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答辯申請(qǐng)書
尊敬的尹老師：
經(jīng)過(guò)了將近一學(xué)期的設(shè)計(jì)，我已經(jīng)完成了以下工作：
1、 外文翻譯一篇；
2、 文獻(xiàn)綜述一篇；
3、 中期自查表和開題報(bào)告表各一張；
4、 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份；
5、 系統(tǒng)流程圖A3圖紙一張，蒸發(fā)器端蓋A1圖紙一張，冷凝器A0圖紙一張，蒸發(fā)器A0圖紙一張，裝配圖A0圖紙一張；
現(xiàn)申請(qǐng)畢業(yè)答辯，請(qǐng)老師批準(zhǔn)。
申請(qǐng)人：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯評(píng)審表
課題名稱
28KW整體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組
學(xué)生姓名
專業(yè)
班級(jí)
學(xué)
號(hào)
指導(dǎo)教師姓名
職稱
序號(hào)
評(píng)審項(xiàng)目
指 標(biāo)
滿分
評(píng)分
1
課題介紹
思路清新；語(yǔ)言、圖、表、文字表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點(diǎn)正確；實(shí)驗(yàn)（論證）方法科學(xué)，分析歸納合理。
40
2
答辯準(zhǔn)備
準(zhǔn)備工作充分，答辯材料齊全，時(shí)間符合要求。
10
3
創(chuàng) 新
有獨(dú)特見解，有一定的應(yīng)用價(jià)值。
10
4
答 辯
回答問(wèn)題有理有據(jù)，基本概念清楚。主要問(wèn)題回答準(zhǔn)確，有一定深度。
40
總分
評(píng)語(yǔ)：
答辯委員會(huì)（小組）成員：
姓名職稱（簽名）：_________________ 姓名職稱（簽名）：_________________
姓名職稱（簽名）：_________________ 姓名職稱（簽名）：_________________
姓名職稱（簽名）：_________________ 姓名職稱（簽名）：_________________
答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人（簽名）： 年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）總評(píng)定成績(jī)
指導(dǎo)教師評(píng)分：________ 評(píng)閱人評(píng)分：_________ 答辯評(píng)分：___________
綜合評(píng)定分?jǐn)?shù)（上述三項(xiàng)按比例3:3:4）：_______ 總評(píng)定成績(jī)：__________
答辯委員會(huì)主任委員（簽章）： 年 月 日
28kW整體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 28kW整體式水源熱泵
空調(diào)機(jī)組
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時(shí)間
28kW整體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組
摘 要
空氣調(diào)節(jié)顧名思義是對(duì)空氣的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使環(huán)境更適合我們的要求。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的條件要求也在逐步的提高。所以空氣調(diào)節(jié)在日常生活中占有很重要的位置。也使的空調(diào)技術(shù)在不斷的提高，以達(dá)到人們對(duì)環(huán)境的要求。
本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于通過(guò)所學(xué)的專業(yè)知識(shí)結(jié)合對(duì)行業(yè)現(xiàn)狀的考察。查閱資料了解設(shè)計(jì)中需要用到的各個(gè)部件的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)需求進(jìn)行取舍。根據(jù)工作工況進(jìn)行制冷設(shè)備中制冷循環(huán)的熱力計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算結(jié)果對(duì)空調(diào)器中的各個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算和選配。本文詳細(xì)說(shuō)明了28kw整體式水源熱泵空調(diào)的設(shè)計(jì)步驟，其中包括：制冷劑的選擇；壓縮機(jī)的選配與校核以及蒸發(fā)器、冷凝器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與性能校核的詳細(xì)過(guò)程；空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)需要的其他附件選配的選擇標(biāo)準(zhǔn)及要求；管路的連接與布置等。
關(guān) 鍵 詞： 水源熱泵空調(diào)；制冷劑；壓縮機(jī)；空調(diào)系統(tǒng)；現(xiàn)狀；
28kW INTEGRAL TYPE WATER-SOURCE HEAT PUMP AIRCONDITION UNIT
ABSTRACT
Air conditioning suggests that it is on the air parameters are adjusted to make the environment more suitable for our requirements. With the development of our national economy and people's living standards improve , people's demands on the condition of the living environment has gradually improved. So air conditioning occupies a very important position in our daily lives . Also makes air-conditioning technology continues to improve , in order to reach people on the environment.
The key to this design is that the combination of the industry 's status quo learned through investigation expertise. Access to information needed to understand the characteristics of the design of the various components used , combined with the design needs to choose. Calculated according to the working conditions of the refrigeration cycle device for cooling the heat. Application of the results of the various subsystems on the air conditioner is calculated and matching. This article details the 28kw integral water source heat pump design steps , including : Select refrigerants ; detailed process design and performance calculation and checking and checking the matching evaporator compressor , condenser ; air conditioning operation other optional accessories selection criteria and requirements needed ; such as piping connected to the layout.
Keywords: water-source heat pump air condition；refrigerants; compressor; air-conditioning system；present situation；
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 熱泵的分類 1
1.2 熱泵的發(fā)展史 2
1.3 國(guó)內(nèi)熱泵的發(fā)展情況 2
1.4 熱泵機(jī)組的分類 3
1.5 水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 4
2 水源熱泵系統(tǒng)的研究探討 6
2.1 熱泵的工作原理 6
2.2 制冷劑的選擇 6
2.2.1 制冷劑簡(jiǎn)介 6
2.2.2 制冷劑類型 7
2.2.3 制冷劑的選用原則 7
2.2.4 制冷劑的選擇 9
2.3 熱交換器的選擇 9
2.3.1 冷凝器簡(jiǎn)介 9
2.3.2 冷凝器的比較 9
2.3.3蒸發(fā)器的簡(jiǎn)介 11
2.3.4 蒸發(fā)器的比較 12
2.3.5 熱交換器的選型 12
2.4壓縮機(jī)的選型 12
2.4.1 壓縮機(jī)的概述 12
2.4.2 各類壓縮機(jī)的比較 13
2.4.3 壓縮機(jī)的選型 16
2.5 工況 17
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.1 理論循環(huán)計(jì)算 18
3.1.1 系統(tǒng)工況的設(shè)計(jì) 18
3.1.2 系統(tǒng)的熱力計(jì)算 19
3.2 壓縮機(jī)的選擇 21
3.2.3 壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)確定 21
3.2.4 壓縮機(jī)的型號(hào)選擇 21
3.2.5 壓縮機(jī)的校核計(jì)算 22
3.3 冷凝器的計(jì)算 23
3.3.2 冷凝器傳熱管的選擇及參數(shù)計(jì)算 23
3.3.3 確定冷凝器管數(shù)及排列布置 24
3.3.4 傳熱計(jì)算及所需傳熱面積確定 26
3.3.6 冷水側(cè)阻力 27
3.4 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 28
3.4.2 殼管式蒸發(fā)器傳熱管的選擇及參數(shù)計(jì)算 28
3.4.3 熱力計(jì)算和校核 29
4 節(jié)流器的選型 33
4.1 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選型 33
4.2 常用節(jié)流機(jī)構(gòu) 33
4.3 熱力膨脹閥的選擇 37
4.3.1 熱力膨脹閥的工作原理 37
4.3.2 熱力膨脹閥的作用 38
4.3.3 熱力膨脹閥的選型計(jì)算 38
4.3.4 熱力膨脹閥的校核計(jì)算 39
4.3.5 熱力膨脹閥的安裝 39
5 熱水器儲(chǔ)水箱的設(shè)計(jì)計(jì)算 40
5.1 幾何參數(shù)計(jì)算 40
5.2 隔熱計(jì)算 42
5.2.1 隔熱材料的選擇 42
5.2.2 保溫層的材料和加工工藝 43
5.2.3 隔熱材料的計(jì)算 43
5.3 水箱的負(fù)荷計(jì)算 44
5.4 水箱的熱水產(chǎn)量計(jì)算 44
6 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算 44
6.1 四通換向閥 44
6.2 單向閥 46
6.3 干燥過(guò)濾器 47
6.4 中間冷卻器 48
6.5 壓力控制器選擇 48
6.6 溫度控制儀選擇 49
6.7 分流器 49
6.8 視液鏡 49
6.9 油過(guò)濾器 50
6.10 截止閥 51
總 結(jié) 53
致 謝 54
參考文獻(xiàn) 55
1 緒論
隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平也越來(lái)越高，隨著居住環(huán)境的改善，建筑能源消耗也一直增加增加。而我國(guó)是世界上能源消耗最多的國(guó)家之一，能源的利用率一直都是我國(guó)能源利用中的一個(gè)大問(wèn)題，如何提高能源的利用率逐漸成為人們研究和發(fā)展的重點(diǎn)。水源熱泵有著將低溫?zé)嵩粗械臒崮軅魉偷礁邷責(zé)嵩粗械奶匦圆⒂兄鴺O高的理論能效比，所以對(duì)水源熱泵空調(diào)器的研究和了解在現(xiàn)實(shí)生活中很有意義。
本次設(shè)計(jì)的28KW整體式水源熱泵機(jī)組主要作為房間空調(diào)用，房間空氣調(diào)節(jié)器是一種用于向房間(或封閉空間、區(qū)域)提供處理空氣的機(jī)組。它的功能是使該房間(或封閉空區(qū)域)內(nèi)空氣的溫度、濕度、潔凈度和空氣流速等參數(shù)保持在人體舒適或工藝過(guò)程要求的范圍內(nèi)。
房間空氣調(diào)節(jié)器主要是一個(gè)制冷、除溫（有的還可兼作熱泵使用）的機(jī)組。根據(jù)需要，它還可包含空氣加熱、加溫、空氣循環(huán)通風(fēng)、空氣凈化、除臭、加香等設(shè)備。通常，空調(diào)器有整體式(即一個(gè)箱形整體)和分體式(分為室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組)兩類。根據(jù)室內(nèi)機(jī)組結(jié)構(gòu)和安裝方式的不同，它們又可分成窗式、掛壁式、吊頂式、埋入式、嵌入式、柜式及落地式。
1.1 熱泵的分類
熱泵按工作原理分為，壓縮式熱泵和吸收式熱泵。按利用能源的方式不同分為第一類熱泵和第二類熱泵。按利用能源類別不同分為太陽(yáng)能熱泵、土壤源熱泵、水源熱泵和空氣源熱泵。按照熱泵制冷機(jī)(壓縮機(jī))工作方式又可分壓縮式、噴射式、吸收式等。
空氣源熱泵：空氣源(風(fēng)冷)熱泵目前的產(chǎn)品主要是家用熱泵空調(diào)器，商用單元式熱泵空調(diào)機(jī)組和熱泵冷熱水機(jī)組。家用熱泵空調(diào)器在夏季，制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)循環(huán)，吸收室內(nèi)空氣的熱量后排放到室外；而在冬天，空調(diào)通過(guò)電磁換向閥改變制冷劑循環(huán)流動(dòng)的方向，制冷劑就可吸收室外空氣的熱量，然后釋放到室內(nèi)，加熱室內(nèi)空氣，達(dá)到保持室內(nèi)溫度的目的。熱泵空調(diào)器已占到家用空調(diào)器銷量的40～50％，年產(chǎn)量為400余萬(wàn)臺(tái)。熱泵冷熱水機(jī)組自90年代初開始， 在夏熱冬冷地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，部分城市中央宅調(diào)冷熱源采用熱泵冷熱水機(jī)組的已 到20～3O％ ，而且應(yīng)用范圍逐漸繼續(xù)擴(kuò)大趨勢(shì)?？諝庠礋岜枚竟徇\(yùn)行時(shí)，最大的一個(gè)問(wèn)題就是當(dāng)事外氣溫較低時(shí)，室外側(cè)換熱器翅片表面會(huì)結(jié)霜。而除霜會(huì)消耗熱量使熱泵供能下降，這是空氣源熱泵發(fā)展受限之一；另一個(gè)由于氣源熱泵以空氣為熱源，空氣熱容最小，冬季時(shí)空氣溫度又低，熱泵低供熱能力下降，這也是空氣源熱泵發(fā)展受限之一。針對(duì)除霜的問(wèn)題，現(xiàn)在研究出不少新的工藝系統(tǒng)，解決空氣源熱泵除霜問(wèn)題。針對(duì)空氣源熱泵在冬季空氣溫度低的問(wèn)題，又提出空氣---水雙級(jí)耦合熱泵系統(tǒng)。這都是我們熱泵工作者所作的貢獻(xiàn)。再一個(gè)空氣源熱泵在夏季時(shí)將建筑的余熱散熱至建筑物附近使其周圍的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步降低以及建筑物上熱泵的噪聲也是應(yīng)該考慮的問(wèn)題[1]。
1.2 熱泵的發(fā)展史
1852年湯姆遜(Thomoson)第一個(gè)提出了一個(gè)正式的熱泵系統(tǒng)，那時(shí)稱為“熱量倍增器”。l927年霍爾丹(Haldatie)在蘇格蘭安裝與實(shí)驗(yàn)的家用熱泵，用空氣作熱源，是現(xiàn)代蒸汽壓縮式熱泵的真正原型。到l940年美國(guó)已安裝了l5臺(tái)大型商業(yè)用熱泵，并且大都以井水為熱源。l945年美國(guó)卡雷公司研制成了溴化鋰水吸收式制冷機(jī)，70年代的石油危機(jī)促使吸收式熱泵的研究與開發(fā)得到了很大的發(fā)展。
1.3 國(guó)內(nèi)熱泵的發(fā)展情況
1950年代初，天津大學(xué)的一些學(xué)者最早開始從事熱泵的研究。
1965年上海電冰箱廠研制成我國(guó)第一臺(tái)制熱量3720w的熱泵型窗式空調(diào)器，但因換向閥的工作可靠性等原因，長(zhǎng)期未有發(fā)展。
1970年代后期，由于能源危機(jī)所推動(dòng)的世界性熱泵熱也影響了我國(guó)學(xué)術(shù)界。
1990年上海市通用機(jī)械技術(shù)研究所首次進(jìn)行了第二類吸收式熱泵的模擬試驗(yàn)，同年上海交通大學(xué)、上海第一冷凍機(jī)廠聯(lián)合研制了350kw第二類吸收式熱泵。
2000~2003年，專利總數(shù)287項(xiàng)，其中發(fā)明專利119項(xiàng)。多項(xiàng)創(chuàng)新成果問(wèn)世，如土壤蓄冷與土壤耦合熱泵集成系統(tǒng)、空氣源熱泵蓄能熱氣除霜系統(tǒng)、三套管蓄能型太陽(yáng)能與空氣源熱泵集成系統(tǒng)等。
2005年全國(guó)共有地源熱泵工程項(xiàng)目3869項(xiàng)，同年11月31日，建設(shè)部發(fā)布了《地源熱泵系統(tǒng)的工程技術(shù)規(guī)范》（GB50366-2005），并于06年1月1日起正式實(shí)施。
2008年的北京奧運(yùn)會(huì)和2010年的上海世博會(huì)使得熱泵技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
1.4 熱泵機(jī)組的分類
熱泵的種類很多，分類方法各不相同，通常分為以下幾種類型。
按低位熱源種類可分為以下幾種：
空氣源熱泵：空氣作為低位熱源，取之不盡，用之不竭，處處都有，可以無(wú)償?shù)孬@取。空氣源熱泵裝置的安裝和使用都比較方便。
其主要特點(diǎn)是：室外空氣的狀態(tài)參數(shù)隨地區(qū)和季節(jié)的不同而有很大的變化，這對(duì)熱泵的容量和制熱性能系數(shù)影響很大[2]；一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)室外空氣相對(duì)濕度大于70%，溫度為3 ～5℃時(shí)，機(jī)組室外換熱器就會(huì)結(jié)霜，致使空氣源熱泵的制熱量、制熱性能系數(shù)和可靠性下降；空氣的熱容量小，為了獲取足夠的熱量，則需要較大的空氣量，因而風(fēng)機(jī)的容量較大，致使空氣源熱泵裝置的噪聲較大[3.4]。
水源熱泵：水源熱泵就是用水作為熱泵的低位熱源的熱泵裝置?？勺鳛榈臀粺嵩吹乃械乇硭ê铀⒑?水、海水等），地下水（深井水、泉水、地?zé)嵛菜龋顝U水、工業(yè)污水和工業(yè)設(shè)備冷卻水等[5]。
水源熱泵的優(yōu)點(diǎn)是：水的熱容大，傳熱性能好，所以換熱設(shè)備較緊湊；水溫較穩(wěn)定，因而使熱泵的運(yùn)行工況較穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：熱泵裝置必須靠近水源，或設(shè)有一定的蓄水裝置；其次，對(duì)水質(zhì)也有一定的要求，應(yīng)進(jìn)行水質(zhì)分析后采用合適的換熱器材質(zhì)和結(jié)構(gòu)型式，以防止出現(xiàn)腐蝕等問(wèn)題[6.7]。
土壤源熱泵：用土壤熱能作為低位熱源的熱泵裝置，稱為土壤源熱泵。
與空氣源熱泵相比，其優(yōu)點(diǎn)有：全年地溫波動(dòng)小，冬季土壤溫度比空氣溫度高，因此，熱泵的制熱性能系數(shù)較高；地下埋管換熱器不需要除霜；在采暖期內(nèi)，當(dāng)室外空氣溫度最低時(shí)，土壤的溫度并不是最低，熱泵的供熱能力也不會(huì)下降到最低；土壤具有蓄能作用[8.9]。其缺點(diǎn)有：地下埋管換熱器受到土壤性質(zhì)的影響較大，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行時(shí)，熱泵的冷凝溫度或蒸發(fā)溫度受土壤溫度變化的影響而發(fā)生波動(dòng)；土壤的導(dǎo)熱系數(shù)小，使地下埋管換熱器的持續(xù)吸熱速率僅為20～40W/㎡，一般吸熱速率為 25W/㎡；初投資較高，僅地下埋管換熱器的投資就占熱泵系統(tǒng)投資的20%～30%[10]。
太陽(yáng)能熱泵：太陽(yáng)能是一種無(wú)窮無(wú)盡，無(wú)公害的干凈能源。太陽(yáng)能熱泵是一種把溫度較低的太陽(yáng)能提升到30～50℃，再進(jìn)行供熱的裝置。
其主要優(yōu)點(diǎn)是：可以采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與建筑物做成一體的低溫平板集熱器，其效率較高；熱泵用的集熱器成本較低是它的最大優(yōu)點(diǎn)；熱泵可不設(shè)除霜裝置。其缺點(diǎn)是：要解決太陽(yáng)能利用的間歇性和不可靠性問(wèn)題；投資較高[11]。1.5 系統(tǒng)管理方便，成本低。
水源熱泵的動(dòng)力由電提供，因此便于空調(diào)的計(jì)量與收費(fèi)。這對(duì)于用戶合理使用空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)的能耗，公平、公正、公開地?cái)偱煽眨{(diào)運(yùn)行管理是很有利的?？呻S用戶的需要，分期投資，初投資成本較低。水管無(wú)需保溫，減少投資成本，同時(shí)可徹底解決傳統(tǒng)中央空調(diào)冷凍水管路系統(tǒng)滴水問(wèn)題。
由于水源熱泵無(wú)冷凍水系統(tǒng)，管路中走的是常溫水，不會(huì)產(chǎn)生管道冷凝水，因此不會(huì)破壞吊頂及其它裝飾部位，也不會(huì)因?yàn)楸厥Ф档椭评湫Ч?，這些都減少了維護(hù)管理的成本。水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單且安裝方便，啟動(dòng)調(diào)整容易，分區(qū)設(shè)計(jì)靈活，故障非常少，不需配備熟練的工程師。水源熱泵機(jī)組在使用過(guò)程中不需專業(yè)技術(shù)人員操作，能實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理，從而降低管理成本。
1.5 水源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
本次設(shè)計(jì)采用整體式水源熱泵機(jī)組，水源熱泵的的主要優(yōu)勢(shì)為：
(1)屬可再生能源利用技術(shù)
水源熱泵是利用了地球水體所儲(chǔ)藏的太陽(yáng)能資源作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。其中可以利用的水體，包括地下水或河流、地表部分的河流、湖泊以及海洋。地表土壤和水體不僅是一個(gè)巨大的太陽(yáng)能集熱器，收集了47％的太陽(yáng)輻射能量，比人類每年利用能量的500倍還多(地下的水體是通過(guò)土壤間接地接受太陽(yáng)輻射能量)，而且是一個(gè)巨大的動(dòng)態(tài)能量平衡系統(tǒng)，地表的土壤和水體自然地保持能量接受和發(fā)散的相對(duì)的均衡。這使得利用儲(chǔ)存于其中的近乎無(wú)限的太陽(yáng)能或地?zé)崮艹蔀榭赡?。所以說(shuō)，水源熱泵利用的是清潔的可再生能源的一種技術(shù)。
(2)高效節(jié)能
據(jù)美國(guó)環(huán)保署EPA估計(jì)，設(shè)計(jì)安裝良好的水源熱泵系統(tǒng)，平均來(lái)說(shuō)可以節(jié)約用戶30％～40％的供熱制冷空調(diào)的運(yùn)行費(fèi)用。與鍋爐房供熱系統(tǒng)相比，其節(jié)能效果為26％，減少向城市的排熱量約為74％。
(3)運(yùn)行穩(wěn)定可靠
水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)。是很好的熱泵熱源和空調(diào)冷源，水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)問(wèn)題。
(4)環(huán)境效益顯著
水源熱泵使用電能，電能本身為一種清潔的能源，但在發(fā)電時(shí)，消耗一次能源并導(dǎo)致污染物和二氧化碳溫室氣體的排放。所以節(jié)能的設(shè)備本身的污染就小。設(shè)計(jì)良好的水源熱泵機(jī)組的電力消耗，與空氣源熱泵相比，可以減少30％以上，與電供暖相比，減少達(dá)70％以上。
水源熱泵技術(shù)采用的制冷劑，可以是R22或R134A、R407C和R410A等替代工質(zhì)。水源熱泵機(jī)組的運(yùn)行沒(méi)有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒(méi)有燃燒，沒(méi)有排煙，也沒(méi)有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場(chǎng)地，且不用遠(yuǎn)距離輸送熱量。
(5)一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣
水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)，還可供生活熱水，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來(lái)的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對(duì)于同時(shí)有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時(shí)滿足供熱和供冷的要求，減少了設(shè)備的初投資。水源熱泵可應(yīng)用于賓館、商場(chǎng)、辦公樓、學(xué)校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅
住宅的采暖、空調(diào)。
(6)自動(dòng)運(yùn)行
水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行可靠，維護(hù)費(fèi)用低；自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15年以上。
(7)投資成本低
水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)較傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)。無(wú)集中的制冷機(jī)房、鍋爐房、空調(diào)箱房，減少了設(shè)備間的面積。所需的風(fēng)管少，并減少了樓層高度，無(wú)保溫的循環(huán)水管系統(tǒng)，減少了材料費(fèi)用。水源熱泵空調(diào)機(jī)可在廠里組裝，減少了工地的裝配工作，溫度控制可裝在空調(diào)機(jī)中，無(wú)需另設(shè)控制中心或控制室。
(8)維修成本低
由于系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，安裝方便，啟動(dòng)、調(diào)整容易。另外一臺(tái)水源熱泵空調(diào)機(jī)發(fā)生故障不會(huì)影響大樓中其他用戶。[12]
2 水源熱泵系統(tǒng)的研究探討
2.1 熱泵的工作原理
單從名字上看，熱泵和水泵有相似之處，只不過(guò)水泵是將水從低處送到高處，而熱泵則是將熱量從低溫?zé)嵩此偷礁邷責(zé)嵩吹囊环N裝置。
熱力學(xué)第二定律告訴我們，熱量不可能自發(fā)地由低溫物體傳遞給高溫物體，因此必須借助一定的設(shè)備(如熱泵)，在外界對(duì)其做功的情況下把熱量從低溫處傳遞到高溫處。當(dāng)然熱量的這種傳遞轉(zhuǎn)移必須依靠一個(gè)載體，這個(gè)載體稱為工質(zhì)(制冷劑)。
熱泵中的工質(zhì)通過(guò)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，在閉合的管道回路中不斷循環(huán)(見圖1-1)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是制冷劑通過(guò)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)在蒸發(fā)器(與低溫?zé)嵩唇佑|)膨脹蒸發(fā)吸收熱量，變成高溫低壓氣體，經(jīng)壓縮機(jī)加壓后變成高溫高壓氣體，然后進(jìn)入冷凝器(與高溫?zé)嵩唇佑|)放出相變潛熱，成為低溫高壓液體，此后又經(jīng)節(jié)流器絕熱節(jié)流成為低溫低壓液體再回到低溫?zé)嵩刺庍M(jìn)入下一次工作循環(huán)。經(jīng)過(guò)制冷劑的循環(huán)，高溫?zé)嵩刺幉粩嗟玫綗崃繌亩_(dá)到制熱的目的。在整個(gè)過(guò)程中，工質(zhì)只是把從低溫?zé)嵩刺幬盏降臒崃窟B同壓縮機(jī)對(duì)其所做的功傳遞給高溫?zé)嵩?，所以并未違背能量轉(zhuǎn)化和守恒定律。
圖1-1 熱泵循環(huán)回路示意圖
2.2 制冷劑的選擇
2.2.1 制冷劑簡(jiǎn)介
制冷機(jī)中完成熱力循環(huán)的工質(zhì)。它在低溫下吸取被冷卻物體的熱量，然后在較高溫度下轉(zhuǎn)移給冷卻水或空氣。在蒸氣壓縮式制冷機(jī)中，使用在常溫或較低溫度下能液化的工質(zhì)為制冷劑，如氟利昂（飽和碳?xì)浠衔锏姆⒙?、溴衍生物），共沸混合工質(zhì)（由兩種氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液）、碳?xì)浠衔铮ū?、乙烯等）、氨等；在氣體壓縮式制冷機(jī)中，使用氣體制冷劑，如空氣、氫氣、氦氣等，這些氣體在制冷循環(huán)中始終為氣態(tài)；在吸收式制冷機(jī)中，使用由吸收劑和制冷劑組成的二元溶液作為工質(zhì)，如氨和水、溴化鋰 （分子式：LiBr。白色立方晶系結(jié)晶或粒狀粉末，極易溶于水）和水等；蒸汽噴射式制冷機(jī)用水作為制冷劑。制冷劑的主要技術(shù)指標(biāo)有飽和蒸氣壓強(qiáng)、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力等。1960年以后，人們對(duì)非共沸混合工質(zhì)的應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并已將其用于天然氣的液化和分離等方面。應(yīng)用非共沸混合工質(zhì)單級(jí)壓縮可得到很低的蒸發(fā)溫度，且可增加制冷量，減少功耗。 它的性質(zhì)直接關(guān)系到制冷裝置的制冷效果、經(jīng)濟(jì)性、安全性及運(yùn)行管理，因而對(duì)制冷劑性質(zhì)要求的了解是不容忽視的。
2.2.2 制冷劑類型
目前，制冷劑大概有以下幾種類型：無(wú)機(jī)物氨制冷劑、氟利昂制冷劑（如：R11、R22、R134a等）、共沸制冷劑（如：R507、R502）和非共沸制冷劑（如：R407C、R410A、R404A）等。氨作為一種無(wú)機(jī)物制冷劑，單位制冷量大，沸點(diǎn)低，歷史上曾被廣泛使用，但是由于氨泄漏所引起的危害，一度被禁止使用。直到最近，由于環(huán)保型制冷劑的發(fā)展，才又一次開始使用。氨制冷劑多用于大型冷庫(kù)系統(tǒng)中。氟利昂是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的制冷劑，雖然它有著優(yōu)越的熱力學(xué)性能，但是隨著環(huán)境問(wèn)題的惡化，它有被逐漸代替的趨勢(shì)。
共沸和非共沸制冷劑是近年興起的環(huán)保型制冷劑。不同于單一的制冷劑，它是有幾種不同的制冷劑按照不同的配比所混合而得到的。由于混合型制冷劑有著和單一制冷劑迥然不同的熱力學(xué)性能，它已經(jīng)開始作為一種環(huán)保節(jié)能的制冷劑進(jìn)入人們的視野。
特別是非共沸制冷劑，它是有幾種不同沸點(diǎn)的制冷劑混合而成。由于高，低沸點(diǎn)的不同，非共沸制冷劑存在有“溫度滑移”的現(xiàn)象。這樣當(dāng)使用冷卻水冷卻時(shí)，更容易實(shí)現(xiàn)“洛倫茲循環(huán)”，從而有利于提高制冷系數(shù)和節(jié)能性能。
2.2.3 制冷劑的選用原則
在蒸汽壓縮式制冷機(jī)中，除了要有較好的熱力性質(zhì)和物理化學(xué)性質(zhì)外，更應(yīng)具有優(yōu)良的環(huán)境特性。具體要求如下：
（1） 對(duì)人類生態(tài)環(huán)境無(wú)破壞作用。不破壞大氣臭氧層，不產(chǎn)生溫室效應(yīng)。
（2） 臨界溫度較高。在常溫或普通低溫下能夠液化。希望臨界溫度比環(huán)境溫度高的多，才能減少制冷劑節(jié)流損失，提高循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。
（3） 在工作溫度范圍內(nèi)，具有適當(dāng)?shù)娘柡险羝麎毫?，最起碼蒸發(fā)壓力不得低于大氣壓力，以免外部空氣滲入系統(tǒng)中；冷凝壓力不宜過(guò)高，否則會(huì)引起壓縮機(jī)耗功增加，并要求系統(tǒng)具有較高的承壓能力，增加設(shè)備成本。
（4） 單位容積制冷量大?？梢詼p少壓縮機(jī)輸氣量。
（5） 粘度和密度小。減少系統(tǒng)中流動(dòng)阻力損失。
（6） 熱導(dǎo)率高。可以提高換熱器的傳熱系數(shù)，減少換熱設(shè)備的傳熱面積降低材料消耗。
（7） 不燃燒，不爆炸，無(wú)毒。對(duì)金屬材料不腐蝕，對(duì)潤(rùn)滑油不發(fā)生化學(xué)作用，高溫下不分解。
（8） 等熵指數(shù)小?？山档团艢鉁囟?，減少壓縮過(guò)程耗功，有利安全運(yùn)行和提高使用壽命。
（9） 凝固溫度低，避免在蒸發(fā)溫度下出現(xiàn)凝固。
（10） 具有良好的絕緣性能。
（11） 價(jià)格低易獲得。
（12） 單位容積壓縮功小。
目前，完全滿足以上十二項(xiàng)要求的制冷劑還未發(fā)現(xiàn)。但選擇時(shí)，可以根據(jù)用途使用條件等加以全面考量
R22：對(duì)大氣臭氧層有輕微破壞作用，并產(chǎn)生溫室效應(yīng)，被列為第二批限用禁用的制冷劑。我國(guó)在2010年的新設(shè)備中已經(jīng)停止使用，至2020年全面停止使用。故在被設(shè)計(jì)中不選R22。另外R134a、R407C已經(jīng)逐漸代替了R22。
R134a作為使用最廣泛的中低溫環(huán)保制冷劑，由于HFC-134a良好的綜合性能，使其成為一種非常有效和安全的CFC-12的替代品，主要應(yīng)用于在使用R12制冷劑的多數(shù)領(lǐng)域。
R407C:是R32、R125、R134a 以23：25：52的質(zhì)量百分比組成的三元非共沸制冷劑，蒸發(fā)壓力和制冷壓力與R22非常接近。但在制熱工況下單位容積制冷量和COP都小于R22。
R410A是R32和R125按照50：50的質(zhì)量百分比組成的近共沸混合制冷劑。其溫度滑移不超過(guò)0.2℃，這給制冷劑充灌，設(shè)備更換提供了方便。
2.2.4 制冷劑的選擇
綜合考慮各方面利弊決定采用R134a作為本設(shè)計(jì)的自己制冷劑
2.3 熱交換器的選擇
熱交換設(shè)備是制冷機(jī)的重要設(shè)備，其特性對(duì)制冷機(jī)的性能有重大影響。熱交換器中包括多種傳熱方式(冷凝、沸騰、強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流、導(dǎo)熱等等)。制冷系統(tǒng)中需要交換熱量的流體常常分別處在固體壁面的兩側(cè)。例如在氟利昂臥式冷凝器中，冷卻水在管內(nèi)流動(dòng)，氟利昂蒸氣在管外凝結(jié)。蒸氣凝結(jié)時(shí)放出的熱量通過(guò)管壁傳遞給冷卻水。這種熱量由壁面一側(cè)的流體穿過(guò)壁面?zhèn)鹘o另一側(cè)流體的過(guò)程，稱為傳熱過(guò)程。制冷機(jī)熱交換設(shè)備涉及的傳熱過(guò)程包括通過(guò)平壁的傳熱過(guò)程、通過(guò)圓管的傳熱過(guò)程以及通過(guò)肋壁的傳熱過(guò)程。
2.3.1 冷凝器簡(jiǎn)介
冷凝器是制冷機(jī)中的主要熱交換設(shè)備之一。高壓、過(guò)熱的制冷劑蒸氣在冷凝器中放出熱量后，凝結(jié)成飽和液體或過(guò)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
2.3.2 冷凝器的比較
(1) 空氣冷卻式冷凝器
空冷式用空氣作為介質(zhì)吸收制冷劑蒸汽放出的熱量，分為空氣自由流動(dòng)和空氣強(qiáng)制流動(dòng)兩種，而空氣強(qiáng)制流動(dòng)適用于小、中型氟利昂制冷裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效果好、制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在國(guó)外，由于城市缺水，空氣冷卻式冷凝器也有用于制冷量達(dá)360KW的固定式制冷機(jī)的。迄今空氣冷卻式冷凝器僅用于氟里昂制冷機(jī)?？諝饫鋮s式冷凝器多為蛇管式結(jié)構(gòu)。制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動(dòng)。制冷劑放出的熱量被空氣帶走。根據(jù)空氣的流動(dòng)情況還可分為自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)制對(duì)流冷卻兩種。
(2) 水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是靠水的溫升帶走冷凝熱量。冷卻水一般循環(huán)使用，但系統(tǒng)中需設(shè)有冷卻塔或涼水池。水冷卻式冷凝器按其不同的結(jié)構(gòu)型式又可分為立式殼管式、臥式殼管式和套管式等多種。冷卻水可用天然水、自來(lái)水或者用經(jīng)冷卻水塔冷卻后的循環(huán)水。使用天然水冷卻水時(shí)容易使冷凝器結(jié)垢，影響傳熱效果，因此必須經(jīng)常清洗。耗水量不大的小型裝置可以用自來(lái)水冷卻。大、中型水冷式冷凝器循環(huán)水冷卻，以減少水耗。在現(xiàn)代城市中，由于生產(chǎn)發(fā)展、人口集中，水的消耗量很大，節(jié)約用水的問(wèn)題應(yīng)特別重視。
①殼管式冷凝器
殼管式冷凝器分為立式和臥式兩大類。臥式殼管式冷凝器的基本結(jié)構(gòu)形式與殼管式蒸發(fā)器十分相似，也是由筒形外殼、管板、管束和端蓋組成。制冷劑蒸氣在管外凝結(jié)，凝液從筒底流出，冷卻水在管內(nèi)多次往返流動(dòng)。在正常情況下，筒下部只有少量液體，但也有一些小型冷凝器的筒體下部不裝管束，筒底部用以儲(chǔ)存凝結(jié)的液體，使設(shè)備簡(jiǎn)化。有時(shí)筒下部設(shè)有集液包，制冷劑液體由此排出，并用以集存潤(rùn)滑油及機(jī)械雜質(zhì)。立式殼管式冷凝器用于大、中型氨制冷裝置，筒體直立地安裝在儲(chǔ)水池上。冷卻水從頂部的分水箱進(jìn)入管道后，沿壁面呈膜狀向下流動(dòng)，流下的水集中下面的水池中。制冷劑蒸氣從筒體上部進(jìn)入，放出熱量后在管外凝結(jié)成液體，由底部排出。立式殼管式冷凝器可以露天安裝，節(jié)省機(jī)房面積；也可以裝在冷卻塔下面，簡(jiǎn)化冷卻水系統(tǒng)。與臥式殼管式冷凝器相比，立式殼管式冷凝器可以使用水質(zhì)較差的水，因?yàn)樗梢栽谶\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行清洗。但由于冷卻水不能始終沿管壁流動(dòng)，且上部管壁的凝結(jié)液覆蓋下部管壁，因此傳熱系數(shù)低于臥式殼管式。
②套管式冷凝器
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，也可以有數(shù)根，套管可以繞成螺旋型或彎成蛇管型，制冷劑蒸氣從上部進(jìn)入，凝結(jié)液從下部流出。冷卻水從下部進(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(shí)受到冷水及管外空氣的冷卻，因而它的傳熱效果好，但金屬的消耗較大。套管式冷凝器用于氟利昂機(jī)組時(shí)，內(nèi)管常用滾壓肋片管，這種結(jié)構(gòu)常在水冷卻式空調(diào)柜中應(yīng)用。氨制冷機(jī)中套管式熱交換器主要用作過(guò)冷器。
③殼-盤管式冷凝器
它由一根或幾根盤管裝在一個(gè)殼體內(nèi)構(gòu)成。冷凝器管內(nèi)通水，管外是制冷劑。制冷劑蒸氣從頂部進(jìn)入殼體后在管外冷卻并冷凝，冷凝液匯集在殼體底部后引出。用殼-盤管式冷凝器時(shí)，不可以在系統(tǒng)中充灌過(guò)多的制冷劑，否則太多的制冷劑會(huì)減少有效傳熱面積。殼盤管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于小型制冷裝置，主要用在氟里昂制冷系統(tǒng)中，因?yàn)榉锇合到y(tǒng)中盤管的材料為銅，容易加工。但殼-盤管式冷凝器無(wú)法機(jī)械清洗，應(yīng)當(dāng)使用符合水質(zhì)要求的水，并定期進(jìn)行化學(xué)清洗。
④螺旋板式冷凝器
螺旋板式冷凝器由兩個(gè)螺旋體加上頂蓋和接管構(gòu)成。兩個(gè)螺旋體形成螺旋形通道。兩種介質(zhì)在螺旋形通道內(nèi)逆向流動(dòng)，一種介質(zhì)由螺旋中心流入，從周邊流出；另一種介質(zhì)由周邊流入，從中心流出。
螺旋板式冷凝器周邊處的管接頭應(yīng)切向連接。為了增強(qiáng)螺旋板的剛度，在通道內(nèi)每隔一定的距離便設(shè)有支撐。當(dāng)冷凝器承受的壓力較高時(shí)，應(yīng)在其外圍焊加強(qiáng)筋。與殼管式冷凝器比較，螺旋板式冷凝器不但體積小、重量輕，而且傳熱系數(shù)也高。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)工作條件及介質(zhì)流速相同時(shí)，新的氨螺旋板式冷凝器的傳熱系數(shù)比殼管式冷凝器高50%左右。使用幾年后還可穩(wěn)定在 。
這種冷凝器的主要缺點(diǎn)是不適用于高壓。此外，它的內(nèi)部不易清洗和檢修，只能用軟水或低硬度的水。
(2) 蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式以水和空氣作為冷卻介質(zhì)，利用水蒸發(fā)時(shí)吸收熱量使管內(nèi)制冷劑蒸汽凝結(jié)。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。
按空氣流動(dòng)方式可分為吸入式和壓送式。蒸發(fā)式冷凝器由冷卻管組、給水設(shè)備、通風(fēng)機(jī)、擋水板和箱體等部分組成。冷卻管組為無(wú)縫鋼管彎制成的蛇形盤管組，裝在薄鋼板制成的長(zhǎng)方形箱體內(nèi)。箱體的兩側(cè)或頂部設(shè)有通風(fēng)機(jī)，箱體底部兼作冷卻水循環(huán)水池。本次設(shè)計(jì)的熱泵空調(diào)器的冷凝器應(yīng)選用空氣強(qiáng)制流動(dòng)的空冷冷凝器。
2.3.3蒸發(fā)器的簡(jiǎn)介
蒸發(fā)器的作用是使蒸發(fā)的制冷劑與被冷卻對(duì)象進(jìn)行熱交換，以使被冷卻物體或空間降溫，在制冷機(jī)中，它是吸收熱量的設(shè)備。蒸發(fā)器的種類很多，適用場(chǎng)合也不盡相同。蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，就是根據(jù)不同的使用目的，進(jìn)行型式的選擇和傳熱與結(jié)構(gòu)計(jì)算，以達(dá)到最佳的使用效果。
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。蒸發(fā)器按被冷卻對(duì)象的不同，可分為冷卻固體、冷卻液體和冷卻氣體三類。
按結(jié)構(gòu)型式的不同，又可以分為：殼管式蒸發(fā)器、套管式蒸發(fā)器、立管式蒸發(fā)器、螺旋管式蒸發(fā)器、翅片管式蒸發(fā)器、排管式蒸發(fā)器、板管式蒸發(fā)器和板式蒸發(fā)器等類型。殼管式蒸發(fā)器、套管式蒸發(fā)器、板式均是冷卻液體用的蒸發(fā)器，其配套液體載冷劑系統(tǒng)通常是閉式系統(tǒng)。排管式蒸發(fā)器、板管式主要用于冷卻氣體，與被冷卻氣體間一般是自由對(duì)流。目前，板管式的設(shè)計(jì)方法基本成熟，有定型的產(chǎn)品生產(chǎn)，可以根據(jù)用戶的不同需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.3.4 蒸發(fā)器的比較
蒸發(fā)器根據(jù)供液方式分為滿液式、干式、循環(huán)式等。滿液式蒸發(fā)器在管內(nèi)走水，制冷劑在管簇外面蒸發(fā)，所以傳熱面基本上都是與液體制冷劑接觸；干式蒸發(fā)器即非滿液式蒸發(fā)器的制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)，水在管簇外流動(dòng)，干式又分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型，而冷卻空氣型又分為冷卻自由運(yùn)動(dòng)空氣和冷卻強(qiáng)制流動(dòng)兩類，冷卻自由運(yùn)動(dòng)空氣的傳熱系數(shù)低一般用于食品的冷藏，冷卻強(qiáng)制流動(dòng)空氣多用于空調(diào)和大型冷藏庫(kù)；循環(huán)式多用于大型的液泵供液和重力供液冷庫(kù)系統(tǒng)。
2.3.5 熱交換器的選型
綜上所述考慮本設(shè)計(jì)制冷量較大，故采用殼管式冷凝器和干式殼管式蒸發(fā)器。
2.4壓縮機(jī)的選型
2.4.1 壓縮機(jī)的概述
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(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、噪聲、振動(dòng)、維護(hù)和使用壽命等有著直接的影響。它是整個(gè)制冷系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)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)。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(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)連成一個(gè)整體，裝在一個(gè)不能拆開的密封機(jī)殼中，使用可靠性高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，體積小，使用于小制冷量系統(tǒng)中。。
由于壓縮機(jī)是制冷產(chǎn)品技術(shù)含量最高、生產(chǎn)代價(jià)最大的關(guān)鍵部件。因而，國(guó)際上對(duì)制冷壓縮機(jī)的研究從未停止、永無(wú)止境，從傳熱流動(dòng)、噪聲振動(dòng)、摩擦潤(rùn)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(cè)試技術(shù)等，幾乎無(wú)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(lái)的進(jìn)步和收益。同時(shí)近年來(lái)，國(guó)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(guó)節(jié)能冰箱項(xiàng)目的推動(dòng)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(guó)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。
2.4.2 各類壓縮機(jī)的比較
一.滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)
滾動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)比往復(fù)式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng),不需將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng),所以運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低、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(méi)有膨脹氣體的干擾。此外無(wú)吸氣閥,使流動(dòng)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(duì)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(gè)轉(zhuǎn)子且為偏心布置,轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)振動(dòng)和噪聲仍較大,特別是對(duì)于較大功率機(jī)組,其氣缸排量一般在6～44cm3/ r。它分成幾個(gè)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(gè)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(duì)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì),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(lái)實(shí)現(xiàn)；降低壓縮機(jī)噪聲主要通過(guò)更好的動(dòng)、靜平衡來(lái)減小振動(dòng), 緩沖壓力脈動(dòng),以及設(shè)計(jì)更好的消聲器等途徑來(lái)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(yàn)手段,特別加工和設(shè)計(jì)保護(hù)元件和連接元件等來(lái)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(yàn)以及根據(jù)不同情況配以不同儲(chǔ)液器來(lái)確保壓縮機(jī)的可靠性。
二．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(zhǎng)期以來(lái), 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(guó)的研究, 才使渦旋式壓縮機(jī)走上實(shí)用化道路?？计仗m、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:①無(wú)吸、排氣閥,吸氣壓力損失小,壓縮室壓差小, 無(wú)余隙容積, 容積效率高, 可靠性高,功耗小COP大；②渦旋回旋運(yùn)動(dòng)能形成幾對(duì)壓縮腔,因此力矩變化小,振動(dòng)小,噪音低；③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零部件少, 尤其易損件少，體積小，重量輕；④對(duì)液擊不敏感;⑤轉(zhuǎn)速高,有利于實(shí)現(xiàn)變頻控制的方式來(lái)調(diào)節(jié)制冷量；⑥采用一種背壓可自動(dòng)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；⑦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)；⑧制造、加工精度高,成本較高。總體來(lái)說(shuō),其綜合性能稍好于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式,特別適合于低噪聲要求。目前主要用在3～5HP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(shì)主要在：①進(jìn)一步改進(jìn)渦旋盤加工制造工藝, 降低成本；②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)一步提高效率；③研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機(jī)性能, 提高工作轉(zhuǎn)速；④研究開發(fā)自轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機(jī)等。
三．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(jiǎn)單, 工藝性好,成本較低,對(duì)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(guó)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(shí)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(zhǎng)、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(lái)隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)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。
四．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(dòng)能變?yōu)閴毫ξ荒埽瑥亩岣邭怏w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(jí)式和多級(jí)式。如果只有一個(gè)工作輪，就稱為單級(jí)離心式壓縮機(jī)，如果由幾個(gè)工作輪串聯(lián)而組成，就稱為多級(jí)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(jí)，其它方面所用的離心式制冷壓縮機(jī)大都是多級(jí)的。單級(jí)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(shí)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(lái)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?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)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(dòng)，從而使汽體的壓力和速度都得到提高。由工作輪出來(lái)的汽體再進(jìn)入截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓器(因?yàn)槠w從工作輪流出時(shí)具有較高的流速，擴(kuò)壓器便把動(dòng)能部分地轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高汽體的壓力)。汽體流過(guò)擴(kuò)壓器時(shí)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)：?jiǎn)螜C(jī)制冷量大，在制冷量相同時(shí)它的體積小，占地面積少，重量較活塞式輕5～8倍；由于它沒(méi)有汽閥活塞環(huán)等易損部件，又沒(méi)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(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低；工作輪和機(jī)殼之間沒(méi)有摩擦，無(wú)需潤(rùn)滑。故制冷劑蒸汽與潤(rùn)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(duì)制冷劑的適應(yīng)性差，一臺(tái)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(shì)，這主要是受益于在這個(gè)冷量范圍內(nèi)，它具有無(wú)可比擬的系統(tǒng)總效率。離心式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)零件少而簡(jiǎn)單，且其制造精度要比螺桿式壓縮機(jī)低的多，這些都帶來(lái)制造費(fèi)用相對(duì)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(chǎng)合中，可以避開由喘振所帶來(lái)的問(wèn)題，在不久的將來(lái)，總體和部分負(fù)荷（Integrated part lode value）將愈來(lái)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(duì)來(lái)講，離心式壓縮機(jī)的發(fā)展近來(lái)有所緩慢，因?yàn)槭艿铰輻U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(jì)，以使其熱力和氣動(dòng)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。
五．螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)是靠汽缸中一對(duì)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(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)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 %[13]。
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(guó)內(nèi)電源、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。因此, 在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi), 小容量空氣壓縮機(jī)將以螺桿式為主。
2.4.3 壓縮機(jī)的選型
綜上所述可知：就壓縮機(jī)的性能來(lái)講，渦旋式最好，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差；就成本價(jià)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(dòng)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?；钊麎嚎s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(jì)中，選擇封閉式活塞壓縮機(jī)。
一、由于設(shè)計(jì)原理的關(guān)系，就決定了活塞壓縮機(jī)的很多特點(diǎn)。比如運(yùn)動(dòng)部件多，有進(jìn)氣閥、排氣閥、活塞、活塞環(huán)、連桿、曲軸、軸瓦等；比如受力不均衡，沒(méi)有辦法控制往復(fù)慣性力；比如需要多級(jí)壓縮，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；再比如由于是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮空氣不是連續(xù)排出、有脈動(dòng)等。
二、優(yōu)點(diǎn)：
1、熱效率高、單位耗電量少
2、加工方便 對(duì)材料要求低，造價(jià)低廉
3、裝置系統(tǒng)較簡(jiǎn)單
4、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)早，制造技術(shù)成熟
5、應(yīng)用范圍廣
三、缺點(diǎn)：
1、運(yùn)動(dòng)部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修工作量大，維修費(fèi)用高
2、轉(zhuǎn)速受限制
3、活塞環(huán)的磨損、氣缸的磨損、皮帶的傳動(dòng)方式使效率下降很快
4、噪音大
5、控制系統(tǒng)的落后，不適應(yīng)連鎖控制和無(wú)人值守的需要，所以盡管活塞式的價(jià)格很低，但是也往往不能夠被用戶接受。
2.5 工況
1. 制熱工況：進(jìn)水溫度40℃,出水溫度45℃；環(huán)境干球溫度7℃、環(huán)境濕球溫度6℃
2. 制冷工況：制冷量28 KW,進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃；環(huán)境溫度35℃
3. 控溫精度： ±2 ℃
4. 電源： 220 V 50Hz
5. 工質(zhì)： HCFC類或HFC類
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 理論循環(huán)計(jì)算
3.1.1 系統(tǒng)工況的設(shè)計(jì)
已知制熱工況：進(jìn)水溫度40℃,出水溫度45℃；環(huán)境干球溫度7℃、環(huán)境濕球溫度6℃。制冷工況：制冷量28 KW,進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃；環(huán)境溫度35℃；控溫精度：±2℃；電源：220V 50Hz；工質(zhì)：HCFC類或HFC類。
1) 冷凝溫度的確定
系統(tǒng)以水為冷卻介質(zhì)，冷凝溫度比冷卻水進(jìn)口溫度高約7~14℃，比出口溫度高約2~4℃，綜合考慮，取冷凝溫度=48℃。
2) 蒸發(fā)溫度的確定
蒸發(fā)溫度是制冷劑液體在蒸發(fā)器中汽化時(shí)的溫度。蒸發(fā)溫度的高低取決于被冷卻物體的溫度，另外蒸發(fā)溫度還與蒸發(fā)器的型式有關(guān)。選用殼管式蒸發(fā)器，蒸發(fā)溫度比冷凍水出口溫度低2~3℃，取=5℃
3) 過(guò)冷溫度的確定
過(guò)冷度是在一定壓力下冷凝水的溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的差值。它與所采用的制冷劑種類和膨脹閥開口大小有關(guān)，開口的大小決定了進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑的量，進(jìn)入的量多導(dǎo)致過(guò)冷，進(jìn)入的量少導(dǎo)致過(guò)熱。擬采用殼管式冷凝器。在此情況下，一般過(guò)冷溫度要比冷凝溫度低3~5℃，這里取過(guò)冷度為5℃。即過(guò)冷溫度：
℃ (3-1)
4) 過(guò)熱溫度的確定
過(guò)熱度(superheat)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，用于熱力膨脹閥是指低壓側(cè)和感溫包內(nèi)蒸汽之間的溫度差。經(jīng)查閱資料得R134a的過(guò)熱度為9~12℃。取過(guò)熱度為10℃故過(guò)熱溫度為：
℃ (3-2)
3.1.2 系統(tǒng)的熱力計(jì)算
p (MPa)
3
4
2s
2
0
5
1
h(kJ/kg)
圖3-1 制冷系統(tǒng)壓焓圖
運(yùn)用Solkane計(jì)算軟件計(jì)算熱力循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)見 表3-1
表3-1 熱力循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)
p(kPa)
t(℃)
?(/kg)
h(kJ/kg)
s(kJ/kg.k)
0
350
5.00
0.05835
401.37
1.7241
1
350
15.00
0.06137
410.41
1.7560
2s
1253
61.68
0.01759
438.41
1.7560
2
1253
67.97
0.01827
445.42
1.767
3
1253
48.00
0.00090
268.45
1.2273
4
1253
45.00
0.00089
263.9
1.2132
5
350
5.00
0.01041
253.59
1.1931
1) 單位質(zhì)量制冷量
（3-3）
2) 單位容積制冷量
（3-4）
3) 單位理論功
（3-5）
4) 制冷劑質(zhì)量流量
（3-6）
5) 壓縮理論功率
（3-7）
取壓縮機(jī)的指示效率，則壓縮機(jī)的指示功率
（3-8）
取壓縮機(jī)的機(jī)械效率，則壓縮機(jī)的軸功率為
（3-9）
6) 實(shí)際輸氣量
（3-10）
7) 冷凝器單位熱負(fù)荷
（3-11）
8) 冷凝器熱負(fù)荷
（3-12）
9) 壓比
10) 制冷系數(shù)
（3-13）
(3-14)
(3-15)
11） 熱力完善度
(3-16)
12) 能效比
(3-17)
3.2 壓縮機(jī)的選擇
3.2.3 壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)確定
由于冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比
(3-18)
所以應(yīng)選用單機(jī)制冷壓縮機(jī)。壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)理論上說(shuō)越多越好，但是實(shí)際上壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)不應(yīng)太多，因?yàn)榧?jí)數(shù)每增加一級(jí)，相應(yīng)的就多增加一套汽缸氣閥等機(jī)件，使壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。壓縮比越大，出口溫度就越高，消耗的功率大，出口溫度也可能會(huì)超過(guò)潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油會(huì)被燒成碳渣。一般情況下，壓縮機(jī)每一級(jí)壓縮比不超過(guò)3至5。
3.2.4 壓縮機(jī)的型號(hào)選擇
取相對(duì)余隙容積，取排氣終了相對(duì)壓力損失，取多變膨脹過(guò)程指數(shù)，則壓縮機(jī)容積系數(shù)
（3-19）
取吸氣終了相對(duì)壓力損失
（3-20）
則壓力系數(shù)
（3-21）
取泄露系數(shù)，溫度系數(shù)
（3-22）
則壓縮機(jī)容積效率
（2-23）
壓縮機(jī)的理論輸氣量
（3-24）
根據(jù)制冷所需理論輸氣量，初步選定丹佛的半封閉往復(fù)式壓縮機(jī)，其型號(hào)為MTZ250T4，其主要技術(shù)參數(shù)如表3-2所示：
表3-2 MTZ125-4型壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
MTZ250T4
容量級(jí)數(shù)
100%
制冷量(kW)
33.976
電流消耗(A)
20.47
輸入功率(kW)
11.697
質(zhì)量流量（kg/h）
881
COP/EER
2.91
制冷劑
R134a
3.2.5 壓