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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 7kW分體式水源熱泵
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
7kW分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組
摘 要
本文分析了水源熱泵空調(diào)機(jī)組的發(fā)展前景和節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。主要介紹了的水源熱泵空調(diào)機(jī)組設(shè)計(jì)思路及主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇計(jì)算方法，分析制冷劑選用原則及限制條件并確定R134a為制冷劑，綜合考慮了各種壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)并確定了合適的壓縮機(jī)，并詳細(xì)介紹了熱力計(jì)算、蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算、冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算、水箱的尺寸計(jì)算、隔熱計(jì)算、節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇計(jì)算和一些其他零部件的選擇計(jì)算的過(guò)程。分析了水源熱泵空調(diào)機(jī)組的組成結(jié)構(gòu),論證了水源熱泵的節(jié)能原理,根據(jù)水源熱泵的技術(shù)特點(diǎn)，討論了其在節(jié)能環(huán)保方面的巨大優(yōu)越性。結(jié)合工程實(shí)際開(kāi)發(fā)了不同類型的水源熱泵,對(duì)水源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。此類水源熱泵空調(diào)在工程應(yīng)用中取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞 水源熱泵空調(diào)/制冷劑/壓縮機(jī)/空調(diào)系統(tǒng)
7kW SEPARATED TYPE WATER-SOURCE
HEAT PUMP AIRCONDITION UNIT
ABSTRACT
This 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. Introduced 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 characteristics 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 types 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 system
[在此處鍵入]
7KW分體式水源熱泵空調(diào)機(jī)組
目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
1 緒論 1
1.1 水源熱泵技術(shù)發(fā)展背景 1
1.2 水源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3水源熱泵技術(shù)工作原理 3
1.4水源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì) 4
1.5水源熱泵技術(shù)的局限性 5
2 方案論證與選擇 6
2.1循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6
2.2 制冷劑的選用 6
2.2.1 制冷劑分類 6
2.2.2 制冷劑選用原則 7
2.2.3 制冷劑選用結(jié)果 8
2.2.3 R134a的性質(zhì) 8
2.3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成 8
2.3.1 水源熱泵技術(shù)的工作流程 9
2.3.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理 10
2.4 熱泵性能分析 10
2.4.1 熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析 10
2.4.2 冷熱源分析比較 11
2.4.3 方案選擇 12
2.5 壓縮機(jī)選型 13
2.5.1 壓縮機(jī)種類比較 13
2.5.2 斡旋壓縮機(jī)的特點(diǎn) 13
2.5.3 選擇壓縮機(jī) 14
2.6 冷凝器選型論證 15
2.7 蒸發(fā)器選型論證 16
2.7.1 蒸發(fā)操作的分類 16
2.8 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇 18
2.8.1 常用節(jié)流機(jī)構(gòu) 18
2.8.2 熱力膨脹閥的種類 19
2.8.3 熱力膨脹閥的選用 20
2.9 設(shè)計(jì)工況要求 20
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1 理論循環(huán)計(jì)算 21
3.2 冷凝器的計(jì)算 23
3.2.1 冷凝器傳熱管的選擇及參數(shù)計(jì)算 23
3.2.2 冷凝器熱負(fù)荷及冷卻水流量 25
3.2.3 傳熱計(jì)算 25
3.2.4 所需傳熱面積 26
3.2.5 外套管選取 27
3.3 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
3.3.1 套管蒸發(fā)器傳熱管的選擇及參數(shù)計(jì)算 27
3.3.2 確定管內(nèi)根數(shù) 29
3.3.3 蒸發(fā)器整體結(jié)構(gòu) 32
3.4 節(jié)流機(jī)構(gòu)計(jì)算 32
3.4.1 熱力膨脹閥的選型計(jì)算 32
3.4.2 熱力膨脹閥選配 33
3.4.3 熱力膨脹閥的安裝 35
3.5 水箱參數(shù)計(jì)算及隔熱要求 35
3.5.1 幾何參數(shù)計(jì)算 35
3.5.2 隔熱要求及計(jì)算 37
4 輔助設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算 39
4.1 四通換向閥 39
4.4.1 四通換向閥的作用 39
4.4.2 四通換向閥的構(gòu)成 40
4.4.3 四通換向閥的工作原理 40
4.2 油過(guò)濾器 42
4.3 中間冷卻器 43
4.4 單向閥 44
4.5 壓力控制器選擇 45
4.6 溫度控制儀選擇 45
4.7 分流器 46
4.8 截止閥 46
4.9 視液鏡 47
4.10干燥過(guò)濾器 48
結(jié) 論 50
致 謝 52
參考文獻(xiàn) 53
3
1 緒論
1.1 水源熱泵技術(shù)發(fā)展背景
隨著可持續(xù)發(fā)展和公眾環(huán)保意識(shí)的提高，世界和中國(guó)的能源利用結(jié)構(gòu)都正在轉(zhuǎn)變，由原有的煤、石油取暖過(guò)渡到了以天然氣及電等清潔能源的取暖方式。雖然將以煤為主改為以天然氣和電力等替代能源，但是替代能源盡管可以部分解決大氣污染的問(wèn)題，可是天然氣和石油等都屬于不可再生的能源，從可持續(xù)發(fā)展的角度看，必須提高能源利用效率或者尋找可以再生的能源。此時(shí)具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保等多方面優(yōu)勢(shì)的水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，彌補(bǔ)了中國(guó)傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式存在的問(wèn)題，逐漸取代了傳統(tǒng)的采暖空調(diào)模式[1]。
水源熱泵是既可供熱又可供冷的高效建筑節(jié)能技術(shù)，能有效節(jié)省能源、減少大氣污染及溫室氣體CO2排放。水源熱泵可采用多種形式的冷熱源，如利用地球表面(土壤)或淺層水源(如地下淺層水、河水、湖泊和海水等)，或者人工再生水源(工業(yè)廢水、廢氣等)，既可供熱又可制冷的高效節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)[5]。與鍋爐（電、燃料）和空氣源熱泵的供熱系統(tǒng)相比，水源熱泵具明顯的優(yōu)勢(shì)。鍋爐供熱只能將90%～98%的電能或70～90%的燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節(jié)省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節(jié)省二分之一以上的能量；由于水源熱泵的熱源溫度全年較為穩(wěn)定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運(yùn)行費(fèi)用為普通中央空調(diào)的50～60％[2]。
1.2 水源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)在地表水源熱泵方面的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始?，F(xiàn)在利用海水和湖水的熱泵都有應(yīng)用，隨著上海 2010 世博會(huì)的工程開(kāi)工，利用黃浦江水作為冷熱源的熱泵項(xiàng)目也開(kāi)始了建設(shè)使用。目前我國(guó)應(yīng)用海水源熱泵的項(xiàng)目有：青島東部開(kāi)發(fā)區(qū)和高科技工業(yè)園區(qū)采用了大型海水熱源熱泵供熱； 2008 年奧帆賽配套項(xiàng)目 4000M 的奧帆媒體中心也已經(jīng)確定采用海水源熱泵技術(shù)；目前青島市正在進(jìn)行規(guī)劃，準(zhǔn)備在沿海一帶實(shí)行海水供熱供冷，取代鍋爐； 在山東，湖南等地，也有湖水源熱泵應(yīng)用的先例。
我國(guó)對(duì)于水源熱泵的研究起步比較晚，但是發(fā)展速度很快。20 世紀(jì) 50 年代，就曾在上海、天津等地嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授開(kāi)展了我國(guó)熱泵的最早研究，1965 年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。中國(guó)水源熱泵的研究和應(yīng)用才剛剛起步，與國(guó)外相比，在熱泵機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)、 產(chǎn)品質(zhì)量和工程技術(shù)上還存在著較大差距，地表水熱泵系統(tǒng)更是如此。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于開(kāi)式地表水源熱泵的研究還是很有限。尤其，是在技術(shù)前沿的研究更有待做出更加深入研究[3]。
1.2.2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外水源熱泵研究分屬于兩種熱泵系統(tǒng)：一種為源熱泵，一種為海水熱泵。其中源熱泵真正意義商業(yè)應(yīng)用也近十幾年歷史，但發(fā)展相當(dāng)迅速。如美國(guó)，截止1985年全國(guó)共有4000臺(tái)源熱泵，而1997年就安裝了45000臺(tái)，到目前為止已安裝了400000臺(tái)，每年以10％速度穩(wěn)步增長(zhǎng)。1998年美國(guó)商業(yè)建筑中源熱泵系統(tǒng)已占空調(diào)總保有量9％，其中新建筑中占30％。美國(guó)源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國(guó)能源環(huán)境研究中心(Energy & Environmental Research Center)、美國(guó)下水資源聯(lián)合會(huì)(National Ground Water Association)、愛(ài)迪生電力研究所(Edison Electric Institute)及眾多源熱泵制造設(shè)計(jì)銷售公司以及政府機(jī)構(gòu)和建筑商等46家成員組成美國(guó)源熱泵協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)近年中將投入一億美元從事開(kāi)發(fā)、研究和推廣工作。美國(guó)計(jì)劃到200年達(dá)到每年安裝40萬(wàn)臺(tái)源熱泵目標(biāo)，其中，水源熱泵占5％，屆時(shí)將降低溫室氣體排放百萬(wàn)噸，相當(dāng)于減少50萬(wàn)輛汽車污染物排放或種植樹(shù)百萬(wàn)英畝，年節(jié)約能源費(fèi)用達(dá)4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費(fèi)用再增加0.7億美元[4]。??
與美國(guó)源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧利、德國(guó)等國(guó)家主要利用淺層熱資源，下土壤埋盤管(埋深<400米深)源熱泵，用于室內(nèi)板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)999年統(tǒng)計(jì)，為家用供熱裝置中，源熱泵所占比例，瑞士為96％，奧利為38％，丹麥為27％。同時(shí)，中、北歐海水源熱泵研究和應(yīng)用也比較多。
1.3 水源熱泵技術(shù)工作原理
在制冷模式時(shí)，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機(jī)出來(lái)后進(jìn)入水/制冷劑的冷凝器，向水中排放熱量而冷卻成高壓液體，并使水溫升高。到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體后進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時(shí)吸收空氣的（水）熱量。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時(shí)，制冷環(huán)境需要的冷凍水在蒸發(fā)器中獲得，工作原理流程如圖1-1所示。
圖1-1 制冷工況 圖1-2 制熱工況
在供熱模式時(shí)，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機(jī)壓出后進(jìn)入冷凝器同時(shí)排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進(jìn)行節(jié)流膨脹成低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)過(guò)程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時(shí)，供熱環(huán)境需要的熱水在冷凝器中獲得[6]，工作原理流程如圖1-2所示。
水源熱泵機(jī)組可利用的水體溫度冬季為12～22℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度高，所以熱泵循環(huán)的蒸發(fā)溫度提高，能效比也提高。夏季水體為18～35℃，水體溫度比環(huán)境空氣溫度低，所以制冷的冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風(fēng)冷式和冷卻塔式，機(jī)組效率提高。輸入1kw/h的能量，可供60～100m2的建筑采暖、制冷，能效比高，供熱系數(shù)4.0左右，制冷系數(shù)4.0以上。
1.4 水源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)
與空氣相比，水的熱容量大，是比較理想的傳熱介質(zhì)。使用地表水源熱泵的時(shí)候，傳遞一定的熱量所需要的水量比較小，換熱器的尺寸可以縮小。所以，如果可以比較容易地取得大量溫度比較穩(wěn)定的水，水作為熱源是比較理想的。
地表水體的溫度比空氣穩(wěn)定，可以提高機(jī)組的效率。因?yàn)樗臒崛荽螅缘乇硭w的溫度變化一般比氣溫變化慢，夏季溫度比空氣低，冬季溫度比空氣高。據(jù)估算，夏季空調(diào)工況下每降低冷卻水進(jìn)水1℃大約能提高機(jī)組 3%的效率。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，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。
冬季供暖時(shí)，同鍋爐相比，沒(méi)有污染排放。減輕了環(huán)境壓力。在使用燃料鍋爐時(shí)，鍋爐只能將燃料中部分熱能轉(zhuǎn)化成熱能供給用戶，同時(shí)排出污染物。 使用電鍋爐的時(shí)候，雖然電能可以完全轉(zhuǎn)化為熱能，但是將高位能直接轉(zhuǎn)化成低位能進(jìn)行利用是不合理的，損失了能量的品位。而據(jù)資料顯示，地表水源熱泵的制熱效率可達(dá) 3.5～4.4，同電鍋爐相比，消耗相同的電能情況下，產(chǎn)生了更多熱能，同電供暖相比，可以節(jié)約 70%的能耗。
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)。
分體水源熱泵機(jī)組分為內(nèi)機(jī)、外機(jī)兩個(gè)部分，內(nèi)機(jī)結(jié)構(gòu)近似于暗裝直冷式風(fēng)機(jī)盤管。外機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括壓縮機(jī)、冷凝器、四通筏等制冷、制熱部件，名為“ 外機(jī)”，實(shí)際上一般安裝于室內(nèi)。將壓縮機(jī)、冷凝器等與送風(fēng)盤管分開(kāi)來(lái)，一方面減小了機(jī)組尺寸， 使內(nèi)機(jī)高度低于250mm， 外機(jī)高度低于500mm，便于隱藏安裝，節(jié)省空間，提高安裝的靈活程度；可根據(jù)裝飾需要，全力配合裝潢設(shè)計(jì)進(jìn)行安裝。另一方面降低了室內(nèi)的噪音，外機(jī)可安裝于走廊、洗手間、廚房吊頂、陽(yáng)臺(tái)等位置，避免噪聲影響室內(nèi)。有的建筑物內(nèi)，特別在過(guò)渡季節(jié)，部分區(qū)域需要供冷，部分區(qū)域需要供熱，水源熱泵可以同時(shí)供冷和供熱，可以實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)冷熱量的轉(zhuǎn)移和平衡。
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。水源水經(jīng)過(guò)熱泵機(jī)組時(shí)，只是交換了熱量，水質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化，不消耗、不破壞、不污染水資源，使用過(guò)程中不釋放任何對(duì)環(huán)境有害的排放物。制冷是產(chǎn)生的熱量傳遞給大地，不會(huì)產(chǎn)生厄爾尼諾現(xiàn)象。不燃油、不燒煤、無(wú)爆炸危險(xiǎn)。水源熱泵技術(shù)是一種較理想的采暖、空調(diào)方式，具有耗能少，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
全電腦控制，顯示屏顯示機(jī)組工作狀態(tài)，多個(gè)可內(nèi)置參數(shù)設(shè)定可隨時(shí)調(diào)整機(jī)組工作狀態(tài)自動(dòng)故障報(bào)警。高低壓、溫度、斷水、5次啟停等多種保護(hù)功能，保證壓縮機(jī)免受損壞。
水源熱泵系統(tǒng)各個(gè)制冷單元相互獨(dú)立迸行空氣調(diào)節(jié)，空調(diào)機(jī)組分散于各個(gè)空調(diào)房間，相互獨(dú)立進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，新風(fēng)機(jī)系統(tǒng)又可使房間空氣保持清新、舒適從而避免出現(xiàn)空氣交叉污染，有效的防止空氣傳播疾病。
1.5 水源熱泵技術(shù)的局限性
基礎(chǔ)水溫?cái)?shù)據(jù)不全，對(duì)取水點(diǎn)的水溫?cái)?shù)據(jù)，國(guó)家沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，使得設(shè)計(jì)方不能明確取水點(diǎn)溫度的全年變化情況。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)過(guò)于粗糙，難以適應(yīng)地表水源熱泵的設(shè)計(jì)需要。在沒(méi)有詳細(xì)數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)計(jì)方傾向于進(jìn)行保守的估計(jì)，所以一般會(huì)將系統(tǒng)選大，這樣反而造成了出投資以及運(yùn)行費(fèi)用上的浪費(fèi)，與使用水源熱泵的節(jié)能目的也背道而馳。
國(guó)內(nèi)對(duì)于地表水源熱泵的研究相對(duì)滯后，目前國(guó)內(nèi)對(duì)地表水源熱泵基本都以具體的工程作為研究對(duì)象，局限于這個(gè)項(xiàng)目的需要，并沒(méi)有把相關(guān)的研究進(jìn)一步深入以及全面地考慮地表水源熱泵的共性。
冬季運(yùn)行時(shí)大型離心機(jī)有可能不能工作，就目前數(shù)據(jù)來(lái)看，大型離心式壓縮機(jī)在進(jìn)水溫度低于 8℃的時(shí)候很難開(kāi)機(jī)。所以，目前的工程多采用螺桿機(jī)組。這樣，如果工程比較大，需要的冷量、熱量比較多的情況下，就面臨著機(jī)器過(guò)多，效率不高的情況。在一定情況下限制了大型地表水源熱泵在大型工程中的應(yīng)用。
長(zhǎng)途取水的經(jīng)濟(jì)性，夏季工況依靠水的顯熱來(lái)帶走熱量，取水量大，如果取水點(diǎn)距離用水設(shè)備過(guò)遠(yuǎn)，則不經(jīng)濟(jì)。因?yàn)樗赐陀诘孛妫胰∷c(diǎn)一般在水下，把水送到機(jī)組要克服從取水點(diǎn)到機(jī)組的揚(yáng)程以及阻力，所以同樣的水量條件下相比傳統(tǒng)冷卻塔系統(tǒng)，冷卻水泵的功率能耗要大幅度增加。 如果水量巨大，取水點(diǎn)距離機(jī)組過(guò)遠(yuǎn)，可以采用低于取水點(diǎn)的地下機(jī)房，這樣水泵就只需要克服管路和設(shè)備的阻力，但是這樣必然會(huì)帶來(lái)初投資的大幅度上升。
2 方案論證與選擇
2.1 循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)部件除壓縮機(jī)，冷凝器，蒸發(fā)器，節(jié)流機(jī)構(gòu)這基本的四大件外，還包括一些輔助設(shè)備和控制元件等。根據(jù)任務(wù)書所給制冷制熱工況條件，該系統(tǒng)采用常見(jiàn)的單級(jí)壓縮蒸汽無(wú)回?zé)釤崃ρh(huán)
2.2 制冷劑的選用
2.2.1 制冷劑分類
制冷劑又稱制冷工質(zhì)，是制冷循環(huán)的工作介質(zhì)，利用制冷劑的相變來(lái)傳遞熱量，即制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時(shí)吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時(shí)放熱。當(dāng)前能用作制冷劑的物質(zhì)有80多種，最常用的是氨、氟利昂類、水和少數(shù)碳?xì)浠衔锏?。制冷劑主要有以下分類?
1、在壓縮式制冷劑中廣泛使用的制冷劑是氨、氟利昂和烴類。按照化學(xué)成分，制冷劑可分為五類：無(wú)機(jī)化合物制冷劑、氟利昂、飽和碳?xì)浠衔镏评鋭⒉伙柡吞細(xì)浠衔镏评鋭┖凸卜谢旌衔镏评鋭?。根?jù)冷凝壓力，制冷劑可分為三類：高溫(壓)制冷劑、中溫(壓)制冷劑和低溫(壓)制冷劑。
2、無(wú)機(jī)化合物制冷劑：這類制冷劑使用得比較早，如氨(NH3)、水(H2O)、空氣、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等。對(duì)于無(wú)機(jī)化合物制冷劑，國(guó)際上規(guī)定的代號(hào)為R及后面的三位數(shù)字，其中第一位為“7”后兩位數(shù)字為分子量。如水R718等。
3、 氟利昂(鹵碳化合物制冷劑)：氟利昂是飽和碳?xì)浠衔镏腥炕虿糠謿湓?H)被氯(Cl)、氟(F)和溴(Br)代替后衍生物的總稱。國(guó)際規(guī)定用“R”作為這類制冷劑的代號(hào)，如R22等。
4、飽和碳?xì)浠衔铮哼@類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機(jī)化合物等。代號(hào)與氟利昂一樣采用“R”，這類制冷劑易燃易爆，安全性很差。如 R50、R170、R290等。
5、不飽和碳?xì)浠衔镏评鋭哼@類制冷劑中主要是乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)和它們的鹵族元素衍生物，它們的R后的數(shù)字多為“1”，如 R113、R1150等。
6、共沸混合物制冷劑：這類制冷劑是由兩種以上不同制冷劑以一定比例混合而成的共沸混合物，這類制冷劑在一定壓力下能保持一定的蒸發(fā)溫度，其氣相或液相始終保持組成比例不變，但它們的熱力性質(zhì)卻不同于混合前的物質(zhì)，利用共沸混合物可以改善制冷劑的特性。如R500、R502等。
2.2.2 制冷劑選用原則
根據(jù)不同的制冷要求應(yīng)選擇不同的制冷劑，為此對(duì)有關(guān)制冷劑的性能必須有所了解。對(duì)理想制冷劑的主要要求如下：
(1) 應(yīng)是環(huán)境可接受物質(zhì)，即應(yīng)對(duì)環(huán)境無(wú)破壞作用或破壞作用輕微。
(2) 臨界溫度要高由于臨界溫度是制冷劑可以加壓液化的最高溫度，臨界溫度低的制冷劑在常溫或普通低溫下有可能不會(huì)液化，此時(shí)將需要溫度很低的冷卻介質(zhì)；且由于當(dāng)制冷劑在節(jié)流前的溫度接近臨界溫度時(shí)，制冷劑的氣化潛熱很小，節(jié)流損失就會(huì)很大，循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性將很差；因此希望制冷劑的臨界溫度比環(huán)境溫度高的多[5]。
(3) 有合適的飽和蒸氣壓希望在使用條件下蒸發(fā)壓力最好不低于大氣壓，以避免空氣漏入制冷系統(tǒng)內(nèi)部；還希望冷凝壓力不太高，通常應(yīng)低于2.5MPa，以免壓縮機(jī)和冷凝器等設(shè)備過(guò)于龐大；同時(shí)冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不過(guò)大，以免壓縮終溫過(guò)高，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)過(guò)低；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之差也希望盡可能的小，以降低對(duì)壓縮機(jī)強(qiáng)度的要求[6] 。
(4) 化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好不燃燒、不爆炸、無(wú)毒；不腐蝕常用工程材料、與潤(rùn)滑油不起化學(xué)反應(yīng)；在使用溫度下不分解、不變性。
(5) 凝固溫度要低以免制冷劑在蒸發(fā)溫度下凝固。
(6) 粘度和密度要小目的是減小制冷劑的流動(dòng)阻力。
(7) 導(dǎo)熱系數(shù)高可提高換熱器傳熱系數(shù)，減小傳熱面積，降低材料消耗。
(8) 絕熱指數(shù)要小可使壓縮過(guò)程耗功減少，降低壓縮終溫。
(9) 液體比熱要小這樣在節(jié)流時(shí)液體降溫放出的熱量少，節(jié)流產(chǎn)生的閃發(fā)蒸氣量小，節(jié)流損失較小。
(10) 氣化潛熱要大可獲得較大的單位制冷量，同時(shí)節(jié)流后的干度較小。
(11) 價(jià)廉易得。
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)，而另一些方面不足。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際要求，在滿足特定要求的前提下，權(quán)衡取舍，找出最佳方案。
2.2.3 制冷劑選用結(jié)果
結(jié)合制冷劑性質(zhì)特點(diǎn)和市場(chǎng)水冷柜式空調(diào)常用制冷劑，選擇制冷劑為R134a。其優(yōu)點(diǎn)為：R134a的綜合性能極佳，具有良好的熱力性能。如：運(yùn)行壓力適中；具有較大的單位容積制冷量；等熵指數(shù)較??；而且無(wú)毒、無(wú)燃燒及無(wú)爆炸等優(yōu)點(diǎn)。R134a的出現(xiàn)并隨其價(jià)格的逐漸降低，它在空調(diào)制冷系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[7] 。
2.2.4 R134a的性質(zhì)
R134a一種較新型的制冷劑，其蒸發(fā)溫度為-26.5℃。它的主要熱力學(xué)性質(zhì)與R12相似，不會(huì)破壞空氣中的臭氧層，是近年來(lái)推薦使用的環(huán)保冷媒，會(huì)造成輕度溫室效應(yīng)，是比較理想的R12替代制冷劑。
R134a無(wú)色，毒性很小，不燃燒、不爆炸，但仍是安全的制冷劑。傳熱性能與R12相近，對(duì)大氣臭氧無(wú)破壞作用，溶解度很小，僅0.11%，且隨溫度的降低而減少。R134a對(duì)系統(tǒng)的干燥和清潔性能要求更高，而且必須與R134a相容的干燥劑[8]。
2.3 水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成
水源熱泵空調(diào)系統(tǒng),包括壓縮機(jī)、四通閥、室內(nèi)換熱器和室外換熱器以及節(jié)流部件,其特征是壓縮機(jī)為全封閉渦旋壓縮機(jī), 室外換熱器為套管式換熱器,壓縮機(jī)的高壓出口與四通閥的接口相通,四通閥的接口與室外換熱器的一端相通,四通閥的接口與壓縮機(jī)的低壓入口相通,四通閥的接口與一個(gè)及以上的室內(nèi)換熱單元的一端相通,室內(nèi)換熱單元的另一端與室外換熱器的另一端相通,每個(gè)室內(nèi)換熱單元包括依次相通的第一截止閥、室內(nèi)機(jī)換熱器、室內(nèi)機(jī)節(jié)流部件和第二截止閥[9]。
2.3.1 水源熱泵技術(shù)的工作流程
工作流程如圖2-1：工質(zhì)1為熱源水，工質(zhì)2為熱泵中的介質(zhì)(如R22)，工質(zhì)3為循環(huán)水，工質(zhì)1流經(jīng)熱泵時(shí)，與蒸發(fā)器中的工質(zhì)2進(jìn)行熱交換，工質(zhì)2吸收熱量后，蒸發(fā)成低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)提高壓力和溫度后，進(jìn)入冷凝器凝結(jié)成液體并向工質(zhì)3放出熱量，這熱量實(shí)際上包括來(lái)自低位熱源熱量和壓縮機(jī)的功耗，工質(zhì)3的熱量即可供建筑物取暖所需，工質(zhì)2從冷凝器的高壓下膨脹而進(jìn)入蒸發(fā)器，再開(kāi)始新的工作循環(huán)[10]。制冷工作流程與此相反。制冷劑從壓縮機(jī)出來(lái)經(jīng)冷凝器向外放出大量熱，變成常溫高壓液體，再經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流到常溫低壓，在蒸發(fā)器與外換熱吸取大量熱而制冷。
圖 2-1 水源熱泵制熱過(guò)程的工作原理
2.3.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理
以制熱工況為例，系統(tǒng)原理如下圖2-2：
圖 2-2 水源熱泵制熱過(guò)程的系統(tǒng)原理
2.4 熱泵性能分析
2.4.1 熱泵的經(jīng)濟(jì)性分析
(1) 熱泵機(jī)組可以達(dá)到一機(jī)兩用的效果，即冬季利用熱泵采暖，夏季進(jìn)行制冷。既節(jié)約了制冷機(jī)組的費(fèi)用，有節(jié)省了鍋爐房的占地面積。
(2) 如已有地?zé)峋瑒t使用熱泵則可大大便于能源的充分并有效地利用。
(3) 用于生活加熱等需要的能源直接依靠電熱造成能源的再浪費(fèi)，是不可取的，只用熱泵供熱才能有效的利用電能。
(4) 使用熱泵技術(shù)對(duì)大氣及環(huán)境無(wú)任何污染，而且對(duì)能源消耗極低，屬于綠色環(huán)保型裝置，符合目前我國(guó)能源、環(huán)保的基本政策，對(duì)用戶本身也無(wú)形中起到自我宣傳的作用[11]。
熱泵供熱比鍋爐供熱是先進(jìn)的，將熱泵與煤、燃?xì)?、油等多種方式采暖時(shí)，以加熱為10000千卡熱量所需的費(fèi)用做一個(gè)綜合比較[12]，我們可以得出：
1) 用熱泵機(jī)組：設(shè)熱泵的COP（指其制熱量與所消耗的電能的比值，即機(jī)組的性能系數(shù)）值為4，則耗電量為2.91kW，若電費(fèi)平均價(jià)格為0.5元/kWh（北京地區(qū)），則電費(fèi)為：2.91 х0.5元 = 1.75元。
2) 用煤：煤大約能夠產(chǎn)生70%的熱量，則所需的燃料為2.13kg。若煤價(jià)為0.35元/kg，則費(fèi)用為：2.13 х 0.35元 = 0.75元。
3) 用燃?xì)猓喝細(xì)獯蠹s能夠產(chǎn)生75%的熱量，則所需的燃?xì)饬繛?.81立方米。若燃?xì)鈨r(jià)格為0.8元/，則費(fèi)用為：3.81 х0.8元 = 3.05元。
4) 用燃油：燃油大約能夠產(chǎn)生80%的熱量，所需的油量為1.16kg。若油價(jià)為2.4元/kg，則費(fèi)用為：1.16 х2.4元 = 2.78元。
空調(diào)類別
能源價(jià)格
熱轉(zhuǎn)換
效率,%
燃料熱值
單位功率費(fèi)用,元/kwh
運(yùn)行費(fèi)用,元/ m3
特點(diǎn)
燃煤空調(diào)
280元/t
55
5000kwh/kg
0.102
13.4
污染嚴(yán)重,
費(fèi)用低
燃?xì)饪照{(diào)
1.7元/m3
75
10500kwh/ m3
0.216
28.5
輕微污染,
費(fèi)用較高
燃油空調(diào)
3000元/t
85
10500kwh/ kg
0.336
44.3
輕微污染,
費(fèi)用高
電暖氣
0.5元/kwh
100
0.5
66
無(wú)污染,
費(fèi)用最高
水源熱泵
0.5元/kwh
410
0.166
22.6
無(wú)污染,
費(fèi)用低
表 2-1 幾種空調(diào)比較
2.4.2 冷熱源分析比較
水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)以地表水或地下水為冷熱源，通過(guò)熱交換對(duì)建筑進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)利用了地球表面淺層的地?zé)豳Y源，冬季通過(guò)熱泵將水中的地位熱能提高品位，對(duì)建筑供暖；夏季通過(guò)熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對(duì)建筑進(jìn)行降溫。水源熱泵系統(tǒng)簡(jiǎn)單，耗電量小。水源熱泵系統(tǒng)是一種有效利用低位熱能的節(jié)能技術(shù)[13]。
直接蒸發(fā)機(jī)組系統(tǒng) 這種系統(tǒng)將制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接放在室內(nèi)來(lái)吸收余熱余濕。這種系統(tǒng)常用分散安裝的局部空調(diào)機(jī)組，制冷機(jī)管道不變長(zhǎng)距離輸送，不宜作為集中式空調(diào)系統(tǒng)來(lái)使用，另外這種系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)有一定要求，需要防止?jié)B漏產(chǎn)生的污染，且設(shè)備耗電量大。
集中控制空調(diào)系統(tǒng) 這種系統(tǒng)是將空氣通過(guò)空氣處理設(shè)備（過(guò)濾，冷卻，加熱，加濕設(shè)備和風(fēng)機(jī)等）處理后，經(jīng)風(fēng)管送到各方間。處理過(guò)程復(fù)雜，耗電量大?？諝馓幚碓O(shè)備集中設(shè)置，因此主機(jī)房占地面積較大，對(duì)于不設(shè)有地下室的別墅使用顯然不太方便[14]。
水源模塊機(jī)組
螺桿冷水機(jī)組
直燃機(jī)
使用能源
電力、地溫
電力
燃料（如天然氣）
功 能
制冷、采暖
制冷
制冷、采暖
可維護(hù)性
最高，多臺(tái)壓縮機(jī)、
多個(gè)模塊
不如模塊機(jī)組，與回路布置有關(guān)。
相對(duì)低，任何一個(gè)小小故障都可能導(dǎo)致機(jī)組不能運(yùn)行
體 積
最小
較大
最大
維修空間
最小
較大，需拔管空間
較大，需拔管空間
制冷劑量
最少
較大，為模塊機(jī)組的2倍以上
無(wú)需
啟動(dòng)速度
快，開(kāi)機(jī)即開(kāi)始制冷熱，幾分鐘就達(dá)到滿負(fù)荷
快，開(kāi)機(jī)即開(kāi)始制冷，幾分鐘就可達(dá)滿負(fù)
慢，開(kāi)機(jī)到滿負(fù)荷時(shí)間至少需要15分鐘
停機(jī)時(shí)間
按下停止按鈕即可停機(jī)，幾分鐘后可停水泵
同前
停機(jī)需要稀釋，一般需要半個(gè)小時(shí)，此期間水泵要一直開(kāi)啟
可維護(hù)性
較容易判斷故障，而且檢修快捷
同前
困難，溴化鋰機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，維護(hù)保養(yǎng)工作量巨大
噪 音
最小，僅67dB（A）
最大，80dB（A）以上
80dB（A）左右
冷卻水量
100%
200%
260%
制冷衰減
很少，基本上可以忽略不計(jì)
同前
每年衰減1—3%，若保養(yǎng)不當(dāng)，衰減更快
壽 命
不低于20年
不低于15年
理論上涉及15年，實(shí)際上難達(dá)到
2.4.3 方案選擇
表 2-2 地源熱泵中央空調(diào)、螺桿式冷水機(jī)組與直燃機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較
水源熱泵在所有空調(diào)機(jī)組中運(yùn)行費(fèi)用最低，而且設(shè)備初投資也比較低廉。當(dāng)有低溫源（如地下水）條件時(shí)，且在各類制熱空調(diào)中費(fèi)用最低無(wú)污染，所以水源熱泵是首選。該建筑設(shè)計(jì)原則是環(huán)保、節(jié)能，根據(jù)以上比較，選擇水源熱泵空調(diào)機(jī)組進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。
2.5 壓縮機(jī)選型
2.5.1 壓縮機(jī)種類比較
在制冷量相同的條件下，渦旋式壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)及滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)相比較具有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）效率高。渦旋式壓縮機(jī)的吸氣、壓縮、排氣過(guò)程是連續(xù)單向進(jìn)行，因而吸入氣體的有害過(guò)熱?。幌噜徆ぷ髑婚g的壓差小，氣體泄露少；沒(méi)有余隙容積中氣體向吸氣腔的膨脹過(guò)程，容積效率就高，通常達(dá)95%以上；動(dòng)渦旋體上所有點(diǎn)均以幾毫米的回轉(zhuǎn)半徑作同步回轉(zhuǎn)，所以運(yùn)動(dòng)速度低，摩擦損失少；沒(méi)有吸氣閥，也可以不設(shè)置排氣閥，所以氣流的流動(dòng)損失小。
（2） 力矩變化小，振動(dòng)小，噪音低。因一對(duì)渦旋體中幾個(gè)月牙空間可同時(shí)進(jìn)行壓縮過(guò)程，故使曲軸轉(zhuǎn)矩變化小，渦旋式壓縮機(jī)僅為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式和往復(fù)式的1/10，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)；且進(jìn)排氣的壓縮脈動(dòng)很小，故噪音和振動(dòng)都小[14]。
（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，質(zhì)量輕，可靠性高。渦旋式壓縮機(jī)構(gòu)成壓縮室的零件數(shù)目與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式及往復(fù)式的零件數(shù)目之比為1:3:7，所以渦旋式的體積比往復(fù)式小40%，質(zhì)量輕15%；又由于沒(méi)有吸氣閥和排氣閥，易損零件少，加之有軸向，徑向間隙可調(diào)的柔性機(jī)構(gòu)，能避免液擊造成的損傷和破壞，故渦旋式壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性高。
2.5.2 渦旋壓縮機(jī)的特點(diǎn)
渦旋式空氣壓縮機(jī)與往復(fù)式壓縮機(jī)和其他類型的壓縮機(jī)相比擁有很多優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕， 零部件少；運(yùn)動(dòng)部件受力變化小，振動(dòng)小，噪聲低； 絕熱效率、容積效率、機(jī)械效率高等。這些特點(diǎn)使渦旋壓縮機(jī)相對(duì)其他類型壓縮機(jī)而言發(fā)展空間更加廣闊。但是一般情況下渦旋壓縮機(jī)無(wú)法實(shí)施外部冷卻，工作過(guò)程中的熱量難以導(dǎo)出，必須對(duì)壓縮腔進(jìn)行內(nèi)部冷卻或選用壓縮絕熱指數(shù)小的流體。在早期技術(shù)不完善的情況下，這一要求限制了工質(zhì)絕熱指數(shù)較大的空氣壓縮機(jī)的發(fā)展。如果不采用內(nèi)部冷卻，空氣壓縮機(jī)壓比不能大于3。而對(duì)制冷、空調(diào)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，氟利昂工質(zhì)絕熱指數(shù)小，渦旋壓縮機(jī)發(fā)展相對(duì)順利，技術(shù)也較完善[15]。
渦旋壓縮機(jī)以其體積小、重量輕、噪聲低、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，僅幾年時(shí)間便在國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)市場(chǎng)占有一席之地。以下渦旋式空氣壓縮機(jī)的今后發(fā)展方向：
（1）建立系統(tǒng)的包括壓縮機(jī)油冷卻、供油、電機(jī)等外部系統(tǒng)在內(nèi)的模塊化數(shù)學(xué)模型，使之具有通用性；并在原有基礎(chǔ)上強(qiáng)化對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部熱力學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性的研究，更完善地分析壓縮機(jī)各種運(yùn)行工況下的工作過(guò)程；
（2）加強(qiáng)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)研究，建立起關(guān)于渦旋空壓機(jī)理論和實(shí)驗(yàn)相應(yīng)發(fā)展的統(tǒng)一體系，保證渦旋式空壓機(jī)在借鑒其他類型壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展方向的準(zhǔn)確性；
（3）擴(kuò)大渦旋式空氣壓縮機(jī)機(jī)型， 打破渦旋壓縮機(jī)在大容量( > 2 L/ min) 上的空白；
（4）提高對(duì)渦旋式空壓機(jī)的加工工藝，保證壓縮機(jī)性能和品質(zhì)；
（5）增強(qiáng)渦旋式空壓機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，在保證性能和品質(zhì)的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本、運(yùn)行成本，從而降低產(chǎn)品價(jià)格，并實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
2.5.3 選擇壓縮機(jī)
表2-3 ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機(jī)參數(shù)
制冷量W
輸入功率kW
220V時(shí)電流A
COP?W/W
排量cm3/rev
7400
1.77
10.03
3．62
9．9
排量m3/h
潤(rùn)滑油充注c
殘留濕度mg
凈重
工質(zhì)
13.1
1.5
15
28
R134a
按本設(shè)計(jì)的要求和設(shè)計(jì)計(jì)算得出的一些數(shù)據(jù)，可以選用ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)查艾默生谷輪壓縮機(jī)系列，可知ZB26KQE-PFJ的額定工況為：頻率50HZ，蒸發(fā)溫度4℃，冷凝溫度45℃，過(guò)冷度5℃，過(guò)熱度10℃。
表2-4 壓縮機(jī)工作工況
ZB26KQ E-PFJ壓縮機(jī)
制冷劑
R134a
頻率
50Hz
標(biāo)準(zhǔn)額定工況
蒸發(fā)溫度
4 ℃
冷凝溫度
45 ℃
過(guò)冷度
5K
過(guò)熱度
10K
2.6 冷凝器選型論證
（1） 冷凝器是制冷裝置的主要設(shè)備之一。它的主要任務(wù)是將壓縮機(jī)排出的高壓過(guò)熱制冷劑蒸汽，通過(guò)向環(huán)境介質(zhì)放出熱量而被冷卻、冷凝成為飽和液體，甚至過(guò)冷液體。水源熱泵比較適合采用水冷冷凝器，水冷式冷凝器的特點(diǎn)是傳熱效率較高、結(jié)構(gòu)較緊湊，適用于大、中、小型各類制冷裝置。采用水冷冷凝器時(shí)，需設(shè)置冷卻水系統(tǒng)，水側(cè)會(huì)產(chǎn)生結(jié)垢，需定期清洗。水冷冷凝器結(jié)構(gòu)型式最多，可分殼管式、板翅式、板片式、螺旋板式、套管式、殼盤管式、淋激式等。其中殼管式體積較大、重量也較重，但其耐壓較高、設(shè)計(jì)較容易、制造技術(shù)成熟、目前應(yīng)用最廣泛。板翅式通常為鋁全釬焊結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)較高、體積最小、重量最輕，作為冷凝器時(shí)耐壓為1.6～1.8MPa ，設(shè)計(jì)較復(fù)雜、制造成本較高、不易清除水垢。板片式通常為不銹鋼全釬焊結(jié)構(gòu)，其傳熱系數(shù)最高、體積較小、重量較輕，耐壓為2.8～3.2MPa ，設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造成本最高、水垢可以化學(xué)清洗，由于其可以大幅減小制冷機(jī)的體積和重量，目前已大規(guī)模應(yīng)用[16]。螺旋板式耐壓較低，應(yīng)用較少。套管式與殼盤管式體積大、重量重，僅適合用于小型制冷系統(tǒng)，正逐步被風(fēng)冷式冷凝器取代。淋激式體積大、重量也大、傳熱系數(shù)低、水垢結(jié)在管外難以清洗，目前已被淘汰[15]。
（2）制冷劑的蒸氣從上方進(jìn)入內(nèi)外管之間的空腔，在內(nèi)管外表面上冷凝，液體在外管底部依次下流，從下端流入貯液器中。冷卻水從冷凝器的下方進(jìn)入，依次經(jīng)過(guò)各排內(nèi)管從上部流出，與制冷劑呈逆流方式。這種冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，且因系單管冷凝，介質(zhì)流動(dòng)方向相反，故傳熱效果好，當(dāng)水流速為1～2m/s時(shí)傳熱系數(shù)可達(dá)800kcal/(m2/h℃)。套管式冷凝器結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。
圖2-3 套管式冷凝器結(jié)構(gòu)圖
其缺點(diǎn)是金屬消耗量大，而且當(dāng)縱向管數(shù)較多時(shí)，下部的管子充有較多的液體，使傳熱面積不能充分利用。另外緊湊性差，清洗困難，并需大量連接彎頭。因此，這種冷凝器在氨制冷裝置中已很少應(yīng)用。對(duì)于小型氟利昂空調(diào)機(jī)組仍廣泛使用套管式冷凝器。
2.7 蒸發(fā)器選型論證
蒸發(fā)器的作用是將制冷劑液體氣化成為蒸氣，其作用是將低壓制冷劑液體與低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱交換。蒸發(fā)器是吸收熱量，為被冷卻對(duì)象提供冷量的設(shè)備。
2.7.1蒸發(fā)操作的分類
（1）按蒸發(fā)方式分：
1）自然蒸發(fā)。即溶液在低于沸點(diǎn)溫度下蒸發(fā)，如海水曬鹽，這種情況下，因溶劑僅在溶液表面汽化，溶劑汽化速率低。
2）沸騰蒸發(fā)。將溶液加熱至沸點(diǎn)，使之在沸騰狀態(tài)下蒸發(fā)。工業(yè)上的蒸發(fā)操作基本上皆是此類。
（2）按加熱方式分
1）直接熱源加熱。它是將燃料與空氣混合，使其燃燒產(chǎn)生的高溫火焰和煙氣經(jīng)噴嘴直接噴入被蒸發(fā)的溶液中來(lái)加熱溶液、使溶劑汽化的蒸發(fā)過(guò)程。
2）間接熱源加熱。容器間壁傳給被蒸發(fā)的溶液。即在間壁式換熱器中進(jìn)行的傳熱過(guò)程。
（3）按操作壓力分
可分為常壓、加壓和減壓（真空）蒸發(fā)操作。很顯然，對(duì)于熱敏性物料，如抗生素溶液、果汁等應(yīng)在減壓下進(jìn)行。而高粘度物料就應(yīng)采用加壓高溫?zé)嵩醇訜幔ㄈ鐚?dǎo)熱油、熔鹽等）進(jìn)行蒸發(fā)。
（4）按效數(shù)分
可分為單效與多效蒸發(fā)。若蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝不再利用，稱為單效蒸發(fā)。若將二次蒸汽作為下一效加熱蒸汽，并將多個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)，此蒸發(fā)過(guò)程即為多效蒸發(fā)。
蒸發(fā)器按其供液方式不同，有滿液式、干式、循環(huán)式和噴淋式等。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。其傳熱管外側(cè)的被冷卻介質(zhì)只載冷劑(水)，制冷劑則在管內(nèi)吸熱蒸發(fā)，其流量約為傳熱管內(nèi)容積20%～30%。增加制冷劑的質(zhì)量流量，可增加制冷劑液體在管內(nèi)的濕潤(rùn)面積。同時(shí)其進(jìn)出口處的壓差隨流動(dòng)阻力增大而增加，以至使制冷系數(shù)降低。
滿液式蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)為：制冷劑蒸發(fā)換熱系數(shù)較大，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)極小。
滿液式蒸發(fā)器的缺點(diǎn)為：
1) 制冷劑充注量極大；
2) 容易凍結(jié)；
3) 靜液柱影響較大；
4) 不易回油；
5) 殼體內(nèi)存在自由液面，不能用于車船；
6) 重量大，成本高。
干式蒸發(fā)器克服了滿液式蒸發(fā)器的部分缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)為：
1) 制冷劑充注量小；
2) 載冷劑在管外流動(dòng)，不易凍結(jié)，凍結(jié)后不易損壞傳熱管；
3) 容易回油，制冷劑與潤(rùn)滑油不分離，無(wú)需從下部回油；
4) 不存在制冷劑自由液面，可用于車船；
5) 幾乎沒(méi)有靜液柱影響。
干式蒸發(fā)器的缺點(diǎn)為：
1) 制冷劑在換熱面上的浸潤(rùn)面積小，使得平均蒸發(fā)換熱系數(shù)較小，在同樣制冷量的條件下，干式蒸發(fā)器的換熱面積比滿液式的大；
2) 由于制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，且需轉(zhuǎn)向，制冷劑蒸發(fā)沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)均較大；
3) 重量大，制造成本高；
4) 制冷劑易由封頭與管板之間的密封墊處泄漏[16]。
2.8 節(jié)流機(jī)構(gòu)的選擇
節(jié)流機(jī)構(gòu)在整個(gè)熱力循環(huán)計(jì)算中起著重要作用，將制冷劑降壓并調(diào)節(jié)制冷劑的循環(huán)流量。由于節(jié)流機(jī)構(gòu)的作用，制冷劑壓力由冷凝壓力下降到蒸發(fā)壓力，維持冷凝和蒸發(fā)所需的壓力條件；并使制冷劑流量受到限制，與壓縮機(jī)輸氣量相平衡。
2.8.1常用節(jié)流機(jī)構(gòu)
（1）手動(dòng)節(jié)流閥：手動(dòng)節(jié)流閥是所有膨脹閥的原型和基礎(chǔ)，通常用于試驗(yàn)用制冷裝置、作為其他節(jié)流機(jī)構(gòu)的備用件、制冷裝置定型實(shí)驗(yàn)等；
（2）浮球閥：浮球閥是利用液位控制通斷和流量的節(jié)流機(jī)構(gòu)，適用于設(shè)置具有自由液面容器的系統(tǒng)；
（3）熱力膨脹閥：熱力膨脹閥是利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量的節(jié)流機(jī)構(gòu)，適用于各種系統(tǒng)。
（4）熱電膨脹閥：熱電膨脹閥是利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量，適用于各種系統(tǒng)。
（5）電子膨脹閥：電子膨脹閥有電磁式和電動(dòng)式兩類，利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量，需與單片機(jī)控制系統(tǒng)配套，適用于各種系統(tǒng)。
（6）毛細(xì)管：制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的膨脹過(guò)程，是流體在等截面管道中有摩擦的、有或無(wú)熱交換的流動(dòng)過(guò)程。毛細(xì)管是不可調(diào)節(jié)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，制冷劑流量無(wú)法相應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)?？紤]到本系統(tǒng)的成本及實(shí)際需用，在此采用熱力膨脹閥[17]。
2.8.2 熱力膨脹閥的種類
（1）熱力膨脹閥按照平衡方式不同，分內(nèi)平衡式和外平衡式；外平衡式熱力膨脹閥分F型和H型兩種結(jié)構(gòu)型式。
（2）內(nèi)平衡式膨脹閥結(jié)構(gòu)和工作原理：
圖2-4 內(nèi)平衡式F型熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)圖
內(nèi)平衡式F型熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)圖。感溫包內(nèi)充注制冷劑，放置在蒸發(fā)器出口管道上，感溫包和膜片上部通過(guò)毛細(xì)管相連，感受蒸發(fā)器出口制冷劑溫度，膜片下面感受到的是蒸發(fā)器入口壓力。如果空調(diào)負(fù)荷增加，液壓制冷劑在蒸發(fā)器提前蒸發(fā)完畢，則蒸發(fā)器出口制冷劑溫度將升高，膜片上壓力增大，推動(dòng)閥桿使膨脹閥開(kāi)度增大，進(jìn)入到蒸發(fā)器中的制冷劑流量增加，制冷量增大；如果空調(diào)負(fù)荷減小，則蒸發(fā)器出口制冷劑溫度減小，以同樣的作用原理使得閥開(kāi)度減小，從而控制制冷劑的流量。
?。?）外平衡式膨脹閥結(jié)構(gòu)和工作原理：
圖2-5 膜片下面承受蒸發(fā)器出口壓力
外平衡式膨脹閥與平衡式膨脹閥原理基本相同，區(qū)別是：內(nèi)平衡式膨脹閥膜片下面感受到的是蒸發(fā)器入口壓力；而外平衡式膨脹閥膜片下面感受到的是蒸發(fā)器出口壓力]。
2.8.3熱力膨脹閥的選用
熱力膨脹閥的制冷量應(yīng)與壓縮機(jī)的制冷量相匹配。如果熱力膨脹閥的制冷量較壓縮機(jī)的制冷量小的多，會(huì)造成工作時(shí)熱力膨脹閥始終全開(kāi)，但制冷劑流量仍小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，系統(tǒng)的自平衡特性會(huì)使冷凝壓力上升，蒸發(fā)壓力下降，在新的條件下達(dá)到新的平衡，其結(jié)果是制冷量與性能系數(shù)均下降。如熱力膨脹閥的制冷量較壓縮機(jī)的制冷量大的多，會(huì)造成工作后制冷劑流量過(guò)大，蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度過(guò)小或沒(méi)有過(guò)熱度，導(dǎo)致閥關(guān)閉且存在液擊的可能；過(guò)一段時(shí)間后蒸發(fā)器中制冷劑量減少，過(guò)熱度增大，閥重新開(kāi)啟但流量又過(guò)大，導(dǎo)致過(guò)熱度過(guò)小或沒(méi)有過(guò)熱度；如此反復(fù)振蕩，易造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。
一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際工作工況下，熱力膨脹閥制冷量應(yīng)是壓縮機(jī)制冷量的1.05～1.25倍。在此，針對(duì)本系統(tǒng)采取熱力膨脹閥制冷量是壓縮機(jī)制冷量的1.25倍[18]。
2.9 設(shè)計(jì)工況要求
（1）制冷工況
進(jìn)水溫度：12℃；循環(huán)回水溫度7℃，過(guò)熱度Δt0=10℃,過(guò)冷度Δtk=5℃
制冷劑：R134a
壓縮機(jī)：ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機(jī)1臺(tái)
蒸發(fā)溫度4℃，冷凝溫度45℃
冷凝器：采用套管式冷凝器Ф16mmⅩ1.5mm 管
蒸發(fā)器：采用套管式蒸發(fā)器Ф19mmⅩ1.5mm 管
（2）制熱工況
進(jìn)水溫度40℃；出水溫度45℃，蒸發(fā)溫度4℃，冷凝溫度45℃?，環(huán)境干球溫度7℃，環(huán)境濕球溫度6℃。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 理論循環(huán)計(jì)算
制冷工況下循環(huán)的性能指標(biāo)計(jì)算
（1） 作出lgP-h圖，并標(biāo)出相應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn):
表3-1 各點(diǎn)數(shù)值
p
t
v
h
s
點(diǎn)
KPa
℃
l/kg
kJ/kg
kJ/kgK
1
338
10
61.93
405.29
1.7407
2
1160
0.0192
438.25
1.7606
2s
1160
53.97
431.66
1.7407
3
1160
45
263.90
4
1160
44.7
416.95
0點(diǎn)表示飽和蒸汽，1點(diǎn)表示過(guò)熱蒸氣,1—2表示制冷劑在壓縮機(jī)中的等熵壓縮過(guò)程，2—3—4表示制冷劑在冷凝器中的冷卻和冷凝過(guò)程，4—5表示節(jié)流過(guò)程，制冷劑在節(jié)流中壓力和濕度都降低，但焓值保持不變，且進(jìn)入兩相區(qū)。5—1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過(guò)程，這里采用R134a制冷工質(zhì)[17] 。
（2）通過(guò)查各種制冷劑壓焓圖軟件，理論循環(huán)中各種點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)并列上表。
（3）計(jì)算性能指標(biāo)
1)單位質(zhì)量制冷量
（3-1）
2)單位理論功
（3-2）
3)單位容積制冷量
（3-3）
圖 3-1 理論循環(huán)在lgP—h圖上的表示
4) 制冷劑質(zhì)量流量
（3-4）
5) 壓縮機(jī)的實(shí)際輸氣量
（3-5）
壓縮機(jī)理論輸氣量
（3-6）
6) —壓縮機(jī)指示效率，=0.75
理論功率
（3-7）
指示功率
（3-8）
壓縮機(jī)的軸功率為
（3-9）
7）冷凝器熱負(fù)荷的計(jì)算
由狀態(tài)點(diǎn)2的焓值計(jì)算式得：
式中，為壓縮機(jī)的只是效率，它被定義為等熵壓縮過(guò)程耗功量與實(shí)際壓縮過(guò)程耗功量之比。由上式得：
（3-10）
故
（3-11）
3.2 冷凝器的計(jì)算
3.2.1 冷凝器傳熱管的選擇及參數(shù)計(jì)算
1)冷凝溫度：45℃
2)冷卻水進(jìn)水溫度：30℃
3)出水溫度：38℃
圖 3-2冷凝器示意圖
選用套管式冷凝器，選用φ16mm×1.5mm的紫銅管軋制的低翅片管為內(nèi)管，且選用如下表中的所示1號(hào)管其管型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：翅節(jié)距、翅厚、翅高h(yuǎn)=1.5mm、管內(nèi)徑、翅根管面外徑、翅頂直徑。
表3-2低翅片主要參數(shù)
序號(hào)
坯管
規(guī)格
1
1.25
0.223
1.5
11
12.86
15.86
2
1.5
0.35
1.5
11
13
16
每米管長(zhǎng)肋片面積
（3-12）
單位管長(zhǎng)肋頂面積
（3-13）
單位管長(zhǎng)肋間基管面積
（3-14）
單位管長(zhǎng)肋片面積
（3-15）
單位管長(zhǎng)外面積
（3-16）
冷卻水的定性溫度
℃ （3-17）
對(duì)數(shù)平均溫差
℃ （3-18）
3.2.2 冷凝器熱負(fù)荷及冷卻水流量
冷凝熱負(fù)荷
=8.7392kW （3-19）
查水的物性表可知，水在34攝氏度時(shí)，密度ρ=994.43kg/m3，比定壓熱容cp=4179J/(kg?K)。
則冷卻水體積流量
（3-20）
選取管內(nèi)水速
=2.6m/s
選取管內(nèi)冷卻水污垢系數(shù)
根據(jù)所選管型di=11mm及管內(nèi)水速=2.6m/s，則所需內(nèi)管根數(shù)
，取1根 （3-21）
3.2.3 傳熱計(jì)算
先計(jì)算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水在℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)粘度，因?yàn)?
（3-22）
則說(shuō)明水在管內(nèi)為湍流
先計(jì)算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，選取盤管的曲率半徑R=125mm
側(cè)盤管水側(cè)換熱修正系數(shù)：
（3-23）
查表得：R134a在℃時(shí)物性集合系數(shù)B=1386
查表得：1號(hào)管增強(qiáng)系數(shù)
套管間R134a冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由下式計(jì)算得
（3-24）
取純銅熱導(dǎo)率
將有關(guān)各值代入傳熱方程組式得
（3-25）
（3-26）
上式中單位為，單位為℃。
聯(lián)立方程，解得當(dāng)℃時(shí)，分別為13960W/ 和13962.3 W/ 取=13960W/。
3.2.4 所需傳熱面積
則冷凝器所需傳熱面積
（3-19）
所需單根翅片管有效長(zhǎng)度為
（3-20）
盤管的曲率半徑為125mm，周長(zhǎng)為0.39m,所以套管換熱器盤6.1圈