150升即熱式二氧化碳熱泵熱水器——畢業(yè)論文

1、<p><b>　　鄭州輕工業(yè)學院</b></p><p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目 150升即熱式二氧化碳熱泵熱水器 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　專業(yè)班級 熱能與動力工程

2、 </p><p>　　學 號 </p><p>　　院 （系） 機電工程學院 </p><p>　　指導教師(職稱) </p><p>　　完成時間

3、 </p><p>　　150L即熱式二氧化碳熱泵熱水器</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　自從人類進入蒸汽時代以來，人類進步飛速，但隨之而來的環(huán)境污染問題也越來越嚴重。環(huán)境的污染和能源的浪費已經(jīng)成為現(xiàn)今不可忽略的問題。而本次研究的以二氧化碳為工質(zhì)的熱泵對環(huán)境沒有危害，不會有如氟利昂等破壞臭氧

4、層的問題，同時有無毒，不產(chǎn)生溫室效應等優(yōu)點。利用二氧化碳跨臨界循環(huán)能夠制取高于常見熱泵所能制取的高溫熱水，使其相比較其他工質(zhì)來說有無可比擬的優(yōu)勢。</p><p>　　本文將簡要介紹二氧化碳熱泵的應用，并設計一款150L即熱式二氧化碳熱泵熱水器。其主要部件及其控制部件的設計選擇如下：</p><p>　?、艢怏w冷卻器采用的是套管盤管式換熱器。同時為減小其結構和尺寸，用紫銅管軋制的低翅片管作

5、內(nèi)管；</p><p>　?、普舭l(fā)器采用的是風冷式翅片管式換熱器，管子采用紫銅管，翅片采用鋁翅片。</p><p>　?、窍到y(tǒng)的壓縮機采用的是BOCK公司的半封閉活塞式壓縮機；</p><p>　?、裙?jié)流機構選用谷輪公司的熱力膨脹閥。</p><p>　　關鍵詞 熱泵熱水器/二氧化碳/跨臨界循環(huán)</p><p>　　

6、150L heat pump instant water heater</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The technology of human become better and better from the time of heat machine being invented. Along with the s

7、igning of "Montreal Protocol", carbon dioxide has been paid much attention again due to its no toxic, no influence to ozonosphere, GWP=1 and attractive thermodynamic characteristics. Under its trans-critical cy

8、cle, there appears high temperature at compressor exit and a large temperature glide at the gas cooler, which makes have a wide application in the water heater. In this paper, th</p><p>　　According to the c

9、arbon dioxide cycle characteristic, a 150L the CO2 heat pump instant water heater is designed, major components and the control mode as follows:</p><p>　?、臩erpentined thimble is designed as the gas cooler. A

10、nd in order to reduce its structure size, the inner copper tube is made up with low fins;</p><p>　?、艵vaporator uses the forced-air cooling type fin-and-tube heat exchanger, the pipe is copper tube, the fin

11、is aluminum fin;</p><p>　　⑶CO2 half seal reciprocating compressor made in BOCK Corporation is used in this system;</p><p>　?、萕e uses the Coopland’s thermal expansion valve as the throttle mechan

12、ism of this system.</p><p>　　KEYWORDS heat pump water heater,, transcritical cycle</p><p><b>　　1 概述</b></p><p><b>　　1.1 緒論</b></p><p><b>

13、　　1.1.1 引言</b></p><p>　　人類原本為自然界中的一員，人們在漸漸的改造著自然，同時也依賴著自然。但是隨著人類文明的進步和人口的迅速膨脹，人類改變自然的能力也越來越強。人類樂此不疲，直到我們漸漸發(fā)現(xiàn)我們改造的環(huán)境越來越不適合我們的生存。</p><p>　　而現(xiàn)在，人類對環(huán)境改造的限度和對資源的過度開發(fā)已經(jīng)接近自然界的極限。這時，可持續(xù)發(fā)展的問題變得愈加重

14、要。</p><p>　　目前的環(huán)境問題很多，如溫室效應，臭氧層空洞等[]。而其中溫室效應主要原因是大量二氧化碳的排放?，F(xiàn)今我們主要利用的能源是石化能源，如煤炭，石油，天然氣等，這些也正是二氧化碳的主要來源。因此，節(jié)約能源成為解決這些問題的主要途徑。另一方面，氟利昂的排放是臭氧層空洞的主要原因。所以，盡量減少氟利昂的應用是減輕該問題的主要途徑。[]</p><p>　　1987年9月16日

15、，為了避免工業(yè)產(chǎn)品中的氟氯碳化合物繼續(xù)破壞臭氧層，聯(lián)合國邀請26個會員國簽署了蒙特利爾公約。其中對部分氟氯碳化合物等的生產(chǎn)做了嚴格的規(guī)定，并要求各國共同為保護臭氧層而努力?？梢姡评錁I(yè)廣泛使用的CFCs、HCFCs工質(zhì)是破壞臭氧層的主要物質(zhì)。同時這些工質(zhì)也是溫室氣體，已經(jīng)被列入淘汰名單之中。</p><p>　　而二氧化碳是熱泵系統(tǒng)中最有潛力的天然工質(zhì)之一。在二氧化碳跨臨界系統(tǒng)中，在氣體冷卻器端的出口溫度移動可與

16、變溫熱源很好的匹配。同時，它在熱水器方面的應用有著突出的優(yōu)勢。</p><p>　　二氧化碳作為較早的制冷劑，在19世紀末開始便得到了廣泛的應用。但隨著CFCs的出現(xiàn)，二氧化碳便漸漸淡出制冷劑領域，其主要原因為當時主要采用的是亞臨界循環(huán)，而二氧化碳在這種循環(huán)中功耗很大，經(jīng)濟性受到嚴重影響。當制冷劑在環(huán)保方面的問題日趨突出，跨臨界循環(huán)的提出，二氧化碳重新進入人們的視野之中。1993年，挪威SINTEF能源研究所的研

17、究人員率先對二氧化碳跨臨界循環(huán)在熱泵中的應用進行了理論和實驗上的研究。他們的研究表明，二氧化碳跨臨界循環(huán)具有很高的供熱系數(shù)，同時系統(tǒng)的結構緊湊，產(chǎn)水溫度高，在民用和工業(yè)兩方面都有著非常大的發(fā)展?jié)摿]。早在1995年，日本多家公司就開始合作，共同研究二氧化碳熱泵系統(tǒng)，同時也開發(fā)出了相關的熱水器。通過相關計算和理論分析，得出的COP可以大到3，從而實現(xiàn)了相關熱水器的商業(yè)化。</p><p>　　二氧化碳作為制冷劑，

18、具有以下特點[]：</p><p>　?、哦趸疾幌某粞鯇?，即ODP=0，全球變暖潛能值GWP=1，遠小于常見的CFCs、HCFCs，符合相關環(huán)保規(guī)定；</p><p>　?、茊挝蝗莘e制冷量大，結構緊湊；</p><p>　?、墙^熱指數(shù)大，所以壓縮機排氣溫度較高，同時也負荷制取熱水溫度需要；</p><p>　?、扰R界溫度低，因此其一般在

19、跨臨界狀態(tài)下運行。</p><p>　　此外，二氧化碳還有無毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流狀態(tài)使其傳熱性能高等優(yōu)點。二氧化碳的主要熱物理性質(zhì)如下表1-1</p><p>　　表1-1 二氧化碳的熱物理性質(zhì)[]</p><p>　　二氧化碳的臨界溫度只有31.1℃，其熱泵循環(huán)打的流程采用的是跨臨界循環(huán)。此循環(huán)類型不但可以避免受到環(huán)境溫度的影響，而且可以其其他

20、的作為制冷工質(zhì)的其他優(yōu)點。吸熱過程在亞臨界條件下進行，而潛熱是換熱的主要依靠方式；在大約臨界點區(qū)域，是冷凝過程進行的主要區(qū)域，依靠顯熱完成的放熱過程是一個含有很大溫度滑移的溫變過程。而這恰好與加熱時水的溫升相配合，因而可減少位于高壓側的能量損失。因此，這種特殊的洛倫茲循環(huán)，特別適合用于設計家用熱水器，可有效得到很高的熱泵效率。而在二氧化碳跨臨界循環(huán)中，兩相區(qū)域并不存在于超臨界壓力區(qū)內(nèi)，壓力和溫度彼此沒有關聯(lián)，所以高壓壓力對制冷劑的焓值也

21、有一定影響，其變化也將導致制冷量、壓縮機功耗和COP值產(chǎn)生改變。因此可以方便的實現(xiàn)滿足需要的多種控制方式。同時由實驗研究分析得出，二氧化碳跨臨界循環(huán)的高壓側有一個最優(yōu)的運行控制壓力，同時在最優(yōu)壓力下，循環(huán)性能系數(shù)可達到最大。其主要有以下特點：</p><p>　　⑴二氧化碳ODP=0， GWP=1，遠小于常見的CFCs、HCFCs，符合相關環(huán)保規(guī)定；</p><p>　　⑵單位容積制冷量大

22、，結構緊湊；</p><p>　?、墙^熱指數(shù)大，所以壓縮機排氣溫度較高，同時也負荷制取熱水溫度需要；</p><p>　?、扰R界溫度低，因此其一般在跨臨界狀態(tài)下運行。</p><p>　　此外，二氧化碳還有無毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流狀態(tài)使其傳熱性能高等優(yōu)點。</p><p>　　在熱力性能上，二氧化碳作為工質(zhì)來說也具有一些缺陷

23、。但是，根據(jù)熱力學第二定律，工作介質(zhì)的熱力性質(zhì)并不影響理論性能系數(shù)，因此COP也并不是工質(zhì)的內(nèi)在屬性。</p><p>　　從環(huán)保和節(jié)能兩個角度來說，只要系統(tǒng)設計的合理，二氧化碳熱泵熱水器的COP已經(jīng)可以輕松超越其他傳統(tǒng)工質(zhì)的系統(tǒng)。同時將之與水箱結合這也是未來的發(fā)展趨勢之一。因為水箱儲水可以有效的利用夜間的廉價的電力，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，實現(xiàn)“削峰填谷”。但由于二氧化碳需要穿越其臨界點，所以目前二氧化碳熱泵熱水

24、器普及的主要阻力在于降低成本和提高運行效率。因此在今后的設計中還有許多待改進的技術難點：</p><p>　?、拍壳?，R22、R134a、R407c等是熱泵領域用作制冷劑的主要物質(zhì)。但是當冷凝溫度為55℃時，上述制冷劑的冷凝壓力分別為2.1753MPa、1.4917MPa、2.2153MPa。而二氧化碳熱泵熱水器壓力可以達到9～10MPa，其吸氣壓力和排氣壓力的差值很大。而由于其基本都在高壓下運行，所以設計計算中

25、必須考慮系統(tǒng)所能承受的最高壓力，以及壓縮機，潤滑油等的耐壓性質(zhì)。</p><p>　?、圃谛」軓健⒏哔|(zhì)量流量等情況下的二氧化碳流動時，提高傳熱效率的相關研究。比如通過改變管排形式，設計開發(fā)高效的跨臨界循環(huán)熱交換器等。</p><p>　　⑶由于冷凝的出口處的壓力與蒸發(fā)處的壓力差值大，所以降低膨脹部分的相關的損失，是有效的解決效率問題的途徑。利用膨脹機的輸出來帶動壓縮機完成壓縮，設計一個很高

26、效率的膨脹過程，使其成為一個重要的關鍵步驟，需要突破的部分。</p><p>　　⑷對先進的電子控制和感應技術的研究，從而使其可以應對不同的環(huán)境，進行壓力與冷房和暖房的最佳匹配的控制。</p><p>　　⑸合理有效的利用低品位的能源和可再生能源，并研究熱水的供應途徑，以及其他供熱方式的耦合問題。</p><p>　　⑹其他的問題，比如如何控制高壓系統(tǒng)的動能特性，如

27、何減小高壓負荷時系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不可避免的相關振動噪音，都是研究二氧化碳壓縮機所必須面對的重要技術課題?？傊S著科技的進步，我們可以相信在不久的將來，二氧化碳熱泵熱水器會成為熱水器市場上不可忽視的一部分。</p><p>　　1.2 熱水器制熱原理</p><p>　　1.2.1 卡諾循環(huán)基本原理</p><p>　　在系統(tǒng)運行時，傳熱工質(zhì)二氧化碳在蒸發(fā)器中吸收來

28、自環(huán)境中的熱量。之后蒸汽狀態(tài)的二氧化碳在壓縮機中被壓縮，使其壓力和溫度都得到升高。之后壓縮機中出來的高溫蒸汽在冷凝器中冷凝成液體，同時釋放出了大量的熱量，被儲水罐中的水所吸收。之后的二氧化碳先經(jīng)過膨脹閥，隨后返回到蒸發(fā)器，完成一次循環(huán)。在超臨界的壓力下，比熱大、動力粘度小、導熱系數(shù)高都是二氧化碳的顯著特點，使其更有利于流動和傳熱。但是在實際的系統(tǒng)中，在蒸發(fā)器中不可避免的會有壓力損失，這將導致系統(tǒng)平均正大溫度的降低，從而導致系統(tǒng)的COP的

29、降低。膨脹機構可以使低溫低壓的制冷劑截留降壓，從而進入空氣交換機中進行蒸發(fā)，同時吸取來自空氣中的大量的；從蒸發(fā)器出來的氣態(tài)的制冷劑進入壓縮機壓縮，之后升溫升壓（此時制冷劑的熱量主要由兩部分組成：空氣中的熱量和壓縮機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量）。壓縮機出來的高溫高壓的制冷劑隨后進入熱交換器，將吸收的熱量通過換熱傳入冷水中，冷水在被加熱到65℃后由出水口流出。同時放熱后的制冷劑變?yōu)闅鈶B(tài)，慢慢流入到膨脹機構中，截留降壓，之后進入蒸發(fā)器中完成一次循環(huán)。&l

30、t;/p><p>　　1.2.2 二氧化碳跨臨界循環(huán)原理</p><p>　　壓縮機、氣體冷卻器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器共同組成二氧化碳跨臨界循環(huán)系統(tǒng)，其循環(huán)圖如上圖1-1所示。而該循環(huán)原理與常見的蒸汽壓縮式的制冷循環(huán)有所不同，其T-S圖如下圖1-2所示：</p><p>　　如圖，2-1為該循環(huán)的壓縮過程，這時壓縮機的吸氣壓力會低于臨界壓力，二氧化碳在壓縮機中被壓縮，壓力將升

31、至超臨界壓力；1-3為冷卻過程，二氧化碳的顯熱是完成換熱過程的關鍵，制冷劑在這個冷卻過程中出于超臨界狀態(tài)，無飽和狀態(tài)。全過程二氧化碳始終處于氣態(tài)，同時溫度不斷改變，有較大的溫度滑移。因此高壓端的換熱器不能稱為冷凝器，而改稱為氣體冷卻器。在氣體冷卻器中，二氧化碳與冷卻的介質(zhì)發(fā)生逆流換熱，這種換熱方式可近似成為洛倫茲循環(huán)，不可逆的損失較小，壓縮機功耗也較小。在冷卻過程中，工質(zhì)的各種狀態(tài)都與亞臨界下的狀態(tài)不同，超臨界狀態(tài)下的二氧化碳被冷卻介質(zhì)

32、在氣體冷卻器中冷卻，減焓降溫，釋放熱量；3-4為節(jié)流過程，二氧化碳經(jīng)過節(jié)流閥的節(jié)流減壓，從超臨界狀態(tài)下的壓力降低到臨界壓力以下的蒸發(fā)壓力；4-2為蒸發(fā)過程，該過程則與常見的蒸汽壓縮式循環(huán)類似，二氧化碳的蒸發(fā)潛熱在亞臨界狀態(tài)下便可以完成汽化吸熱。</p><p><b>　　1.3方案論證</b></p><p>　　從合理使用能源的角度來入手，使用燃氣、電力、燃油等等

33、高品位的能源來加熱獲得熱水是既不合理的，并且由于在能源轉(zhuǎn)換的過程中，會存在熱損失，使得上述制熱時的制熱系數(shù)僅在0.5-0.7之間。另外，燃油燃氣鍋爐還存在各種環(huán)境污染，漏油漏氣等諸多安全隱患，并且有運行的費用較高，但效率低，易結污垢，需要專人維護等缺點。但是熱泵因為遵循的是逆卡諾循環(huán)工作原理，以從冷凝器中放出的熱量來供熱，所以通過消耗少量的高品位的能量，將低品位的熱量從低溫熱源運送到高溫熱源之中，從而節(jié)約了部分高品位的能源。而輸出的熱量

34、之中包含了一部分來自高品位產(chǎn)出的部分熱量和從低溫熱源中吸收到的熱量這兩部分。而從熱力學角度來說，熱泵就是制冷機中的一種。熱泵并不是熱能的轉(zhuǎn)換設備，而是熱量的搬運設備。在20世紀初期，科學家便提出了熱泵這個概念，為人類利用低溫熱源指明了方向。到目前為止，熱泵技術早已在世界各地有了多方面的應用，為改善人類的生存環(huán)境，節(jié)約高品位的能源貢獻了不可或缺的貢獻。</p><p>　　二氧化碳熱泵熱水器是一種用于將能量轉(zhuǎn)運到冷

35、水中的熱泵，它通過吸收環(huán)境中的能量，通過整個系統(tǒng)，將吸收到的能量轉(zhuǎn)運給換熱器中的冷水中產(chǎn)出熱水，用于洗浴等日常需要。由于二氧化碳對環(huán)境沒有危害，同時傳熱和節(jié)能優(yōu)良，所以今年來二氧化碳熱泵熱水器發(fā)展迅速，尤其在日本國內(nèi)。</p><p>　　二氧化碳熱泵熱水器在節(jié)能和環(huán)保兩方面都有著極強的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的熱泵熱水器所能制取的最高溫度為55℃，而對于亞臨界循環(huán)，如果還想要更高的熱水溫度，那么冷凝溫度就會趨近它的臨界溫度，

36、從而導致制冷系數(shù)的下降。而二氧化碳熱泵熱水器則不會存在該問題，因為在該系統(tǒng)中的氣體冷卻器中有著很大的溫度滑移，從而可以實現(xiàn)和熱媒之間有著良好的溫度匹配，同時又有較小的換熱溫差，提高換熱效率，并能獲得90℃的高溫熱水，這是常規(guī)熱泵所做不到的。同時該機組即使在冬季室外溫度很低的情況下也能正常運行。</p><p>　　1.3.1 壓縮機</p><p>　　1.3.1.1 壓縮機的比較<

37、;/p><p>　　1.3 .1.1.1 往復式制冷壓縮機</p><p>　　往復式壓縮機是到目前為止應用最為廣泛的一種壓縮機，其出現(xiàn)在中小型制冷裝置中。但由于往復式壓縮機在容積效率、可靠性、壓力穩(wěn)定等發(fā)面的性能均不如其他形式的壓縮機，所以在不久的將來，往復式壓縮機的市場份額必將逐漸縮小。目前，大部分往復式的性能系數(shù)約為：2—2.5w/w（制冷）、2.9—3.4w/w（空調(diào)）。</p&

38、gt;<p>　　1.3 .1.1.2 轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機 </p><p>　　轉(zhuǎn)子式壓縮機現(xiàn)今逐漸成為家用冰箱和空調(diào)中的常見部件。從結構上來看，因為其不需要吸氣閥，所以可靠性得以提高。同樣的原因也有利于它的變速運行，比如在家用空調(diào)領域，其變速比可達10/1（從10~15HZ到 100~150HZ），同時機器內(nèi)部零件少，尺寸結構緊湊，同時重量又控制的很好。但是單缸在轉(zhuǎn)速很低時不均勻度會變大，所以人

39、們又開發(fā)出了雙缸壓縮機來客服該缺點。轉(zhuǎn)子式的主要研究方向為降低功耗，采用新的替代工質(zhì)（如HFC—134a），采用新型的潤滑油，變速控制電動機和減小噪音等方面，其性能系數(shù)一般為2.9w/w（制冷）和 3.4w/w（制熱）。</p><p>　　目前，小型封閉式是常見滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的主要類型，一般分為臥式和立式兩種，臥式多用于冰箱中，而立式多用于空調(diào)器中。</p><p>　　1.3 .1.

40、1.3渦旋式壓縮機 </p><p>　　渦旋式是近期開發(fā)的最新型的空氣壓縮機，它的顯著特點有結構新穎、體積小、重量輕、壽命長、操作簡便、維護費用少等。它也被業(yè)內(nèi)譽為“無需維修空氣壓縮機”，是50HP以下壓縮機的最佳選擇。</p><p>　　渦旋式壓縮機由兩個類似雙函數(shù)方程型線的動、靜渦盤相互共同嚙合組成。在吸氣、壓縮和排氣三個工作過程中，靜盤始終固定在機架上保持靜止，而動盤通過偏心軸帶

41、動并通過防自轉(zhuǎn)機構制約，從而使其始終圍著偏心軸旋轉(zhuǎn)，氣體在兩個渦盤間的許多月牙形壓縮腔內(nèi)被壓縮，然后通過靜盤中心的軸向孔排出。70年代后, 經(jīng)美、日等國的研究確保渦旋式壓縮機走上正途，可以實用化，很多跨國公司比如開利等都會生產(chǎn)這種壓縮機，他們主要特點就是：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。渦旋式運動能夠減少力矩的變化形成壓縮腔從而降級噪音，震動減少。其結構簡單，這就使得零部件損壞的

42、量少，體積小。對液擊不是很敏感。另外它的轉(zhuǎn)速很高，便于實現(xiàn)變頻控制從而調(diào)節(jié)制冷量。采用一種背壓可自動調(diào)節(jié)的可控推力機構。這樣的話可以保持縱向蜜蜂，減少機械損傷，防止偶爾出現(xiàn)的高壓，確保壓縮機安全。還有將氣體注入循環(huán)，提高運行效率和節(jié)能，減少壓縮機開機頻率和停機頻率，控制室溫變化，可以實現(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轉(zhuǎn)子式，特別適合于低噪聲的要求</p>&l

43、t;p>　　目前渦旋式壓縮機的發(fā)展趨勢主要在：</p><p>　　進一步改進渦旋盤加工制造工藝, 降低成本；</p><p>　　提高加工和裝配精度, 合理考慮實際運行中密封間隙，降低泄漏損失, 進一步提高效率；</p><p>　　研究變轉(zhuǎn)速下渦旋式壓縮機性能, 提高工作轉(zhuǎn)速；</p><p>　　研究開發(fā)自轉(zhuǎn)型渦旋式壓縮機等。&l

44、t;/p><p>　　1.3 .1.1.4 螺桿式壓縮機</p><p>　　螺桿式壓縮機是主要靠轉(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。螺桿式空氣壓縮機的工業(yè)生產(chǎn)始于1950 年，由于結構簡單、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,在國內(nèi)外得到了飛速的發(fā)展。在操作上, 螺桿壓縮機是壓縮機中最簡單的類型之一。在成本上，螺桿式壓縮機和

45、往復的、重型水冷卻式壓縮機相比, 每單位馬力的原始投資要低30 %。</p><p>　　綜上所述可知：就壓縮機的性能來講，渦旋式最好，滾動轉(zhuǎn)子式次之，往復式最差；就成本價格而言，相同制冷能力的壓縮機，渦旋式最高，往復式最低，滾動轉(zhuǎn)子式介于其中；不同的壓縮機其安全運行工況范圍是不同的，通?；钊麎嚎s機能夠更好地適應高的壓差和低的環(huán)境溫度。</p><p>　　1.3 .1.1.5離心式壓縮機

46、</p><p>　　離心式壓縮機的基本構造與原理如下：其工作原理與離心式鼓風機有著許多的相似點。但有一個根本的區(qū)別的工作原理和活塞的壓縮機，它不使用氣缸容積被減小，以提高蒸汽壓力，但對能量的變化，用以改善蒸汽的壓力。離心式的工作輪帶有葉片，當車輪旋轉(zhuǎn)時，葉片是由驅(qū)動蒸汽身體運動或使氣體的動能，然后將一部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高蒸汽壓力。該壓縮機由于其的工作，以制冷劑蒸汽吸入，和連續(xù)地沿半徑方向被拋出出來，壓縮機

47、，使得這種類型的離心式壓縮機。根據(jù)工作壓縮機的安裝數(shù)量，可以將之分為??單級和多級型。如果只有一個車輪，所謂的單級離心式壓縮機，如果由幾個工作輪系，稱為多級離心式壓縮機。在空調(diào)，該壓力更小，所以一般使用單級離心式壓縮機，在其它大部分是多級。單一的構建級離心壓縮機主要由一個輪，擴壓器和蝸殼其中，當所述壓縮機的制冷劑從蒸汽蒸汽出口軸向進蒸汽腔室，并在臥引導蒸汽室由導向槽蒸發(fā)器（或中間冷卻器泥）的制冷劑碼蒸汽，以均勻地進入了的高速旋轉(zhuǎn)工作輪（

48、也被稱為葉輪輪，它是一種重要的成分的離心壓縮機，由于只通過工作輪可將能量轉(zhuǎn)移到氣體）。在氣相下刀片，隨后的工作旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，而由于離心力的作用，作為該擴壓器中的流動葉</p><p>　　離心式壓縮機的特性：離心式壓縮機及活塞式制冷壓縮機相比較，具有以下的優(yōu)點：單個的冷卻容量，冷卻能力在同一時間它具有尺寸小的優(yōu)點，占地面積小的區(qū)域，輕重量比活塞型5 ?8倍，因為它沒有汽閥活塞環(huán)。組件，并沒有一個曲柄連桿機構，因此

49、工作可靠，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，操作簡單，維護成本低，無的之間的摩擦輪與該殼，無需潤滑。的制冷劑蒸汽和油不接觸，從而提高了傳熱性能的蒸發(fā)器和冷凝器; 可以方便地調(diào)節(jié)范圍經(jīng)濟冷卻能力和調(diào)控較大; 上的制冷劑的適應性，一結構一離心壓縮機能適應制冷劑，離心式壓縮機在高容量范圍（超過1500千瓦）仍然占主導地位，這主要得益于該冷量范圍內(nèi)，它有無可比擬的整體系統(tǒng)效率。移動部分離心式壓縮機的一些和簡單，并且制造精度比螺桿式壓縮機低許多，這些具有相對較低

50、的制造成本和可靠性。此外，一個大的離心式壓縮機中所使用的工作壓力的變化如的狹窄的范圍的場合，可避免的問題所造成的激增，在不久的將來，整體和部分負荷（集成部分礦脈值）會越來越多的關注，這就需要離心式壓縮機保密工作的工作效率寬高。然而，相對來說，在發(fā)展的離心壓縮機的具有最近緩慢，因為螺桿式壓縮機及冷凍機的挑戰(zhàn)，離心式壓縮機開始根據(jù)需求</p><p>　　由以上的對壓縮機的介紹可知：從性能方面來說，渦旋式最好，往復式

51、最差；從價格來說，往復式最差，渦旋式最好；但考慮到實際情況和技術成熟度等問題，本次設計采用的是活塞式壓縮機。</p><p>　　1.3.2 冷凝器的選擇</p><p>　　冷凝器是空調(diào)裝備中的主要部件之一，它是一種換熱設備，其主要功能就是將壓縮機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，過程一般如

52、下：</p><p>　　制冷劑蒸汽先是會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。</p><p>　　1.3.2.1 冷凝器的種類及特點</p><p>　?、趴諝饫鋮s式

53、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)裝置等運輸式制冷裝置，冷卻介質(zhì)為空氣，多應用與干旱地區(qū)?？諝饫鋮s式冷凝器根據(jù)空氣的流動情況還可分為自然對流冷卻和強制對流冷卻兩種。前者主要用于小型的家用冰箱的冷凝器，強制對流冷卻主要用于中小型氟利昂機組。</p><p>　　自然對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)生自然對流的方式。這種冷凝器的傳熱效果低于強制流動空氣

54、冷卻式冷凝器。由于自燃對流作用，省去了安裝風機過程，節(jié)省資源，減少風機的電能消耗，完全避免風機運轉(zhuǎn)時候的噪音、但是這種冷凝器也有其致命的缺點就是傳熱系數(shù)低。</p><p>　　再來說強制對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，空氣在軸流風機的作用下被壓力作用流進翅片管強制通風，一般強制通風用的風機是軸流式的。這種冷凝器的傳熱系數(shù)也比較小，一般約為23～35 W/(m?K) 。它必須使

55、用風機，要消耗一定的電能。</p><p><b>　?、扑涫嚼淠?lt;/b></p><p>　　水冷式冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)對排氣進行冷凝，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，這樣的話就對提高制冷裝置的制冷能力有很大的提高，同時提高了其運行的經(jīng)濟性。目前常用的水冷式冷凝器有立式殼管式、臥式殼管式

56、、套管式三種。</p><p>　?。?）立式殼管式冷凝器應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，對水質(zhì)也無要求，傳熱效果很好。其缺點為：冷卻水用量大，耗水量多，流速較高，且比較笨重。</p><p>　?。?）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、結構緊密、有利于機組化，并且冷卻

57、水可以重復利用。耗水量相對立式殼管式冷凝器少；操作方便，運行可靠。缺點是：需水量很大，對缺水地區(qū)有限制性，冷卻水流動阻力大，</p><p>　?。?）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，制冷劑蒸汽從上進從下出去，冷卻水從上部進入內(nèi)管，吸熱流出，制冷劑和冷卻水間多為逆流

58、換熱。在套管式冷凝器中，制冷劑同時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，套管式冷凝器結構簡單，傳熱效果好，缺點已很明顯機冷卻水的流動阻力大，對水質(zhì)要求較高。</p><p><b>　?、钦舭l(fā)式冷凝器</b></p><p>　　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)

59、式冷凝器具有以下一些優(yōu)點。</p><p>　?。?）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，實際耗水量一般。</p><p>　?。?）節(jié)電，蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)冷凝溫度比用風冷式或水冷式冷凝器低。因此采用蒸

60、發(fā)式冷凝器就會使冷凝器的總功耗顯著減低，壓縮機的輸入功率也將減少。</p><p>　?。?）結構緊湊，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，整個裝置結構就很緊湊。</p><p>　?。?）不污染環(huán)境，不少化工廠以往采用殼管式冷凝器，夏季時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，因為每次僅能放出部分蒸汽，而且

61、期間還含有大量的氨氣，損失嚴重還容易污染環(huán)境，但采用蒸發(fā)式冷凝器后不存在這種現(xiàn)象。</p><p>　　綜上所述，由于裝置具有多種優(yōu)勢：構造簡單，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制空氣對流冷卻時冷凝器結構簡單，容易制作，傳熱特性好等優(yōu)點，故選用套管式冷凝器。</p><p>　　1.3.3 蒸發(fā)器的選擇</p><p>　　蒸發(fā)器概述：蒸發(fā)

62、器是制冷系統(tǒng)中一個主要的換熱部件，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)。濕蒸汽進入蒸發(fā)器時期蒸發(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)的流動與吸熱，液體逐漸蒸發(fā)為蒸汽，蒸汽越來越多，當流至接近蒸發(fā)器出口處時，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

63、、循環(huán)式、和噴淋式等。</p><p>　　1.3.3.1干式氟利昂蒸發(fā)器</p><p>　　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)部的濕潤面積，在進口和出口的壓差應控制隨流動阻力增大而增加，以便于降

64、低制冷系數(shù)，干式蒸發(fā)器長分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩個大類，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動空氣的蒸發(fā)器和冷卻強制流動空氣的蒸發(fā)器. 自由運動型一般被制成光管蛇形管管組，通常稱作冷卻排管，一般用于冷藏庫和低溫的實驗裝置中。強制對流型則是在自由型的管外設置肋片以提高傳熱系數(shù)。其應用范圍廣，可以用于低溫實驗環(huán)境場合也可以用于冷藏庫等等。而干式蒸發(fā)器應用更加廣泛，如果采用干式蒸發(fā)器則完全不采用

65、回油設計，簡潔化，但是其缺點突出：系統(tǒng)效率有所降低。</p><p>　　1.3.3.2滿液式蒸發(fā)器</p><p>　　滿液式蒸發(fā)器按其借個分為殼管式、直管式、螺旋管式等幾種結構形式。他們都是在蒸發(fā)器中充滿制冷劑，這些制冷劑呈現(xiàn)液態(tài)，運行時候，需要吸收熱量，蒸發(fā)后的制冷劑蒸汽源源不斷哋從液體中分離除去，他的好處就是制冷劑與傳熱面接觸面廣闊，具有很大的接觸面積。但不足之處是制冷劑充注量大，

66、液柱靜壓會給蒸發(fā)溫度造成不良影響。當由于偶然因素導致停機或者鹽水濃度驟然下降時候，鹽水就可能被凍結在管內(nèi)，阻礙流通，若制冷劑為氟利昂，則溶解在氟利昂內(nèi)的潤滑油幾乎不能返回到壓縮機，此外在清洗時候需要停止工作。</p><p>　　1.3.3.3循環(huán)式蒸發(fā)器</p><p>　　這種蒸發(fā)器中,制冷劑在其管內(nèi)反復循環(huán)吸熱蒸發(fā)直至完全汽化,被稱為循環(huán)式蒸發(fā)器。循環(huán)式蒸發(fā)器的應用范圍挺廣闊的，可以

67、用于大型的液泵供液，也可以用于中立供液冷庫系統(tǒng)甚至用于低溫環(huán)境實驗裝置。循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點在于傳熱系數(shù)高因為蒸發(fā)器管道內(nèi)部能夠完全濕潤，其不足之處在與體積較大，制冷劑充注量較多。</p><p>　　綜上所述，此次設計更適合采用翅片管式換熱器。</p><p>　　1.3.4 制冷劑的選擇</p><p>　　由于本次課題已規(guī)定制冷劑，故制冷劑為R744。</

68、p><p>　　1.3.5 節(jié)流機構的選擇</p><p>　　1.3.5.1 制冷劑液體膨脹過程分析</p><p>　　制冷劑的液體膨脹過程有以下特點：</p><p>　　⑴通過液體膨脹，溫度將降低。的的膨脹過程的壓力差較大時，它降低了溫度的液體是更大的。之間的溫度差相同的獨立過程。其原因在于兩相區(qū)飽和溫度與相關聯(lián)的飽和壓力。</p

69、><p>　　⑵在膨脹過程是可能的比體積比，并與壓力比增大。而使得難以實現(xiàn)膨脹機比有限體積。</p><p>　　⑶膨脹過程中的等熵焓降很?。蓴U展功率是非常小的），不使用的損失也不會很大，因此在制冷裝置用在小孔或管道節(jié)流機構，以實現(xiàn)制冷的液體制冷劑擴張。</p><p>　　1.3.5.2節(jié)流機構的種類</p><p>　　常用的節(jié)流機構有手動

70、膨脹閥、浮球式膨脹閥、熱力膨脹閥以及阻流式膨脹閥(毛細管)等。它們的基本原理都是使高壓液態(tài)制冷劑受迫流過一個小過流截面，產(chǎn)生合適的局部沿程損失，使制冷劑壓力驟降，與此同時一部分液態(tài)制冷劑汽化，吸收潛熱，使節(jié)流后的制冷劑成為低壓低溫狀態(tài)。</p><p>　　主要解釋一下熱力膨脹閥：熱力膨脹閥是氟利昂制冷裝置中根據(jù)吸入蒸氣的過熱程度來調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑量，同時將液體由冷凝壓力節(jié)流降壓到蒸發(fā)壓力的。</

71、p><p>　　熱力膨脹閥的型式很多，但在結構上大致相同。按膨脹閥中感應機構動力室中傳力零件的結構不同，可分為薄膜式和波紋管式兩種；按使用條件不同，又可分為內(nèi)平衡式和外平衡式兩種。目前常用的小型氟利昂熱力膨脹閥多為薄膜式內(nèi)平衡熱力膨脹閥。</p><p>　　內(nèi)平衡式熱力膨脹閥：內(nèi)平衡式熱力膨脹閥一般都由閥體、閥座、閥針、調(diào)節(jié)桿座、調(diào)節(jié)桿、彈簧、過濾器、傳動桿、感溫包、毛細管、氣箱蓋和感應薄膜

72、等組成。</p><p>　　感溫包里灌注氟利昂或其它易揮發(fā)的液體，把它緊固在蒸發(fā)器出口的回氣管上，用以感受回氣的溫度變化；毛細管是用直徑很細的銅管制成，其作用是將感溫包內(nèi)由于溫度的變化而造成的壓力變化傳遞到動力室的波紋薄膜上去。波紋薄膜是由很薄的(0.1～0.2mm)合金片沖壓而成，斷面呈波浪形，能有2～3mm的位移變形。波紋薄膜由于動力室中壓力的變化而產(chǎn)生的位移通過其下方的傳動桿傳遞到閥針上，使閥針隨著傳動桿

73、的上下移動而一起移動，以控制閥孔的開啟度。調(diào)節(jié)桿的作用是在系統(tǒng)調(diào)試運轉(zhuǎn)中，用以調(diào)整彈簧的壓緊程度來調(diào)整膨脹閥的開啟過熱度的，系統(tǒng)正常工作后不可隨意調(diào)節(jié)且應擰上調(diào)節(jié)桿座上的帽罩，以防止制冷劑從填料處泄漏。過濾網(wǎng)安裝在膨脹閥的進液端，用以過濾制冷劑中的異物，防止閥孔堵塞。至于其工作原理，我們首先分析一下熱力膨脹閥工作時波紋薄膜的受力情況。由下圖1-3可知，金屬波紋薄膜受有三種力的作用，在膜片的上方，為感溫包中液體(與其感受到的溫度相對應的)

74、的飽和壓力P對膜片產(chǎn)生的向下推力P，在膜片的下方，受閥座后面與蒸發(fā)器相通的低壓液體對膜片產(chǎn)生一個向上的推力 (制冷劑的蒸發(fā)壓力)和彈簧的張力W的作用。此外還有活動零件之間的摩</p><p>　　當外界情況改變，如由于供液不足或熱負荷增大，引起蒸發(fā)器的回氣過熱度增大時，則感溫包感受到的溫度也升高，飽和壓力P也就增大，因此形成：P＞P0+W，這樣就會導至膜片下移，使閥口開啟度增大，制冷劑的流量也就增大，直至供液量與

75、蒸發(fā)量相等時達到另一平衡。反之，若由于供液過多或熱負荷減少，引起蒸發(fā)器的回氣過熱度減小，使感溫包感受到的溫度也降低時，則飽和壓力P也就減小，因此形成：P＜P0+W，這樣就會導至膜片上移，使閥口開啟度減小，制冷劑的供液量也就減少，直至與蒸發(fā)器的熱負荷相匹配為此。熱力膨脹閥的工作原理就是利用與回氣過熱度相關的P力的變化來調(diào)節(jié)閥口的開啟度的，從而控制制冷劑的流量，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。</p><p>　　另外，從上述關系也可

76、看出，調(diào)節(jié)不同的彈簧張力W，便能獲得使閥口開啟的不同過熱度。與調(diào)定的彈簧張力W相對應的制冷劑的過熱度稱為靜裝配過熱度(又稱關閉過熱度)。一般希望蒸發(fā)器的過熱度維持在3～5℃的范圍內(nèi)。</p><p>　　外平衡式熱力膨脹閥：外平衡熱力膨脹閥與內(nèi)平衡熱力膨脹閥在結構上略有不同，其不同處是感應薄膜下部空間與膨脹閥出口互不相通，而且通過一根小口徑的平衡管與蒸發(fā)器出口相連。換句話說，外平衡熱力膨脹閥膜片下部的制冷劑壓力不

77、是閥門節(jié)流后的蒸發(fā)壓力，而是蒸發(fā)器出口處的制冷劑壓力。這樣可以避免蒸發(fā)器阻力損失較大時的影響，把過熱度控制在一定的范圍內(nèi)，使蒸發(fā)器傳熱面積充分利用。</p><p>　　內(nèi)、外平衡式熱力膨脹閥工作原理完全相同，只是適用的條件不同，如果蒸發(fā)器中制冷劑的壓力損失較大，使用內(nèi)平衡式熱力膨脹閥時，就會造成蒸發(fā)器供液量不足，出口處氣態(tài)制冷劑的過熱度增大。也就使蒸發(fā)器的傳熱面積的利用率降低，制冷量相應減小，所以在實際應用中，

78、蒸發(fā)器壓力損失較小時，一般使用內(nèi)平衡式熱力膨脹閥，而壓力損失較大時(當膨脹閥出口至蒸發(fā)器出口制冷劑的壓力降相應的蒸發(fā)溫度降低超過2～3℃時)，應采用外平衡式熱力膨脹閥。</p><p>　　安裝熱力膨脹閥時應注意的問題：首先應檢查膨脹閥是否完好，特別注意檢查感溫動力機構是否泄漏；膨脹閥應正立式安裝，不允許倒置；感溫包安裝在蒸發(fā)器的出氣管上，緊貼包纏在水平無積液的管段上，外加隔熱材料纏包，或插入吸氣管上的感溫套內(nèi)；

79、當水平回氣管直徑小于25mm時，感溫包可扎在回氣管項部；當水平回氣管直徑大于25mm時，感溫包可扎在回氣管下側45°處[20]，以防管子底部積油等因素影響感溫包正確感溫；外平衡膨脹閥的平衡管一般都安裝在感溫包后面100mm處的回氣管上，并應從管頂部引出，以防潤滑油進入閥內(nèi)；一個系統(tǒng)中有多個膨脹閥時，外平衡管應接到各自蒸發(fā)器的出口。</p><p>　?、苊毠埽涸陔姳?、空調(diào)器等小型制冷設備中，常用毛細

80、管做節(jié)流裝置，它主要是靠其管徑和長度的大小來控制液體制冷劑的流量以使蒸發(fā)器能在適當?shù)臓顩r下工作。制冷工程中一般稱內(nèi)徑0.5～2mm左右，長度在1～4m左右的紫鋼管為毛細管。與節(jié)流閥相比毛細管作為節(jié)流裝置的優(yōu)點是無運動件不會磨損不易泄漏、制造容易價格便宜、安裝省事，缺點是流量小且不能隨時隨意進行人為調(diào)整。</p><p>　　在內(nèi)徑及長度已確定后，毛細管的流量主要受進、出口兩側即高、低壓兩端壓力差大小的影響，與來液

81、過冷度大小、含閃發(fā)氣體多少以及管彎曲程度、盤繞圈數(shù)等也有關。因此機組系統(tǒng)一定時，不能任意改變工況或更換任意規(guī)格的毛細管。據(jù)有關實驗表明，在同樣工況和同樣流量條件下，毛細管的長度與其內(nèi)徑的4.6次方近似成正比，即當環(huán)境溫度升高或制冷劑充加量過多時，冷凝器壓力變高，毛細管流量增大會使蒸發(fā)器壓力及蒸發(fā)溫度隨之升高。反之，當環(huán)境溫度降低或制冷劑充加量不足時，冷凝器壓力變低，毛細管流量減小會使蒸發(fā)器壓力及蒸發(fā)溫度隨之降低，導致制冷量下降，甚至降不

82、到所需的溫度。</p><p>　　因此，采用毛細管的制冷設備，必須根據(jù)設計要求嚴格控制制冷劑的充加量。</p><p>　　根據(jù)毛細管進口處制冷劑的狀態(tài)分為過冷液體，飽和液體和稍有氣化等情況。從毛細管的安裝方式考慮，制冷劑在其進口的狀態(tài)按毛細管是否與吸氣管存在熱交換而分為回熱型和無回熱型兩種?；責嵝图疵毠軆?nèi)制冷劑在膨脹過程對外放熱;無回熱型即毛細管內(nèi)制冷劑為絕熱膨脹。</p>

83、;<p><b>　?、蓦娮优蛎涢y</b></p><p>　　電子膨脹閥—吸氣過熱度控制</p><p>　　吸氣過熱度控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器組成，工作時，壓力傳感器將蒸發(fā)器出口壓力P1、溫度傳感器將壓縮機吸氣過熱度傳給控制器，控制器將信號處理后，隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進電機， 將閥開到需要的位置要， 以保持蒸

84、發(fā)器需要的供液量。電子膨脹閥的步進電機是根據(jù)蒸發(fā)器出口壓力P1 變化、壓縮機吸氣過熱度變化實時輸出變化的動力,這個實時輸出變化的動力能及時克服各種工況和各種負荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求，進而蒸發(fā)器的供液量能實時與蒸發(fā)負荷相匹配，即電子膨脹閥可通過控制器人為設定，有效地控制過熱度。另外，電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時僅需幾秒鐘，反應和動作速度快，開閉特性和速度均可人為設定；電子膨脹閥可在10%～100

85、%進行精確調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍可根據(jù)不同產(chǎn)品的特性進行設定。選用電子膨脹閥—吸氣過熱度控制，機組無論在標準工況下、變工況、滿負荷、變負荷運行均維持較高的COP 值水平。電子膨脹閥—吸氣過熱度控制制冷系統(tǒng)原理圖如圖所示。</p><p>　　電子膨脹閥-液位控制</p><p>　　液位控制系統(tǒng)由電子膨脹閥、液位傳感器、液位控制器組成，如圖。當蒸發(fā)器內(nèi)的液面上下變化時, 蒸發(fā)器內(nèi)的液位傳感器將液

86、位變動的比例關系用4～20mA信號傳給液位控制器, 液位控制器將信號處理后, 隨后輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進電機, 使其開度增大、減小, 以保持制冷劑液位在限定的范圍內(nèi)。電子膨脹閥的步進電機是根據(jù)制冷劑液位變化實時輸出變化的動力, 這個實時輸出變化的動力能及時克服各種工況和各種負荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力, 使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求, 進而蒸發(fā)器的供液量能實時與蒸發(fā)負荷相匹配, 即電子膨脹閥可通過控制器人為設定, 有效地

87、控制蒸發(fā)液位。選用電子膨脹閥—液位控制,機組無論在標準工況下、變工況、滿負荷、變負荷運行均維持較高的COP值水平。電子膨脹閥—液位控制一般應用在吸氣過熱度低于2 ℃冷裝置, 而電子膨脹閥—吸氣過熱度控制一般應用在吸氣過熱度5 ℃左右的制冷裝置, 因此前者比后者更能有效地利用蒸發(fā)面積, 提高蒸發(fā)負荷, 獲取更高的COP值。</p><p><b>　　1.4 經(jīng)濟性分析</b></p&g

88、t;<p>　　為了分析的二氧化碳經(jīng)濟的熱泵熱水器，熱水到200L 作為一個例子，比較經(jīng)濟的燃油，燃氣，電加熱，二氧化碳熱泵熱水器和其他類型的熱水器。的二氧化碳熱泵熱水器沒有批量供應市場，所以一個參考其他熱泵熱水器的市場價格，考慮到二氧化碳熱泵熱水器結構緊湊，中等價格低，所以在市場價格的熱泵熱水器用10％來計算。</p><p>　　計算條件：以某賓館為例，該賓館共有108個客房，總共216個床位，

89、24小時不間斷供應熱水，每天大約消耗25.92噸熱水，每床每日供應120L熱水。冷水溫度設定為15℃，熱水溫度設定大約為65℃運行費用如表 1-2 中數(shù)據(jù)。</p><p>　　表 1-2 單位能源價格</p><p>　　從表1-3中可以看出，二氧化碳熱泵熱水器的使用投入遠低于電熱水器、燃油和燃氣熱水器，但設備的第一次建設投資要高于其他的三種方式。雖然二氧化碳熱泵熱水器的第一次建設投資比

90、較高，但其正常的運行投入?yún)s大大降低，約是燃氣的39.5%，燃油的 50.4%,電加熱器的 55.7%。若使用10年，將比燃氣加熱節(jié)約1488.6萬元，比燃油節(jié)約949.6萬元，比電加熱節(jié)約765.6萬元，經(jīng)濟性非?？捎^。而且，如果二氧化碳熱泵熱水器產(chǎn)品可以達到批量生產(chǎn)水平，有較大的市場后，成本有望降低。</p><p>　　表 1-3 幾種不同類型加熱方式經(jīng)濟性比較</p><p>　　總

91、之，二氧化碳熱泵熱水器不僅具有環(huán)保的優(yōu)勢，良好的節(jié)能效果，經(jīng)濟和具有優(yōu)異，贏得了一個人的空間可能會使其在國內(nèi)熱水器市場競爭激烈，被稱為另一選擇消費者，有效地改變國內(nèi)熱水器市場，隨著改善環(huán)保要求，將被廣泛應用于給水工程，導致更換鍋爐已逐漸成為一個熱水。</p><p>　　1.4.1 直熱式熱泵熱水器與循環(huán)式熱泵熱水器對比分析</p><p>　　二氧化碳熱泵熱水器與直接加熱式和循環(huán)式兩種，

92、直熱式熱泵熱水器系統(tǒng)框圖，如圖1-4所示，循環(huán)式熱泵熱水器系統(tǒng)循環(huán)示意圖如圖1-5 。熱泵熱水器有許多優(yōu)點，如主機狀態(tài)穩(wěn)定，高效率，高利用率的速度水箱，及時補水能力不錯，而且霜不會造成水溫的變化。的循環(huán)式熱泵熱水加熱水流速，水溫差，水在熱泵系統(tǒng)中循環(huán)加熱，所以這樣的主機不穩(wěn)定的條件下，溫度的變化滋補水和很大的變化，雖然溫度低的條件下與輔助電加熱除霜是方便，但會導致溫度下降，而循環(huán)式熱泵熱水器40％的運行時間在高溫水中，使系統(tǒng)在高冷凝溫度

93、，壓縮機的功率消耗，機組效率顯著下降，以及操作條件高壓系統(tǒng)很不錯，減少了安全和服務的單位生活。</p><p>　　圖 1-5 直熱式熱水器示意圖 圖 1-6 循環(huán)式熱水器示意圖</p><p>　　圖 1-7 直熱式、循環(huán)式換熱器溫度分布</p><p>　　圖1-7的直接加熱型，循環(huán)式熱交換器的溫度分布圖，如從圖中可以看出，熱泵熱水器的水的溫度低時，水的溫度

94、恒定和操作穩(wěn)定，高效的，并且周期將導致上升的高單位壓力高，在大功耗，效率降低溫度的水熱泵熱水器的。選擇直熱式熱水器的設計，可行性和市場競爭力的產(chǎn)品設計具有較高的。熱泵熱水器系統(tǒng)流程圖如圖1-8所示。</p><p>　　1.4.2 二氧化碳跨臨界循環(huán)分析</p><p>　　二氧化碳跨臨界基本循環(huán)系統(tǒng)主要由壓縮機、節(jié)流閥、蒸發(fā)器和氣體冷卻器等組成，圖1-9是循環(huán)的p－h(huán)圖及T－s示意圖。&

95、lt;/p><p>　　在制冷和空氣條件下，模擬7 點期模型對二氧化碳跨臨界循環(huán)。模擬使用ARI520 - 90 ，蒸發(fā)溫度TE = 7.2℃ ，冷卻器出口溫度T4 = 54.4℃ ，Tsup = 11.1 ℃ 過熱，壓縮機等熵NS效率0.75 。為了滿足環(huán)保要求的挑戰(zhàn)，在尋找，替代發(fā)展的制冷劑，逐漸形成了兩種可供選擇的途徑：基于美國，日本為首的國家仍然主張使用氫氟碳化合物，包括發(fā)展純組分的新一代的制冷劑或2元，3元

96、和非共沸共沸混合物，德國，瑞士等歐洲國家倡導使用天然制冷劑，包括碳氫化合物，二氧化碳，氨氣等。雖然兩個替代路線各有優(yōu)點和缺點，但是從長遠來看，所有化合物的合成有副作用對自然環(huán)境，與自然制冷劑的氟氯化碳和氟氯烴是唯一正確的解決環(huán)境方式問題。應用使用二氧化碳作為制冷劑的二氧化碳跨臨界循環(huán)在汽車空調(diào)，熱泵領域引起了廣泛的關注。理論上，摩爾質(zhì)量的制冷劑蒸氣是小，比熱較大和較小的壓縮比，以高壓壓縮機效率更有利。的分子量二氧化碳是多小比傳統(tǒng)的制冷劑

97、，飽 ??和蒸汽的熱容量是大的，并且在壓縮比為小。此外，因為絕熱索引K 二氧化碳的高值，小的壓力比，可以減小壓縮機余隙容積的再膨脹損失，較高的壓縮機的容積效率，因此</p><p>　　從圖1-10，當在臨界溫度冷卻器出口溫度小于下的二氧化碳（31.1℃ ），與COP的出口氣體冷卻器溫度的變化呈線性，無拐點。而當它是比臨界溫度高，則出現(xiàn)的拐點，這表明COP具有在最大值在一定的壓力，當氣體冷卻器出口溫度是恒定的，存

98、在一個最佳的壓力，在循環(huán)的系統(tǒng)的性能達到最佳，所述的用于壓力最優(yōu)高壓側壓力POPT 。</p><p>　　從圖中（1-9B ）可以看出，隨著壓力，等溫線變得陡峭，這表明制冷容量和增加振幅減小隨著壓力的增加。與此同時，由于壓縮等熵線幾乎是一條直線，增加這樣的壓縮功與高壓上幾乎直線上升。因此，當蒸發(fā)溫度Te和氣體冷卻器的出口溫度T4維持不變，與變化的壓力，COP 顯然具有最大的值。</p><p

99、>　　圖1-11示出了不同的蒸發(fā)溫度，改變P最佳與冷卻器出口的溫度T4 。圖1-3可以看到，當冷卻器出口溫度升高，P最佳也趨于增加。當蒸發(fā)溫度升高時，該P最佳減小，P最佳變化與蒸發(fā)溫度是不顯著，但與變化冷卻器出口溫度是非常顯著的線性關系。</p><p><b>　　1.5 小結</b></p><p>　　從節(jié)約能源和保護環(huán)境兩個角度考慮，二氧化碳熱泵熱水器有

100、著十分重要的作用。但與此同時，它也有著不少的缺陷。其主要缺點在于跨臨界循環(huán)會使得管道壓力較高，對管道的耐壓有較高要求。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)的設計計算</b></p><p>　　2.1 制熱量及功率的計算</p><p>　　2.1.1 制熱參數(shù)的計算</p><p>　?。?）課題要求1小時內(nèi)可以制熱

101、150L的熱水</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　?。?）水的比熱容為c=4.2×103J/kg·℃</p><p>　　（3）把所有的水從15℃加熱到65攝氏度所需熱量為</p><p><b>　　(2-2)</b></p>&l

102、t;p><b>　?。?）水的產(chǎn)量為</b></p><p>　　m ??150kg/1 h ??0.042kg/s</p><p>　　2.2 壓縮機的選擇及熱力計算</p><p>　　2.2.1 壓縮機熱功率計算</p><p>　?。?）計算水的冷負荷：加熱水需要的熱負荷：</p><p

103、><b>　　(2-3)</b></p><p>　　（2）整個系統(tǒng)的熱負荷：</p><p>　　Q ??Q1 ?1.1 ??9.625kW</p><p>　　注：1.1為系統(tǒng)的安全系數(shù)</p><p>　　（3）因此可選用制熱功率大于9.625kw的壓縮機。</p><p>　　2.2

104、.2 取最優(yōu)高壓值</p><p>　　因為最優(yōu)高壓與冷凝器的出口溫度有關：</p><p>　?。?）取進水溫度比冷凝器出口溫度低20度，即T3=15+20=35℃ ；</p><p>　?。?）取低溫冷源比蒸發(fā)溫度高12℃，則T4=T5-12=7-12=-5℃；</p><p>　　（3）取吸氣過熱度為5℃，即T1＝ T4＋5＝ 5℃