成为全球人共同关注的问题，因此发展无氟空调是大势所趋。臭氧层的破坏是当前全球面临的重大的环境问题之一，由于以前空调业所采取的传统制冷剂对臭氧层有破坏作用及温室效应，对大气造成破坏，因而无氟空调是众所期待的产品。尤其是欧盟及美国等发达国家已禁止有氟空调进入国内市场。从能源学的角度来看，不建议用电热水器，电是高品位的能源，热是低品位的能源，所有的能量最后都能转变成热。电应该做动力，譬如用在空气能热水器上作为压缩机的动力来源。作为一种节能的热水器，从国家层面上来说，能取代电
22、热水器是好事。日本花了十年，把电热水器替换掉。日本政府对空气能热水器进行了一系列补贴，用户花买电热水器的钱，买到空气能热水器。 而对于我国来说，目前还有许多基本的民生问题，如教育、医疗、养老等需解决，热水供应目前还不能像日本那样享受补贴。如果空气能热水器大批量生产，价格会降下来。相信总有一天，电热水器会被淘汰掉。空气能热泵热水器用于家庭，好处多多，严冬水温低，燃气热水器较难把水温烧到足够热；储水式电热水器烧水速度比较慢，储水量一般只有 80 升左右；太阳能热水器占用空间比较大，冬天阴冷天气多，日照时间短，较难保证水温，没有太阳照射的天气需要依靠电辅加热。相比之下，空气能热泵热水器制热水量充足，
23、还可按照多口之家的日常热水需求，灵活搭配 100 至 400 升的大容量水箱，实现多点同时供应热水，同时满足浴缸、淋浴、厨房、洗衣等多类用水；它的水温恒定，不会因为水龙头开多开少而忽冷忽热。据专家测算，如果用空气能热水器来代替电热水器，一年就可节省八百多度电，相当于一个普通家庭三个月的用电量。目前全国热水器保有量约 1.3 亿台套，其中电热水器保有量约 4000 万台，每年耗电约 670 亿度。全国只要有 10的电热水器被这样替代，一年就可以节约出 33 亿度电，折合约 129万吨标准煤，相当于两个中等煤矿全年的产量。空气能热泵热水器高效节能、环保、安全，所以成为当今世界上开拓利用能源最好的设
24、备之一。据悉，国外同类产品已经相当成熟，在发达国家使用的比例高达直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 770。由于看好热泵热水器的发展前景，近年国内投资也开始向这一行业集聚。1.3 直膨式太阳能热泵热水器的设计要点这种空调热水器是针对家庭的使用需要研发的，首先能满足家庭一年四季的热水供应。对于家庭用户来说，一年四季都需要热水，只有少数的几个月需要冷气。热水需求大于冷气需求。因此从全年来看，家庭需求更强调的是“热水器” 。空调热水器的工作原理是将空气中的能量吸收，变成热量转移到水箱中，把水加热起来，同时把失去大量能量的低温空气释放到室内，用于部分制冷。简单来说，一台空调热水器，可
25、以给全家提供中央热水的同时，免费给某个房间制冷，产生空调的效果。（1）选用比较节能和高效的设备，以减少不必要的能量损失，提高空调器的实际工作效率。（2）是从环境保护的角度出发，采用早期制冷剂氟利昂的替代品R410A 。（3）改进空调系统的单一性，增加了冷藏箱，采用“一拖二”的形式，既给人们带来舒适的生活环境，又给食物的冷藏带来了便利。（4）压缩机的合理选择；压缩机是太阳能复合能源空调热水器的关键装置,其性能的优劣直接影响整个制冷循环的性能,在选择压缩机时应注意以下几点:首先在高温工况下运行，对于户外分体机,夏季较高的室外温度使蒸发器蒸发温度过高,导致压缩机的吸气压力、吸气温度过高。其次在低温工
26、况下运行，对于户外分体机,冬季较低的室外温度,使蒸发器蒸发温度、蒸发压力下降，会造成压缩机的压缩比升高,过高的压缩比将超出压缩机的运行范围,使压缩机不能正常工作。2 方案选择与论证2.1 压缩机2.1.1 压缩机概述压缩机在蒸汽压缩式制冷空调系统中，压缩机是决定制冷系统能力大小的关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响。它是整个制冷系统的动力来源，它在消耗一定的电功后，将蒸发器中的低压制冷剂气体吸入，并把它压缩到冷凝压力再进入冷凝器中去，从而保证制冷剂蒸汽能在常温下直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 8冷凝液化，从而使得制冷循环得以顺利进行，因而
27、人们形象地称之为制冷设备的心脏。制冷压缩机按密封结构形式可分为开启式压缩机、半封闭式压缩机和全封闭式压缩机。15KW 以下的小容量制冷压缩机大多采用全封闭式压缩机。全封闭式压缩机中电动机和压缩机连成一个整体，装在一个不能拆开的密封机壳中，使用可靠性高，寿命长，运转平稳，噪音低，体积小，使用于小制冷量系统中。由于此次设计的空调系统的制冷量为 6kw，因此本设计选用全封闭式制冷压缩机 。由于压缩机是制冷产品技术含量最高、生产代价最大的关键部件。因而，国际上对制冷压缩机的研究从未停止、永无止境，从传热流动、噪声振动、摩擦润滑、材料材质、加工工艺到性能与可靠性，从机理分析、理论研究到机械结构、测试技术
28、等，几乎无所不包。每年都有大量的研究成果和文献出现，也能够观察到因之带来的进步和收益。同时近年来，国内制冷压缩机的研究与技术进步也取得了可喜的进展，特别是冰箱压缩机行业。在 UNDP/GEF 中国节能冰箱项目的推动下，冰箱压缩机的性能系数从几年前的 1.0 左右发展到今天有数家国内冰箱压缩机企业最高达到 1.95，从而在一定程度上促进了制冷设备的发展 4。2.1.2 压缩机的比较2.1.2.1 滚动转子式压缩机 5滚动转子式压缩机是家用空调压缩机结构型式之一。滚动转子式压缩机比往复式压缩机结构简单得多, 而且体积小、重量轻、零部件少,尤其易损件少,比同样制冷量的往复式压缩机体积可减少 60%,
29、重量减少 35% ,零件减少 50 %。这种压缩机只进行旋转运动,不需将旋转运动转变为活塞往复运动,所以运转平稳、振动小、噪声低、质量稳定、可靠性高。在结构上,可把余隙容积做得很小,基本上没有膨胀气体的干扰。此外无吸气阀,使流动阻力小,导致容积效率高、性能好、能效比高。但这种压缩机对零件加工精度要求高,比活塞式的寿命短；而且这种压缩机只有一个转子且为偏心布置,转动起来振动和噪声仍较大,特别是对于较大功率机组,其气缸排量一般在644cm 3/ r。它分成几个系列,从小功率到中功率 , 品种较多。而且为了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度较高,每个系列产品外形基本相似,均为定功率段的产品。提
30、高压缩机 COP 值的措施主要是提高加工和装配精度,对压缩机结构进行最优直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 9化设计,改进排气阀结构,增大电机叠片厚度,采用特低铁损高磁通量的硅钢片和提高槽前率等多方面来实现；降低压缩机噪声主要通过更好的动、静平衡来减小振动, 缓冲压力脉动,以及设计更好的消声器等途径来实现；而提高压缩机的可靠性主要采用改进材料、加强工艺控制,强化实验手段,特别加工和设计保护元件和连接元件等来确保电机可靠性。利用彻底清除垃圾、应用高强度材料、进行各种试验以及根据不同情况配以不同储液器来确保压缩机的可靠性。2.1.2.2 涡旋式压缩机涡旋式压缩机是一类较新型的压缩
31、机，它也是家用空调压缩机结构型式之一。长期以来, 由于轴向力不能稳定平衡, 防自转机构不灵活,轴向、径向密封不完善, 以及涡形盘加工困难, 故未达到实用化程度。直至 70 年代后, 经美、日等国的研究, 才使涡旋式压缩机走上实用化道路。考普兰、开利、日立、三菱公司均生产这种压缩机。其主要特点有:无吸、排气阀,吸气压力损失小 ,压缩室压差小, 无余隙容积, 容积效率高, 可靠性高,功耗小, COP 大；涡旋回旋运动能形成几对压缩腔 ,因此力矩变化小,振动小,噪音低；结构简单,零部件少, 尤其易损件少，体积小，重量轻；对液击不敏感;转速高,有利于实现变频控制的方式来调节制冷量； 采用一种背压可自动
32、调节的可控推力机构,这样可保持轴向密封, 减少机械损失,防止异常高压, 确保压缩机安全；便于采用气体注入循环,从而可提高节能效果,减少压缩机开、停频率,控制室温变化，实现舒适空调；制造、加工精度高,成本较高。总体来说,其综合性能稍好于滚动转子式,特别适合于低噪声要求。目前主要用在 35HP3 大功率高档空调器上,是当前产品中最先进的。目前涡旋式压缩机的发展趋势主要在：进一步改进涡旋盘加工制造工艺, 降低成本；提高加工和装配精度, 合理考虑实际运行中密封间隙，降低泄漏损失, 进一步提高效率；研究变转速下涡旋式压缩机性能, 提高工作转速；研究开发自转型涡旋式压缩机等。2.1.2.3 往复式活塞式压
33、缩机往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、小型制冷装置中，按其结构分为滑管式和连杆式压缩机两类。（1）滑管式压缩机滑管式压缩机产生于 20 世纪 60 年代,它是往复活塞式压缩机的一种类型。其直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 10特点是结构简单, 工艺性好,成本较低,对零部件的加工精度要求不高,制造和装配都比较容易,所以发展较快。目前这类压缩机在国内外的电冰箱等小型制冷设备生产中应用比较普遍。缺点是活塞与缸壁间的侧力较大、磨擦功耗大、能效比偏低,因此目前滑管式压缩机正在进入衰退期,将逐渐被连杆式压缩机或旋转式压缩机所取代。（2）连杆式压缩机连杆式压缩机
34、也属往复活塞式,是制冷设备中采用时间较早的一种。其特点是运转比较平稳、噪声低、磨损小、使用寿命长、能效比较高、工作可靠、综合性能优良。但由于零部件形状复杂,加工精度要求较高,工艺难度较大,因此其发展一度受到限制,在电冰箱及其它小型制冷设备中被滑管式和旋转式压缩机所取代。近几年来随着机械工业的不断发展,对其结构进行了多方面的技术改进。目前连杆式压缩机已成为电冰箱压缩机的主导产品,总需求是有较大的提高。2.1.2.4 离心式压缩机离心式压缩机是一种速度型压缩机。气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后，再在环形通道中将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级
35、式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成，压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器( 或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才能将能量传给汽体) 。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮做高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力
36、和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高,经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。离心式制冷压缩机的特点与特性：离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 11量较活塞式轻 58 倍；由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低；
37、工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能；能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大；对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂；离心式压缩机在大冷量范围内（大于 1500kw）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比拟的系统总效率。离心式压缩机的运动零件少而简单，且其制造精度要比螺杆式压缩机低的多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。此外，大型离心式压缩机如应用在工作压力变化范围狭小的场合中，可以避开由喘振所带来的问题，在不久的将来，总体和部分负荷（Integrated part lode va
38、lue）将愈来愈被重视，从而要求离心式压缩机要在较宽广的应用工况中工作效率高。但是，相对来讲，离心式压缩机的发展近来有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战，离心式压缩机自 1993 年就开始根据 CFCS 替代的需要进行着重新的设计，以使其热力和气动力性能得到更好的改善。因而已有很多离心式压缩机的工质替代转向从 HCFC22 置换为 HFC134 方面，其制冷量范围为 901250kw。2.1.2.5 螺 杆 式 压 缩 机螺杆式压缩机是靠汽缸中一对含有螺旋齿槽的转子相互啮合，造成有齿形空间组成的基元容积的变化，进行制冷剂气体压缩。螺杆式空气压缩机的工业生产始于1950 年，由于结
39、构简单、易损件少、外形紧凑、排气温度低、质量轻、不怕气体中带液和带尘压缩等优点,在国内外得到了飞速的发展。在操作上, 螺杆压缩机是压缩机中最简单的类型之一。在成本上，螺杆式压缩机和往复的、重型水冷却式压缩机相比, 每单位马力的原始投资要低 30 %6。随着螺杆式空气压缩机的更新换代, 它更是具备了高性能配置、高效率、高可靠性、高度智能化、友好的人机界面、安装费用低、适应国内电源、运行费用低、节能环保等特点。因此, 在今后相当长的时期内, 小容量空气压缩机将以螺杆式为主。综上所述可知：就压缩机的性能来讲，涡旋式最好，滚动转子式次之，往复式最差；就成本价格而言，相同制冷能力的压缩机，涡旋式最高，往
40、复式最低，滚动转子式介于其中；不同的压缩机其安全运行工况范围是不同的，通常活塞压缩机能直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 12够更好地适应高的压差和低的环境温度。在本次设计中，本系统选择全封闭涡旋式制冷压缩机。2.2 冷凝器2.2.1 冷凝器概述冷凝器是空调装置的主要换热设备之一。其功能是将压缩机排出的高温过热蒸汽冷却成液态制冷剂，所放出的热量被冷却介质吸收后排至周围环境中。过热蒸汽在冷凝器中放热而变成液体时，过程一般如下。制冷剂在冷凝器中先由过热蒸汽冷却为干饱和蒸汽，放出湿热，再由干饱和蒸汽冷凝为饱和液体，放出大量潜热。如果饱和液体继续得到冷却，就成为过冷液体。按冷却方式的
41、不同，冷凝器可分为空气冷却式冷凝器、水冷却式冷凝器、蒸发式冷凝器三大类 7。2.2.2 冷凝器的比较2.2.2.1 空气冷却式冷凝器空气冷却式冷凝器用于电冰箱、冷藏柜、窗式空调器、汽车及铁路车厢用空调装置、冷藏等运输式制冷装置，冷却介质为空气，适用于干旱缺水或水质低劣的地区。空气冷却式冷凝器根据空气的流动情况还可分为自然对流冷却和强制对流冷却两种。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机组。自然对流空气冷却式冷凝器依靠空气受热后产生的自然对流，将制冷剂放出的热量带走。这种冷凝器的传热效果低于强制流动空气冷却式冷凝器。由于不用风机，节省了风机电耗，还避免了风机运转时的
42、噪音，但是这种冷凝器的传热系数很低一般为916W/(mK) 8。强制对流空气冷却式冷凝器一般都制作成套片管式，由一组或者几组蛇形管组成。空气在轴流风机的作用下横向流过翅片管。强制通风用的风机常用轴流式风机。这种冷凝器的传热系数同样也较小，一般约为2335 W/(mK) 9 。它必须使用风机，要消耗一定的电能。2.2.2.2 水冷式冷凝器水冷式冷凝器是用水作为冷却介质来对压缩机的排汽进行冷却使其冷凝，冷却直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 13水可用江、湖、河、海及井水等。由于水的温度较低，所以采用水冷式冷凝器可以得到较低的冷凝温度和压力，从而有利于提高制冷装置的制冷能力及其运
43、行的经济性。目前常用的水冷式冷凝器有立式壳管式、卧式壳管式、套管式三种。（1）立式壳管式冷凝器在中型或大型的制冷系统中应用较广。立式壳管式冷凝器的优点是：占地面积小，可露天安装，对水质要求较低，清洗方便，传热效果比较好，冷却能力大。其缺点为：冷却水用量大，耗水量多，流速较高，且比较笨重。（2）卧式壳管式冷凝器在氨和氟利昂中等或大容量的制冷装置中都用的很普遍。卧式壳管式冷凝器的优点是：传热系数高，结构紧凑，空间高度低，有利于机组化；冷却水循环使用，耗水量相对立式壳管式冷凝器少；操作方便，运行可靠。缺点是：耗水量大，冷却水流动阻力大，水泵耗电多；对水质要求较高，清洗水垢不方便，且需要停止运行。（3
44、）套管式冷凝器由两根或几根大小不同的管子组成。大管子内套小管子，小管子可以是一根，也可以是数根。套管式冷凝器一般应用于制冷量在 40kW 以下的小型氟利昂制冷装置中。运行时制冷剂蒸气从上部进入，凝结液从下部流出。冷却水从上部进入内管，吸热后从上部流出。制冷剂与冷却水之间为逆流换热。在套管式冷凝器中，制冷剂同时受到冷水及管外空气的冷却，因而它的传热效果好，但是金属的消耗量较大。套管式冷凝器的优点：结构简单，传热效果好。缺点是制冷剂和冷却水的流动阻力大，对水质要求较高。方2.2.2.3 蒸发式冷凝器蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。蒸发式冷凝器的耗水量较少，空气流量
45、也不大 10。蒸发式冷凝器具有以下一些优点。（1）节水,一般在水冷式冷凝器中，每1kg冷却水能带走16.7525.12kJ 热量，而1kg水在常压下蒸发能带走约2428kJ热量，蒸发式冷凝器正是利用水的蒸发潜热来带走制冷剂热量，因而蒸发式冷凝器理论耗水量仅为一般水冷式冷凝器的1%；考虑到飞溅损失等因素，实际耗水量约为水冷式的5%-10% 11 。（2）节电，蒸发式冷凝器的制冷系统冷凝温度比用风冷式或水冷式冷凝器低。因而采用蒸发式冷凝器将使压缩机的输入功率减少，冷凝器的总耗功率（水泵、风直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 14机）也显著降低。（3）结构紧凑，蒸发式冷凝器本身起了
46、冷却塔的作用，因此不需配备冷却塔，由于不需要设置冷却塔，故整个装置结构紧凑、体积小、占地面积小。（4）不污染环境，不少化工厂以往采用壳管式或着淋激式冷凝器，夏季时由于冷凝压力过高，常常采用“放空降压” ，但每次放出的并不全是不凝性气体，其中含有大量的氨气，不仅氨损失相当严重，还造成环境污染，但采用蒸发式冷凝器后不存在这种现象。综上所述，由于装置所特有的低温、结构简单、紧凑、传热系数较小等特点，水冷冷凝器加热热水等优点，且制冷量为6KW。故可选用套管式冷凝器。2.3 蒸发器2.3.1 蒸发器概述蒸发器是制冷系统中一个主要的换热部件，其功能是将节流后的制冷剂在蒸发器内低压蒸发吸热，达到制冷目的。制
47、冷剂在蒸发器内的大部分区域处于是蒸汽状态，湿蒸汽进入蒸发器时期蒸发的含量只占10%左右，其余都是液体。随着蒸汽在蒸发器内的流动与吸热，液体逐渐蒸发为蒸汽，蒸汽越来越多，当流至接近蒸发器出口处时，一般已成为干蒸汽，到蒸发器末段，继续吸热，成为过热蒸汽。蒸发器按其冷却的介质不同分为冷却液体载冷剂的蒸发器和冷却空气的蒸发器。根据供液方式的不同，有满液式、干式、循环式、和喷淋式等。2.3.2 蒸发器的比较2.3.2.1 干式氟利昂蒸发器干式蒸发器是一种制冷剂液体在传热管内能够完全汽化的蒸发器。蒸发器传热管外侧的被冷却介质是载冷剂或空气,制冷剂则在管内吸热蒸发,蒸发器流量约为传热管内容积的百分之二十到三
48、十.增加制冷剂的质量流量,可增加制冷剂液体在管内的湿润面积.同时其进出口处的压差随流动阻力增大而增加,以致使制冷系数降低。干式蒸发器按其被冷却介质的不同分为冷却液体介质型和冷却空气介质型两类。而冷却空气的干式蒸发器又可分为冷却自由运动空气的蒸发器和冷却强制流动空气的蒸发器. 自由运动型一般被制成光管蛇形管管组，通常称作冷却排管，一般用于冷藏库和低温的实验装置中。强制对流型则是在自由型的管外设置肋片以提高传热系数。其多直膨式太阳能热泵热水器设计 热能 10-02 周喜乐 15用于空气调节装置和大型冷藏库以及大型低温实验环境场合。干式蒸发器的优点是应用相对要成熟很多,而且采用干式蒸发器不需要单独的
49、换热器回油设计，但是其缺点是系统效率会有所降低 12。2.3.2.2 满液式蒸发器 满液式蒸发器按其借个分为壳管式、直管式、螺旋管式等几种结构形式。它们的共同特点是在蒸发器中充满液态制冷剂，运行中吸热蒸发产生的制冷剂蒸汽不断地从液体中分离出来。其优点是制冷剂与传热面充分接触，具有较大的传热系数。但不足之处是制冷剂充注量大，液柱静压会给蒸发温度造成不良影响。且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。2.3.2.3 循环式蒸发器这种蒸发器中,制冷剂在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化,故称做循环式蒸发器。循环式蒸发器多应用于大型的液泵供液和重力供液冷库系统或低温环境试验装置。循环式蒸发器的优点在于蒸发器管道内表面能始终完全润湿，表面传热系数很高，其不足之处在与体积较大，制冷剂充注量较多。综上所述,由于在此次设计中的制冷剂为 R22，故而可选择强制对流直
