毕业设计（论文）30kw空气源热泵热水器设计.doc

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1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 30kw空气源热泵热水器设计 学生姓名 专业班级 热能与动力工程10-2班 学 号 院（系） 机电工程学院 指导教师（职称）完成时间 2014年5月25日 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 空气源热泵热水器的概况11.1.1 空气源热泵热水器的研究背景及意义11.1.2 空气源热泵热水器的国内外现状21.2 空气源热泵热水器的工作原理51.3 空气源热泵热水器的优缺点51.3.1 空气源热泵热水器的优点51.4 空气源热泵热水器的发展前景72 设计方案选择与论证82.1 制冷剂82.1.1 制冷剂的概述82.1.2 制冷剂的分类82.

2、1.3 制冷剂的选用原则92.1.4 制冷剂介绍与选择102.2 压缩机122.2.1 压缩机概述122.2.2 压缩机的比较132.2.3 针对30kw空气源热泵压缩机的选型152.3 冷凝器162.3.1 冷凝器概述162.3.2 冷凝器的比较162.4 蒸发器192.4.1 蒸发器概述192.4.2 蒸发器的比较193 设计计算213.1 系统的热力计算213.1.1 热泵系统的热力计算214 冷凝器的设计计算244.1 氟利昂套管式冷凝器的结构244.2 氟利昂套管式冷凝器的传热计算254.3 氟利昂套管式冷凝器的设计计算254.3.1 有关参数的选择及计算254.3.2 确定内管根数

3、264.3.3 传热计算264.3.4 冷凝器整体结构285 热泵蒸发器设计计算285.1 强制通风空气冷却式蒸发器的结构设计及计算285.2 蒸发器的设计计算315.2.1 初步的结构规划315.2.2 计算几何参数315.2.3 计算空气侧干表面传热系数325.2.4 确定空气在蒸发器内的状态变化过程345.2.5 循环空气量的计算355.2.6 空气侧当量表面传热系数的计算355.2.7 管内R134a蒸发时表面传热系数的计算365.2.8 传热温差的初步计算395.2.9 传热系数的计算405.2.10 核算假设的qi值405.2.11 蒸发器结构尺寸的确定405.2.12 R134a

4、的流动阻力及其对传热温差的影响425.2.13 空气侧的阻力计算425.2.14 蒸发器风机的选型436 压缩机的选型计算456.1 理论排气量的计算456.2 轴功率的计算456.3 压缩机选型466.4 压缩机的校核466.4.1 压缩机名义工况下的热力计算466.4.2 压缩机的选型及校核计算477 节流装置介绍与类型选择497.1 热力膨胀阀的选型527.1.1 热力膨胀阀名义工况下的热力学计算527.1.2 选定热力膨胀阀538 其他辅助设备的计算与选型558.1 干燥过滤器计算与选型558.2 气液分离器的计算与选型568.3 油分离器588.4 视液镜598.5 截止阀的选取60

5、8.6 电磁阀的选取608.7 分流头的选择628.8 压力控制器的选择638.9 高压储液器639 储水箱659.1 热水箱的组成669.1.1 外壳669.1.2 内胆669.1.3 保温层669.2 热水箱的设计67结束语69致 谢70参考文献7130KW空气源热泵热水器设计摘 要本文主要介绍了对30KW空气源热泵热水器的设计。该设计首先阐述了热泵热水器的工作原理及其优缺点，如高效节能，环境效益显著等等。其次说明了有关空气源热泵热水器的方案选择和论证，并根据给定的工况对空气源热泵进行设计计算。最后，通过制冷剂制冷循环的热力计算、冷凝器的设计计算、蒸发器的设计计算、热力膨胀阀的设计计算，选

6、择压缩机、风机，并进行校核，在此设计的基础上选出其他的辅助设备，包括设备中其他附件的选择标准及要求、管路的连接与布置、制冷工况的选择、制冷剂的选择等。关键词 热泵/空气源/热水器/设计 THE DESIGN OF 30KW AIR SOURCE HEAT PUMP WATER HEATERABSTRACTThis paper mainly introduces the design of 30KW air source heat pump water heater. The air source heat pump water heater design first described the

7、 working principle and its advantages and disadvantages, such as energy efficient, environmental benefits are remarkable and so on. Secondly, the air source heat pump water heater shows the program selection and verification, According to the given conditions on the design and calculation of air - s

8、ource heat pump. Lastly, the compressor and fan were selected according to the thermodynamic calculation of the refrigerant refrigeration cycle, design and calculation of the condenser and the evaporator design calculations. In addition other auxiliary equipments were selected based on the design, i

9、ncluding selection criteria and requirements, piping connection and arrangement, cooling conditions the choice of refrigerant selection.KEY WORDS heat pump, air source, water heater, design1 绪论2006年2月16 日，旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的京都议定书生效， 大力鼓励、推广绿色环保的新能源及其应用产品成为必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、 燃气涨价等问题的凸显唤起了人们对能源战略应用的重新思考

10、，同时,也将人们的目光引向了新型能源的开发与利用，这促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。随着生活水平的提高，人们对居住环境的要求逐步提高，与此同时对能源的需求也逐步增加，能源供需间的矛盾也日益突出。能源便成为当今各个国家可持续发展中的重要课题。我国经济已经经历了近 30 年的高速增长，而支持我国经济快速发展的基础之一是能源利用水平的迅速提高。但是随着经济规模的迅速扩大，能源资源缺乏、结构不够合理、环境污染严重等问题日益突出。党的十八大提出了到2020年国内生产总值要比2000年再翻两番的宏伟战略目标，这对能源安全等问题提出了更高的要求。在新的形势下，我国有必要大力发展可再生能源，。而热泵

11、产品是当今世界先进的节能产品之一，空气源热泵热水器就是在这种背景下被人们所重视及推崇起来的。1.1 空气源热泵热水器的概况1.1.1 空气源热泵热水器的研究背景及意义能源是人类社会求生存和发展的物质基础，中国作为一个能源消耗大国，人口众多，能源相对匮乏，自然资源总量排在世界第七位， 能源总量约4 万亿吨标准煤，居世界第三位，而人均能源占有量约为世界平均水平的40%。尽管我国人均用能不及世界平均人均能耗水平的一半，但能源消费总量已达世界第二。从能源消费结构来看，我国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭消费约占总能量的67%，这是导致环境严重污染、生态逐年恶化的根本原因之一。因此，大力开拓新能源与可再生

12、能源的实际应用成为我国解决能源紧张和保护生态环境的重要战略任务。空气源能是新能源与可再生能源的重要组成部分。空气源能量巨大，是取之不尽用之不竭的能源。空气源能的利用不像地球上所蕴藏的常规能源那样，可能会在几百年后就完全枯竭。空气源能分布广阔，获取方便，不需要开采和运输，使用安全卫生，对环境无污染，是当之无愧的清洁能源。空气源能的利用具有巨大的市场前景，不仅带来很好的社会效益、环境效益，而且还有明显的经济价值。近年来随着资源和环境的问题日益严重，在满足人们健康、舒适要求的前提下，合理利用自然资源，保护环境，减少常规能源消耗，已成为暖通空调行业需要面对的一个重要问题。为了使空调行业走可持续发展的道

13、路，有必要对其技术进行创新。空气源热泵供热空调系统是一种利用可再生能源的高效节能、无污染的既可供暖又可制冷的环保型的新型空调系统。作为一种有效的节能绿色产品，空气源热泵将在我国建筑空调系统中发挥越来越重要的作用。因此，空气源热泵技术在我国有着广阔的应用前景，它的应用将产生重大的经济效益和社会效益。1.1.2 空气源热泵热水器的国内外现状1.1.2.1 国外研究状况1824年，卡诺提出热-功转换概念，即“卡诺循环”，奠定了热泵的理论基础。1850 年，开尔文在此理论基础上，提出了“逆卡诺循环”的热泵概念。从此以后，世界各国开始对热泵技术进行研究，热泵产业得到了很大的发展1。 从我国看来，热泵热水

14、器或许还是一种新产品。但事实上，这种产品在海外已经发展多年。在20世纪60年代，世界能源危机爆发，热泵热水器受到充分的重视，欧美发达国家的政府和企业都投入了大量的资金用于开发热泵热水器产品，目前，热泵热水器在欧美发达国家已经比较成熟。据悉，在大多数欧美发达国家，热泵产品已经进入了大多数家庭。澳大利亚的Quantum公司，从上世纪70年代生产出家用空气源热泵产品至今，有的产品已正常运行了十几年，其性能得到了用户的肯定。现在，国外的空气能热泵热水器市场已经相当成熟，在一些发达国家使用的比例高达70%。而日本、新加坡、马来西亚等与中国毗邻的国家，热泵热水器使用也比较普遍。特别是日本，具备节能优势的热

15、泵热水器近年来使用量急速上升。据记者了解，热泵热水器从2001年开始进入日本家庭，日本资源能源厅对热泵蓄热空调系统给予设备投资补助，到2005年4月，日本已经有2.1万座楼房使用了热泵热水器。在日本，这种产品进一步普及的主要困难是价格太贵，每台热泵热水器售价60万日元(1美元约合110日元)，即使有政府补助，也比一般热水器贵15万日元。目前，各制造厂家正在想方设法降低制造成本，使热泵热水器的价格更能让人接受。同时，政府也正在增加补贴，促进热泵式热水器市场的发展。据日本制冷工业协会(JRA)有关人员介绍，2006年日本政府对热泵热水器的补贴预算高达125亿日元，比2004年增长了55亿日元。到2

16、010年，日本计划全国热泵热水器的使用量要达到520万台。此外，三洋、三菱等企业已经配套开发了一系列适合热泵热水器的压缩机及其配套技术。从目前的研究现状来说，在技术创新上，1998年Petter Neksa等提出了利用二氧化碳作为空气源热泵热水器工质来解决R22的温室效应问题，并且开发样机进行实验研究。该系统在0的气候环境下能够把水的温度从9升高到 60，并且COP值高达4.3。二氧化碳热泵系统不仅比电加热设备减少了75%的能耗，另外一个特点就是出水温度可以很容易达到 902。Masahiro Kobayashi对低温寒冷地区进行了CO2热泵热水器研究，为日本寒冷地区的CO2热泵热水器使用提供

17、依据。在系统结构方面，美国学者Stefans. Bertsch3等通过对带中间冷却器的双级压缩循环、带经济器的双级压缩循环、复叠式循环三种循环进行稳态模拟，认为在30环境温度下复叠式循环具有最好的运行特性。Satoru Okamoto研制的热泵系统利用海水作为低温热源，向房间进行供热。由于单热源热泵系统很多时候受到气候、地域的限制，因此近年来不少高校、研究所都在从事复合热源热泵系统的研究，例如晴天可以充分利用太阳能，阴雨天则可以采用空气源热泵辅助供热4。 在动态模拟上，G.L. Morrison5等提出了利用Trnsys仿真软件对热泵进行全年综合性的动态仿真，并且评定了各类热泵性能等级；Min

18、sung Kim6等对热泵热水器的不同型号的水箱进行动态模拟，认为水箱体积越小，瞬间性能退化越大；相反，水箱体积越大，热量损失越快。Christian J. L. Hermes 等利用热力学第一定律对家用冰箱的开启闭合建立了瞬间动态仿真，对比实验数据表明误差值在10%以内。 总之，目前国外针对普通的定频空气源热泵热水器进行了很多研究,并取得了一定的成果，例如，针对定频空气源热泵热水器目前存在的问题,提出了一种直流变频空气源热水器7。面对国际上正在限用的HCFC类制冷剂,国外HCFC-22的主要替代物为R407C、 R410A和HFC -134a等。有关HCFC-2的替代物,从环保性能、使用性能

19、和经济成本等方面来讲，都不是太理想，国外正在做进一步的探索和研究。1.1.2.2 国内研究状况我国的热泵研究相对其他发达国家的热泵发展来说，有一段明显的滞后期。目前，空气源热泵热水器的理论基础渐趋成熟，并且在工程应用上越来越普遍。然而空气源热泵热水器对环境气候依赖性大，因此国内不少研发人员不断提出系统结构改良、系统优化、技术创新方案。具体如下： 在技术改良方面，以西安交通大学、哈尔滨工业大学为代表，探讨降低蒸发器空气侧的结霜，减少传热热阻，强化蒸发器对流换热。 在结构创新方面，陈光明8等提出了一种用于低温环境下新型空气源热泵装置，它既可以采用传统单级空气源热泵方式运行，又可按复叠循环方式运行，

20、这样热泵制热应在最佳节能控制条件下运行以实现最大限度节能。但是这样的系统相对复杂，投资成本高。 在系统优化方面，上海交通大学的张洁9等在空气源热泵热水器产品的基础上，对系统的充注量、冷凝盘管长度以及系统匹配问题加以讨论，提出优化并进行相应计算和试验验证；同济大学苏生、陈汝东教授10 从经济学的角度出发，把握热泵供热量、功率消耗、环境因素以及价格问题，认为热泵热水器具有一个最佳热容量的选取问题。 在系统稳态模拟上，国内已经有很多相关的研究，这里不一一细述。在动态模拟方面，华南理工大学刘金平教授11在已有的热泵热水器动态试验数据基础上拟合试验结果，建立模型，研究储热水箱水温变化和外界环境的温湿度变

21、化对运行性能影响，并计算分析我国南方地区热泵年供热性能系数。 总的来说，国内热泵技术研究开发工作的起点和发展历史与国外相比有较大差距。我国的热泵事业刚开始起步,而且发展势头看好。目前,利用较多的是水源热泵,而用空气源热泵制取生活用热水在国内近几年刚刚起步。空气源热泵热水器由于安全、节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点,以及可以有效解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面比较棘手的问题,而受到社会各方面的广泛关注。1.2 空气源热泵热水器的工作原理空气源热泵热水器一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、过滤器、储液罐、储水箱及辅助热源等部分组成，如图1。运用逆卡诺循环原理，以空气作为低温

22、热源获取热量，经过压缩机的压缩变为高温热能，并传递到水箱中把冷水加热。其工作流程如下: 首先，传热工质( 过热液体媒体) 在蒸发器内吸收低温热源的热量，蒸发成气体媒体，经过压缩器的压缩，变为高温高压的气体媒体;高温高压的气体媒体流经冷凝器将热能传递给冷水，同时自身变为高压液体媒体; 高压液体媒体在膨胀阀中减压，再变成过热液体媒体，进入蒸发器，完成一个循环; 通过冷凝器向冷水中不断放热，使水逐渐升温，达到制热水的目的。 图1-1空气源热泵热水器工作流程1.3 空气源热泵热水器的优缺点1.3.1 空气源热泵热水器的优点与常规太阳能相比，空气源热泵热水器具有以下四个方面的优势：（1）投资方面：如达到

23、相同供水效果，资金投入空气源热泵热水器比常规太阳能产品少，并且可以使用经济电能，在用电低谷时制热水储备。（2）使用方面：常规太阳能产品受天气影响明显，阴雨天、下雪天、夜晚就不能工作，而空气源热泵热水器不管阴天、雨天、下雪天、夜晚或阳光明媚都能照常工作，全天候提供热水。（3）运行成本方面：常规太阳能在太阳直射下，几乎零成本运行，可惜在阴雨雪天或夜晚只能依靠辅助系统工作，统计数据显示，正常使用时，常规太阳能辅助系统全年耗电能比空气源热泵热水器全年总耗电能要高1.5倍。（4）其它功能方面：空气源热泵热水器使用不受地点限制，可以摆放在任何地方，而且占地空间很小，而常规太阳能要达到同等供热效果则需占用很

24、大空间，还必须露天摆放。同时使用寿命可达15年以上，维护费用低，设备性能稳定。与锅炉相比，空气源热泵热水器具有以下四个方面的优势：（1）热效率高：产品热效率全年平均在300%以上，而锅炉的热效率不会超过100%。（2）运行费用低：与燃油，燃气锅炉比，全年平均可节70%的能源，加上电价的走低和燃料价格的上涨，运行费用低的优点日益突出。（3）环保：空气源热泵热水器无任何燃烧排放物，制冷剂选用了环保制冷剂，对臭氧层零污染，是较好的环保型产品。（4）运行安全，无需值守：与燃料锅炉相比，运行绝对安全，而且全自动控制，无需人员值守，可节省人员成本。1.3.2 空气源热泵热水器的缺点目前国内外对商用热泵热水

25、器已进行了大量深入的研究，并取得了一定的成果及较广泛的应用。但是，目前家用热泵热水器尚存在许多问题亟待解决。 总的来说，当前应用的家用热泵热水器亟待解决的问题有以下几点： 第一，COP 水平,涉及热泵循环的选择；压缩机的性能、寿命、成本设计；热交换器换热能力与阻力的匹配，热媒的选择等问题。第二，结霜问题。区域性特征明显，因其对外界环境温度依赖过大，其正常工作环境温度在-5度-40度之间，故基本适用于华东、华南等长江以南地区，广东、福建、浙江、湖南、江西、云南等省份空气能热泵热水器发展比较良好。而在还没有真正的技术解决结霜等造成产品运行困难的问题之前，广大的北方则基本无人敢企及。第三，经济性。衡

26、量热泵热水器的经济性一方面要考虑运行费另一方面要考虑初投资及随后的维修费等其余费用。运行费用除了能源价格外还必须考虑一次能使用的经性。第四，换热器和套管换热器易结垢断裂。热泵热水器的出水温度通常可达到50至60摄氏度，在这个温度范围内水是最易结垢的，如果不能定期清洗换热器，对于板式换热器而言，就会胀破，对于套管式换热器而言，其内管会破裂，从而导致整个热泵热水机组失去功能。1.4 空气源热泵热水器的发展前景随着能源紧缺的进一步扩大，全民的节能意识也得到了很大的提高。节能不再只是作为一种宣传口号被传播，而是切实地被各地的政府等相关职能部门提上了日程。从长江三角洲的“电荒”到涉及东北、华东、华南、西

27、南等地区的“煤荒”与“缺油”，传统能源紧缺的“红灯笼”挂遍中国大地。能源危机的警钟唤起了人们对能源战略应用的重新思考，同时也将人们的目光引向了新型能源的开发及利用。 伴随着能源紧缺的影响，一些标榜节能、环保的产品应运而生，特别是夏季来临时各个行业对电能的严重依赖，“电荒”的影响对一些耗电大的产品的节能性提出了更高的要求，诸如空调、电热水器等产品。近两年来，一种更新型的节能热水器产品空气源热泵热水器，在全国市场都吹响了号角。空气源热泵与目前常用的电热水器不同，它不是用电热管在水中直接加热，而是通过热泵集热器从自然空气中收集热源，传热工质吸热自然汽化，经压缩后形成高温高压气体，再通过冷凝盘管“搬运

28、”到水中释放热量。冷凝后工质变成液体经膨胀阀回到终端，周而复始，闭合循环，从而达到加热冷水制取生活热水的目的。空气源热泵热水器具有太阳能热水器节能、环保、安全的优点，又解决了太阳能热水器依靠阳光采热和安装不便的缺点。由于高安全、高节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点，以及可以有效的解决目前国内有关部门对节约能源、环保、安全等各方面较棘手问题，而日益受到社会各方面的广泛关注。事实上，目前国内的热水器市场仍以燃电当家。而太阳能热水器品牌众多但由于自身的缺点目前还不能与燃电并驾齐驱。热泵热水器被称为第四类热水器产品，其所具有的优点决定了它必将成为一种极具发展前途的热水器，同时热泵热水器产品更加符合国家

29、的能源政策，特别是近年来由于能源问题而促使世界各国正大力倡导及支持节能产品的开发和推广。相信随着技术的进一步发展、制造成本的进一步降低，热泵热水器是最有理由成为取代太阳能热水器及高端大容量电热水器以及容积式燃气热水器的理想产品，并最终将在庞大的热水器市场中占有重要的一席之位。.2 设计方案选择与论证2.1 制冷剂2.1.1 制冷剂的概述制冷剂是制冷机中的工作介质，它在制冷机工作系统中循环流动，通过自身热力状态的变化与外界发生能量交换，从而达到制冷的目的。蒸汽压缩式制冷机中的制冷剂从低温热源中吸取热量，在低温下汽化，再在高温下凝结，想高温热源排放热量。所以，只有在工作温度范围内能够气化和凝结的物

30、质才有可能作为制冷剂使用。多数致冷剂在大气压力和环境温度下呈气态。2.1.2 制冷剂的分类制冷剂的种类很多。现在可用作制冷剂的物质有几十种，但常用的不过十几种。它的分类方法通常有两种，一种是根据制冷剂化学成分及组成；另一种是根据制冷的要求，制冷剂常温下在冷凝器中冷凝时的饱和压力和标准大气压下的蒸发温度的高低。制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，既制冷剂在蒸发器中汽化时吸热，在冷凝器中凝结时放热。当前能用作制冷剂的物质有80多种，最常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。制冷剂主要有以下分类：（1）在压缩式制冷剂中广泛使用的制冷剂是氨、氟里昂和烃类。按照化学

31、成分，制冷剂可分为五类：无机化合物制冷剂、氟里昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂。根据冷凝压力，制冷剂可分为三类：高温(低压)制冷剂、中温(中压)制冷剂和低温(高压)制冷剂。 （2）无机化合物制冷剂：这类制冷剂使用得比较早，如氨(NH3)、水(H2O)、空气、二氧化碳(CO2)和二氧化硫(SO2)等。对于无机化合物制冷剂，国际上规定的代号为R及后面的三位数字，其中第一位为“ 7 ”后两位数字为分子量，如水R718等。 （3）氟里昂(卤碳化合物制冷剂)：氟里昂是饱和碳氢化合物中全部或部分氯元素（Cl）、氟（F）和溴（Br）代替后衍生物的总称。国际规定用“R”作为这

32、类制冷剂的代号，如R22.等。 （4）饱和碳氢化合物：这类制冷剂中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和环状有机化合物等。代号与氟里昂一样采用“R”，这类制冷剂易燃易爆，安全性很差，如 R50、R170、R290.等。 （5）不饱和碳氢化合物制冷剂：这类制冷剂中主要是乙烯(C2H4)、丙烯(C3H6)和它们的卤族元素衍生物，它们的R后的数字多为“1”，如 R113、R1150.等。 （6）共沸混合物制冷剂：这类制冷剂是由两种以上不同制冷剂以一定比例混合而成的共沸混合物，这类制冷剂在一定压力下能保持一定的蒸发温度，其气相或液相始终保持组成比例不变，但它们的热力性质却不同于混合前的物质，利用共沸混合物可以

33、改善制冷剂的特性，如R500、R502等。2.1.3 制冷剂的选用原则根据不同的制冷要求应选择不同的制冷剂，为此对有关制冷剂的性能必须有所了解。对理想制冷剂的要求：(1)安全性：应具备无毒、无味、不燃烧、不爆炸，对人体无害，并对人体器官没有刺激性。(2)热力学特性蒸发潜热要大。这样可以提高制冷效率，即用少量的制冷剂便可吸收大量的热量。在制冷量一定时，可减少制冷剂的循环量，缩小制冷设备的几何尺寸。临界温度要高于环境温度。使制冷剂气体被压缩后能在常温下冷凝液化。凝固点要低。应低于系统内制冷剂任何状态之温度，以扩大制冷剂的使用温度范围。在足够的低温下，制冷剂的蒸发压力最好接近或稍高于大气压力，以减少

34、或避免空气和湿气渗入系统内。在常温下冷凝压力不要过高，最好不大于126-15MPa，这样可降低对系统密封性的要求，减轻结构重量。冷凝温度不宜过低，常温空气或水就能使其液化。比容越小越好。这样可减少系统管路直径的尺寸，节约材料，同时也易于液化。制冷剂的导热系数和放热系数要高。这可提高热交换器的效率，减小热交换器的尺寸。(3)其它要求；制冷剂的粘度和密度耍尽量小。这可减少制冷剂循环流动阻力，降低循环耗功量，提高制冷压缩机的使用寿命。在高温下不会分解，化学结构稳定。对金屑和其它工程材料没有腐蚀性，即使与水或油混合后，也没有明显的浸蚀作用。易于与润滑油混合，而不损害其制冷效果，并有助于制冷压缩机机件的

35、润滑。有一定的吸水能力。当制冷系统内有少量水分时，不会在低温下析出而形成“冰堵”。价格便宜，易于购买。目前所采用的制冷剂或多或少都存在一定的缺点。在使用中，可根据不同的用途和工作条件来选择比较理想的制冷剂。2.1.4 制冷剂介绍与选择目前使用的制冷剂已多达近百种，并正在不断发展增多。但用于食品工业和空调制冷的仅十多种。其中被广泛采用的只有以下几种：R717（氨，NH3）氨是目前使用最为广泛的一种中压中温制冷剂。氨的凝固温度为-77.7，标准蒸发温度为33.3，在常温下冷凝压力一般为1.11.3MPa，即使当夏季冷却水温高达30时也不超过1.5MPa。氨的单位标准容积制冷量大约为。氨有很好的吸水

36、性，即使在低温下水也不会从氨液中析出而冻结，故系统内不会发生“冰塞”现象。氨对钢铁不起腐蚀作用，但氨液中含有水分后，对铜及铜合金有腐蚀作用。氨作为制冷剂的优点是：易于获得、价格低廉、压力适中、单位制冷量大、放热系数高、几乎不溶解于油、流动阻力小，泄漏时易发现。其缺点是：有刺激性臭味、有毒、可以燃烧和爆炸，对铜及铜合金有腐蚀作用。R134a（四氟乙烷，）是目前广泛使用的R12的替代制冷剂。它的许多特性与R12很接近。其臭氧破坏指数（ODP）值为0，温室效应指数（GWP）值为0.240.29。标准蒸发温度为-26.2，凝固点为-101.0。其制冷循环特性与R12接近，但不如R12。R134a相对分

37、子量大，流动阻力损失比R12d大，传热性比R12好。R134a与R12在溶油种类和溶油行为上有很大差异。R134a的分子极性大，在非极性油中的溶解度极小，在为R134a专门开发的诸多合成油中，主要是聚烯醇类油PAGs、酯基油和氨基油。PAGs作用R134a系统润滑油对金属有轻微腐蚀作用。PAGs的吸湿性强，吸湿后会加速金属腐蚀。R134a分子不含Cl，自身不具备润滑性。机器中的运动件供油不足时，会加速磨损，为此，在合成油中需要添加添加剂以提高润滑性。R134a对钢铁铜铝等金属均未发现有相互反应现象，仅对锌有轻微作用。和塑料相比，合成橡胶受R134a的影响略大，特别是氟橡胶。因为R134a分子中

38、不含Cl，不能用传统电子捡漏仪器捡漏，应用专门的捡漏仪器捡漏。R12（二氟二氯甲烷，CF2Cl2）为烷烃的卤代物，学名二氟二氯甲烷。它是我国中小型制冷装置中使用较为广泛的中压中温制冷剂。R12的标准蒸发温度为29.8，冷凝压力一般为0.780.98MPa，凝固温度为-155，单位容积标准制冷量约为288kcal/m3。R12是一种无色、透明、没有气味，几乎无毒性、不燃烧、不爆炸，很安全的制冷剂。只有在空气中容积浓度超过80时才会使人窒息。但与明火接触或温度达400以上时，则分解出对人体有害的气体。R22（二氟一氯甲烷，CHClF2）也是烷烃的卤代物，学名二氟一氯甲烷，标准蒸发温度约为41，凝固

39、温度约为160，冷凝压力同氨相似，单位容积标准制冷量约为454kcal/m3。R22的许多性质与R12相似，但化学稳定性不如R12，毒性也比R12稍强。但是，R22的单位容积制冷量却比R12大的多，接近于氨。当要求4070的低温时，利用R22比R12适宜，故目前R22被广泛应用于4060的双级压缩或空调制冷系统中。R410A在常温常压下是一种不含氯的氟代烷非共沸混合制冷剂，贮存在钢瓶内是被压缩的液化气体。其ODP为0，因此R410A是不破坏大气臭氧层的环保制冷剂。主要用途：R410A主要用于替代R22和R502，具有清洁、低毒、不燃、制冷效果好等特点，大量用于家用空调、小型商用空调、户式中央空

40、调等。现在普遍使用的制冷剂也就R22、R717和R134a等几种。最早较全面地进行CFCs替代物研究的是美国国家标准与技术研究院的麦克林顿等人。他们从制冷剂的基本要求出发，对860中纯物质用计算机进行全面筛选，结果发现较有前途的替代物仍然是氟利昂家族中的HFCs，从而提出用HFC134a（R134a）替代R22，用HCFC123替代R11。用来替代R22的主要物质有R134a、R407c及R410a，R134a在常压下的蒸发温度为-26.2，无毒，不燃烧不爆炸。其ODP值为0，GWP值为0.240.29，对臭氧层无破坏作用，温室效应也较小。R134a与R12相比，在相同的蒸发温度下，其蒸发压力

41、略低，在相同的冷凝温度下，其冷凝压力略高。R134a的单位体积制冷量略低于R12，其理论循环效率也比R12略有下降，一般来讲采用R134a的压缩机其制冷量和单位功耗都将下降2%5%，采用过冷和回热循环后，可缩小这种差距。R134a的等熵指数较R12小，所以在同样的蒸发温度和冷凝温度下，其排气温度较低。水在R134a中的溶解度更小，因此在使用R134a的制冷系统中，尤其是低温系统，需要采用吸水性更好的干燥过滤器。R134a的换热性能比R12有较大提高，其冷凝和蒸发过程的表面传热系数一般与R12相比要高出15%35%，这将提高R134a系统的效率和性能。R134a与传统的矿物油不相溶，因此必须采用

42、新的润滑油与之相适应。目前有聚二醇类和聚酯类两种。经上述比较R134a更适合本设计热泵热水器的使用。综合以上内容结合本次设计的实际情况，决定选择制冷剂R134a.2.2 压缩机2.2.1 压缩机概述压缩机按工作原理可分为容积型和速度型两类。容积型压缩机是通过改变工作容积来完成气体的压缩和输送过程的，它又可分为活塞式和回转式两种。活塞式（又称往复式）压缩机是活塞在气缸内作往复运动，故称为往复活塞式；回转式压缩机是转子在气缸内作旋转运动，主要有螺杆式压缩机、涡旋式压缩机和滚动转子式压缩机。速度型压缩机是气体在高速转动的叶轮中提高速度，而后通过导向器使气体的动能转化为压力能，从而完成气体的压缩和输送

43、过程。目前速度型压缩机最常用的是离心式压缩机。制冷压缩机按密封结构形式可分为开启式压缩机、半封闭式压缩机和全封闭式压缩机。小容量制冷压缩机大多采用全封闭式压缩机。全封闭式压缩机中电动机和压缩机连成一个整体，装在一个不能拆开的密封机壳中，使用可靠性高，寿命长，运转平稳，噪音低，体积小，使用于小制冷量系统中。由于此次设计的热泵系统的制热量30kw，因此本设计选用全封闭式压缩机12。2.2.2 压缩机的比较压缩机从往复式压缩机开始，发展不过100多年，目前用于小型制冷系统上的涡旋压缩机商品化应用，也只有30多年的时间，但新型的压缩机也在不断的出现。现将几种压缩机的特点列举如下：2.2.2.1 容积型

44、制冷压缩机 （1）往复式压缩机 往复式压缩机适应范围和制冷量范围广，压力稳定；热效率高，在变工况运行时尤为突出；对材料要求低，加工容易，造价低；设计与制造技术成熟；但往复式压缩机也有其局限性，其结构复杂，零部件太多；转速不能太高，变频特性不如回转式压缩机；不能连续输气，工作时产生振动大。 （2）滚动转子压缩机 滚动转子压缩机运转平稳，震动小，摩擦损失小，制冷工质流动阻力小；吸气过热小，输气系数高；结构简单，零部件少重量轻，形状规则，适宜大批量生产。但是滚动转子压缩机还具有其自身的缺点，制造精度高要求高，装配精度要求高，否则会引起压缩机效率和可靠性降低；在热泵的工况下运行时，由于压比大，造成内部

45、泄漏量大，影响其制热能力；对单缸机器，转矩峰值达，滑片仍是易损部件。（3）涡旋式压缩机涡旋式压缩机力矩变化小，振动小，噪声低，气体压差小，泄露量也小，容积效率可达9098；结构简单，零部件少，采用柔性结构，抗杂质和液压能力强，可靠性高；可高速运转，变速性能好，可连续吸气气流脉动小。但是涡旋式压缩机还具有其自身的缺点，其运动机件表面多是呈曲面形状，这些曲面的加工及其检验均较复杂，制造需高精度的加工设备及精确的调心装配技术，因此制造成本较高；其运动机件之间或运动机件与固定机件之间，常以保持一定的运动间隙来达到密封，气体通过间隙势必引起泄漏，这就限制了回转式压缩机难以达到较大的压缩比。图2-1 涡旋

46、式压缩机外形 （4）螺杆式压缩机螺杆式压缩机零部件少，易损件少，可靠性高，操作维护方便；没有不平衡惯性力.运转平稳安全，振动小，螺杆压缩机的转子齿面实际上是有间隙的，能耐液击；排气温度低，可在较高压比的工况下运行，可实现制冷情无级调节,具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响， 工况适应性强；容易实现自动化，可实现远程通信。但是螺杆式压缩机还具有其自身的缺点，制造价格昂贵，装配要求精度高；由于齿间容积周期性地与吸、排气口连通，故压缩机噪声高；由于受到转子刚度和轴承寿命等限制，压缩机内部只能依 靠间隙密封，所以螺杆压缩机只能适用于中、低压范围，不能用于高压场合，螺杆压缩机依靠间隙密封气休，在小容积范围内不具有优 越的性能；喷油量大，油处理系统复杂，故机组附属设备多。2.2.2.2 速度型制冷压缩机-离心式压缩机 离心式压缩机的气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小；运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少，因之备件需用量少，维护费用及人员少。工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。在化工流程中，离心式压缩机对化工介质可以做到绝对无油的压缩过程。离心式压缩机换具有自身的缺点，离心式压缩机目前还不适用于气量太小及压比过高的场合，并且由于适宜采用分子量比较大的制冷剂，故只适用于大制冷量，一般都在253