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本科畢業(yè)設計 論文 題 目 150L 即熱式熱泵熱水器 學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 系 指導教師 職稱 完成時間 I 150L 即熱式熱泵熱水器 摘 要 本文簡單介紹了空氣源熱泵熱水器的優(yōu)點 工作原理 分析了空氣源熱泵熱水器 的設計要點 空氣源熱泵熱水器具有節(jié)能 環(huán)保的特點 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)利用 空氣作為低溫熱源制取熱水 是可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)之一 空氣源是一種具有節(jié)能效益和地球環(huán)保效益的空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源 是可持續(xù)發(fā) 展的可行性技術(shù)之一 自 20 世紀 40 年代推出至今 已廣泛應用于辦公樓 賓館 娛樂業(yè) 廠房 住宅等暖通工程中 空氣源熱泵熱水器作為一種以空氣為低溫熱源 經(jīng)電能做功從低溫側(cè)吸收熱量來加熱生活用水 熱水通過循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶 以此 作為熱水供應或利用風機盤管來進行小面積采暖 本論文的主要內(nèi)容是空氣源熱泵熱水器的方案布置 參數(shù)的選擇以及制熱工 況下相關(guān)的理論計算 從而選擇出合適的壓縮機和節(jié)流機構(gòu) 并進行冷凝器和蒸 發(fā)器的設計 本論文選擇的是渦旋式壓縮機 套管式冷凝器和翅片式蒸發(fā)器 通 過本次對空氣源熱泵熱水器的設計計算 為我們以后進一步對其優(yōu)化與改善打下 了良好的基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 空氣源熱泵 熱水器 制熱循環(huán) II 150L HEAT PUMP WATER HEATER ABSTRACT This paper introduces the advantage and working principle of air water heat pump water heater Air source heat pump water heater is energy conservation and environmental protection Air sources heat pump water heater is one of sustainable technique which uses low temperature air as source to heat water Air source is a kind of energy efficiency and global environmental benefits of air conditioning systems and heat source the feasibility of sustainable development one of the technologies since the 20th century since its introduction 40 years has been widely used in office buildings hotels entertainment factories residential and other HVAC project air source heat pump water heater with air temperature a heat source power acting upon the side from the low temperature heat to heat water absorption hot water directly into the user through the circulatory system as water supply or use of fans coil for heating a small area The main contents of this paper is to air source heat pump water heater program layout the choice of parameters and heating condition related theoretical calculation and choose the appropriate compressor and throttle mechanisms and for the condenser and evaporator design The paper chose scroll compressor condenser and finned tube evaporator Through the air source heat pump water heater to the design and calculation for us to further optimize later and laid a good foundation Key words Air source heat pump water heater heating cycle 目 錄 摘 要 英文摘要 1 前言 1 1 1 選題背景 2 1 2 研究意義 3 1 3 熱泵熱水器運行原理及研究發(fā)展現(xiàn)狀 3 1 3 1 熱泵熱水器的分類 4 1 4 方案選擇與論證 9 2 設計計算 13 2 1 系統(tǒng)的熱力計算 13 2 2 壓縮機的選取 15 2 3 換熱器的設計計算 16 2 3 1 套管式冷凝器的設計計算 16 2 3 2 風冷式換熱器設計計算 19 3 節(jié)流機構(gòu)的選擇 27 3 1 節(jié)流機構(gòu)概述 27 3 2 節(jié)流機構(gòu)的分類 27 3 3 電子膨脹閥的選擇 33 4 其他輔助設備的計算與選型 35 4 1 氣液分離器的計算與選型 35 4 2 電磁閥的選取 36 結(jié)論 36 結(jié)束語 36 致 謝 38 參考文獻 39 150L 即熱式熱泵熱水器 1 前 言 1 1 選題背景 18 空氣源是一種具有節(jié)能效益和地球環(huán)保效益的空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源 是可持續(xù)發(fā) 展的可行性技術(shù)之一 自 20 世紀 40 年代推出至今 已廣泛應用于辦公樓 賓館 娛樂業(yè) 廠房 住宅等工程中 1 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展與人們生活水平的提高 生活熱水已成為人們生活的必需品 然而傳統(tǒng)的熱水 包括電熱水器 燃油熱水器 燃氣熱水器 具有能耗大 費用高 污染嚴重等缺點 太陽能熱水器雖說節(jié)能環(huán)保 但其運行又受到氣象條件的制約 與此 相比 空氣源熱泵熱水器作為一種以空氣為低溫熱源 經(jīng)電能做功從低溫側(cè)吸收熱量來 加熱生活用水 熱水通過循環(huán)系統(tǒng)直接送入用戶 以此作為熱水供應或利用風機盤管來 進行小面積采暖 2 1 2 研究意義 熱泵熱水器與傳統(tǒng)熱水器的耗能經(jīng)濟比特性顯著 與傳統(tǒng)太陽能相比 熱泵熱水 器不僅可吸收空氣中的熱量 還可吸收太陽能 熱泵熱水器通過制冷劑溫差吸熱和壓 縮機壓縮制熱后 與水換熱 大大提高熱效率 充分利用了新能源 是將電熱水器和太陽 能熱水器的各自優(yōu)點完美的結(jié)合于一體的新型熱水器 由于太陽能熱水器受天氣影 響顯著 因此分配電輔助加熱型與配熱水鍋爐型 其投資年費用與太陽能節(jié)能效果相近 3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在節(jié)能與環(huán)境保護方面的優(yōu)勢明顯 其效能的發(fā)揮受使用 條件限制 當室外氣溫 5 時 空氣源熱泵機組的 COP 值一般在 2 6 平均可以達 到 3 以上 其能源利用效率為電加熱器的 3 4 倍以上 比一般熱源節(jié)能 30 80 是效率最高 節(jié)能最多的供熱方式 4 1 3 熱泵熱水器運行原理及研究發(fā)展現(xiàn)狀 1 3 1 空氣源熱泵熱水機組運行原理和特點 空氣源熱泵熱水機組通常由壓縮機 冷凝器 蒸發(fā)器和膨脹閥 4 部分構(gòu)成 傳熱工質(zhì)在機組內(nèi)封閉運行 并通過冷凝器和蒸發(fā)器與外部發(fā)生熱交換 如圖 1 所示 150L 即熱式熱泵熱水器 2 傳熱工質(zhì)通過蒸發(fā)器從空氣中吸收熱量 由低壓汽 液混合態(tài)變成低壓汽態(tài) 進入壓縮機壓縮后變成高溫高壓氣體 再通過冷凝器向水中釋放熱量 冷凝后傳熱 工質(zhì)變成高壓液體 經(jīng)膨脹閥后變成低壓汽 液混合態(tài) 同時溫度降低 回到蒸發(fā) 器 完成循環(huán) 如此周而復始 達到制熱水的目的 空氣源熱泵熱水機組目前常用的傳熱工質(zhì)有 R22 和 R134a 機組用性能系數(shù) COP 來評價其運行效率 COP 的計算公式如下 COP 制熱功率 輸入功率 在標準工況下 機組的 COP 值通常 4 對不同的傳熱工質(zhì) 壓縮機類型 容量 和種類的機組 其 COP 值會有些差異 在運行中 影響熱泵機組 COP 值的主要因素 是蒸發(fā)器和冷凝器外部介質(zhì) 空氣或水 的工作溫度 以及它們之間的溫差 兩者 之間的溫差越大 COP 值就越低 反之 COP 值就越高 空氣源熱泵熱水機組的運行特點是機組出水溫度過高 當需要高溫熱水時 需 采用輔助熱源 被加熱水 1 次溫升通常為 5 故采用蓄熱運行 另外 機組均有 最佳運行工況 這時的 COP 值最高 當運行工況偏離時 COP 值降低 偏離過大時 甚至不能正常工作 4 1 3 2 熱泵熱水器的分類 熱泵熱水器有很多種分類 目前國內(nèi)外市場熱泵熱水器按其低溫熱源來分主要有 150L 即熱式熱泵熱水器 3 兩種 一種是以空氣為熱源的熱水機 稱為空氣源熱泵熱水器 另一種是以水為直接熱 源或作為傳熱介質(zhì)傳遞熱量的熱泵熱水機 稱為水源熱泵熱水器 由于空氣熱源是一 種廣泛存在 平等給予和可以自由利用的低品位能源 所以空氣源熱泵熱水器的應用 較為廣泛 5 1 3 3 空氣源熱泵熱水器的結(jié)構(gòu) 熱泵熱水器有戶內(nèi)整體機 戶內(nèi)分體機 戶外分體機 3 種 其結(jié)構(gòu)見圖 3 5 6 戶內(nèi)整體機 戶內(nèi)整體機的主機和蓄水箱為一體 置于室內(nèi) 由于冬夏季室內(nèi)溫度均比較穩(wěn)定 空 氣源熱泵熱水器的性能受室外溫度的影響較弱 戶內(nèi)整體機主要有兩種結(jié)構(gòu) 下置式 戶內(nèi)整體機 主機置于蓄水箱下部 冷凝器盤管位于蓄水箱下部 上置式戶內(nèi)整體機 主機置于蓄水箱上部 冷凝器盤管位于水箱上部 150L 即熱式熱泵熱水器 4 兩種結(jié)構(gòu)的戶內(nèi)整體機的壓縮機回油方式不同 主機置于蓄水箱下部有利于壓 縮機的回油 主機置于蓄水箱上部時 壓縮機回油較困難 潤滑油易沉積在冷凝器盤 管內(nèi)影響傳熱 壓縮機因缺油增加磨損 可采取安裝油分離器等措施 戶內(nèi)整體機工 作時吸取室內(nèi)空氣中的熱量 對室內(nèi)溫度略有影響 夏季吹出的冷風有利于降低室內(nèi) 溫度 冬季工況下則對保持室內(nèi)溫度不利 戶內(nèi)分體機 戶內(nèi)分體機與戶內(nèi)整體機的不同在于蒸發(fā)器與主機分離 安裝在外墻上或室內(nèi)排 風口處 蒸發(fā)器與主機連接的制冷劑管道較長 需要保溫 蒸發(fā)器安裝在室內(nèi)衛(wèi)生間 排風口時 換熱后的空氣直接排放至排風豎井內(nèi) 蒸發(fā)器風機單獨控制 可省去原有 的換氣扇 戶外分體機 戶外分體機將主機置于室外 蓄水箱置于室內(nèi) 降低了室內(nèi)噪聲 主機置于室外 時 必須考慮低溫環(huán)境和高溫環(huán)境對機組制熱性能的影響 7 150L 即熱式熱泵熱水器 5 根據(jù)設計內(nèi)容 我最后選擇戶外分體機結(jié)構(gòu)的熱泵熱水器 1 3 4 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)形式 熱泵熱水器的蒸發(fā)器主要有三種形式 強制空氣對流換熱翅片式盤管 與空 調(diào)換熱盤管類似 自然空氣對流換熱平板 與冰箱散熱板類似 太陽能加熱平板 與平板式太陽能吸熱板類似 后兩種蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)因加工工藝復雜 吸熱能力小 只適用于家用小型機 安裝不方便 除霜困難 因而很少采用 而翅片式盤管加 工工藝成熟 工作可靠 能適應各種大小換熱量的要求 故應用最廣泛 8 1 3 5 空氣源熱泵熱水器在我國的應用情況 國外的空氣源熱泵熱水器市場已經(jīng)相當成熟 在歐美大多數(shù)發(fā)達國家使用的比 例有的高達 70 與我國的毗鄰國家如新加坡 馬來西亞等也是熱泵熱水器使用比較 普遍的國家 而在中國的香港和臺灣地區(qū)也有將近 50 的推廣使用力度 據(jù)市場的統(tǒng) 計數(shù)據(jù)來看 2002 年 不到 1000 萬元 2003 年 達到了 3000 萬元 2004 年達到 1 個億 2005 年 超過三個億 2003 年以來 在廈門投入使用的熱泵熱水機的工程項目超過 100 項 今后必將有廣闊的發(fā)展和應用空間 9 1 3 6 提高空氣源熱泵熱水器性能途徑 1 優(yōu)化空氣源熱泵熱水器控制系統(tǒng) 1 設計多模式流程控制 提高系統(tǒng)全年運行性能 空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品標示的性能系數(shù)是名義工況時的性能系數(shù) 研究表明環(huán) 境溫度對空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)影響顯著 環(huán)境溫度 30 附近時系統(tǒng)運行性 能最佳 因此對同樣的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品使用時間及環(huán)境不同 運行時性能系 150L 即熱式熱泵熱水器 6 數(shù)也不同 若采用單一控制模式 由于環(huán)境的變化 空氣源熱泵熱水器大部分時間 運行性能系數(shù)不高 為了充分發(fā)揮空氣源熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢 在空氣源熱泵熱 水器控制系統(tǒng)設計時 可根據(jù)用戶需求不同 典型的季節(jié)變化特點及每天的溫度變 化規(guī)律設計午間模式 冬季節(jié)能模式 谷電模式等多模式流程控制系統(tǒng) 供用戶選 擇 可有效提高空氣源熱泵熱水器全年的運行性能 午間模式 在冬季及過渡季節(jié) 由于全天環(huán)境溫度的峰值出現(xiàn)在午間 此時 系統(tǒng)運行性能系數(shù)通常比夜間高 0 5 以上 控制系統(tǒng)設計午間模式 即熱泵熱水器 只在這個時段加熱 其余時段采取保溫措施 有利于提高系統(tǒng)運行性能系數(shù) 冬季節(jié)能模式 研究表明 對于空氣側(cè)的進風溫度為 15 的應用條件而言 在水箱輸出熱水溫度為 45 時的單位制熱量消耗的電力只為水箱輸出熱水溫度為 55 時的 77 因此空氣源熱泵熱水器熱水出口溫度低一些有利于提高系統(tǒng)運行效 率 特別是在冬季工況下 水箱設定溫度取較小值時保溫散熱損失小 系統(tǒng)運行節(jié) 能效果顯著 故設計控制方案時 可單獨設置一種冬季節(jié)能運行模式 即設定低的 水箱溫度 45 48 并在午間時段加熱 供不需長時間連續(xù)使用熱水的家庭選擇 可最大程度提高系統(tǒng)運行性能 谷電模式 隨著國家對節(jié)能減排的重視 實行峰谷電費差價政策的地區(qū)越來 越多 一方面在夏季中午的室外環(huán)境溫度過高導致熱水器性能系數(shù)降低 另一方面 中午電價高 因此控制系統(tǒng)設置夏季谷電模式 即系統(tǒng)在運行性能系數(shù)較高的夜間 或傍晚時段加熱 其余時段保溫 既可提高運行性能系數(shù) 又可大大降低運行費用 2 優(yōu)化除霜控制 目前從空氣源熱泵熱水器的實際運行效果來看 機組在氣溫偏低且相對濕度比 較大的地區(qū)運行時性能不理想 主要原因是蒸發(fā)器結(jié)霜及除霜造成的供熱能力下降 因此 必須使用有效的除霜方法及時除霜 目前 空氣源熱泵最常用的除霜方式是 逆循環(huán)熱氣除霜 而除霜自動控制方法是影響除霜效果的關(guān)鍵 目前除霜自動控制 方法較多 較為先進實用的有模糊智能控制除霜法 模糊智能控制除霜法將模糊控 制技術(shù)引入空氣源熱泵熱水器的除霜控制 整個除霜控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與 AID 轉(zhuǎn) 換 輸入量?；?模糊推理 除霜控制 除霜監(jiān)控及控制規(guī)則調(diào)整五個功能模塊組 成 通過對除霜過程的相應分析 對除霜監(jiān)控及控制規(guī)則進行修正 以使除霜控制 150L 即熱式熱泵熱水器 7 自動適應機組工作環(huán)境的變化 達到智能除霜的要求 3 設置水箱蓄水量智能控制系統(tǒng) 為了減少水箱的散熱損失 避免不必要的重新加熱 減少保溫加熱次數(shù) 節(jié)約 能源 將模糊控制和其它優(yōu)化理論方法和控制技術(shù)相結(jié)合 設計蓄水量智能控制系 統(tǒng)是較好的解決辦法 蓄水量智能控制系統(tǒng)能根據(jù)一周用水規(guī)律 自動保證每天最 適宜的熱水加熱量 蓄水量智能控制過程為 A D 轉(zhuǎn)換器將水流量傳感器測的水流量模擬值 f 轉(zhuǎn)換 為數(shù)字量 F 再存入系統(tǒng)的定長數(shù)據(jù)移位存儲器中 該存儲器以循環(huán)移位的方式來 存儲前 7 日的熱水量 存儲器將數(shù)字量 F1 F7 傳給模糊控制器進行模糊處理 其輸 出量為欲設定水箱的水位 H0 經(jīng) D A 轉(zhuǎn)換為 h0 水箱中的水位傳感器測量值 h 與標 準值 h0 送入供水控制模塊 由模塊自動比較來驅(qū)動水泵的運行 2 采用高效換熱器 目前市場上家用空氣源熱泵熱水器因成本考慮普遍采用等徑螺旋盤管沉浸在水 箱下部的熱水換熱器作為冷凝器 其換熱性能較差 影響空氣源熱泵熱水器的整體 性能 經(jīng)過不少專業(yè)人員對優(yōu)化熱水換熱器性能進行深入研究 采用帶導流套筒的 熱水換熱器及非等徑螺旋盤管是較為有效的方法 3 合理配置節(jié)流裝置 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 小型熱泵系統(tǒng)一般采用毛細管作為節(jié)流部件 實驗研究發(fā)現(xiàn)采用不同的毛細管 熱泵系統(tǒng)在各種環(huán)境下的性能差別較大 環(huán)境溫度較高時 粗而短的毛細管性能更 好 環(huán)境溫度較低時 細而長的毛細管性能更好 在 35 的環(huán)境溫度下 短毛細管 系統(tǒng)性能比長毛細管性能高 21 而在 15 時 長毛細管系統(tǒng)性能比短毛細管高 3 為解決這個問題 小型家用熱泵熱水器的改進方法是采用雙毛細管 但即使是 雙毛細管 其中某一根的內(nèi)徑和長度是不變的 所以其前后壓差也不會隨水溫而改 變很大 即同一根毛細管的制冷能力在運行中幾乎不變 但是熱泵熱水器的熱水一 側(cè)是不斷升溫的 這就需要工質(zhì)流量隨之變大 以滿足制熱量需求 因此用熱力膨 脹閥代替雙毛細管是穩(wěn)定系統(tǒng)性能的較合理配置 為了進一步提高系統(tǒng)的匹配性能 和可靠性 應采用調(diào)節(jié)范圍更寬和反應更靈敏的電子膨脹閥 雖然成本高一些 但 能顯著提高穩(wěn)定系統(tǒng)性 改善運行性能 10 150L 即熱式熱泵熱水器 8 1 4 方案選擇與論證 1 4 1 熱泵熱水器的冷凝器的選型 一 冷凝器的種類及特點 冷凝器按其冷卻介質(zhì)不同 可分為水冷式 空氣冷卻式 蒸發(fā)式三大類 一 水冷式冷凝器 水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質(zhì) 靠水的溫升帶走冷凝熱量 冷卻水一般循 環(huán)使用 但系統(tǒng)中需設有冷卻塔或涼水池 水冷式冷凝器按其結(jié)構(gòu)形式又可分為殼 管式冷凝器和套管式冷凝器兩種 常見的是殼管式冷凝器 1 立式殼管式冷凝器 立式冷凝器的主要特點是 1 由于 冷卻流量 大流速高 故傳熱 系數(shù)較高 一般 K 600 700 kcal m2 h 2 垂直安裝占地面積小 且可以安裝在室外 3 冷卻水直通流動且流速大 故對水質(zhì)要求不高 一般水源都可以作為冷卻水 4 管內(nèi)水垢易清除 且不必停止制冷系統(tǒng)工作 5 但因立式冷凝器中的冷卻水溫升一般只有 2 4 對數(shù)平均溫差一般在 5 6 左右 故耗水量較大 且由于設備置于空氣中 管子易被腐蝕 泄漏時比易 被發(fā)現(xiàn) 2 臥式殼管式冷凝器 它與立式冷凝器有相類似的殼體結(jié)構(gòu) 主要區(qū)別在于殼體的水平安放和水的多 路流動 臥式冷凝器不僅廣泛地用于氨制冷系統(tǒng) 也可以用于氟利昂制冷系統(tǒng) 但 其結(jié)構(gòu)略有不同 氨臥式冷凝器的冷卻管采用光滑無縫鋼管 而氟利昂臥式冷凝器 的冷卻管一般采用低肋銅管 這是由于氟利昂放熱系數(shù)較低的緣故 值得注意的是 有的氟利昂制冷機組一般不設貯液筒 只采用冷凝器底部少設幾排管子 兼作貯液 筒用 150L 即熱式熱泵熱水器 9 3 套管式冷凝器 制冷劑的蒸氣從上方進入內(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入 依次經(jīng)過各 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)點是結(jié)構(gòu)簡單 便于制 造 且因系單管冷凝 介質(zhì)流動方向相反 故傳熱效果好 當水流速為 1 2m s 時 傳熱系數(shù)可達 800kcal m2h 其缺點是金屬消耗量大 而且當縱向管數(shù)較多時 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用 對于小型氟利昂空調(diào)機組仍廣泛使用套管式冷凝器 二 空氣冷卻式冷凝器 空氣冷卻式冷凝器是以空氣作為冷卻介質(zhì) 靠空氣的溫升帶走冷凝熱量的 這 種冷凝器適用于極度缺水或無法供水的場合 常見于小型氟利昂制冷機組 根據(jù)空 氣流動方式不同 可分為自然對流式和強迫對流式兩種 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)吸收氣化潛熱而進行的 按 空氣流動方式可分為吸入式和壓送式 蒸發(fā)式冷凝器由冷卻管組 給水設備 通風機 擋水板和箱體等部分組成 冷 卻管組為無縫鋼管彎制成的蛇形盤管組 裝在薄鋼板制成的長方形箱體內(nèi) 箱體的 兩側(cè)或頂部設有通風機 箱體底部兼作冷卻水循環(huán)水池 蒸發(fā)式與殼管式冷凝器的 并聯(lián) 四 淋水式冷凝器 淋水式冷凝器的主要優(yōu)點為 1 結(jié)構(gòu)簡單 制造方便 2 漏氨時容易發(fā)現(xiàn) 維修方便 3 清洗方便 4 對水質(zhì)要求低 其主要缺點是 1 傳熱系數(shù)低 2 金屬消耗量高 3 占地面積大 淋水式冷凝器是靠水的溫升和水在空氣中蒸發(fā)帶走 冷凝熱量 這種冷凝器主要用于大 中型氨制冷系統(tǒng)中 它可以露天安裝 也可安 裝在冷卻塔的下方 但應避免陽光直射 在這個設計中 我選擇套管式冷凝器 因為套管式換熱器的傳熱效率高 1 4 2 制冷劑的選擇 150L 即熱式熱泵熱水器 10 制冷系統(tǒng)里必須還要充注一定量的專用的工作介質(zhì) 制冷裝置才能工作 制冷 而且充注不同的工作介質(zhì)制冷裝置制冷的效率也有很大的不同 這個介質(zhì)就是制冷 劑 只有在工作溫度范圍內(nèi)能夠汽化和凝結(jié)的物質(zhì)才有可能作為制冷劑使用 1 制冷劑的作用 制冷劑在制冷系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動 制冷劑在循環(huán)流動中 通過自己的熱力狀態(tài)的變 化與外界發(fā)生能量交換 從而實現(xiàn)制取冷量的目的 2 對制冷劑的要求制冷劑應具備安全 可靠 易得 價廉 一般要求制冷劑 應滿足下列要求 1 臨界溫度較高 在常溫或制冷溫度下能夠液化 2 在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)制冷劑的壓力要適中 3 單位容積制冷量 qv 要大 4 凝固溫度要低 以避免制冷劑在蒸發(fā)溫度下凝固 5 粘度和密度要小 以保證制冷劑在系統(tǒng)中的流動阻力損失小 6 導熱系數(shù)要高 可以提高各個換熱器制冷劑側(cè)的換熱系數(shù) 7 與潤滑油的溶解性 8 等熵指數(shù)要小 可使壓縮過程耗功減小 壓縮終了時氣體的溫度不致 過高 9 液體比熱容小 可使節(jié)流過程損失減小 10 不燃燒 不爆炸 無毒 對金屬不起腐蝕作用 與潤滑油不起化學作用 高溫下不分解 對人體無毒害 價格便宜 便于獲得 1 制冷劑的分類 150L 即熱式熱泵熱水器 11 在本設計中 我選擇 R22 作為制冷劑 因為 R22 比較常見和普遍 而其也 比較適合我設計的條件 1 4 3 蒸發(fā)器的選擇 1 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 11 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 可增加制冷劑液體在管內(nèi)的 濕潤面積 同時其進出口處的壓差隨流動阻力增大而增加 以致使制冷系數(shù)降低 干式 蒸發(fā)器按其被冷卻介質(zhì)的不同分為冷卻液體介質(zhì)型和冷卻空氣介質(zhì)型兩類 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) 其多用于空氣調(diào)節(jié)裝置和大型冷藏庫以及大型低溫實驗環(huán)境場合 干式蒸發(fā)器的優(yōu) 點是應用相對要成熟很多 而且采用干式蒸發(fā)器不需要單獨的換熱器回油設計 但是 其缺點是系統(tǒng)效率會有所降低 12 2 滿 液 式 蒸 發(fā) 器 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(jié)構(gòu)形式 它們 的共同特點是在蒸發(fā)器中充滿液態(tài)制冷劑 運行中吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生的制冷劑蒸汽不斷 地從液體中分離出來 其優(yōu)點是制冷劑與傳熱面充分接觸 具有較大的傳熱系數(shù) 但不足之處是制冷劑充注量大 液柱靜壓會給蒸發(fā)溫度造成不良影響 且當鹽水濃 度降低或鹽水泵因故停機時 鹽水在管內(nèi)有被凍結(jié)的可能 若制冷劑為氟利昂 則 氟利昂內(nèi)溶解的潤滑油很難返回壓縮機 此外清洗時需停止工作 150L 即熱式熱泵熱水器 12 4 循 環(huán) 式 蒸 發(fā) 器 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 故稱做循環(huán)式蒸 發(fā)器 循環(huán)式蒸發(fā)器多應用于大型的液泵供液和重力供液冷庫系統(tǒng)或低溫環(huán)境試驗 裝置 循環(huán)式蒸發(fā)器的優(yōu)點在于蒸發(fā)器管道內(nèi)表面能始終完全潤濕 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 很高 其不足之處在與體積較大 制冷劑充注量較多 綜上所述 由于在此次設計中的制冷劑為 R22 故而可選擇干式氟利昂蒸發(fā)器 1 5 設計任務和內(nèi)容 主要任務 1 認真進行實習 調(diào)研 完成實習 調(diào)研 報告 2 閱讀文獻寫出文獻綜述 3 按統(tǒng)一格式完成開題報告 4 閱讀英文文獻 并譯成中文 不少于 5000 漢字 5 規(guī)范繪制圖樣 上機繪圖不少于二張裝配圖 一張零件圖 6 英中文對照摘要 中文不少于 400 字 7 按統(tǒng)一格式編制設計說明書 不少于 30000 字 8 有全部設計的紙介質(zhì)文檔和電子文檔 工作內(nèi)容 1 設計計算 貯水箱幾何參數(shù)計算 隔熱計算 負荷計算 熱水產(chǎn)量計算 循環(huán) 熱力計算 壓縮機選擇計算及說明 冷凝器設計計算 蒸發(fā)器設計計算 輔助 設備選擇計算 節(jié)流機構(gòu)選擇計算及說明 2 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 3 設計圖樣 總裝圖 主要零部件圖 系統(tǒng)流程圖 電控原理圖 150L 即熱式熱泵熱水器 13 11 設計計算 2 1 系統(tǒng)的熱力計算 2 1 1 系統(tǒng)循環(huán)壓焓圖 150L 即熱式熱泵熱水器 15 2 1 2 熱力計算 單位質(zhì)量制冷量 4 1 單位理論功 4 2 查閱一些廠家的資料 根據(jù)已經(jīng)生產(chǎn)成型的空氣源熱泵熱水器的制熱量 定適 合本設計 150L 的制熱量 Qk 9800W 制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量 4 4 實際輸氣量 4 5 輸氣系數(shù) vpTL 取 150L 即熱式熱泵熱水器 16 壓縮機的理論輸氣量 4 6 壓縮機理論功率 4 7 壓縮機指示功率 取壓縮機指示效率為 0 75i 4 8 壓縮機軸功率 取機械效率 92 0 m 4 9 壓縮機電機即輸入功率 電動機效率 86 0 mo 4 10 COP 的計算 4 11 2 2 壓縮機的選取 13 根據(jù)以上計算結(jié)果知 選用谷輪 ZR 系列柔性渦旋壓縮機 其型號為 ZR34K3 PFJ 522 制冷量 8200W 輸入功率為 2520W 均能滿足設計要求 其特點為 1 超高能效 能較比以前市場上最先進的活塞式壓縮機還高 12 150L 即熱式熱泵熱水器 17 2 杰出的可靠性 運動部件少軸向及徑向的谷輪專利柔性設計提供了前所未有的耐液擊和容忍雜 質(zhì)的能力 3 內(nèi)置電機斷路裝置 能有效保護電機免受高溫及高電流之損壞 4 低噪音 低排氣脈沖 噪音值比活塞式壓縮機低 5 分貝以上 5 簡化系統(tǒng)設計 獨特的卸載啟動設計使單相壓縮機 啟動時無須啟動電容 繼電器 在大多數(shù)應 用中無需曲軸加熱器和氣液分離器 6 近 100 的容積效率帶來超常的制熱能力 2 3 換熱器的設計計算 13 2 3 1 套管式冷凝器的設計計算 1 有關(guān)參數(shù)的選擇與計算 選擇冷卻水進口溫度 出水溫度w1t 32C w2t 40C 則對數(shù)平均溫差 4 21mt8 7wkIn 17 選取管內(nèi)水速為 2 s 選取管內(nèi)冷卻水污垢系數(shù) 20 86 i mKW 選用的 的紫銅管軋制的低翅片管為內(nèi)管 且選用了如圖 3 4T 號管 其16 5m 管型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下 翅節(jié)距 翅厚 翅高 管內(nèi)徑 翅根 2fs 0 23t 1 5h 1idm 管面外徑 齒頂直徑 186bd 86tdm 每米管長各有關(guān)換熱面積分別為 220 0 34 iiam 150L 即熱式熱泵熱水器 18 2 0 1586 23 0 15 089 dtfas m 2 2 2 6 15 0 83 ftbf m 3bftfs 22 089130 0 4 ofdfbaam 參考小型制冷裝置 有圖 3 1 查的 當 時 冷凝負荷參數(shù) 則冷凝熱負5ktC 0t 01 8C 荷 4 18 k0 1 28354 2QW 2 確定內(nèi)管根數(shù) 水在平均溫度 時 密度 比定壓熱容mt36C 39 kg m 則冷卻水體積流量4179 pcJkg 4 19 43124801 80 9 317 32 KvpwQq sct 根據(jù)所選管型 及管內(nèi)水速 則所需內(nèi)管的根數(shù) dim ms 4 20 42241 380 791viqnd 根 3 傳熱計算 先計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 水在 時 運動粘度t36mC 620 741 ms 因為 4 4620 1Re95 1074id 21 故水在管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流 考慮將套管盤成曲率半徑為 的螺旋盤25Rm 管 盤管水側(cè)修正系數(shù) 4 id1 1 7 7 625R 22 150L 即熱式熱泵熱水器 19 則水側(cè)表面換熱系數(shù) 4 0 80 8 2wi22 1716084 dRiBWmK 23 查表 3 11 得 R22 在 時 物性幾何參數(shù)5ktC 3B 查表 3 4 得 1 號管增強系數(shù) 1 3 取蒸氣流速影響系數(shù) 6 套管管間 R22 冷凝器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由式 3 9 計算得 4 24 0 25 0 250 250 25 70136813614kobBd 取紫銅熱導率 9 Wm 將有關(guān)各值代入傳熱方程組得 4 0 250 75001414kq 25 00ofifwm01 r18 725 930 18 06 18446 4 027 26 上式中 的單位為 的單位為0q2 Wm0C 解聯(lián)立方程式 當 22001 5q 357 578 mCW 時 兩 式 和 取 2q 237 150L 即熱式熱泵熱水器 20 則冷凝器所需傳熱面積 4 27 22kof0483 m 0 8q57QA 所需低翅片管有效總管長 4 28 of 2184 05L 4 冷凝器的整體結(jié)構(gòu) 冷凝器的外管采用 51mm 3mm 將每根套管式成型為曲率半徑的 無 縫 鋼 管 R 160mm 的螺旋盤管 并使換熱器的進出口朝同一方向 盤 3 5 圈 冷凝器總高度 為 178 5mm 2 3 2 風冷式換熱器設計計算 10 設計參數(shù)及條件 冷凝熱負荷 冷凝溫度 進風溫度4 57kQW 5ktC 空氣溫升 傳熱管選用 材料為 的銅管 132atC 10atC 9 20 3m 2T 材料為 的鋁翅片 迎風面上的管間距 排間距 管外LF1 s2 16sm 徑 管內(nèi)徑 翅片間距 翅片厚度309 5dm 8id 8f 片寬 進行設計計算 18f 04b 1 基本結(jié)構(gòu) 空氣流動方式 受迫對流 吸風式 基本結(jié)構(gòu)型式 正三角形排列 片型 平式翅片 管排數(shù) n 4 下圖 4 4 所示為翅片管管簇排列結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖 150L 即熱式熱泵熱水器 21 圖 4 4 等邊三角形叉排 按等邊三角形叉排布置的整套片翅片管簇 對每根管而言 其翅片形式相當于 正六角形翅片 2 翅片管幾何參數(shù)計算 單位管長翅片面積 4 29 21 224 0 5 60 9520 18 867f bfsdm 由 4 202 9 1 8bfd m 30 得肋間管外單位表面積 為bf 4 31 20 1810 98 0791fbfd ms 管外總單位表面積 為tf 4 20 516247 091 5468tfb 150L 即熱式熱泵熱水器 22 32 管內(nèi)單位表面積 為if 4 33 20 93 765iifdm 肋化系數(shù) 為 4 34 54189 675027tif 3 空氣側(cè)傳熱系數(shù)計算 1 空氣進出冷凝器的溫差及風量 出風溫度 4 35 213204aattC 空氣平均溫度 4 36 217amt 風量 4 37 3348 0 4251 1 3051kVampaQq msct 平均溫度下空氣物性參數(shù)為 密度 比定壓熱容 mkg 運動粘度 熱導率 1 05 packJgK 628vs 27mW 2 肋片效率及空氣側(cè)傳熱系數(shù) 根據(jù)肋片參數(shù) 冷凝器的空氣最窄流通面積與迎風 面積之比 為 4 38 1 801259 80 432ffbsd 取迎面風速 則最小流通面的風速2 fwm 4 39 max23 674 0 5fwms 當量直徑 150L 即熱式熱泵熱水器 23 4 40 122 59 8 10 2 9645bffeqsd m 空氣的雷諾數(shù) 4 41 3max 63 6742 910Re 4 858eqfwdv 單元空氣流道長徑比 4 42 0 41 03527296eqLd 根據(jù)流體流過整張平套片管管簇時的換熱公式 有 2362630 518 230 453107 5715 027 eqeqeqLAddd 4 43 4 44 0 24Re0 246 83 1 36 581 3 0 21fCA 4 45 56 5 7 49eqLnd 4 46 R64 830 280 280 211fm 平直翅片的管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 4 47 0 0 549230 2821 e7 0 3861 79645531 mnmfqqLaCdWK 對于叉排管有 4 48 1 70 3 其中 150L 即熱式熱泵熱水器 24 4 49 10 25 306498bsd 所以 2 6859 肋片當量高度 4 50 10 35ln20 98 61 l2 6859 bdhm 肋片特性參數(shù) 4 51 103259 17 058fam 其中 203 fWmK 肋片效率 4 52 57 1 023 857ftht 冷凝器外表面效率 4 53 0 516247 850 291 856fbst 當量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 4 54 20 89156 352 906 jsaWmK 4 管內(nèi) R22 冷凝時表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算 首先設管壁的溫度 則平均溫度47 wtC 4 55 47512wkmtC 根據(jù) R22 管內(nèi)冷凝換熱有關(guān)計算公式 4 56 1 41 4 0 683ismkwiarBtd 其中 為綜合物性參數(shù) 為氣化熱 mBsr 150L 即熱式熱泵熱水器 25 查表知 3 62 107kg m4 5 8sWCsrkJ 綜合物性參數(shù) 為mB 4 57 1 43 1 4389 807 5 0 mmm 又 1 41 4538 25sr 代人上式中 則 4 58 1 41 41 40 63 78 30 8219542i kwkwatt 由熱平衡可得管壁溫度平衡方程 4 1 4195 20 8252 906 41836ikwjtamkww adtft t 59 整理得 4 60 3 454 1628 136wwtt 由試湊法得 時 等式成立 與設定值近似相等 證明合適 6wtC 得 4 61 1 421954 2628 iaWmK 5 計算所需傳熱面積 考慮到傳熱管為純銅管 取傳熱管導熱熱阻 接觸熱阻和污垢熱阻之和 20 48rmK 以管外面積為基準的傳熱系數(shù)為 150L 即熱式熱泵熱水器 26 4 02119 648751 9506 3ofijKraWmK 62 平均溫差為 4 2143217 5lnlamkt C 63 所需管外面積及結(jié)構(gòu)參數(shù) 管外面積 4 64 245710 682 3 koffmQAmKt 所需的肋片管總長度 4 65 10 689 45oftL 冷凝器每列管數(shù) 12 根 總管數(shù)為 48 根 單管有效長度 0 6m 總有效管長為 裕度為 3 7 冷凝器高度為 實際迎風面340 62 m 170 25 Hm 積 實際迎面風速 與初取值接近 250 A 49 VaqwsA 設計合理 6 風機的選擇計算 9 空冷式冷凝器所用風機應根據(jù)冷凝器的結(jié)構(gòu)形式 所需風量以及風壓選配 風 壓包括動壓 及靜壓 p 風機的動壓 4 66 221 58 910apPa 150L 即熱式熱泵熱水器 27 式中 冷凝器進口空氣的密度 單位為 a 3kgm 迎面風速 單位為 ms 當空冷式冷凝器采用平片整套片翅片管簇時 空氣流過冷凝器的阻力即 靜壓 4 67 1 7 max1 70 184 583492 29eqbpdPa 風機采用電動機直接傳動 則傳動效率 取風機全壓效率 m 0 65fan 則電動機輸入功率 4 0 4251 07 42612 vfanmqpW 68 根據(jù) 可選用 YDWF74S4 422N 350 型號的軸流330 450 6vqsh 風機 其風量為 輸入功率為 150W 風葉直徑 350mm 電壓為 220V 1mh 頻率為 50Hz 轉(zhuǎn)速為 38inr 25 3 節(jié)流機構(gòu)的選擇 3 1 節(jié)流機構(gòu)概述 2 作為制冷循環(huán)的四大部件之一 節(jié)流裝置在系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用 通過 選擇應用合適的節(jié)流機構(gòu)與制冷系統(tǒng)匹配是整個制冷設備降低能耗的重要一環(huán) 節(jié) 流的工作原理是制冷工質(zhì)流過閥門時流動截面突然收縮 流體流速加快 壓力下降 壓力下降的大小取決于流動截面收縮的比例 節(jié)流機構(gòu)的作用如下 1 節(jié)流降壓 當常溫高壓的制冷劑飽和液體流過節(jié)流閥 變成低溫低壓的制 冷劑液體并產(chǎn)生少許閃發(fā)氣體 進而實現(xiàn)向外界吸熱的目的 2 調(diào)節(jié)流量 節(jié)流閥通過感溫包感受蒸發(fā)器出口處制冷劑過熱度的變化來控 制閥的開度 調(diào)節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量 使其流量與蒸發(fā)器的熱負荷相匹配 當蒸發(fā)器熱負荷增加時閥開度也增大 制冷劑流量隨之增加 反之 制冷劑流量減 少 3 控制過熱度 節(jié)流機構(gòu)具有控制蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的功能 既保持 蒸發(fā)器傳熱面積的充分利用 又防止吸氣帶液損壞壓縮機的事故發(fā)生 4 控制蒸發(fā)液位 帶液位控制的節(jié)流機構(gòu)具有控制蒸發(fā)器液位的功能 既保 持蒸發(fā)器傳熱面積的充分利用 又防止吸氣帶液降低吸氣過熱度 若節(jié)流機構(gòu)向蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)負荷相比過大 部分液態(tài)制冷劑一起進入 壓縮機 易引起濕壓縮或沖缸事故 相反若供液量與蒸發(fā)器負荷相比太少 則蒸發(fā) 器部分傳熱面積未能充分發(fā)揮其效能 甚至會造成蒸發(fā)壓力降低 而且使制冷系統(tǒng) 的制冷量降低 制冷系數(shù)減小 制冷裝置能耗增大 因而說節(jié)流機構(gòu)流量的調(diào)節(jié)對 制冷裝置節(jié)能降耗起著非常重要的作用 3 2 節(jié)流機構(gòu)的分類 24 常用的節(jié)流機構(gòu)有手動膨脹閥 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) 生合適的局部阻力損失 或沿程損失 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) 1 手動節(jié)流閥 手動節(jié)流閥是最老式的節(jié)流閥 其外形與普通截止閥相似 它由閥體 閥芯 26 閥桿 填料壓蓋 上蓋 手輪和螺栓等零件組成手動膨脹閥和普通的截止閥在結(jié)構(gòu) 上的不同之處主要是閥芯的結(jié)構(gòu)與閥桿的螺紋形式 通常截止閥的閥芯為一平頭 閥桿為普通螺紋 所以它只能控制管路的通斷和粗略地調(diào)節(jié)流量 難以調(diào)整在一個 適當?shù)倪^流截面積上以產(chǎn)生恰當?shù)墓?jié)流作用 而節(jié)流閥的閥芯為針型錐體或帶缺口 的錐體 閥桿為細牙螺紋 所以當轉(zhuǎn)動手輪時 閥芯移動的距離不大 過流截面積 可以較準確 方便地調(diào)整 節(jié)流閥的開啟度的大小是根據(jù)蒸發(fā)器負荷的變化而調(diào)節(jié) 通常開啟度為手輪的 1 8 至 1 4 周 不能超過一周 否則 開啟度過大 會失去膨脹作用 因此它不能隨 蒸發(fā)器熱負荷的變動而靈敏地自動適應調(diào)節(jié) 幾乎全憑經(jīng)驗結(jié)合系統(tǒng)中的反應進行 手工操作 目前它只裝設于氨制冷裝置中 在氟利昂制冷裝置中 廣泛使用熱力膨 脹閥進行自動調(diào)節(jié) 2 浮球節(jié)流閥 浮球節(jié)流閥的工作原理 浮球節(jié)流閥是一種自動調(diào)節(jié)的節(jié)流閥 其工作原理 是利用一鋼制浮球為啟閉閥門的動力 靠浮球隨液面高低在浮球室中升降 控制一 小閥門開啟度的大小變化而自動調(diào)節(jié)供液量 同時起節(jié)流作用的 當容器內(nèi)液面降 低時 浮球下降 節(jié)流孔自行開大 供液量增加 反之 當容器內(nèi)液面上升時 浮 球上升 節(jié)流孔自行關(guān)小 供液量減少 待液面升至規(guī)定高度時 節(jié)流孔被關(guān)閉 保證容器不會發(fā)生超液或缺液的現(xiàn)象 浮球節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)型式與安裝要求 浮球節(jié)流閥是用于具有自由液面的蒸發(fā) 器 液體分離器和中間冷卻器供液量的自動調(diào)節(jié) 在氨制冷系統(tǒng)中廣泛應用的是一 種低壓浮球閥 低壓浮球閥按液體在其中流通的方式 有直通式和非直通式兩種 直通浮球節(jié)流閥的特點是 進入容器的全部液體制冷劑首先通過閥孔進入浮球室 然后再進入容器 因此 結(jié)構(gòu)和安裝比較簡單 但浮球室的液面波動大 非直通式 浮球節(jié)流閥的特點是 閥座裝在浮球室外 經(jīng)節(jié)流后的制冷劑不需要通過浮球室而 沿管道直接進入容器 因此 浮球室的液面較平穩(wěn) 但其結(jié)構(gòu)與安裝均較復雜 目前我國冷凍機廠生產(chǎn)的浮球節(jié)流閥都是這種非直通式的 這種浮球節(jié)流閥的 結(jié)構(gòu)是由殼體 浮球 杠桿 閥座 平衡管 閥芯和蓋等組成 浮球節(jié)流閥在安裝時的要求是浮球室的氣體平衡管應接在筒身上 而不應接在 液體分離器的吸氣管上 液體平衡管不應接在液體分離器與蒸發(fā)器之間的供液管 27 上 也不應接在低壓循環(huán)貯液筒的氨泵吸液管上 以免浮球室內(nèi)液面波動過大 蒸 發(fā)器中的液體往往呈氣泡沸騰狀態(tài) 致使氣液混合物的密度顯著降低 造成蒸發(fā)器 中的實際液面要高于浮球室的液面 因此將浮球節(jié)流閥安裝到蒸發(fā)器上時 最好把 浮球節(jié)流閥適當降低一些 浮球節(jié)流閥的管路系統(tǒng)中一般應裝置液體過濾器 采用 250 孔 cm 2 的鋼絲網(wǎng) 以保證進入浮球閥內(nèi)的液體無雜質(zhì) 避免閥門堵塞 此外 還要裝設旁路手動節(jié)流閥 以便在浮球節(jié)流閥發(fā)生故障或清洗過濾器時仍可繼續(xù)供 液 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 熱力膨脹閥的型式很多 但在結(jié)構(gòu)上大致相同 按膨脹閥中感應機構(gòu)動力室中 傳力零件的結(jié)構(gòu)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 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 氣箱蓋和感應薄膜等組 成 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 5 1 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 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0 150L 即熱式熱泵熱水器 28 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擦 力等因素構(gòu)成的作用力 因為其值甚小 在分析時可以忽略不計 由以上分析可 圖 5 1 熱力膨脹閥原理簡圖 知 當三力處于平衡狀態(tài) 即滿足 時 膜片不動 則閥口處于一定的開WP 0 啟度 而當其中任何一個力發(fā)生變化時 就會破壞原有的平衡 則閥口的開啟度也 就隨之發(fā)生變化 直到建立新的平衡為止 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(guān)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) 另外 從上述關(guān)系也可看出 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(guān)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) 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(jié)構(gòu)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 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 29 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 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 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 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(gòu)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) 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(cè) 45 處 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 毛細管 在電冰箱 空調(diào)器等小型制冷設備中 常用毛細管做節(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 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(cè)即高 低壓兩端壓 力差大小的影響 與來液過冷度大小 含閃發(fā)氣體多少以及管彎曲程度 盤繞圈數(shù) 等也有關(guān) 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(guān)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6 42121 dl 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 150L 即熱式熱泵熱水器 30 蒸發(fā)溫度隨之降低 導致制冷量下降 甚至降不到所需的溫度 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 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 回熱型即毛細管內(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 電子膨脹閥 3 電子膨脹閥 吸氣過熱度控制 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 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 5 2 所示 電子膨脹閥 液位控制 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