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目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 8
1.1 空氣源熱泵的概述 8
1.1.1 空氣源熱泵簡(jiǎn)介 8
1.1.2 熱水器的發(fā)展歷史 9
1.1.3空氣源熱泵熱水器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 10
1.1.4 空氣源熱泵熱水器的發(fā)展前景 11
1.1.5 存在的問題 13
1.2 熱泵熱水器系統(tǒng)運(yùn)行原理 14
2 設(shè)計(jì)任務(wù) 16
3 選擇與論證 16
3.1 制冷劑 16
3.1.1 制冷劑的分類 17
3.1.2 制冷劑的選擇原則 18
3.1.3 制冷劑的確定 19
3.2 壓縮機(jī) 21
3.2.1 壓縮機(jī)概述 21
3.2.2 壓縮機(jī)的比較 21
3.3 冷凝器 24
3.3.1 冷凝器概述 24
3.3.2 冷凝器的比較 25
3.4 蒸發(fā)器 27
3.4.1 蒸發(fā)器概述 27
3.4.2 蒸發(fā)器的比較 27
4 設(shè)計(jì)計(jì)算 28
4.1 設(shè)計(jì)工況的選擇 28
4.2 水箱的設(shè)計(jì) 28
4.2.1 水箱相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 29
4.2.2 隔熱材料的選擇 30
4.3 循環(huán)熱力計(jì)算 30
4.4 壓縮機(jī)的選型 33
4.5 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 33
4.6 冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算 41
4.7 風(fēng)機(jī)的選擇 43
5 節(jié)流機(jī)構(gòu) 44
5.1節(jié)流機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 44
5.2 熱力膨脹閥的選擇 46
6 其他輔助設(shè)備的計(jì)算與選型 47
6.1 電磁閥的選擇 47
6.2 油分離器的選擇 47
6.3 氣液分離器的選擇 48
6.4 視液鏡的選擇 49
6.5 壓差控制器的選取 50
6.6 干燥過濾器的選型 50
6.7 貯液器的選擇 52
7設(shè)計(jì)部件選型匯總 54
結(jié)束語 55
致 謝 55
參考文獻(xiàn) 56
摘 要
近年來,隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,衛(wèi)生熱水的需求量越來越大，尤其是酒店,賓館等公共建筑。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能的要求,空氣源熱泵熱水器在衛(wèi)生熱水制備上應(yīng)用得越來越廣泛。
本文主要介紹了空氣源熱泵熱水器的工作原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用前景和面臨的問題，并設(shè)計(jì)一款220L空氣源熱泵熱水器。本裝置是以空調(diào)熱水系統(tǒng)為主進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)題目的分析，選出合適的方案。然后進(jìn)行熱負(fù)荷的計(jì)算，進(jìn)行壓縮機(jī)和輔助機(jī)構(gòu)的選型；以及與壓縮機(jī)相適配的冷凝器、蒸發(fā)器等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，選取合理的風(fēng)機(jī)，通過對(duì)裝置的各部件設(shè)計(jì)后，對(duì)裝置的整體布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，使裝置整體結(jié)構(gòu)布局合理，緊湊。系統(tǒng)各主要部件及控制設(shè)計(jì)如下：
(1)冷凝器采用套管式冷凝器，為減小其結(jié)構(gòu)尺寸，內(nèi)管采用紫銅管軋制的低翅片管。
(2)蒸發(fā)器采用的是強(qiáng)制風(fēng)冷式翅片管式換熱器，管子為紫銅管，翅片為鋁翅片。
(3)系統(tǒng)壓縮機(jī)采用的是谷輪全封閉渦旋式壓縮機(jī)。
關(guān)鍵詞 熱泵/熱水器/空氣源
220L Air Heat Pump Water Heater
ABSTRACT
In recent years, as the country's economic development, it demands more and more sanitary hot water especially in hotels, guest houses and other public buildings.In response to the national energy requirements, Air source heat pump water heater in the sanitary hot water preparation is applied more and more widely.
This paper describes the air-source heat pump water heater works, characteristics and applications,besides it designs a 220L air source heat pump water heater .This device is designed primarily for air conditioning water system by analysising the topic and selecting the appropriate option. Then it concludes the calculation of the thermal load, the compressor and the auxiliary selection mechanism; And it selects the reasonable air blower with the compressor matched condenser, evaporator design and calculation,.through the design of the components of the device, the overall layout of the device is designed so that the entire apparatus reasonable structure, The major components and control system design are as follows:
(1) It selects tube-in-tube condenser.And the inner tube adopts low rolling copper finned tubes to reduce the size of the structure,
(2) The evaporator is used in forced air-cooled finned tube heat exchanger.It used copper tube and aluminum fin
(3) The system uses a compressor Copeland hermetic scroll compressor.
KEY WORDS Refrigerant, Heat pump water heater ,Air source
220L空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 空氣源熱泵的概述
1.1.1 空氣源熱泵簡(jiǎn)介
熱泵技術(shù)是一項(xiàng)新型的新能源技術(shù) [1]，近幾十年頗受全世界科研機(jī)構(gòu)的青睞和關(guān)注。常人眼中的“泵”就是提高各種位置高度的機(jī)械設(shè)備，比如水泵是將水從低的地理位置抽到高的地理位置。而“熱泵”則是一種可以從周圍環(huán)境中比如水，土壤，空氣等將品味低的熱能，經(jīng)過電力做工，將高品位的能提供給人們加以合理的利用。
熱泵是一種可以將熱能從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩吹难b置。生活中我們所接觸的低溫?zé)嵩淳褪俏覀兛梢越佑|到的我們周圍的空氣，河流，海水，甚至可以是從工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中提取出來的工質(zhì)，這些工質(zhì)共有的特性是與周圍介質(zhì)具有相接近的溫度。熱泵裝置的工作原理可以說和壓縮式制冷劑基本是一致的：在常見的小型空調(diào)器中，無論在夏季用空調(diào)降溫還是冬季用來取暖，都可以采用用一套設(shè)備來充分發(fā)揮他的效能。比如在冬季取暖時(shí)候，在空調(diào)中通過用換向閥將冷凝器和蒸發(fā)器來調(diào)換工作，在夏季用空調(diào)降溫時(shí)候，按照制冷工況運(yùn)行時(shí)，油壓縮機(jī)排出的制冷劑為高壓蒸汽，經(jīng)過換向閥或者四通閥進(jìn)入冷凝器，高溫高壓的制冷劑蒸汽通過換熱被冷凝成為液體，經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器，然后在蒸發(fā)器中吸收熱量，將室內(nèi)的空氣冷卻，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽，經(jīng)過換向閥被壓縮機(jī)吸入，這樣循環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。同理，在冬季需要取暖時(shí)候，提前將換向閥調(diào)制到熱泵的工作位置，然后壓縮機(jī)排出的高壓高溫制冷劑蒸汽就通過換向閥流入室內(nèi)的蒸發(fā)器中，制冷劑蒸汽冷凝放熱，通過換熱將室內(nèi)空氣加熱，達(dá)到室內(nèi)取暖的目的，冷凝后的液態(tài)制冷劑則從反方向流經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)進(jìn)入冷凝器，吸收外界熱量而蒸發(fā)，蒸發(fā)后的蒸汽流過四通閥被壓縮機(jī)吸入完成整個(gè)制熱循環(huán)，這樣就可以將外界環(huán)境中的熱量有泵吸入溫度高的室內(nèi)，故稱為“熱泵”。下圖為熱泵工作原理圖
圖1-1 熱泵工作原理
在生活中憑借經(jīng)驗(yàn)我們可以知道[2]，熱水隨著時(shí)間的推移可以向空氣中慢慢放熱，這是常說的散熱，冷卻成冷水，這表明熱量可以從高溫物體傳到低溫物體，也就是從熱水傳到空氣，那么可不可以逆向思維呢，將此過程反過來進(jìn)行呢，可不可以將能量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體中呢？由熱力學(xué)第二定律可知：熱量不可能自發(fā)的從低溫物體傳到高溫物體而不引起其他變化。換句話說就是，熱量不可能自發(fā)地從溫度高的物體傳向低溫物體，這是不可逆性，而熱泵則是一種消耗一定的機(jī)械能，將空氣中的品位低熱能送入高溫物體以供所需的熱量的設(shè)備，這就是“空氣源熱泵”。
1.1.2 熱水器的發(fā)展歷史
第一代熱水器大功率燃?xì)?，其出水溫度受環(huán)境條件的影響，水壓也受氣候條件的影響，總體來說不穩(wěn)定也不易調(diào)節(jié)水溫。另外，燃燒高耗能并伴隨有大量的廢氣排放出來，使用壽命短。
第二代熱水器是大功率的電熱水器。其主要病端也是高耗能，容易漏電傷及無辜，出水量不足也就是其明顯的一個(gè)弱點(diǎn)。除此外還有水溫過高，內(nèi)膽生垢嚴(yán)重也會(huì)造成壽命短。
第三代熱水器是太陽能熱水器，理論上最為節(jié)能[3]，但是聯(lián)系到實(shí)際生活，比如現(xiàn)實(shí)環(huán)境中經(jīng)常下雨，陰天或者北方冬季需要額外增加電輔助，就給電熱水器造成很大的安全隱患。最后，需要指出的是一般太陽能使用的真空管極易破毀給維修帶來麻煩，同樣會(huì)造成使用年限低。
第四代空氣源熱泵。結(jié)合前三者的優(yōu)點(diǎn)，芬尼人針對(duì)空氣源熱泵價(jià)格高但功能單一的情況經(jīng)過不懈努力終于于2005年研制出了空氣源熱泵。其工作原理是通過制冷劑或者冷媒將空氣中的熱量大量吸收，然后釋放到冷水中，循環(huán)將水加熱，同時(shí)可以把低溫空氣釋放到廚房或者其他需要制冷的地方用來制冷，此時(shí)的低溫空氣已經(jīng)失去大量能量?？諝庠谑ゴ罅磕芰康耐瑫r(shí)還有大量的水蒸氣遇冷冷凝，因而釋放的冷氣濕度大大降低了，這種效果可以和除濕相比美，因此，該產(chǎn)品融合了中央空調(diào)制冷、廚房或者衛(wèi)生間制冷、小地方除濕等功能于一體，很大程度上提高了該產(chǎn)品的性價(jià)比和使用性能，為現(xiàn)代更多富裕家庭享受高質(zhì)量生活提供了條件。
1.1.3空氣源熱泵熱水器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
1）空氣源熱泵熱水器具有以下特點(diǎn)：
1、 可以提供超大水量：因?yàn)槠渌扛鶕?jù)實(shí)際情況來定，水量足夠調(diào)用，可滿足各種客戶的不同時(shí)段不同的需求量。
2、 節(jié)約經(jīng)濟(jì)：可以從空氣中獲取大量的熱能，能效比高達(dá)300%～400%[4] 。還可以根據(jù)每個(gè)人的不同使用規(guī)律設(shè)定熱水器的運(yùn)行時(shí)間等，節(jié)省高額的費(fèi)用[。
3、使用范圍廣：不會(huì)受到天氣影響，在環(huán)境溫度為-10℃～42℃下依然能夠正常工作不受氣候的影響。大可廣泛應(yīng)用到家庭、學(xué)校、賓館、醫(yī)院等等也可以用于住宅小區(qū)，桑拿等集中供熱。
4、持久恒溫：使用起來很簡(jiǎn)單，整個(gè)熱水器全部用自動(dòng)化只能控制系統(tǒng)，客戶只需要第一次使用時(shí)候開一下電源，然后在以后的使用中就可以實(shí)現(xiàn)完完全全的自動(dòng)化運(yùn)行，達(dá)到用戶的制定水溫時(shí)自動(dòng)停機(jī)，低于用戶的使用過程中完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，低于客戶的目標(biāo)水溫時(shí)系統(tǒng)就可以自動(dòng)開機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一天24小時(shí)隨時(shí)都有熱水用不用再浪費(fèi)時(shí)間等待了。
5、安全環(huán)保：在結(jié)構(gòu)上水和電完全分離，而且無任何有毒氣體排放或者燃燒，不容易受天氣災(zāi)害的影響，使用起來很方便安全[5]。
6、防凍功能：很多都有智能化霜功能，確保熱水器可以在很低的天氣溫度下運(yùn)行，他可以按照室外的空氣溫度、機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、蒸發(fā)器翅片溫度、冷凝器出口溫度等等多個(gè)參數(shù)綜合起來判斷自動(dòng)進(jìn)入化箱和退出化箱。
7、安裝方便：總體體積小巧，可以安裝在任何地方，安裝在室內(nèi)不會(huì)占用室內(nèi)空間，當(dāng)然還可以安裝在室外的屋頂，地面等，也就是說可以露天放置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，占用很少的面積，安裝起來也很簡(jiǎn)單，不需要另外設(shè)置機(jī)房。
8、使用壽命長(zhǎng)，維修費(fèi)用很低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，可以使用長(zhǎng)達(dá)15年以上，
2）空氣源熱泵熱水器具有一下優(yōu)勢(shì)：
空氣源熱泵熱水器和常規(guī)太陽能相比明顯具有四個(gè)優(yōu)勢(shì)：
1、投資少：如果達(dá)到相同的供水效果，投入空氣熱泵熱水器的資金要比投入到常規(guī)太陽能產(chǎn)品的少很多，這是一很大優(yōu)勢(shì)，并且可以在用電很少時(shí)候使用經(jīng)濟(jì)電能制熱水儲(chǔ)備。
2、使用方便：常規(guī)太陽能產(chǎn)品容易受到天氣影響，比如陰天，下雨，下雪，夜晚等情況下都不能正常工作，而空氣源熱泵熱水器則不管雨天還是陰天還是下雪天，夜晚或者陽光明媚都能照常工作，全天提供熱水。
3、運(yùn)行成本低：常規(guī)太陽能當(dāng)太陽直射時(shí)候完全無需成本運(yùn)行，可是在陰雨天里，或者下雪，下雪，夜晚只能依靠一些簡(jiǎn)單的輔助系統(tǒng)工作，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，正常使用時(shí)候，常規(guī)太陽能輔助系統(tǒng)一年的耗電量比空氣源熱泵熱水器全年的耗電量要高出1.5倍[6]
4、不受地域限制：空氣源熱泵熱水器使用時(shí)候根本不必考慮地點(diǎn)限制，可以隨意擺在任意位置，況且其占地空間很小，但是常規(guī)太陽能要達(dá)到一樣的供熱效果就需要占用很大的空間，還必須露天擺放，以便獲取好的光照，同時(shí)在使用壽命方面，空氣源熱泵熱水器可以有更長(zhǎng)的使用年限，維護(hù)費(fèi)用少了很多，設(shè)備性能穩(wěn)定等等。
1.1.4 空氣源熱泵熱水器的發(fā)展前景
空氣源熱泵熱水器技術(shù)曾在2011年度獲得市場(chǎng)和政府明顯力捧的一項(xiàng)綠色天然科技，在這一年里，產(chǎn)業(yè)鏈布局完成初步進(jìn)展后，各種大的熱水器大廠商開始面向市場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)勢(shì)的主動(dòng)出擊，各自大力推廣各自旗下的空氣源熱泵熱水器技術(shù)和產(chǎn)品，市場(chǎng)從多年不溫不火中迅速成為各大廠商爭(zhēng)相競(jìng)爭(zhēng)的激烈場(chǎng)面，還有就是，政策往常對(duì)空氣能產(chǎn)品的扶持力度很低，但是從2011年起多地方政府都將空氣源熱泵熱水器納入到技能產(chǎn)品推廣的目錄中去，這就被認(rèn)為是一個(gè)官方的積極信號(hào)，宏觀調(diào)控政策的示好進(jìn)一步加快了空氣源熱泵熱水器的的市場(chǎng)進(jìn)攻。
空氣源熱泵熱水器，從本質(zhì)上說就是從周圍環(huán)境中吸取熱量，然后通過電力做工，將這些熱量全部傳遞到被加熱的水中。我們可以簡(jiǎn)單的計(jì)算一筆帳目：將將2噸水從平均溫度15℃加熱至55℃為例，電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)取值0.72元/千瓦時(shí)(度)，電熱水器所需費(fèi)用是35.5元，然而空氣源熱泵熱水器只需9.54元，也就是說，空氣源熱泵熱水器所耗費(fèi)的電量只是電熱水器的2/5。實(shí)際上，空氣源熱泵熱水器在商用領(lǐng)域早已經(jīng)成氣候。比如說很多學(xué)校、酒店、等對(duì)熱水都有需求，他們對(duì)空氣源熱泵熱水器有很高的認(rèn)可度。另外空氣源熱泵熱水器在市場(chǎng)中一項(xiàng)很重要的產(chǎn)品就是商用機(jī)，而在家里，常用的還是電加熱水器和燃?xì)鉄崴?，他們占?jù)很重要的一個(gè)位置，空氣演熱泵熱水器和其他的熱水器比較起來，仍然在市場(chǎng)上占據(jù)邊緣位置，空氣源熱泵熱水器和其他熱水器在市場(chǎng)價(jià)格、公眾認(rèn)知度，和其他一些產(chǎn)品對(duì)環(huán)境溫度的要求和適應(yīng)軍事此行業(yè)以后發(fā)展的門檻啊，但是通過很多研究數(shù)據(jù)和推算趨勢(shì)，都表明，空氣源熱泵熱水器這一個(gè)行業(yè)將來很可能迎來新高。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表示：2010年空氣源熱泵熱水器達(dá)到40億人民幣的銷售額，銷售量高達(dá)70萬臺(tái)，但在2002年，空氣源熱泵熱水器一年銷售量總共還不到1000萬元。2009年空氣源熱泵熱水器比往年超過20億元，這是一年的銷售額。總體來說，行業(yè)發(fā)展速度很快，從公司來看，該年還不如以往的熱泵熱水器行業(yè)規(guī)模大，據(jù)2009年數(shù)據(jù)顯示，規(guī)模從很少達(dá)到了460家左右，隨著大中企業(yè)的進(jìn)入市場(chǎng)，一定會(huì)將空氣能技術(shù)帶入到品牌化和規(guī)?；男码A段中去。
由于熱泵具有很好的節(jié)能效果，很多法律頒布了熱泵事業(yè)將來的發(fā)展方向，這些政策促進(jìn)了該行業(yè)的發(fā)展，減少了二氧化碳的排放量和停用含有氟利昂的工質(zhì)，這些環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，有利于環(huán)境友好型發(fā)展。根據(jù)最新的《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，很多建筑都采用低能耗的成本，降低了熱泵采暖方式的運(yùn)行費(fèi)用，解決了熱泵系統(tǒng)采暖方式的運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)增加了熱泵與其他集中供暖設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)能力，解決了大中城市對(duì)能源需求量大的矛盾。但是污染問題，必須考慮到。必須改善能源結(jié)構(gòu)，以低能耗的熱泵來緩解能源問題，這就是熱泵技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，為其創(chuàng)造力條件。我國(guó)節(jié)能政策的時(shí)候和保護(hù)環(huán)境政策的發(fā)布，很大的建筑領(lǐng)域，工業(yè)余留資源等因素將會(huì)很大程度上促進(jìn)空氣源熱泵熱水器在市場(chǎng)上的發(fā)展。
對(duì)于房地產(chǎn)行業(yè)來說，房地產(chǎn)開發(fā)無疑是一項(xiàng)謀福的好行業(yè)，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)一步擴(kuò)大和增強(qiáng)，加速了區(qū)域改造的進(jìn)程，新建里的宅很多全部都安裝了熱水器，很多在八十年代中期的熱水器也面臨著試用期已到需要更新的高峰期，在今后的幾十年里，中國(guó)將產(chǎn)生很多家庭遷移的居民，意味著平均每年都有很多家庭需要熱水器，熱水器日益在市場(chǎng)化中占據(jù)著一席之地，新型節(jié)能環(huán)保熱水器在建筑行業(yè)的應(yīng)用給他們帶來了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，新型的熱水器兼有環(huán)保節(jié)能功效的熱水器將在建筑行業(yè)的推廣應(yīng)用中帶來新的利益點(diǎn)，對(duì)業(yè)主來說，可以全天候使用熱水，而且比較節(jié)省電能和運(yùn)行開支，這是電熱水器所不能比的。
在空氣源熱泵熱水器行業(yè)中，芬尼克茲節(jié)能設(shè)備有限總公司為該行業(yè)的帶頭人，這部分企業(yè)，在經(jīng)過十幾年時(shí)間的女里后，從目前市場(chǎng)對(duì)熱泵的認(rèn)可程度來看，無論是經(jīng)銷商還是客戶，他們對(duì)空熱源熱泵熱水器認(rèn)可度大大提高，一些報(bào)刊，媒體也報(bào)道了空氣源熱泵熱水器的優(yōu)勢(shì)，從各大媒體放映的程度來看，空氣源熱泵熱水器確實(shí)是可以節(jié)能 ，注重環(huán)保的熱水產(chǎn)品，在為客戶創(chuàng)造價(jià)值的同時(shí)，用戶對(duì)熱泵熱水器的評(píng)價(jià)也隨之越來月好。
當(dāng)前空氣源熱泵熱暑期的市場(chǎng)最主要的問題仍然還是產(chǎn)品知名度問題，經(jīng)過調(diào)查，很多人都不知道空氣源熱泵熱水器的優(yōu)勢(shì)，從國(guó)際上來看，空氣源熱泵熱水器已經(jīng)提前，一個(gè)很成熟的技術(shù)水準(zhǔn)了，但是在國(guó)內(nèi)，空氣源熱泵熱水器依然處于起步階段，仍有很多的路要走，因此，需要各大廠商本著對(duì)該行業(yè)的理解和負(fù)責(zé)，為這個(gè)綠色產(chǎn)業(yè)的更進(jìn)一步做出努力，給與更多空氣源熱泵熱水器以更多的發(fā)展空間，同時(shí)給予支持和原陽，我們也應(yīng)該呼吁政府和相關(guān)部門能夠支持和發(fā)揚(yáng)空氣源熱泵熱水器綠色的精神，讓空氣源熱泵熱水器產(chǎn)業(yè)在合適健康的道路上長(zhǎng)此發(fā)展下去。
1.1.5 存在的問題
一般來說，當(dāng)市場(chǎng)中新引進(jìn)一批新產(chǎn)品時(shí)候，總會(huì)存在某種缺陷，對(duì)于空氣源熱泵熱水器也同樣存在以下缺憾：首先，外觀問題?？諝庠礋岜脽崴黧w積大，不太適合國(guó)人的使用習(xí)慣，不適應(yīng)國(guó)情，空氣源熱泵熱水器一般可以分為一體式和分體式兩種，由于城市家庭衛(wèi)生做的好普遍嬌小，因此不管是那類行，很多消費(fèi)者看到其外形就止步不前。 其次，結(jié)霜問題。區(qū)域特征太明顯了，因?yàn)樗麑?duì)室外環(huán)境溫度依賴過大，其正常工作環(huán)境溫度范圍受到限制，故基本適用于華東、華南等長(zhǎng)江以南氣度，廣東，浙江，附件，云南，江西，湖南等省份空氣源熱泵熱水器發(fā)展比較好，。而且在還沒有能真正解決結(jié)霜問題造成的產(chǎn)品運(yùn)行困難問題之前，廣大的北方就基本無人敢去發(fā)展[7]。再次，壓縮機(jī)很容易損壞，比如燒壞。目前市場(chǎng)上的熱泵熱水器大多采用了循環(huán)式的加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)逐漸暴漏出很多的技術(shù)弊端，比如在高溫高壓下運(yùn)行時(shí)候，容易式壓縮機(jī)機(jī)器老化，碳化，磨損，腐蝕，加之系統(tǒng)潤(rùn)滑效果不好，導(dǎo)致壓縮機(jī)容易被燒壞。最后，蒸發(fā)器和冷凝器等容易因?yàn)榻Y(jié)垢而斷裂。熱泵熱水器的出水溫度達(dá)到60攝氏度左右，水垢很容易在這個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)垢，如果不能定期對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器清洗的話，對(duì)于板式換熱器來說，就會(huì)脹破，對(duì)于套管式換熱器而言，其內(nèi)管會(huì)破裂，從而導(dǎo)致整個(gè)熱泵熱水機(jī)組失去功能。
1.2 熱泵熱水器系統(tǒng)運(yùn)行原理
空氣源熱泵熱水器從溫度偏低的空氣中吸收熱量，然后傳熱到高溫的儲(chǔ)水箱中，將熱水存在水箱中放在以后用，從原理上來說，它與制冷劑原理相同，都是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理工作的。這就是和而不同，但是兩者的工作溫度范圍明顯不同，要求的效果也不盡相同，制冷裝置是將溫度低的物體中的熱量傳遞到環(huán)境中去，結(jié)果就是給環(huán)境造成低溫，加以利用，熱泵熱水器則是從空氣中吸收熱量，然后經(jīng)過循環(huán)將熱量傳遞給生活所需的熱火，熱泵熱水器主要有四大部件組成，分別是壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機(jī)構(gòu)、溫度控制裝置[8]，電路控制裝置等組成。空氣源熱泵熱水器機(jī)組系統(tǒng)原理圖如下，
圖1-2 空氣源熱泵工作原理
空氣能是一種低品位的能源，它廣泛存在、平等給予并且可自由利用。利用熱泵循環(huán)熱高他的能源品位，這樣說來空氣能也是一種很具有開發(fā)利用價(jià)值和應(yīng)用潛力的新能源。它也有很大的應(yīng)用潛力環(huán)保潛力，具有很靠譜的實(shí)際利用價(jià)值，相比其他熱水器更符合人們的習(xí)慣?？諝庠礋岜脽崴骷訜釙r(shí)間相對(duì)比較短，水和電會(huì)完全分離，不用擔(dān)心觸電的危險(xiǎn)性，而且沒有廢氣排出，因而沒有中毒的危險(xiǎn)，同時(shí)可以做到太陽能熱水器陰天或者雪天不能工作的限制，電熱水器出現(xiàn)漏電，燃?xì)鉄崴鞒霈F(xiàn)煤氣泄漏的缺點(diǎn)。
其工作流程是這樣的：壓縮機(jī)將回流的冷媒進(jìn)行壓縮，此時(shí)的冷媒是處于低壓狀態(tài)的，然后壓縮成高溫高壓的氣體排除，高溫高壓的冷媒氣體可以流經(jīng)銅管，便于傳熱，熱量便會(huì)由銅管傳遞到水箱內(nèi)，冷卻后的冷媒最終會(huì)被壓力的一直作用變成液態(tài)，經(jīng)過熱力膨脹閥后進(jìn)入到了蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器的壓力由于冷媒液體體變成氣體體而突然降低，因此也太大額冷漠在此迅速蒸發(fā)放出大量的熱量，與此同時(shí)，在外界風(fēng)機(jī)的作用下，大量的空氣會(huì)被風(fēng)機(jī)吹過蒸發(fā)器表面進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，空氣中的能量被蒸發(fā)器吸收，空氣溫度迅速降低，變成溫度很低的氣體被排進(jìn)廚房，然后冷媒由于吸收了一定能量回流到壓縮機(jī)，進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)。
經(jīng)過以上的工作原理，可以看出，空氣源熱泵熱水器的工作原理和空調(diào)原理極為相似，應(yīng)用了傳熱學(xué)中學(xué)過的逆卡諾循環(huán)原理[9]，并且通過吸收空氣中大量的低溫?zé)崮?，?jīng)過壓縮機(jī)的壓縮接著變成高溫的熱能，接著傳遞給水箱中，把水加熱起來，供生活所需，整個(gè)過程是一種能量不斷轉(zhuǎn)移的過程，也就是從空氣中轉(zhuǎn)移到水中，不是能量的轉(zhuǎn)換過程，沒有通過電加熱元件來加熱熱水，也沒有燃燒可燃?xì)怏w來加熱熱水。
總之無論是那種空調(diào)或者是熱水器都遵循能量守恒的基本原理，能量在交換的過程中，制冷是把室內(nèi)的熱量不斷交換到室外，比如常用的風(fēng)冷機(jī)就是把熱量交換到大氣中，現(xiàn)在大部分的空調(diào)都是在這樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，也就是在此導(dǎo)致工作溫度局部氣溫上升，而這里的空氣源熱泵釋放的能量送到水箱里進(jìn)行熱量的交換。制熱就反過來，冷媒的循環(huán)：氣態(tài)變成液態(tài)，在變成液態(tài)，氣態(tài)經(jīng)過壓縮機(jī)做工后變成液態(tài)，此過程要產(chǎn)生熱量，熱量排出后液態(tài)的冷媒變冷了留到室內(nèi)交換管道與室內(nèi)的空氣交換變成冷氣，變成了氣態(tài)的冷媒。
2 設(shè)計(jì)任務(wù)
1）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：
初始進(jìn)水溫度15℃；額定出水溫度55℃；出水溫度60℃；產(chǎn)水率(L/H)220；
電壓(V)220V/50HZ 380V/50HZ
2）設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:
設(shè)計(jì)計(jì)算：儲(chǔ)熱水箱尺寸計(jì)算、厚度計(jì)算、循環(huán)熱力計(jì)算、主機(jī)選型計(jì)算、冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)計(jì)算、輔助設(shè)備選擇計(jì)算、節(jié)流機(jī)構(gòu)選擇計(jì)算。
零部件選擇：溫度控制儀選擇、壓力控制器選擇、其他零部件選擇。
設(shè)計(jì)圖樣：總裝圖、主要零部件圖、系統(tǒng)流程圖、電控原理圖。
3 選擇與論證
3.1 制冷劑
制冷劑就是我們常說的制冷工質(zhì)，是制冷系統(tǒng)循環(huán)中的工作介質(zhì)，制冷劑在制冷機(jī)中經(jīng)過系統(tǒng)循環(huán)流通后，自身熱力性能或狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，這種變化可以使其與外界發(fā)生能量的交換，從而實(shí)現(xiàn)制冷的目的。簡(jiǎn)單的說就是，制冷劑是一種制冷系統(tǒng)常用的工作介質(zhì)，他可以在制冷系統(tǒng)中傳遞能量。平時(shí)學(xué)習(xí)中我們常常稱其為工質(zhì)。制冷劑有很多，其中乙醚就是最早被使用的制冷劑。據(jù)資料顯示能用做制冷劑的物質(zhì)大概有七八市種，最常用的就是氨、氟利昂類。上世紀(jì)30年代氟利昂制冷劑剛剛出現(xiàn)，在一定程度上促進(jìn)了制冷技術(shù)的發(fā)展。由于它無毒、無味、不可燃燒、無爆炸、腐蝕性小。物理和化學(xué)方面穩(wěn)定性好，是一種很好的制冷劑，也得到了很廣泛的應(yīng)用。最早的制冷劑多是乙醚，二氧化碳等，但是限于自身物理性質(zhì)的差異和缺點(diǎn)，大多都被淘汰，只有二氧化碳還可應(yīng)用于干冰制冷系統(tǒng)。目前多選用的制冷劑有水、氟利昂、氨等等。從1930年 ,Perkins發(fā)明了蒸氣壓縮式制冷循環(huán)[10]，制冷技術(shù)在人類發(fā)展期中起著舉足輕重的作用，制冷技術(shù)突飛猛進(jìn)。制冷技術(shù)的革新和替換始終在進(jìn)行，目前根據(jù)新時(shí)期的發(fā)展要求,制冷劑又將面臨新的挑戰(zhàn)。
表3-1 制冷劑發(fā)展歷程
第1代
第2代
第3代
第4代
年代
1830-1930
1931-1990
1991-2010
2010-
原則
能用即可
安全與耐久性
臭氧層保護(hù)
防止全球變暖，低ODP，低GWP，高效
制冷劑
醚類，CO2，空氣，甲酸甲酯
CFCs, HCFCs NH3 ,H2O
( HCFCs ) , HFCs , NH3 ,
H2O ,HCs ,
CO2
( HCFCs ) , NH3 , H2O , HCs , CO2 ,
空氣
為發(fā)展制冷工業(yè),人類發(fā)明了各種各樣的制冷劑。但是,目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或者潛藏著對(duì)環(huán)境的危害作用這時(shí)候，純天然制冷劑就是人們?cè)诳嗫鄬ふ业摹?
3.1.1 制冷劑的分類
制冷劑的分類方法有很多種，常用的方法有以下幾種：
根據(jù)其組成，有單一制冷劑和混合型制冷劑。單一制冷劑是指用作制冷劑的物質(zhì)在化學(xué)上是單一的、純凈的物質(zhì)，不包括溶液或其他混合物。包括無機(jī)化合物、鹵代烴、碳?xì)浠衔锖鸵颐鸭捌浞锏?。而混合型制冷劑又可分為共沸混合制冷劑和非共沸混合制冷劑兩類。按照化學(xué)成分，主要分為三類：無機(jī)物類、氟利昂、碳?xì)浠衔?。由于氟利昂這一類型制冷劑的出現(xiàn)推動(dòng)了中國(guó)制冷技術(shù)的發(fā)展。但是氟利昂有自身的缺點(diǎn)。它是一種溫室效應(yīng)氣體，而且高層大氣層中的臭氧層都可以被他破壞，因?yàn)樵谔栔鄙湎拢粞鯐?huì)被紫外線照射然后被分解，釋放出cl離子，然后與臭氧層中的其他臭氧起連鎖反應(yīng)，破壞大氣層結(jié)構(gòu)，使臭氧層遭到破壞，危機(jī)人類的生命安全和生態(tài)的平衡。按照標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)來分，常常可以分為高溫制冷劑、中文制冷劑和低溫制冷劑三類。標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)在按標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)分，可分為高溫制冷劑，中溫制冷劑和低溫制冷劑三類。標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)在0℃以上的稱為高溫制冷劑，冷凝壓力Pk≤2～3Kg/cm2（絕對(duì)），T0 >0℃ 如Ｒ11（CFCl3），其T0＝23.7℃，適用于空調(diào)系統(tǒng)的離心式制冷壓縮機(jī)中，通常30℃時(shí)，Pk≤3.06Kg/cm2 。；標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)在-46℃以上的稱為中溫制冷劑，冷凝壓力Pk< 20Kg/cm2（絕對(duì)），-60℃< T0< 0℃。如Ｒ717、Ｒ12、Ｒ22等， 一般用于普通單級(jí)壓縮和雙級(jí)壓縮的活塞式制冷壓縮機(jī)中；而標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)在-46℃以下的稱為低溫制冷劑，冷凝壓力Pk≥20Kg/cm2（絕對(duì)），T0≤－70℃，如Ｒ13（CF3Cl）、Ｒ14（CF4）、二氧化碳、乙烷、乙烯等，這類制冷劑適用于復(fù)迭式制冷裝置的低溫部分或－70℃以下的低溫裝置中。
3.1.2 制冷劑的選擇原則
選擇制冷劑的時(shí)候主要考慮下面的幾個(gè)方面：
一、熱力學(xué)性質(zhì)方面
在合適的工況下，比如在工作溫度范圍內(nèi)，要有合適的壓力和壓力比，也就是要蒸發(fā)壓力高于大氣壓力[11]，而且使整個(gè)制冷系統(tǒng)的低壓部分不能出現(xiàn)的情況，當(dāng)外界空氣滲入系統(tǒng)，很大程度上對(duì)制冷劑的性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響甚至惡化了設(shè)備材料的腐蝕，甚至可以引起其他一些不良后果常見的比如燃燒或者爆炸等，冷暖壓力也不要過高，防止設(shè)備過分笨重，冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之比應(yīng)盡量小，這樣就可以使壓縮機(jī)終了溫度不至太高，同時(shí)往復(fù)式壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)過大。單位制冷量q0和單位容積制冷量qv比較大循環(huán)效率高，比功w和單位容積壓縮功wv小，等熵壓縮的終了溫度t2不太高，以免潤(rùn)滑條件惡化（潤(rùn)滑油粘性下降、結(jié)焦）或制冷劑在高溫下分解。
二、遷移性質(zhì)方面
（1）粘度、密度盡可能的小，這樣可以減少制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的力以及制冷劑的充注量。
（2）熱導(dǎo)率大[12]，這樣的話就可以提高熱交換設(shè)備的傳熱系數(shù)，從而減少傳熱面積，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊
三、物理化學(xué)性質(zhì)方面
1. 無毒、不燃燒、不爆炸、使用比較安全。
2. 無論是化學(xué)穩(wěn)定性還是物理熱穩(wěn)定性等都很好，制冷劑要經(jīng)得起蒸發(fā)器和冷凝時(shí)候的循環(huán)變化，使用中不發(fā)生變質(zhì)，不會(huì)與潤(rùn)滑油起化學(xué)反應(yīng)，一點(diǎn)兒也不腐蝕制冷機(jī)構(gòu)件，在壓縮終了的高溫下不分解。
3.對(duì)大氣環(huán)境無破壞作用，也就是說不要破壞大氣層的臭氧層，不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)。
四、其他
其原料源頭充足，制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。
除了以上共同要求外，不同型式的制冷系統(tǒng)和制冷壓縮機(jī)對(duì)制冷劑還有一些特殊要求，比如說：
（1） 離心式壓縮機(jī)一般要求制冷劑的相對(duì)分子質(zhì)量要大，這樣可以提高壓縮比，減少級(jí)數(shù)。
（2） 制冷量在200W以下的制冷機(jī)要求制冷劑的單位制冷量要小[11]，以免壓縮機(jī)的尺寸過小，造成加工困難；當(dāng)制冷量大于1000W的制冷機(jī)一般要求制冷劑的單位容積制冷量要大，以減少壓縮機(jī)的尺寸和制冷劑容積流量。
（3） 小型制冷系統(tǒng)要求制冷劑與潤(rùn)滑能相互溶解，以便利用回氣夾帶回油，簡(jiǎn)化系統(tǒng)。
（4） 全封閉和半封閉式制冷壓縮機(jī)要求所用制冷劑電絕緣性能好。
完全滿足上述各種要求的制冷劑并不存在，各種制冷劑都是某些方面較優(yōu)，而在另一些方面不足。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際需要，在滿足特定要求的前提下，權(quán)衡取舍，找出最佳方案。
3.1.3 制冷劑的確定
（1）氨具有優(yōu)良的熱力性能、ODP=0和GWP<1，但有毒,在化學(xué)工業(yè)和食品工業(yè)中以及中央空調(diào)(歐洲)都重新得到了應(yīng)用；二氧化碳—ODP=0和GWP=1,采用跨臨界循環(huán)的熱泵提供熱水, ,RAC和PAC等,但易燃易爆,這非常不利。水—ODP=0和GWP<1,用于冷凝溫度較低的水冷冷水機(jī)組以及冰蓄冷機(jī)組。
（2）R22是氫氯氟烴化合物（HCFCs）制冷劑的代表，曾經(jīng)被廣泛用于各種空調(diào)系統(tǒng)。R22物理性質(zhì)如下：無色，無味，不燃燒，不爆炸，毒性比R12略大，但仍然不屬于易溶于水的物質(zhì)因?yàn)槿芩员萊12稍大同為一個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)R22，含水量仍然限制在0.01％以內(nèi)。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)裝設(shè)干燥器。R22化學(xué)性質(zhì)不如R12穩(wěn)定。R22制冷劑比CFCs多含了氫，導(dǎo)致 CFCs的化學(xué)性質(zhì)比它還要穩(wěn)定，當(dāng)釋放R22到較低的大氣中時(shí)就會(huì)分解，只有很少的部分會(huì)到達(dá)臭氧層。所以雖然氫氯氟烴化合物也含有氯，但是它的臭氧消耗潛能為R12的5％左右。同時(shí)R22曾是被廣泛應(yīng)用的高能效比的冷媒。
（3）R23，又名三氟甲烷，分子式為CHF3，無色無臭氣體。分子量為70.01，蒸汽壓2504kPa(20℃)，熔點(diǎn)-155℃，沸點(diǎn)-84℃，溶于水相對(duì)密度(水=1)1.52(-80℃)；相對(duì)密度(空氣=1)2.43，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。是不燃?xì)怏w，主要用于制作低溫致冷劑有時(shí)候作為滅火劑和制造四氟乙烯的原料。屬低毒類，但受熱分解釋出劇毒的煙霧。
(4) R404a是一種近共沸混合制冷劑，其組成成分為R125/R143a/R134a，質(zhì)量配比為44/52/4。R404a相對(duì)分子質(zhì)量為97.6，臨界溫度為72.1℃，臨界壓力3.73Mpa，標(biāo)準(zhǔn)泡點(diǎn)-46.5℃，可用于-60～-25℃的制冷溫度范圍，如低溫冷、速凍機(jī)等裝置的制冷系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題，壓縮機(jī)選型計(jì)算以及截流機(jī)構(gòu)等其他零部件的選擇問題，可選用R404a作為高溫級(jí)制冷劑[11]
（5）R407C近年來，Vince C.Mei研究了用R407C在熱泵熱水器中應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱泵系統(tǒng)中，R407C熱泵熱水器的熱水加熱能力明顯高于R22系統(tǒng)，但是，R407C系統(tǒng)的耗能也有所增加，使得它在高水溫時(shí)的COP低于R22系統(tǒng)。如果使用專門為R407C設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器，COP就會(huì)比R22系統(tǒng)明顯提高20%，這是預(yù)料之外的，水加熱功率也會(huì)隨之提高3%。R407C和R22有很接近的制冷量，壓力差不多一樣，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做出的改動(dòng)小。但其傳熱特性實(shí)在較差，需用酯類潤(rùn)滑油更換R22的潤(rùn)滑油。
（6）R410A：是一種新型環(huán)保制冷劑，不破壞臭氧層，工作壓力為普通R22空調(diào)的1.6倍左右，制冷（暖）效率更高。提高空調(diào)性能。同時(shí)R410A不含氯元素，因此不可能與臭氧層發(fā)生連鎖反應(yīng)，既不會(huì)破壞臭氧層也不對(duì)環(huán)境造成。
（8）R134a制冷劑是一種新型無公害制冷劑，屬于氫氟化碳化合物（四氟乙烷）。它具有與R22相似的熱物理性質(zhì)，它的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.1℃。但因?yàn)槠涑粞跸臐撃転榱?，所以溫室效?yīng)潛能應(yīng)該在0.25~0.28之間。常溫常壓下R134a是無色，有輕微的氣味，不易燃，對(duì)皮 膚眼睛無不會(huì)產(chǎn)生刺激，也不會(huì)引起皮膚過敏反應(yīng)，這一點(diǎn)很不錯(cuò)，但 長(zhǎng)時(shí)間暴 露 仍然會(huì)產(chǎn)生輕微毒氣，所以工作場(chǎng)所應(yīng)通風(fēng)良好，R134a是不溶于礦物油的制冷劑，他采用脂類油、合成油（往復(fù)式壓縮機(jī)用）或烷基苯油（旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用）來滿足壓縮機(jī)的潤(rùn)滑要求。
從系統(tǒng)運(yùn)行來看，由于冬季溫差較大，所以冬季運(yùn)行時(shí)制熱系數(shù)相對(duì)較低，而且壓比較大，對(duì)壓縮機(jī)等設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生很大影響，因此熱泵熱水器最好在夏季和過渡季運(yùn)行安全合理地發(fā)揮熱泵的效能；R22的排氣溫度最高，不利于系統(tǒng)的運(yùn)行，加之對(duì)大氣臭氧層有破壞作用，因此替代在所難免；R134a的制熱系數(shù)最大，不含氯原子，對(duì)臭氧層不起破壞作用，具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、無毒、無刺激性、無腐蝕性）具有廣闊的市場(chǎng)前景。根據(jù)以上分析，本文推薦在熱泵熱水器中使用R134a制冷工質(zhì)。但是使用R134a要加強(qiáng)干燥防水措施，防止對(duì)設(shè)備和管道腐蝕，這點(diǎn)要特別值得注意。
3.2 壓縮機(jī)
3.2.1 壓縮機(jī)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)決定著系統(tǒng)制冷能力大小的關(guān)鍵，它是制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)循環(huán)熱力系統(tǒng)的各種運(yùn)行性能、噪聲、振動(dòng)、維護(hù)和使用壽命產(chǎn)生最直接的影響。它是整個(gè)制冷系統(tǒng)的動(dòng)力來源，它在消耗一定的電功后，可以吸收來自蒸發(fā)器的制冷劑蒸汽，并把它進(jìn)行壓縮，一般可以壓縮到冷凝壓力然后在輸送到冷凝器中去，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)。大部分15KW以下的小容量制冷壓縮機(jī)大多采用全封閉式壓縮機(jī)。這是多年的資料研究發(fā)現(xiàn)的。全封閉式壓縮機(jī)中電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)是連在一塊的不可分割的，然后一塊放在一個(gè)密閉的機(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。由于此次設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)的制冷量為10.27kw，因此本設(shè)計(jì)選用全封閉式制冷壓縮機(jī)。
由于壓縮機(jī)是制冷技術(shù)中含量最高，利潤(rùn)較大，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)的研究從未停止過，無論從傳熱流動(dòng)、噪聲振動(dòng)、摩擦潤(rùn)滑、材料材質(zhì)、加工工藝到性能還是可靠性，從分析其運(yùn)行機(jī)制、理論性質(zhì)研究到機(jī)械部件結(jié)構(gòu)、測(cè)試技術(shù)等，幾乎無所不包。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的進(jìn)步和收益。同時(shí)近年來，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，特別是在冰箱壓縮機(jī)行方向有關(guān)的行業(yè)。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[13]，從而在一定程度上促進(jìn)了制冷設(shè)備的發(fā)展。
3.2.2 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)是常見到的家用空調(diào)壓縮機(jī)之一。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)惡化往復(fù)式壓縮機(jī)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得多, 不復(fù)雜，而且體積小比同樣制冷量的往復(fù)式壓縮機(jī)體積可減少60%、占用空間少，很輕，重量減少35% ,零件減少50 %、零部件少,這就是說同樣情況下，易損壞的零件要少。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)閬砘氐姆磸?fù)運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)度來說，更為平穩(wěn)，其他的比如噪聲低，靠譜等等，從結(jié)構(gòu)上說，制作余系小，不用考慮膨脹氣體的干擾了，另外還沒有吸氣閥，減少流動(dòng)阻力，結(jié)果就使得容積效率高，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；致命的是這樣的壓縮機(jī)只有一個(gè)偏心布置的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動(dòng)起來噪聲很大，如果是功率大的機(jī)組，氣缸分類多，品種雜亂。而且為了便于管理和降低成本，使零、部件通用化程度較高,同質(zhì)化明顯，就是說凡是一個(gè)系列的零件都相似，配備起來方便，而且都是有規(guī)定的功率段的產(chǎn)品。一般情況下我們通過提高加工精度和裝配精度來提高壓縮機(jī)的COP，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行多方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)排氣閥的安裝或者結(jié)構(gòu)，增大發(fā)電機(jī)疊片的厚度等等還可以采用硅鋼片和提高槽前率等多方面來實(shí)現(xiàn)；降低壓縮機(jī)噪聲主要減少震動(dòng)或者緩沖壓力帶來的額跳動(dòng)，并且設(shè)計(jì)好的消聲器，控制好動(dòng)態(tài)平衡和靜態(tài)平衡等，常通過改進(jìn)材料，加強(qiáng)控制,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)手段來提高壓縮機(jī)的可靠性,特別加工和設(shè)計(jì)保護(hù)元件和連接元件等來確保電機(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)是一中新型的壓縮機(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, 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)的研究確保渦旋式壓縮機(jī)走上正途，可以實(shí)用化，很多跨國(guó)公司比如開利等都會(huì)生產(chǎn)這種壓縮機(jī)，他們主要特點(diǎn)就是：沒有吸氣閥、排氣閥，壓力損失減少，壓縮室壓差小，無余系容積，容積效率高，可靠性高，功耗小。渦旋式運(yùn)動(dòng)能夠減少力矩的變化形成壓縮腔從而降級(jí)噪音，震動(dòng)減少。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這就使得零部件損壞的量少，體積小。對(duì)液擊不是很敏感。另外它的轉(zhuǎn)速很高，便于實(shí)現(xiàn)變頻控制從而調(diào)節(jié)制冷量。采用一種背壓可自動(dòng)調(diào)節(jié)的可控推力機(jī)構(gòu)。這樣的話可以保持縱向蜜蜂，減少機(jī)械損傷，防止偶爾出現(xiàn)的高壓，確保壓縮機(jī)安全。還有將氣體注入循環(huán)，提高運(yùn)行效率和節(jié)能，減少壓縮機(jī)開機(jī)頻率和停機(jī)頻率，控制室溫變化，可以實(shí)現(xiàn)舒適的空調(diào)。最后就其加工工藝來說，制造精度高，加工精密，成本較高，總體來說，其綜合性能稍遜滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式，特別適合于低噪聲的要求，目前多用在大功率的高檔次空調(diào)器上，是產(chǎn)品中的佼佼者。
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)始終都是應(yīng)用廣泛的一種機(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)最早產(chǎn)生與1960年左右，它也是往復(fù)活塞式的一種典型。其特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單那、成本比較低，制作工藝好，加工零部件的加工精度要求不是很精密，也就是說要求不是很高，制造和裝配都比較容易，所以發(fā)展迅速。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)用比較常見，然而缺點(diǎn)也很明顯，就是活塞與缸壁間的力矩很大，摩擦耗散功大，能效偏低，因此滑管式壓縮機(jī)正在進(jìn)入低谷或者說是衰退期，將逐漸被連桿式的壓縮機(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、不易磨損、可以長(zhǎng)時(shí)間用、能效比顯著、工作很可靠，但是零部件多而且雜亂，且零部件形狀都不一樣，形狀精細(xì)而復(fù)雜，加工精度高，工藝難度很大，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)備中正在逐漸被渦旋式壓縮機(jī)所取代。近幾年來隨著機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)也有了很大改進(jìn)，目前連桿式壓縮機(jī)已經(jīng)成為電冰箱壓縮機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品，總需求量有很大的提高。
四 離心式壓縮機(jī)
離心式壓縮機(jī)是一種高速運(yùn)轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)。氣體經(jīng)過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉輪被加速至高速度 后，再在環(huán)形通道中將速度動(dòng)能變?yōu)閴毫ξ荒?，從而提高氣體的壓力。此類型壓縮機(jī)是按照安裝的工作輪數(shù)量的多少來定義分級(jí)的，分為一級(jí)式和多級(jí)式。比如只有一個(gè)工作輪，就成為一級(jí)離心式壓縮機(jī)，如果由多個(gè)工作輪串聯(lián)起來，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)，其他類型的離心式至冷壓縮機(jī)都是多級(jí)的，單級(jí)離心式壓縮機(jī)主要構(gòu)成有工作輪、蝸殼管等組成、壓縮機(jī)工作時(shí)候制冷劑蒸汽從西氣口流向吸氣室，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)來的制冷劑蒸汽平均進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的工作輪，工作輪也稱為葉輪，他是離心式制冷壓縮機(jī)的重要部件，一邊由于受離心力的作用，在葉片槽道中作擴(kuò)壓流動(dòng)。
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；由于它沒有汽閥活塞環(huán)等易損部件，也沒有連桿機(jī)構(gòu)，可以說因此工作可靠，噪音小，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低；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[14]，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)，它就有很高的系統(tǒng)效率，這種是無法超越的，離心式壓縮機(jī)的運(yùn)動(dòng)零件簡(jiǎn)單并且比較少，而且制造精密程度遠(yuǎn)比螺桿式壓縮機(jī)低很多，這就引起了制造費(fèi)用相對(duì)較低的特點(diǎn)。
五 螺桿式壓縮機(jī)
螺桿式壓縮機(jī)是主要靠轉(zhuǎn)子的相互嚙合，它們是帶有螺旋齒槽的，形成有齒形的基元容積的變化。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、外形比較緊密、質(zhì)量依然很輕、排氣溫度低、氣體中可以帶有塵等優(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 %[15]。
綜上所述可知：就壓縮機(jī)的性能來講，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，通常活塞壓縮機(jī)能夠更好地適應(yīng)高的壓差和低的環(huán)境溫度。
3.3 冷凝器
3.3.1 冷凝器概述
冷凝器是空調(diào)裝備中的主要部件之一，它是一種換熱設(shè)備，其主要功能就是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑蒸汽冷卻成液態(tài)，此過程放出的熱量被冷卻介質(zhì)吸收，然后隨之排放到周圍環(huán)境中，過熱蒸汽在冷凝器中放熱而變成液體時(shí)，過程一般如下：制冷劑蒸汽先是會(huì)在冷凝器中被過熱蒸汽冷卻為干飽和蒸汽，放出大量的熱量，由于干飽和蒸汽遇冷要冷凝為飽和液體，放出大量的熱量，如果飽和液體繼續(xù)得到冷卻，就成為過冷液體，通常按照冷卻方式不同，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。
3.3.2 冷凝器的比較
一 空氣冷卻式冷凝器
空氣冷卻式冷凝器用于電冰箱、、窗式空調(diào)器、冷藏柜、汽車及鐵路車廂用空調(diào)裝置等運(yùn)輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，多應(yīng)用與干旱地區(qū)。空氣冷卻式冷凝器根據(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。前者主要用于小型的家用冰箱的冷凝器，強(qiáng)制對(duì)流冷卻主要用于中小型氟利昂機(jī)組。
自然對(duì)流空氣冷卻式冷凝器帶走熱量的主要方式是憑借空氣受熱產(chǎn)生自然對(duì)流的方式。這種冷凝器的傳熱效果低于強(qiáng)制流動(dòng)空氣冷卻式冷凝器。由于自燃對(duì)流作用，省去了安裝風(fēng)機(jī)過程，節(jié)省資源，減少風(fēng)機(jī)的電能消耗，完全避免風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候的噪音、但是這種冷凝器也有其致命的缺點(diǎn)就是傳熱系數(shù)低。
再來說強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器，其一般用套片管式，選擇合適數(shù)量組的蛇形管組成，空氣在軸流風(fēng)機(jī)的作用下被壓力作用流進(jìn)翅片管強(qiáng)制通風(fēng)，一般強(qiáng)制通風(fēng)用的風(fēng)機(jī)是軸流式的。這種冷凝器的傳熱系數(shù)也比較小，一般約為23～35 W/(m·K)[16] 。它必須使用風(fēng)機(jī)，要消耗一定的電能。
二 水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)對(duì)排氣進(jìn)行冷凝，冷卻水來源廣闊比如江水、湖水、河水、等等由于水溫低，所以很多用水冷式冷凝器可以得到更低的冷凝溫度和壓力，這樣的話就對(duì)提高制冷裝置的制冷能力有很大的提高，同時(shí)提高了其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前常用的水冷式冷凝器有立式殼管式、臥式殼管式、套管式三種。
（1）立式殼管式冷凝器應(yīng)用范圍主要是大中型制冷系統(tǒng)。立式殼管式冷凝器占地面積小，可以漏天安裝，便于清潔，對(duì)水質(zhì)也無要求，傳熱效果很好。其缺點(diǎn)為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。
（2）臥式殼管式冷凝器主要用在氨制冷和氟利昂制冷等大中型制冷裝備中，臥式殼管式冷凝器傳熱系數(shù)高、占用空間面積小、結(jié)構(gòu)緊密、有利于機(jī)組化，并且冷卻水可以重復(fù)利用。耗水量相對(duì)立式殼管式冷凝器少；操作方便，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是：需水量很大，對(duì)缺水地區(qū)有限制性，冷卻水流動(dòng)阻力大，
（3）套管式冷凝器由數(shù)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，也可以是數(shù)根。套管式冷凝器適用范圍有一定的限度，多應(yīng)用于制冷量在50KW左右的小型制冷裝置中且多為氟利昂型，制冷劑蒸汽從上進(jìn)從下出去，冷卻水從上部進(jìn)入內(nèi)管，吸熱流出，制冷劑和冷卻水間多為逆流換熱。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，其傳熱效果好，但是不排除金屬的消耗量大，套管式冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳熱效果好，缺點(diǎn)已很明顯機(jī)冷卻水的流動(dòng)阻力大，對(duì)水質(zhì)要求較高。
三 蒸發(fā)式冷凝器
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。蒸發(fā)式冷凝器的耗水量較少，空氣流量也不大。蒸發(fā)式冷凝器具有以下一些優(yōu)點(diǎn)。
（1）節(jié)水,多數(shù)水冷式冷凝器可以帶走大量的熱量，主要由于水的狀態(tài)不同吸收熱量不同，這是由于水的比熱容不同，蒸發(fā)式冷凝器是利用水的蒸發(fā)散發(fā)出來的潛熱帶走制冷劑熱量，因此蒸發(fā)式冷凝器理論上來說耗水量更少，但是考慮到飛濺損失等因素，實(shí)際耗水量一般。
（2）節(jié)電，蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)冷凝溫度比用風(fēng)冷式或水冷式冷凝器低。因此采用蒸發(fā)式冷凝器就會(huì)使冷凝器的總功耗顯著減低，壓縮機(jī)的輸入功率也將減少。
（3）結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)式冷凝器自身的原因就有冷卻塔的作用，因此不需配備冷卻塔，因此完全可以不裝備冷卻塔就行，這樣的話，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)就很緊湊。
（4）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式冷凝器，夏季時(shí)候由于冷凝壓力太高，采用放空降壓的辦法，但是效果不很理想，因?yàn)槊看蝺H能放出部分蒸汽，而且期間還含有大量的氨氣，損失嚴(yán)重還容易污染環(huán)境，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。
綜上所述，由于裝置具有多種優(yōu)勢(shì)：構(gòu)造簡(jiǎn)單，溫度低，安排緊湊，傳熱系數(shù)小，制作方便等等并且套片管式強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻時(shí)冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制作，傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)，故選用套管式冷凝器
3.4 蒸發(fā)器
3.4.1 蒸發(fā)器概述
蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中一個(gè)主要的換熱部件，其作用主要是把制冷劑蒸發(fā)，此過程在蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行，制冷劑被節(jié)流后蒸發(fā)，這部分制冷劑處于蒸汽狀態(tài)。濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)期蒸發(fā)的含量只占10%左右，其余都是液體。隨著蒸汽在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)與吸熱，液體逐漸蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽越來越多，當(dāng)流至接近蒸發(fā)器出口處時(shí)，一般已成為干蒸汽，到蒸發(fā)器末段，繼續(xù)吸熱，成為過熱蒸汽。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。根據(jù)供液方式的不同，有滿液式、干式、循環(huán)式、和噴淋式等。
3.4.2 蒸發(fā)器的比較
一 干式氟利昂蒸發(fā)器
干式蒸發(fā)器是一種制冷劑液體在傳熱管內(nèi)能夠完全汽化的蒸發(fā)器。蒸發(fā)器傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)是載冷劑或空氣,制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā),蒸發(fā)器流量約為傳熱管內(nèi)容積的百分之二十到三十.增加制冷劑的質(zhì)量流量,通過增加制冷劑的接觸面積或者在館內(nèi)部的濕潤(rùn)面積，在進(jìn)口和出口的壓差應(yīng)控制隨流動(dòng)阻力增大而增加，以便于降低制冷系數(shù)，干式蒸發(fā)器長(zhǎng)分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩個(gè)大類，這里是按照冷卻介質(zhì)的不同而分類。而冷卻空氣的干式蒸發(fā)器又可分為冷卻自由運(yùn)動(dòng)空氣的蒸發(fā)器和冷卻強(qiáng)制流動(dòng)空氣的蒸發(fā)器. 自由運(yùn)動(dòng)型一般被制成光管蛇形管管組，通常稱作冷卻排管，一般用于冷藏庫(kù)和低溫的實(shí)驗(yàn)