1、目 录摘要 .IAbstract.II第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内外研究现状 .1第二章 ECO-ENERGY 热泵机组的热力学分析模型 .52.1 换热器的热力学分析模型 .52.1.1 换热器里制冷剂的换热系数和压力降系数 .62.1.2 管翅式换热器的翅片效率计算 .72.1.3 数值计算方法 .72.2 压缩机的热力学分析模型 .82.2.1 制冷剂流量计算 .82.2.2 压缩机功率计算 .92.2.3 压缩机排气温度计算 .92.3 热力膨胀阀的热力学分析模型 .92.3.1 阀杆位移与通流面积计算 .92.3.2 通过热力膨胀阀流量的计算 .102.4 毛
2、细管的热力学分析模型 .10第三章 热泵成霜和融霜运行性能分析 .133.1 热泵成霜运行性能分析 .143.2 热泵融霜运行性能分析 .153.3 智能除霜技术 .16第四章 ECO-ENERGY 热泵机组产品设计及总结 .184.1 ECO-ENERGY 热泵机组产品设计 .184.2 ECO-ENERGY 热泵机组产品总结 .21第五章 结论 .25参考文献 .26致谢 .28摘要当前，能源和环保问题越来越成为人们所关注的焦点，加上近年来可持续发展理论的提出，空气源热泵空调系统成为空调领域的热点，由于其具有高效节能、环境污染小，运行稳定可靠等优点，备受业界青睐。本设计对空调器制冷系统四大
3、主要部件(换热器、热力膨胀阀、压缩机和毛细管)进行性能仿真。在此基础上，通过确定制冷剂充注量，将上述四大部件串联起来形成制冷系经仿真主模块。同时，还对研究了换热器、热力膨胀阀、压缩机、毛细管的传热特性和流动特性。另外，系统地分析了空气源热泵机组系统结霜和除霜特性。最后对本设计工作做了总结与展望。关键词：ECO-ENERGY 热泵机组；换热器；压缩机；智能化；除霜AbstractNowadays, energy efficiency and environmental protection are the focus of most concern; moreover, the sustaina
4、ble development has being been implemented in more fields. Air source heat pump systems become the research focus because of its advantages such as high efficiency and energy saving, low environmental pollution, stable and reliable operation; thus, such heat pump systems are deeply favored by the pr
5、ofessional personnel. The performance simulation was carried out to the refrigeration system (primarily including heat exchangers, thermal expansion valve, compressor and capillary) in this study. On this basis, the four main components are connected in series by determining the filling amount of re
6、frigerant. At the same time, heat transfer and flow characteristics were also studied to the four main components. In addition, frosting and defrosting features were systematically analyzed to the air source heat pump system.The last part is summary and prospect of this thesis.Keywords: ECO-ENERGY H
7、eat Pump; heat exchanger; compressor; intellectualization; defrosting第一章 绪论1.1 研究背景从热力学的角度来讲，热泵就是利用冷凝器放出的热量来供热的制冷系统。和一般的制冷机器相比，热泵的工作目的和工作温度范围有所不同。在工程实践上，热泵和制冷机有许多共同点，也有许多不同点。热泵这个名词最早在欧洲使用约在 20 世纪初，但是相对制冷机器的发展，由于取暖方式的多样化，简单并且比较低廉，热泵的发展明显滞后。直到 20 世纪 30 年代，社会上出现热泵的需求，热泵才有了较快的发展。二次世界大战爆发以后，一方面中断了家用热泵的发展
8、，另一方面战时能源的短缺也促进了大型供热和工业用热泵的研究和发展。战后，各种热泵空调机器的研究才真正发展起来。一些国际组织，如国际制冷学会(IIR)、世界能源委员会(WEC)、国际能源机构(IEA)等，经常组织有关热泵的国际活动与学术会议，促进了热泵技术的发展。热泵的热源往往是低品位的，可分为空气、地表水、地下水、土壤、太阳能和废热等。空气源热泵是以空气作为热源的蒸气压缩式制冷系统，一般可以分为空气-空气、空气-水两种组合方式。早在 20 世纪 50 年代，我国就有不少学者进行了空气源热泵的研究和应用开发，但受当时制造工业水平的影响，热泵在实践中没有得到很好地应用。直到改革开放以后，由于经济的
9、飞速发展，人民生活水平的提高和住宅条件的改善，电力供应的增长，热泵技术才得到了充分的发展。自 20 世纪 90 年代以来，利用空气源热泵作为中央空调的冷热源得到了广泛的应用，使用地域由南向北迅速推广。因为这种机组的特点是一机两用，不需要冷却水系统，也没有因为使用锅炉带来的环境污染，安装方便，运行时可以作到无人看守等。1.2 国内外研究现状1824 年卡诺首先提出热力学循环理论之后，1852 年开尔文具体提出了热泵的设计思想，当时由于条件所限并没有立即得以实现。直到 1917 年德国卡赛伊索达制造厂首次把热泵应用于工业生产上。在 30 年代，从热泵本身来说由于设备的一次投资比采暖系统的一次投资要
10、高，以及因冬季温度低而使蒸发器表面容易结霜，要用电阻丝加热除霜，这无疑阻碍了热泵在西欧国家的应用。另外当时的发电厂效率低，电能成本高，压缩机和换热器的制造技术也不精良，且燃料的价格相对便宜，因此用热泵技术来采暖在经济并不合算。到了 20 世纪 50 年代，科学技术进步很快，电能成本降低，而燃料价格不断上涨，又由于精密工业和公共建筑大量要求进行空气调节，于是国外又积极开展热泵研究工作，并有了较大的发展，这段时间主要发展的是蒸汽压缩式热泵，目前已在空调方面获得广泛应用，产品已成系列化。美、日、西欧等国是热泵发展和应用的主要国家，他们几乎占领了全球的全部热泵市场。目前全世界热泵总数大约有 3 亿台（
11、其中日本 8000 万台，美国 9000 万台）。尽管美、日、西欧都是应用热泵的主要国家，但是他们热泵的发展却不尽相同。美国热泵的发展是以单元式热泵空调为先导，他们的主要目的是单户型用的热泵，主要生产以空气为低位热源的单元式热泵空调机组，同时在空气-空气单元式热泵空调机组的基础上又开发了适用于商业建筑的空气-水热泵和水环热泵系统。与美国不同的是，日本由于国内能源十分贫乏，因此他们的各种资源都严重依赖进口，从而他们主要集中在小型空气源热泵的研究。与美国和日本不同的是，西欧各国虽然在 50 年代初就开始从事热泵的开发和研究，但他们的目标却是在大型热泵装置的研发上，生产出的大型热泵主要应用于集中供热
12、或区域供热，其发展道路模式与美国截然不同。下面图 1.1 展示了世界单元式空气源热泵空调市场情况。图 1.1 世界单元式空气源热泵空调市场情况早在 20 世纪 50 年代，天津大学的一些学者就已经开始从事热泵的研究工作。天津大学热能研究所吕灿仁教授最早对我国热泵开展研究，1965 年天津大学与天津冷气机厂合作研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。1982 年上海工艺美术服务部采用上海冷气机厂的 8FS10 压缩冷凝机组设计了一套带辅助电加热的热泵系统，运行良好。1985 年中科院广州能源所设计并在东莞建造了一套用于室内游泳池的热泵，由太阳能和 25-40m 的深井中 24的地下水为热源组成水-水
13、热泵，制热性能系数达到 56。到上世纪 90 年代，我国开始生产以水为热源的制冷机、空调机与热泵。目前我国热泵热水器的生产厂已经超过 100 余家。60 年代末，我国就有热泵产品在暖通空调中应用。80 年代初到 90 年代末，我国暖通空调领域掀起了一股“热泵热” ，热泵空调业在我国的应用也日渐广泛，发展迅速。据相关信息中心预测统计，我国房间空调器在北京、上海、广州和深圳四大城市居民普及率高达 42.8%，其中 1/3 为热泵型。图 2 展示了我国房间空调器的产量。同时我国的吸收式制冷发展也较快，到 2010 年，我国空调机为 1000 多万台，同时在环保要求下，空气源热泵发展也较为迅速，如北京
14、市现不允许新建燃煤锅炉房，五环以内将取消和不允许新建燃煤锅炉房。图 1.2 我国房间空调器的产量1. 强大的经济实力和国内人们较强的节能和环保意识是推动热泵技术发展的基础和原动力。2. 必须因地制宜的发展我国热泵事业。我国大部分地区都处于冬冷夏热的区域，冬季需要供热夏季需要供冷，这种气倏条件直接说明了热泵在我国的使用前景很大。3. 能源价格比也决定了热泵的发展。而我国能源价格不合理是众所周知的，煤的价格十分便宜，这直接制约了我国热泵的发展。4. 热泵技术本身的创新及其他先进技术应用于热泵领域，是热泵持续发展的推动力。我国的学者们一直没有放弃在这方面的研究，并一直努力在这方面有所创新。第二章 E
15、CO-ENERGY 热泵机组的热力学分析模型空气源热泵系统是由压缩机、蒸发器、冷凝器、储液器和热力膨胀阀(节流装置)等主要部件组成的热力系统。空气源热泵系统中所进行的过程是一个融合传热、传质流动的复杂过程，这在本质上是一个动态过程。每一时刻的参数(温度、压力、比焓等)都不同于另一时刻的参数，而每一时刻不同空间位置的参数也不同，故它又是一个具有分布参数性质的过程。2.1 换热器的热力学分析模型换热器，换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器。换热器作为传热设备被广泛用于锅炉暖通领域，随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。按照适用
16、于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体可分为：表面式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器等。换热器按用途可分为加热器、预热器、过热器、蒸发器等。按换热器的结构可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U 形管板换热器、板式换热器等。随着经济的发展，各种不同型式和种类的换热器发展很快，新结构、新材料的换热器不断涌现。为了适应发展的需要，中国对某些种类的换热器已经建立了标准，形成了系列。完善的换热器在设计或选型时应满足以下基本要求：（1） 合理地实现所规定的工艺条件；（2） 结构安全可靠；（3） 便于制造、安装、操作和维修；（4） 经济
17、上合理。空气源热泵在制热时，是通过风侧换热器吸取大气环境的热量。由于空气源热泵风侧换热器整体结构尺寸和布局的多样性，要求适用的工况范围比较广，采用传统的集总参数方法研究难以适用研究目标的要求。因此本文采用分布参数方法建立适用于干工况、湿工况和结霜工况下的动态仿真模型。对于冷凝器同样也采用分布参数模型。为了使所研究的问题更为简单，在模型的描述中，采用以下几点假设:1制冷剂在流动方向截面上的热物理特性认为是不变的；2制冷剂内液相和气相处于热力平衡状态；3管壁的热阻力忽略不计；4不考虑制冷剂在管内的轴向导热作用；5不计流体的粘性耗散和动能；6不考虑制冷剂和二次流体的重力势能。2.1.1 换热器里制冷
18、剂的换热系数和压力降系数本文中我们将采用了 Jungor 的关联式来计算制冷剂蒸发过程的换热系数，因为他的关联式形式比较简单，比其他关联式具有更高的拟合精度，同时能够适用新型工质的计算。建立其热力学分析模型如下：（2.2.1）1tppolES（2.1.2）0.8.41.23RePr/llkd（2.1.3）0.5.1.06715gpoll Mq（2.1.4）.8.64037/uEBX（2.1.5）621.71.5RelSE（2.1.6）sgqohG（2.1.7）0.5.10.91vlulvuxX当换热管道为水平管并且傅鲁德数(Fr)小于 0.05 时，E 必须乘上因子 E2，S 必须乘上因子 E
19、2。（2.1.8）0.122FrE（2.1.9）S水平管内的局部冷凝热交换强度采用 shah 公式进行计算。尽管后来的研究者对不同形式的管内冷凝传热强化形式和不同的制冷剂工质(包括新型环保工质)作了大量的实验和理论研究，Shah 公式仍然被 2001 ASHRAE Handbook - Fundamentals 推荐作为局部冷凝换热系数的计算公式，这是因为这一公式具有最简单的计算形式和较好的准确度，尤其是对高质量流量的换热器计算。我们利用当量直径采用光滑管计算公式来计算内螺纹管的冷凝系数，这种处理方法也是很多研究者所采用的。（2.1.10）0.80.40.40.760.38r110.23Pr3
20、1/Pcu efDGNxx （2.1.11）1,rpllc（2.1.12）1RelxD对于单相液体强迫对流换热的计算，可以用著名的 Dittus 一 Boelter 计算公式： （2.1.13）0.40.8,.23lpl cDGkkJung 等的关联式用来计算蒸发过程(或冷凝过程)的压力降。（2.1.14）210lfGLpD（2.1.15）0.735.58tptpuloX（2.1.16）0.210.46Relf2.1.2 管翅式换热器的翅片效率计算我们知道，在换热器翅片表面情况下，一般可以采用 Kays-London 关系式来计算：（2.1.17）tanhfmL对于薄翅片，m 可以表示为：（2.1.18）2afin2.1.3 数值计算方法
