1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计学生姓名 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 年 月 日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计 专业 热能与动力工程 学号 姓名 一、原始资料及技术条件1. 工质 R407C2. 气候环境类型： N(空气干球温度 32、空气露点温度 28.2)3. 制冰工况，蒸发温度：-10，冷凝温度 29.8，蓄冰槽放置室内，4. 采用外融冰向室内供冷，采用双膨胀阀双冰盘管的方式，风机盘管室内机。5. 地埋管换热器进水温度：35；循环水回水温
2、度 16；6. 使用负荷：民用住宅， 峰值制冷功率 6KW7. 使用环境相对湿度：858. 电源： 380V 50Hz AC9. 采用全负荷蓄冷，可为住宅提供 4个小时的冷量。10.采用管壳式冷凝器。二、主要内容1.设计计算：循环计算、隔热计算、冷凝器设计计算、冰盘管蒸发器设计计算。2. 零部件选择：选择压缩机和其他零部件选择。3. 设计图样：系统流程图、冷凝器部装图、蒸发器部装图、蓄冰槽部装图、其他零部件图。三、基本要求1. 认真进行实习(调研)、完成实习(调研)报告。2. 阅读文献写出文献综述。3. 按统一格式完成开题报告。4. 阅读英文文献，并译成中文(不少于 5000汉字)。5. 设计
3、计算至少有两部分为上机计算。6. 规范绘制图样，上机绘图不少于二张装配图、一张零件图。7. 英中文对照摘要，中文不少于 400 字。8. 按统一格式编制设计说明书，不少于 30000 字。9. 有全部设计的纸介质文档和电子文档。四、 完 成 期 限：2014 年 6 月 7 日指 导 教 师 签 章 ： 专业负责人签章： 2014 年 1 月 10 日目 录中文摘要 I英文摘要 .II1 前言 12 已知条件及可行性方案 12.1 已知条件 .12.2 制冷剂选择方案分析 .12.3 制冷系统方案分析 .32.3.1 水源热泵 32.3.2 压缩机 52.3.3 冷凝器 72.4 蓄冷方案分析
4、 102.4.1 蓄冷系统 .102.4.2 蓄冷材料 .122.5 方案选择 123 设计计算 123.1 热力循环计算 123.2 压缩机选择 143.3 实际工况下的热力循环计算 153.4 冷凝器设计计算 163.4.1 计算各种参数 .163.4.2 冷凝器的结构设计 193.5 隔热计算 23 3.5.1 隔热层材料的选择 233.5.2 隔热层厚度的计算 243.6 冰盘管蒸发器的设计计算 253.6.1 冰蓄冷器结构设计 253.6.2 冰蓄冷器传热计算 263.6.3 传热面积校核 .274 零部件的选择 274.1 节流装置 274.1.1 常用的节流机构的种类和用途 .2
5、74.1.2 膨胀阀的选择 .324.2 干燥过滤器的选择 334.3 散流器的选择 344.4 风机盘管的选择 35结 束 语 .36致 谢 .37参考文献 .38附 录 .39采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计I采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统摘 要冰蓄冷和地热泵是两种截然不同的技术。为了克服蓄冷技术与地热泵技术单独应用时的局限性，真正使二者结合起来起到“削峰填谷”的功效，本文基于具体工程设计了水源热泵与冰蓄冷联合运行的空调系统。对系统的运行策略，流程配置进行了分析，确立了系统的最优化设计方案。充分分析了水源热泵技术与冰蓄冷技术结合的优势。通过实例介绍了水源热泵空调系统制冷压缩机及设备、管道
6、的计算与选配。同时介绍了冰蓄冷设计计算程序，关键参数的选择，结构设计中应考虑的问题，探讨了冰蓄冷器设计时关键参数的内在联系和选用范围。设计了一个采用冰盘管蓄冷的水源热泵空调系统。关键词 地热泵 冰盘管蓄冷 采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计IICOLD STORAGE OF WATER SOURCEHEAT PUMP AIR-CONDITIONING SYSTEM USING ICE COILABSTRACTIce storage and water source heat pump are two different technologies.In order to overcome the
7、 limitations of single application of cold storage technology and water source heat pump technology and to play the “cut the peak and valley“ effect by combining the two , this paper presents the design calculation program of an air conditioning system based on the water source heat pump and ice col
8、d joint operation. By analyzing the operation strategy and process configurations of the system, the optimal design scheme is determined. A full analysis of the advantages of the combination of the water source heat pump technology and ice storage technology.Using an actual engineering to introduce
9、the calculation and selection of refrigeration compressors,equipment and pipeline of the water source heat pump air conditioning system . At the same time,the paper introduces the program design of ice storage cold, the selection of key parameters and the problem should be considered in the structur
10、al design and discusses the internal relation and the selection range of ice storage tank design of key parameters.KEYWORDS water source heat pump ice-on-coil thermal storage 采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计11 前言我国是一个能源供应较为紧张的国家，政府虽投入了大量的财力建设电厂，但随着现代工业的发展和人民生活水平的提高，大中城市制冷空调的用电量与日俱增，因此仍出现电力供应高峰不足，低谷过剩的矛盾。水源热泵是利用地球水
11、体所储藏的太阳能资源作为冷热源进行能量转换的供暖空调系统具有环保效益显著特征。地表土壤和水体不仅是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47%的太阳辐射能量，比人类每年利用能量的 500 倍还多（地下的水体是通过土壤间接地接受太阳辐射能量） ，而且是一个巨大的动态能量平衡系统，地表土壤和水体自然地保持能量接受和发散的相对的均衡。这使得利用储存于其中的近乎无限的太阳能或地热能成为可能。水源热泵机组以水一载体，在冬季采集来自湖水、河水、地下水及地热尾水，甚至工业废水、污水的低品位热能，取得能量供给室内取暖；在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季空调供冷的目的。冰蓄冷是指用水或有机盐溶液作为蓄冷介
12、质，在电力非峰值期用于制成冰或冰晶（即一种冰水混合物）借助其凝固相变过程的放热作用将冷量蓄存起来，在电力峰值期内，利用冰或冰晶融解相变过程的潜热吸热作用，再将冷量释放出来，用以满足用户的冷量需求。本次设计的水源热泵空调系统，通过方案论证，选择了最优设计方案。采用双冰盘管空调蓄冷的方法，经过严格的设计计算，选用了合适的零部件，并且合理安排了整体布局，最终达到了设计要求。随着我国经济的发展，水源热泵和冰蓄冷应用会越来越广。怎样选择最经济的制冷方式，怎样使系统运行更节能是一个值得认真研究和实践的课题。2 已知条件及可行性方案2.1 已知条件使用负荷：民用住宅， 峰值制冷功率 6KW气候环境类型：N(
13、空气干球温度 32、空气露点温度 28.2)使用环境相对湿度：85电源： 380V 50Hz AC2.2 制冷剂选择方案分析采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计2在空调制冷机组中，不断循环并交替进行集态变化（液化和汽化） ，以实现制冷的物质是制冷剂。在蒸汽压缩式制冷装置中，制冷剂在低温低压的蒸发器内由液态变成气态而吸收被冷却物质的热量，而在高温高压的冷凝器内有气态变成液态而放出热量。制冷剂物理性能的要求：制冷剂应有低的凝固点，能在低温下工作；制冷剂应有高的临界温度；制冷剂的比重和黏度要小，以减少在制冷系统中的流动阻力；制冷剂应有一定的吸水性，以防止制冷系统的冰堵现象。制冷剂化学性能的要求：制冷剂
14、应无毒、无刺激性，对人体健康诬害；制冷剂应不燃烧、不易爆炸；制冷剂对金属的腐蚀应小；制冷剂在高温下应不分解，化学性能稳定；制冷剂与润滑油互溶，不起化学反应，不改变润滑油的特性。制冷剂热力学性能的要求：制冷剂在蒸发器内蒸发温度要低，这样相应的蒸发压力也低；制冷剂的冷凝压力不宜过高，一般应为 1.2MPa-1.5MPa；绝热指数要小，以便于使压缩机耗功减少，并且在压缩结束时气体的温度不会过高；液体比热小，以便于节流过程的损失减少；制冷剂蒸汽的比容要小，蒸发潜热和单位容积制冷量要大，以减少制冷剂的循环量；循环的热力完善度要高。制冷剂经济性能的要求：要求制冷剂价格便宜，易于获得。R12 R407C R
15、717制冷剂的名称 二氟二氯甲烷 HFC 型致冷剂 氨分子量 120.9 52.0 17标准大气压下的沸点（）-29.8 -40.8 -33.4凝固温度（） -157.8 -160 -77.7临界温度（） 111.7 96 132.4临界压力（kPa） 4113 4974 11417临界比容(dm 3/kg) 1.792 1.904 4.245汽化潜热(0)(kJ/kg)151.5 205.4 1257.3绝热指数(20) 1.138 1.19 1.32采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计3饱和液体(kJ/kg. ) 0.96 2.0 4.734饱和气体(kJ/kg) 0.69 2.6 2.96
16、3饱和液体密度(300K)(kg/m3)1304.2 1183.5 600.19饱和气体密度(300K)(kg/m3)38.79 46.67 8.25饱和液体 231 70 157.7饱和气体 12.46 21.3 11.07导热系数(290K)饱和液体(mW/m.K) 72.4 58.4 500饱和气体(mW/m.K) 9.23 23.5 25.6表 1 常用制冷剂的主要性能制冷剂 R22 是常用的制冷剂，在相同的蒸发温度冷凝温度下，R407C 的压力比R12 要高 65%左右，在常温下的冷凝压力和单位容积制冷量与胺差不多，而比 R12大。R407C 无色、无味，不燃烧、不爆炸，毒性比 R2
17、2 略大，但仍是安全的制冷剂。传热性能与 R12 相近：溶水性比 R12 稍大，但仍属于不溶水工质，含水量仍然控制在 0.0025%以内，同时系统内也应装干燥器。R407C 能够部分地与润滑油互溶解，且起溶解度与润滑油的种类和温度有关。R407C 对金属与非金属的作用与 R12 相似，其泄露特性也与 R12 相似。R407C 对有机物的膨润作用更强，密封材料可采用氯乙醇橡胶。R407C 对大气臭氧层的破坏作用比 R12 弱一些。所以选用 R407C 制冷剂。2.3 制冷系统方案分析2.3.1 地热泵地热是一种可再生的自然能源。尽管目前它的应用还不能像传统能源(煤、石油、天然气、水力能和核能)那
18、样广泛，但由于地壳里蕴藏着丰富的地热能，特别是在传统能源越来越缺乏的今天，地热能利用在许多国家已得到了相当的重视。地采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计4源热泵中央空调系统是利用了地球表面浅层地热资源(通常小于 400 米深)作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统。地表浅层地热资源可以称之为地源，是指地表土壤、地下水或河流、湖泊中吸收太阳能、地热能而蕴藏的低温位热能。地表浅层是一个巨大的太阳能集热器，收集了 47的太阳能，比人类每年利用能量的 500 倍还多。它不受地域、资源等限制，真正是量大面广、无处不在。这种储存于地表浅层近乎无限的可再生能源，使得地源也成为清洁的可再生能源一种形式。地源热泵
19、中央空调系统是利用水与地源(地下水、土壤或地表水)进行冷热交换来作为水源热泵的冷热源，冬季把地源中的热量“取”出来，供给室内采暖，此时地源为“热泵” ；夏季把室内热量“取”出来，释放到地下水、土壤或地表水中，此时地源为“冷源” 。地源热泵中央空调系统通过输入少量的高品位能源(如电能)，实现低温位热能向高温位转移。与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90以上的电能或 7090的燃料内能转化为热量供用户使用，因此地源热泵中央空调系统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；由于地源热泵中央空调系统的热源温度全年较为稳定，一般为 916，其制冷、制热系数可达
20、3.56.3，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 5060。地源热泵中央空调系统的污染物排放，与空气源热泵相比，相当于减少 40以上，与常规电供暖相比，相当于减少 70以上，如果结合其他节能措施减排会更明显。虽然也采用制冷剂，但比常规空调装置减少 25的充灌量。该装置的运行没有任何污染，可以建造在居民区内，没有燃烧，没有排烟，也没有废弃物，不需要堆放燃料废物的场地，且不用远距离输送热量。中 国 的 建 筑 行 业 正 处 于 飞 速 发 展 的 阶 段 ， 人 们 对 生 活 环 境 的 要 求 也 越 来 越 高 ，而 生 活 环 境 最 主 要 的 就 是
21、 居 住 环 境 ， 这 种 需 求 带 动 了 中 国 的 空 调 制 冷 业 的 发 展 ，特 别 是 在 “非 典 ”之 后 ， 人 们 对 室 内 空 气 品 质 （ IAQ） 有 了 更 深 刻 的 认 识 ， 室内 空 气 的 好 坏 直 接 影 响 到 人 们 的 健 康 ， 原 来 使 用 的 空 调 技 术 已 经 不 能 满 足 人 们 的要 求 ， 对 环 境 的 需 求 意 识 已 经 不 是 简 单 的 冷 热 意 识 ， 而 是 趋 向 于 健 康 化 、 卫 生 化的 需 求 。 因 此 采 用 更 先 进 的 空 气 调 节 方 法 提 高 空 气 品 质 满
22、足 人 们 的 要 求 成 了 当 前制 冷 行 业 发 展 的 热 点 和 重 点 。从 2001 年 至 今 ， 电 力 紧 缺 的 问 题 一 直 困 扰 着 我 们 ， 现 在 的 情 形 更 为 严 重 ，一 方 面 是 我 国 的 经 济 每 年 以 两 位 数 的 飞 速 发 展 ， 另 一 面 是 全 球 性 的 能 源 紧 缺 ， 再采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计5加 上 去 年 的 全 国 性 的 冰 灾 ， 据 有 关 部 门 预 计 ， 今 年 我 国 南 方 尤 其 是 经 济 发 达 的 广东 地 区 缺 电 达 30%， 不 少 工 厂 被 迫 “开 四 停
23、三 ”， 严 重 影 响 到 了 经 济 的 持 续 发展 。 电 厂 的 发 展 又 不 能 盲 目 的 增 加 发 电 量 ， 或 者 增 建 新 的 电 厂 ， 必 须 依 靠 宏 观 的发 展 才 能 不 至 于 发 生 电 力 过 剩 的 尴 尬 局 面 ， 而 且 电 厂 发 电 对 环 境 的 污 染 也 会 随 着电 厂 的 增 加 而 增 加 ， 在 这 种 情 况 下 ， 空 调 作 为 用 电 大 户 ， 充 分 利 用 现 有 的 自 然 能 ，如 太 阳 能 、 地 热 能 、 生 活 垃 圾 等 可 利 用 的 能 量 资 源 既 减 轻 了 当 前 电 力 的 负
24、 担 ， 又增 加 了 空 调 的 环 保 能 力 ， 因 此 ， 利 用 自 然 资 源 ， 保 护 环 境 也 成 了 当 前 各 国 空 调 制冷 行 业 的 研 究 方 向 。当 前 空 调 行 业 的 已 经 在 这 些 方 面 有 了 一 定 的 进 步 ， 许 多 节 能 性 空 调 如 变 频 空调 正 越 多 的 得 到 使 用 ， 而 在 中 央 空 调 方 面 ， 溴 化 锂 双 吸 收 式 制 冷 等 保 护 环 境 的 制冷 剂 设 备 也 发 展 的 越 来 越 快 。 热 泵 技 术 的 使 用 既 有 效 利 用 了 自 然 能 源 ， 节 省 了 能量 ， 同
25、 时 又 保 护 了 环 境 。2.3.1. 闭式环路土壤热泵系统闭式环路土壤热泵系统也使用一个闭式的水环路，将此水环路埋入地下，以土壤作为吸热源和排热源。通常用水平或垂直的塑料管群埋入地下作为换热器。由于土壤具有很大的热容量，因而使闭式环路中的水温非常稳定。经过比较得出结论：本次设计的是对民用两间住宅供冷，获得地下水比较以得，并可将回水回灌到水井中，因此采用地下水源热泵系统。2.3.2 压缩机2.3.2.1 往复式制冷压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，但由于往复式机器跟其他形式的机器相比，在可靠性、容积效率、压力稳定等性能方面都有所不及。所以，
26、可以预料，除了在小冷量应用场合，往复式压缩机的市场份额已被其他形式的压缩机占去了一部分。并且失去率还有扩大的趋势由于采取了计算机辅助设计的手段使压缩机的设计、气阀的改进等方面更加合理，对其整体的性能的预料更加精确。目前：其性能系数约为 22.5W/W（制冷）和2.93.4W/W（空调） 。2.3.2.2 转子式制冷压缩机这类压缩机如今广泛应用于家用电冰箱和空调器中，它从结构上看主要是因为采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计6不需用吸气阀而显得可靠性更高。同样的原因亦使它用于变速运行，在家用空调中其变速比可达 10/1（从 1015Hz 到 100150Hz ） ，机器的零部件少，尺寸紧凑重量轻也
27、是它的明显优点单缸的转子式压缩机在很低的转速不均匀度会增大，因而开发了双缸机来克服这个缺点。转子式压缩机的研究集中在降低能耗，采用替代工质（如 HFC134a）采用新的润滑油，电动机变速控制和降低噪音等方面，其性能系数可达 2.9W/W（制冷）和 3.4W/W（制热）在全封闭式滚动转子压缩机中，制冷剂蒸气先通过气液分离器直接吸入至气缸内，经压缩过程再通过排气阀、消声罩进入壳体巾，再流经电动机周围通道，至压缩机机壳顶部排气管排出。滚动转予压缩机与全封闭式往复压缩机一样，将润滑油存在机壳底部，依靠直立的偏心轴将润滑油沿曲轴内通道提升到各轴承润滑点，再回流至机壳底部。压缩机电动机定子与压缩机钢壳体紧
28、密配合，壳体成为电动机的散热面。气液分离器的作用主要是为避免在热泵运行工况中可能出现的液击现象，导致压缩机受损。它是个圆柱形钢壳，吸气管位于中央在吸气管上部加设滤网，吸入气体中的液滴流经滤网后，沿钢壳内壁流至壳体底部，在吸气管下部开一小孔，以便使少量的润滑油与制冷剂进入气缸，既能逐步带走积存在气液分离器中的润滑油或制冷剂液体，又不会造成液击。同时也避免了润滑条件的恶化。由于滚动转子压缩机电动机定子与外壳以“紧配合” 的形式相连、呈刚性结合，压缩机的振动会直接传至壳体，引起压缩机的振动。为此，滚动转子压缩机在电动机转子的上、下端部加设平衡块。有些压缩机，如变频压缩机，还加设下部副轴承处的平衡块，
29、以有效克服由于偏心滚动转子带来的径向的不平衡力和力矩特别有助于减低变频压缩机在高中速运转时带来的振动和噪声。目前,广泛使用的滚动转子式制冷压缩机主要是小型全封闭式，通常有卧式和立式两种，前者多见于冰箱，后者在空调器中常见。2.3.2.3 涡旋式压缩机涡旋式制冷压缩机是 20 世纪 80 年代才发展起来的一种新型容积式压缩机，它以其效率高、体积小、质量轻、噪音低结构简单且运转平稳等特点，被广泛应用于空调和制冷机组中。机器中没有吸气阀，也可不带排气阀，从而提高了其可靠性。跟往复式机器相比，没有余隙容积损失，尽管涡旋式压缩机的优点很多，但是需要高精度的加工设备和精确的装配技术，导致其价格偏高，限制了
30、它的普遍应用。目前：还仅限于功率在 115kW 的空调器中应用。采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计72.3.2.4. 螺杆式压缩机随着近年来螺杆式压缩机工作可靠性的不断改进，使之在中等制冷量范围内的制冷空调应用中，尽管其价格偏高，还是得到教普遍的应用。并可望取得更广泛的推广，它已经开始取代一些较大的往复式压缩机（小至 50kW，甚至更小） ，同时也取代了一些中等冷量的离心式压缩机(大至 1500kW)它之所以能挤入原来一直由离心式压缩机主宰的领域（3501500kW）是由于其部分负荷的良好性能，其效率一般可高出 8% 10%，并且没有离心式压缩机所特有的“ 喘振” 问题，跟往复式相比，其装配零
31、件少，还有尺寸小，重量轻和易于维修保养等优点。2.3.2.5 离心式压缩机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 value）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
32、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 。从以上分析可知：（1）就性能来讲，涡旋式最好，滚动转子式次之，往复式最差。 （2）就成本价格而言，相同制冷能力的压缩机，涡旋式滚动转子式往复式。2.3.3 冷凝器根据冷却介质种类的不同，冷凝器可分为以下种类：2.3.3.1 水冷式冷凝器水冷却式冷凝器：在这类冷凝器中，制冷剂放出的热量被冷却水带走。冷却水可以是一次性使用，也可以循环
33、使用。水冷却式冷凝器按其不同的结构型式又可分为立式壳管式、卧式壳管式和套管式等多种。采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计8(1)立式壳管冷凝器立式壳管冷凝器由一直立的圆筒形外壳，内设有上下管板封闭，而上下管板之间连接着数根无缝钢管。冷却制冷剂的水从顶部进入配水箱中，配水箱内装有能均匀分配进入到每根冷却管水量的导流管嘴，使水能沿着切线方向进入管内，并以螺旋线状沿冷却水管的内壁向下流动，形成一层水膜，冷却制冷剂从底部后流人主水池内，可通过凉水设备循环使用。而气体制冷剂约从圆筒中部进入筒体，在筒体与冷却水管之间的缝隙流动，与冷却水进行热交换，被冷凝成高压液态制冷剂积存在冷凝器底部流出。(2)卧式壳管冷
34、凝器卧式壳管式冷凝器由卧式筒体、前盖、后盖三部分组成。卧式壳管式氨冷凝器筒体两端焊有管板，在管板上，也用扩胀法或焊接法将无缝钢管进行固定。卧式壳管式氨冷凝器前、后盖均为带有隔板（分水筋）的铸铁件。盖板与筒体之间均夹有橡胶垫片，用螺栓连接固定。前盖除有冷却水进、出管外，有的在下部还设有放水旋塞；后盖上、下部分别设有放气旋塞和放水旋塞。当冷凝器开始运行时，可打开放气旋塞以排除冷却水管中的空气，使管内充满冷却水。当冷凝器停止运行或检修时，可打开放水旋塞，以便将冷却水全部排出。 当冷凝器运行时，氨蒸气由筒体顶部进入冷凝器管间的空隙中，冷凝后的氨液从筒体下部排出。冷却水由前盖板下部的进水管流入冷凝器，并
35、按分水盘形成的流动路线自下而上在管内顺序流动，最后由前盖板上部的出水管流出空气冷却式冷凝器卧式壳管式氨冷凝器由卧式筒体、前盖、后盖三部分组成。卧式壳管式氨冷凝器筒体两端焊有管板，在管板上，也用扩胀法或焊接法将无缝钢管进行固定。卧式壳管式氨冷凝器前、后盖均为带有隔板（分水筋）的铸铁件。盖板与筒体之间均夹有橡胶垫片，用螺栓连接固定。前盖除有冷却水进、出管外，有的在下部还设有放水旋塞；后盖上、下部分别设有放气旋塞和放水旋塞。当冷凝器开始运行时，可打开放气旋塞以排除冷却水管中的空气，使管内充满冷却水。当冷凝器停止运行或检修时，可打开放水旋塞，以便将冷却水全部排出。 当冷凝器运行时，氨蒸气由筒体顶部进入
36、冷凝器管间的空隙中，冷凝后的氨液从筒体下部排出。冷却水由前盖板下部的进水管流入冷凝器，并按分水盘形成的流动路线自下而上在管内顺序流动，最后由前盖板上部的出水管流出。(3)壳管水冷冷凝器采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计9采用高效外肋片紫铜管，换热效率高，传热性能稳定，冷凝器内冷媒在传热管外流动，冷却水于传热管内流动。同时传热管为直通管型式，卸下冷凝器两侧盖既可对冷凝器进行清洗，而且传热管内壁为光滑面，内壁尘垢便于清理，维护方便。制冷剂的蒸气从冷凝器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，从冷凝器下端流入贮液器中。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
37、，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。套管式冷凝器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。对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器。(4)套管式冷凝器高效套管式冷凝器的内、外管材均选用优质紫铜管，极大满足了提高导热率的需要，并对套管式冷凝器设备机体内、外要求(如防蚀、抗震防裂等)的工作运行条件提供了可靠的保障。套管式冷凝器合理地选择冷凝器内、外管材的壁厚，使长期处于高温高压密封状态的运行
38、环境下，套管式冷凝器承受频繁开停和疲劳振动等扰袭而所需的管材强度得到保证。套管式冷凝器卓越的性能：（1）套管式冷凝器在相近配备机组负荷条件下，其具换热效率高，水耗量低，结构紧凑，体积轻巧。 （2）套管式冷凝器适用范围广，可制作成单回路或多回路系统的灵活组合，安装简便。（3）套管式冷凝器满足不同的使用环境，具较佳的抗疲劳能力，耐腐蚀，经久耐用。2.3.3.2 空冷式冷凝器这种冷凝器以空气为介质，制冷剂在管内冷凝，空气在管外流动，吸收管内制冷剂蒸气放出的热量。由于空气的换热系数较小，管外（空气侧）常常要设置肋片，以强化管外换热。这种冷凝器按空气流动的方式不同，此类冷凝器分为空气自由运动和空气强制运
39、动两种型式。采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计10空气式冷凝器的原理及工作过程：空气式冷凝器是靠空气将气态制冷刑剂热量带走使其冷凝成为液态。具体过程是空气气流利用轴流风机或离心风机使空气以 2 至3m/s 的流速 与冷凝器的管束迎面掠过，冷凝器是由多根管束组成，管束上附有金属呈螺旋状缠绕的散热肋片，管束由铜管、钢胁片或铜管、铜制肋片组成。(1) 水-空气冷却式冷凝器水空气冷却式冷凝器，在这类冷凝器中，制冷剂同时受到水和空气的冷却，但主要是依靠冷却水在传热管表面上的蒸发，从制冷剂一侧吸取大量的热量作为水的汽化潜热，空气的作用主要是为加快水的蒸发而带走水蒸气。所以这类冷凝器的耗水量很少，对于空气干
40、燥、水质、水温低而水量不充裕的地区乃是冷凝器的优选型式。这类冷凝器按其结构型式的不同又可分为蒸发式和淋激式两种。 (2) 蒸发-冷凝式冷凝器蒸发冷凝式，在这类冷凝器中系依靠另一个制冷系统中制冷剂的蒸发所产生的冷效应去冷却传热间壁另一侧的制冷剂蒸汽，促使后者凝结液化。(3) 丝管式冷凝器丝管式冷凝器的邦迪管弯成多个S形,并与多根钢丝点焊在一起。这种冷凝器体积小, 重量轻, 散热效果好, 便于机械化生产, 换热系数高于平板式冷凝器约50%, 也比百叶窗式冷凝器高10%至15%, 其换热系数k=12至15kcal/m2h, 因而成为20世纪80年代中期以后生产的电冰箱普遍采用的形式。丝管式冷凝器需专
41、门生产设备和邦迪管。邦迪管分单层卷制管和双层卷制管两种。单层卷制管只在内表面镀铜, 钢丝直径为1.62.0 mm,钢丝间距约为58 mm。水平钢丝冷凝器的效率高于垂直钢丝冷凝器的效率。(4) 百叶窗式冷凝器百叶窗式冷凝器也可算是翅片管式冷凝器的一种，一般是由 56mm 镀铜管式或铜管, 其上抱有 0.50.6mm 厚冲孔钢板组成，工艺简单，几乎与丝管式冷凝器同时开始应用，鉴于其结构和散热效果皆弱于前者，因而自上世纪八十年代末期已经开始减少。2.4 蓄冷方案分析2.4.1 蓄冷系统2.4.1.1 水蓄冷采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计11水蓄冷就是利用水的显热进行冷量的储存。具体来讲，就是利用
42、 4-7的低温水进行蓄冷。这种蓄冷方式的优点是：投资省、技术要求低、维护费用低，可以使用常规的空调制冷机组，而且冬季可以用来制热，适宜于即可蓄冷又可蓄热的空调热泵机组。但由于水的蓄冷密度低，只能利用 8的温差，故系统有占地面积大、冷损耗大、防水保温麻烦等缺点，这在人口密度大、土地利用率高的城市是一个问题，是水蓄冷空调系统的使用受制约的主要原因。2.4.1.2 盘管外蓄冰盘管外蓄冰系统是空调系统中常用的一种蓄冰方式，即冰直接冻结在蒸发盘管上，盘管深入蓄冰槽内构成结冰时的主干管，而融冰方式有盘管外融冰和盘管内融冰两种。蓄冷装置充冷时，制冷剂或乙二醇水溶液在盘管内循环，吸收储槽中水的热量，直至盘管外
43、形成冰层。盘管外蓄冷过程中，开始时管外冰层很薄，其传热过程很快，随着冰层厚度的增加，冰底导热热阻增大，结冰速度将逐渐降低，到蓄冰后期基本上处于饱和状态，这时控制系统将自动停止蓄冰过程，以保证制冷机组安全运行。冰蓄冷是利用水的相变潜热进行冷量的存储。由于 0的冰的蓄冷密度达334kJ/kg，故存储同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积比水蓄冷要小得多。用冰蓄冷的空调系统，水温稳定，不宜波动，这是因为蓄冷槽在融冰放冷时为一恒温过程。冰蓄冷的跑冷损失小。由于蓄冷槽的温度低于周围环境的温度，因此蓄冷槽的蓄冷量会散失到周围环境中去，即产生冷损失。其值与蓄冷槽的表面积、蓄冷槽的表面和周围空气的温差，蓄冷槽的隔热材
44、料的种类、厚度、结构以及蓄冷时间的长短有关内融冰方式：来自用户或二次换热设备的温度较高的载冷剂仍在盘管内循环，通过盘管表面把热量传给冰层，使盘管外表面的冰层自内向外融化进行取冷。冰层自内向外融化时，由于在盘管表面与冰层之间形成薄的水层，其导热系数仅为冰的25%左右，故融冰换热热阻较大，影响取冷速率。外融冰方式：温度较高的空调回水直接送入盘管表面结有冰层的蓄冰水槽，使盘管表面的冰层自外向内逐渐融化。由于空调回水直接与冰接触，换热效果好，取冷快，来自蓄冰槽的供水温度可低于 1 左右。此外，空调用冷水直接来自蓄冰槽，故可不需要二次换热设备装置。但是为了使外融冰系统达到快速融冰换热目的，蓄冰槽内水的空
45、间应占一半，亦即蓄冰槽的蓄冰率不大于 50%，故蓄冰槽的容积大。采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计12沉浸在储冰槽内的盘管结构形状常用的有三种，即蛇形盘管、圆桶形盘管、U 形立式盘管。冰蓄冷是利用水的相变潜热进行冷量的存储。由于 0的冰的蓄冷密度达 334kJ/kg，故存储同样多的冷量，冰蓄冷所需的体积比水蓄冷要小得多。用冰蓄冷的空调系统，水温稳定，不宜波动，这是因为蓄冷槽在融冰放冷时为一恒温过程。依据外融冰的这些优点，本设计选用外融冰方式，盘管结构形状选用圆桶形盘管。2.4.1.3 共晶盐蓄冷共晶盐蓄冷（也称为优态盐蓄冷）是利用固液相变特性蓄冷的一种蓄冷形式。蓄冷介质主要由无机盐、水、成核剂
46、和稳定剂组成的混合物，目前应用较广泛的是相变温度为 8-9的共晶盐蓄冷材料，其相变潜热为 95kJ/kg。一般来讲，共晶盐蓄冷槽的比冰蓄冷槽大，比水蓄冷槽小。其主要优点是的相变温度高，可以克服冰蓄冷要求很低的蒸发温度低的弱点，并可以使用普通的空调冷水机组，虽然其相变温度高，但由于蓄冷密度低、设备占地面积大，对设备要求较高，所以推广应用受到一定的限制。2.4.1.4 气体水合物蓄冷气体水合物蓄冷在 20 世纪 80 年代由美国橡树岭国家实验室开始研究，以R11、 R12 等为工质。在一定温度下，水能在某些气体分子周围周围形成坚实的网格状结晶体。气体水合物蓄冷是一种新兴的蓄冷空调技术，他不仅蓄冷温
47、度与空调工况相吻合，蓄冷密度高，而且蓄冷-释冷的传热效率高，特别是直接接触释冷系统。但该方法还有一系列问题有待解决，如制冷剂蒸汽夹带水分的清除，防止水合物膨胀堵塞等，离工程使用还有段距离。冰蓄冷具有以下的优点：蓄冷密度大，蓄冷温度几乎恒定，体积只有水蓄冷的几十分之一，便于储存，对蓄冷槽的要求也很低，占地空间小，容易作成标准化、系列化的标准设备。同时冰蓄冷槽可就地制造，为广泛应用提供了有利的条件，所以采用冰蓄冷。2.4.2 蓄冷材料决定相变蓄冷材料的要求很多，主要有如下几个方面。采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计13热力学方面的要求：蓄冷材料的相变温度必须在空调工作温度范围内，否则，冷量即无法储
48、存，也无法取用；较高的相变潜热；密度较大，以便使用较小的容积蓄冷材料；比热较大，能较多的存储额外的显热；导热系数较大，以使蓄冷和放冷时的温度梯度较小，减少传热不可逆损失；融化一致，相变蓄冷材料应融化安全，以使固相和液相组分相同，否则会改变材料的化学组成；相变过程中体积变化小，可简化蓄冷单体和换热器的几何构成。相变动力学方面的要求：凝固过程中过冷度很小或脊背没有，融化后结晶应在它的凝固点温度，这决定于它的高成核速率和晶体成速率；要有很好的相平衡性质，不会产生相分离；有较高的固化结晶速率。化学性能方面的要求：化学稳定性要好；对容器材料无腐蚀性；不燃烧，不爆炸，无毒，对环境无污染。冰是一种理想的蓄冷
49、介质，其优点是相变潜热大，性能稳定，缺点是相变凝固温度较低一些。选用冰作为蓄冷材料。2.5 方案选择综上所述：制冷剂选用制冷剂 R407C；冷凝机组的部件选用中，压缩机选用涡旋式压缩机；冷凝器冷却方式为地下水水冷，采用卧式壳管式冷凝器；蒸发器采用双冰盘管式蒸发器；采用外融冰向室内供冷，采用双膨胀阀双冰盘管的方式；节流机构选用热力膨胀阀和电磁阀；同时选用油分离器和过滤器。蓄冰装置选用矩形蓄冰槽；用风机盘管向室内供冷。制冷系统采用夜间蓄冷，白天供冷。3 设计计算3.1 热力循环计算由设计资料知:工质 R407C 制冷量为 Q=6KW,冷凝温度为 tk=29.8,蒸发温度为t0=-10.该循环在压焓图上的表示如图 1 所示采用冰盘管蓄冷的地热泵空调系统设计14图 1表 2 查的热力性质图示表得循环各特征点的状态参数如下点数 P(MPa) t() v(L/kg) h(KJ/Kg) S1 0.32 -10.00 72.43 404.54 1.78962 1.169 4
