1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 7kW 分体式水源热泵 空调机组 学生姓名 专业班级 热能与动力工程 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 7KW 分体式水源热泵空调机组目 录中文 摘要 英文摘要 1 绪论 .11.1 水源热泵技术发展背景 .11.2 水源热泵技术发展现状 .11.2.1 国内发展现状 11.2.2 国外发展现状 21.3 水源热泵技术工作原理 31.4 水源热泵技术优势 41.5 水源热泵技术的局限性 52 方案论证与选择 .62.1 循环系统的设计 62.2 制冷剂的选用 .62.2.1 制冷剂分类 .62.2.2 制冷剂选用原则 .72
2、.2.3 制冷剂选用结果 .82.2.3 R134a 的性质 .82.3 水源热泵空调系统的构成 .82.3.1 水源热泵技术的工作流程 .92.3.2 系统运行原理 102.4 热泵性能分析 .107KW 分体式水源热泵空调机组2.4.1 热泵的经济性分析 102.4.2 冷热源分析比较 112.4.3 方案选择 122.5 压缩机选型 .132.5.1 压缩机种类比较 132.5.2 斡旋压缩机的特点 132.5.3 选择压缩机 142.6 冷凝器选型论证 .152.7 蒸发器选型论证 .162.7.1 蒸发操作的分类 162.8 节流机构的选择 .182.8.1 常用节流机构 182.8
3、.2 热力膨胀阀的种类 192.8.3 热力膨胀阀的选用 202.9 设计工况要求 .203 设计计算 .213.1 理论循环计算 .213.2 冷凝器的计算 .233.2.1 冷凝器传热管的选择及参数计算 233.2.2 冷凝器热负荷及冷却水流量 253.2.3 传热计算 253.2.4 所需传热面积 263.2.5 外套管选取 273.3 蒸发器的设计计算 .277KW 分体式水源热泵空调机组3.3.1 套管蒸发器传热管的选择及参数计算 273.3.2 确定管内根数 293.3.3 蒸发器整体结构 323.4 节流机构计算 .323.4.1 热力膨胀阀的选型计算 323.4.2 热力膨胀阀
4、选配 333.4.3 热力膨胀阀的安装 353.5 水箱参数计算及隔热要求 .353.5.1 几何参数计算 353.5.2 隔热要求及计算 374 辅助设备的设计计算 .394.1 四通换向阀 .394.4.1 四通换向阀的作用 394.4.2 四通换向阀的构成 404.4.3 四通换向阀的工作原理 404.2 油过滤器 .424.3 中间冷却器 .434.4 单向阀 .444.5 压力控制器选择 .454.6 温度控制仪选择 .454.7 分流器 .464.8 截止阀 .464.9 视液镜 .477KW 分体式水源热泵空调机组4.10 干燥过滤器 48结 论 .50致 谢 .52参考文献 .
5、537KW 分体式水源热泵空调机组7kW 分体式水源热泵空调机组摘 要本文分析了水源热泵空调机组的发展前景和节能方面的优势。主要介绍了的水源热泵空调机组设计思路及主要零部件的设计计算与选择计算方法，分析制冷剂选用原则及限制条件并确定 R134a 为制冷剂，综合考虑了各种压缩机的性能特点并确定了合适的压缩机，并详细介绍了热力计算、蒸发器的设计计算、冷凝器的设计计算、水箱的尺寸计算、隔热计算、节流机构的选择计算和一些其他零部件的选择计算的过程。分析了水源热泵空调机组的组成结构,论证了水源热泵的节能原理,根据水源热泵的技术特点，讨论了其在节能环保方面的巨大优越性。结合工程实际开发了不同类型的水源热泵
6、,对水源热泵系统进行了优化设计。此类水源热泵空调在工程应用中取得了良好的效果。关键词 水源热泵空调/制冷剂/压缩机/空调系统7KW 分体式水源热泵空调机组7kW SEPARATED TYPE WATER-SOURCEHEAT PUMP AIRCONDITION UNITABSTRACTThis paper analyzes the side of water-source heat pump air conditioning unit and the prospects for energy-efficient heat pump water heaters in the world. Int
7、roduced the water-source heat pump air conditioning unit design ideas and the main parts of the design and selection method Analysis of refrigerant selection principles and the conditions and restrictions to determine with R134a refrigerant; comprehensive account of the various performance character
8、istics of the compressor and to identify a suitable compressor; and gave details of thermodynamic calculation, evaporator design, the design of the condenser, the size of water tanks, insulation, the choice of cutting expenditure calculated and other parts of the process to choose. Design on the typ
9、es of water source heat pumps and the scale of space heating is obtained. Measurement scare shown that the heating system using geothermal heat pump is more economic than that using gas boiler.KEYWORDS water-source heat pump air condition，refrigerants， compressor， air-conditioning system7KW 分体式水源热泵空
10、调机组11 绪论1.1 水源热泵技术发展背景随着可持续发展和公众环保意识的提高，世界和中国的能源利用结构都正在转变，由原有的煤、石油取暖过渡到了以天然气及电等清洁能源的取暖方式。虽然将以煤为主改为以天然气和电力等替代能源，但是替代能源尽管可以部分解决大气污染的问题，可是天然气和石油等都属于不可再生的能源，从可持续发展的角度看，必须提高能源利用效率或者寻找可以再生的能源。此时具有经济、节能、环保等多方面优势的水源热泵中央空调系统应运而生，弥补了中国传统的供暖空调方式存在的问题，逐渐取代了传统的采暖空调模式 1。水源热泵是既可供热又可供冷的高效建筑节能技术，能有效节省能源、减少大气污染及温室气体
11、CO2 排放。水源热泵可采用多种形式的冷热源，如利用地球表面( 土壤 )或浅层水源 (如地下浅层水、河水、湖泊和海水等)，或者人工再生水源( 工业废水、废气等)，既可供热又可制冷的高效节能空调系统 5。与锅炉（电、燃料）和空气源热泵的供热系统相比，水源热泵具明显的优势。锅炉供热只能将 90%98% 的电能或 7090%的燃料内能转化为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省二分之一以上的能量；由于水源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为 1025，其制冷、制热系数可达 3.54.4，与传统的空气源热泵相比，要高出 40%左右，其运行费用为普通中央空调的
12、5060 2。1.2 水源热泵技术发展现状1.2.1 国内发展现状国内在地表水源热泵方面的应用才刚刚开始。现在利用海水和湖水的热泵都有应用，随着上海 2010 世博会的工程开工，利用黄浦江水作为冷热源的热泵项目也开始了建设使用。目前我国应用海水源热泵的项目有：青岛东部开发区和高科技工业园区采用了大型海水热源热泵供热； 2008 年奥帆赛配套项目 4000M 的奥帆媒体中心也已经确定采用海水源热泵技术；目前青岛市正在进行规划，准备在沿海一带实行海水供热供冷，取代锅炉； 在山东，湖南等地，也7KW 分体式水源热泵空调机组2有湖水源热泵应用的先例。我国对于水源热泵的研究起步比较晚，但是发展速度很快。
13、20 世纪 50 年代，就曾在上海、天津等地尝试夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大学热能研究所吕灿仁教授开展了我国热泵的最早研究，1965 年研制成功国内第一台水冷式热泵空调机。中国水源热泵的研究和应用才刚刚起步，与国外相比，在热泵机组的优化设计、 产品质量和工程技术上还存在着较大差距，地表水热泵系统更是如此。目前国内对于开式地表水源热泵的研究还是很有限。尤其，是在技术前沿的研究更有待做出更加深入研究 3。1.2.2 国外发展现状国外水源热泵研究分属于两种热泵系统：一种为源热泵，一种为海水热泵。其中源热泵真正意义商业应用也近十几年历史，但发展相当迅速。如美国，截止 1985 年全国共有 40
14、00 台源热泵，而 1997 年就安装了 45000 台，到目前为止已安装了 400000 台，每年以 10速度稳步增长。1998 年美国商业建筑中源热泵系统已占空调总保有量 9，其中新建筑中占 30。美国源热泵工业已经成立了由美国能源环境研究中心(Energy & Environmental Research Center)、美国下水资源联合会(National Ground Water Association)、爱迪生电力研究所(Edison Electric Institute)及众多源热泵制造设计销售公司以及政府机构和建筑商等 46 家成员组成美国源热泵协会，该协会近年中将投入一亿美元
15、从事开发、研究和推广工作。美国计划到 200 年达到每年安装 40 万台源热泵目标，其中，水源热泵占 5，届时将降低温室气体排放百万吨，相当于减少 50 万辆汽车污染物排放或种植树百万英亩，年节约能源费用达 4.2 亿美元，此后，每年节约能源费用再增加 0.7 亿美元 4。 与美国源热泵发展有所不同，中、北欧如瑞典、瑞士、奥利、德国等国家主要利用浅层热资源，下土壤埋盘管(埋深 2 L/ min) 上的空白；（4）提高对涡旋式空压机的加工工艺，保证压缩机性能和品质；（5）增强涡旋式空压机的市场竞争力，在保证性能和品质的基础上降低生产成本、运行成本，从而降低产品价格，并实现大批量生产。 2.5.3
16、 选择压缩机表 2-3 ZB26KQE-PFJ 全封闭涡旋压缩机参数制冷量 W 输入功率 kW 220V 时电流 A COP W/W 排量 cm3/rev7400 1.77 10.03 362 99排量 m3/h 润滑油充注 c 残留湿度 mg 净重 工质13.1 1.5 15 28 R134a按本设计的要求和设计计算得出的一些数据，可以选用 ZB26KQE-PFJ 全封闭涡旋压缩机，经过查艾默生谷轮压缩机系列，可知 ZB26KQE-PFJ 的额定工况为：频率 50HZ，蒸发温度 4，冷凝温度 45，过冷度 5，过热度 10。7KW 分体式水源热泵空调机组16表 2-4 压缩机工作工况ZB26
17、KQ E-PFJ 压缩机制冷剂 R134a频率 50Hz标准额定工况蒸发温度 4 冷凝温度 45 过冷度 5K过热度 10K2.6 冷凝器选型论证（1） 冷凝器是制冷装置的主要设备之一。它的主要任务是将压缩机排出的高压过热制冷剂蒸汽，通过向环境介质放出热量而被冷却、冷凝成为饱和液体，甚至过冷液体。水源热泵比较适合采用水冷冷凝器，水冷式冷凝器的特点是传热效率较高、结构较紧凑，适用于大、中、小型各类制冷装置。采用水冷冷凝器时，需设置冷却水系统，水侧会产生结垢，需定期清洗。水冷冷凝器结构型式最多，可分壳管式、板翅式、板片式、螺旋板式、套管式、壳盘管式、淋激式等。其中壳管式体积较大、重量也较重，但其耐
18、压较高、设计较容易、制造技术成熟、目前应用最广泛。板翅式通常为铝全钎焊结构，其传热系数较高、体积最小、重量最轻，作为冷凝器时耐压为 1.61.8MPa ，设计较复杂、制造成本较高、不易清除水垢。板片式通常为不锈钢全钎焊结构，其传热系数最高、体积较小、重量较轻，耐压为 2.83.2MPa ，设计复杂、制造成本最高、水垢可以化学清洗，由于其可以大幅减小制冷机的体积和重量，目前已大规模应用 16。螺旋板式耐压较低，应用较少。套管式与壳盘管式体积大、重量重，仅适合用于小型制冷系统，正逐步被风冷式冷凝器取代。淋激式体积大、重量也大、传热系数低、水垢结在管外难以清洗，目前已被淘汰 15。（2）制冷剂的蒸气
19、从上方进入内外管之间的空腔，在内管外表面上冷凝，液体在外管底部依次下流，从下端流入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入，依次经过各排内管从上部流出，与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器的优点是结构简单，便于制造，且因系单管冷凝，介质流动方向相反，故传热效果好，当水流速为 12m/s 时传热系数可达 800kcal/( /h)。套管式冷凝器结构如图 2-27KW 分体式水源热泵空调机组173 所示。图 2-3 套管式冷凝器结构图其缺点是金属消耗量大，而且当纵向管数较多时，下部的管子充有较多的液体，使传热面积不能充分利用。另外紧凑性差，清洗困难，并需大量连接弯头。因此，这种冷凝器在氨制冷装置中已很少应用。
20、对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器。2.7 蒸发器选型论证蒸发器的作用是将制冷剂液体气化成为蒸气，其作用是将低压制冷剂液体与低温热源进行热交换。蒸发器是吸收热量，为被冷却对象提供冷量的设备。2.7.1 蒸发操作的分类（1）按蒸发方式分： 1）自然蒸发。即溶液在低于沸点温度下蒸发，如海水晒盐，这种情况下，因溶剂仅在溶液表面汽化，溶剂汽化速率低。 2）沸腾蒸发。将溶液加热至沸点，使之在沸腾状态下蒸发。工业上的蒸发操作基本上皆是此类。 （2）按加热方式分1）直接热源加热。它是将燃料与空气混合，使其燃烧产生的高温火焰和烟气经喷嘴直接喷入被蒸发的溶液中来加热溶液、使溶剂汽化的蒸发过程。2）间接
21、热源加热。容器间壁传给被蒸发的溶液。即在间壁式换热器中进行的传热过程。7KW 分体式水源热泵空调机组18（3）按操作压力分 可分为常压、加压和减压（真空）蒸发操作。很显然，对于热敏性物料，如抗生素溶液、果汁等应在减压下进行。而高粘度物料就应采用加压高温热源加热（如导热油、熔盐等）进行蒸发。（4）按效数分 可分为单效与多效蒸发。若蒸发产生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，称为单效蒸发。若将二次蒸汽作为下一效加热蒸汽，并将多个蒸发器串联，此蒸发过程即为多效蒸发。蒸发器按其供液方式不同，有满液式、干式、循环式和喷淋式等。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。其传热管外侧的被冷却介质只载
22、冷剂(水) ，制冷剂则在管内吸热蒸发，其流量约为传热管内容积20% 30%。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，以至使制冷系数降低。满液式蒸发器的优点为：制冷剂蒸发换热系数较大，制冷剂蒸发沿程阻力系数极小。满液式蒸发器的缺点为：1) 制冷剂充注量极大； 2) 容易冻结；3) 静液柱影响较大； 4) 不易回油；5) 壳体内存在自由液面，不能用于车船； 6) 重量大，成本高。干式蒸发器克服了满液式蒸发器的部分缺点，其优点为：1) 制冷剂充注量小；2) 载冷剂在管外流动，不易冻结，冻结后不易损坏传热管；3) 容易回油，制冷剂与润滑油不分离
23、，无需从下部回油；4) 不存在制冷剂自由液面，可用于车船；5) 几乎没有静液柱影响。干式蒸发器的缺点为：7KW 分体式水源热泵空调机组191) 制冷剂在换热面上的浸润面积小，使得平均蒸发换热系数较小，在同样制冷量的条件下，干式蒸发器的换热面积比满液式的大；2) 由于制冷剂在管内蒸发，且需转向，制冷剂蒸发沿程阻力系数和局部阻力系数均较大；3) 重量大，制造成本高；4) 制冷剂易由封头与管板之间的密封垫处泄漏 16。2.8 节流机构的选择节流机构在整个热力循环计算中起着重要作用，将制冷剂降压并调节制冷剂的循环流量。由于节流机构的作用，制冷剂压力由冷凝压力下降到蒸发压力，维持冷凝和蒸发所需的压力条件
24、；并使制冷剂流量受到限制，与压缩机输气量相平衡。2.8.1 常用节流机构（1）手动节流阀：手动节流阀是所有膨胀阀的原型和基础，通常用于试验用制冷装置、作为其他节流机构的备用件、制冷装置定型实验等；（2）浮球阀：浮球阀是利用液位控制通断和流量的节流机构，适用于设置具有自由液面容器的系统；（3）热力膨胀阀：热力膨胀阀是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量的节流机构，适用于各种系统。（4）热电膨胀阀：热电膨胀阀是利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，适用于各种系统。（5）电子膨胀阀：电子膨胀阀有电磁式和电动式两类，利用蒸发器出口处制冷剂过热度来控制通断和流量，需与单片机控制系统配套，
25、适用于各种系统。（6）毛细管：制冷剂在毛细管内的膨胀过程，是流体在等截面管道中有摩擦的、有或无热交换的流动过程。毛细管是不可调节的节流机构，当工况发生变化时，制冷剂流量无法相应进行调节。考虑到本系统的成本及实际需用，在此采用热力膨胀阀 17。7KW 分体式水源热泵空调机组202.8.2 热力膨胀阀的种类（1）热力膨胀阀按照平衡方式不同，分内平衡式和外平衡式；外平衡式热力膨胀阀分 F 型和 H 型两种结构型式。（2）内平衡式膨胀阀结构和工作原理：图 2-4 内平衡式 F 型热力膨胀阀结构图内平衡式 F 型热力膨胀阀结构图。感温包内充注制冷剂，放置在蒸发器出口管道上，感温包和膜片上部通过毛细管相连
26、，感受蒸发器出口制冷剂温度，膜片下面感受到的是蒸发器入口压力。如果空调负荷增加，液压制冷剂在蒸发器提前蒸发完毕，则蒸发器出口制冷剂温度将升高，膜片上压力增大，推动阀杆使膨胀阀开度增大，进入到蒸发器中的制冷剂流量增加，制冷量增大；如果空调负荷减小，则蒸发器出口制冷剂温度减小，以同样的作用原理使得阀开度减小，从而控制制冷剂的流量。（3）外平衡式膨胀阀结构和工作原理：图 2-5 膜片下面承受蒸发器出口压力7KW 分体式水源热泵空调机组21外平衡式膨胀阀与平衡式膨胀阀原理基本相同，区别是：内平衡式膨胀阀膜片下面感受到的是蒸发器入口压力；而外平衡式膨胀阀膜片下面感受到的是蒸发器出口压力 。2.8.3 热
27、力膨胀阀的选用热力膨胀阀的制冷量应与压缩机的制冷量相匹配。如果热力膨胀阀的制冷量较压缩机的制冷量小的多，会造成工作时热力膨胀阀始终全开，但制冷剂流量仍小于系统设计流量，系统的自平衡特性会使冷凝压力上升，蒸发压力下降，在新的条件下达到新的平衡，其结果是制冷量与性能系数均下降。如热力膨胀阀的制冷量较压缩机的制冷量大的多，会造成工作后制冷剂流量过大，蒸发器出口处制冷剂过热度过小或没有过热度，导致阀关闭且存在液击的可能；过一段时间后蒸发器中制冷剂量减少，过热度增大，阀重新开启但流量又过大，导致过热度过小或没有过热度；如此反复振荡，易造成系统工作的不稳定。一般来说，在实际工作工况下，热力膨胀阀制冷量应是
28、压缩机制冷量的1.051.25 倍。在此，针对本系统采取热力膨胀阀制冷量是压缩机制冷量的1.25 倍 18。2.9 设计工况要求（1）制冷工况进水温度：12；循环回水温度 7，过热度 t0=10,过冷度 tk=5制冷剂：R134a压缩机：ZB26KQE-PFJ 全封闭涡旋压缩机 1 台蒸发温度 4，冷凝温度 45冷凝器：采用套管式冷凝器 16mm1.5mm 管 蒸发器：采用套管式蒸发器 19mm1.5mm 管 （2）制热工况进水温度 40；出水温度 45，蒸发温度 4，冷凝温度 45 ，环境干球温度 7，环境湿球温度 6。7KW 分体式水源热泵空调机组223 设计计算3.1 理论循环计算 制冷
29、工况下循环的性能指标计算（1） 作出 lgP-h 图，并标出相应的状态点:表 3-1 各点数值p t v h s点 KPa l/kg kJ/kg kJ/kgK1 338 10 61.93 405.29 1.7407 2 1160 0.0192 438.25 1.76062s1160 53.97 431.66 1.74073 1160 45 263.90 4 1160 44.7 416.95 0 点表示饱和蒸汽，1 点表示过热蒸气,12 表示制冷剂在压缩机中的等熵压缩过程，234 表示制冷剂在冷凝器中的冷却和冷凝过程，45 表示节流过程，制冷剂在节流中压力和湿度都降低，但焓值保持不变，且进入两相
30、区。51 表示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程，这里采用 R134a 制冷工质 17 。 （2）通过查各种制冷剂压焓图软件，理论循环中各种点的状态参数并列上表。（3）计算性能指标1)单位质量制冷量013405.2963.014.9/qhkJg （3-1）2)单位理论功 （3-02143.605.296.37kJ/gswh2）3)单位容积制冷量7KW 分体式水源热泵空调机组23（3-3）33014.9/284016/6vqkgmkgm图 3-1 理论循环在 lgPh 图上的表示4) 制冷剂质量流量（3-4）07/0.495/14.39mQqkJskJs5) 压缩机的实际输气量（3-5）1613.0/a kgsv压缩机理论输气量（3-6）0.5.8.24/ah kh6) 压缩机指示效率， =0.75ee理论功率（3-7）0.49526.371.05mpqwkW指示功率（3-8）0175iiPk压缩机的轴功率为
