二氧化碳热泵热水器 设计说明书

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郑州轻工业学院

本科毕业设计（论文）

题 目 360升CO2热泵热水器

学生姓名 姬 超

专业班级 热能05-1班

学 号 院 （系） 机电工程学院

指导教师(职称) 张文慧 （助教）

完成时间 2009年 6月 5 日

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目 录

中文摘要..........................................................................................................................................Ⅰ 英文摘要..........................................................................................................................................Ⅱ 1 概述..............................................................................................................错误！未定义书签。

1.1 绪论....................................................................................................错误！未定义书签。

1.1.1 引言...........................................................................................错误！未定义书签。

1.2 二氧化碳跨临界循环原理....................................................错误！未定义书签。

1.3 方案论证.........................................................................................错误！未定义书签。

1.3.1 经济性分析.............................................................................错误！未定义书签。

1.3.2 直热式热泵热水器与循环式热泵热水器对比分析.....错误！未定义书签。 2 系统的设计计算.................................................................................................................35

2.1 水箱的设计......................................................................................................................35

2.1.1 水箱相关参数计算...............................................................................................35

2.1.2 水箱隔热层设计计算...........................................................................................35

2.2 压缩机的选择及热力计算...................................................................................36

2.2.1 压缩机热功率计算：............................................................................................36

2.2.2 取最优高压值.........................................................................................................37

2.2.3 压缩机的选择和确定...........................................................................................39

2.2.4 对所选的压缩机系统进行实际热力计算.......................................................41

2.2.5 实际的热水产量及时间计算..............................................................................43

2.3 冷凝器设计计算........................................................................................................43

2.3.1 冷凝器的热平衡计算...........................................................................................43

2.3.2 冷凝器类型选择....................................................................................................43

2.4 蒸发器的设计计算..................................................................................................46

2.4.1 蒸发器的类型选择................................................................................................46

2.4.2 选定蒸发器的结构参数.......................................................................................46

2.4.3 校核管壁厚度的安全性.......................................................................................47

2.4.4 计算几何系数.........................................................................................................47

2.4.5 计算空气侧干表面的传热系数.........................................................................48 3 零部件的选择计算............................................................................错误！未定义书签。 1

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3.1 管道的选择计算.........................................................................................................29

3.1.1 压缩机-冷凝器之间的高压气体管道..............................................................29

3.1.2 冷凝器-蒸发器之间的气体管道.......................................................................29

3.1.3 冷凝器-蒸发器之间的液体管道.......................................................................29

3.1.4 压缩机的吸气管道................................................................错误！未定义书签。

3.1.5 水管的选择.............................................................................错误！未定义书签。

3.1.6 管道的隔热设计....................................................................错误！未定义书签。

3.1.7 节流机构的选择....................................................................错误！未定义书签。

3.1.8 压力控制器的选择................................................................错误！未定义书签。

3.1.9 蒸发器风机的确定和选型..................................................错误！未定义书签。

3.1.10 感温元件的确定和选择....................................................错误！未定义书签。

3.1.11 泵的确定和选择..................................................................错误！未定义书签。

3.1.12 止回阀的选择.......................................................................错误！未定义书签。

3.1.13 电磁阀的选择......................................................................错误！未定义书签。

3.1.14 蒸发器分液器的选择.........................................................错误！未定义书签。

3.1.15 四通阀的选择.......................................................................................................38 4 辅助系统设计.......................................................................................................................69

4.1 化霜系统设计...............................................................................................................69

4.1.1 特殊的化霜流路....................................................................................................69

4.1.2 低温冷媒加热技术...............................................................................................69

4.1.3 化霜系统开停的方式...........................................................................................70

4.2 水箱保温系统的设计...............................................................................................70

4.3 辅助加热系统的设计...............................................................错误！未定义书签。 5 热水器机组的安装注意事项....................................................................................70 结束语................................................................................................................错误！未定义书签。 致 谢................................................................................................................错误！未定义书签。 参考文献..........................................................................................................错误！未定义书签。 附录…………………………………………………………………………………………………… 2

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360L二氧化碳热泵热水器

摘 要

自从瓦特发明蒸汽机开始，人类的进步速度有了一个质的飞跃，但是，人类对环境的破坏也越来越严重。环境保护和节约能源不得不受到关注。目前制冷行业面临的主要问题，要替换破坏环境严重氟利昂，然后是提高制冷效率。

环保天然工质二氧化碳，无毒、对臭氧层无影响、不产生温室效应和良好的热力学性质等优点，再度受到人们的重视。二氧化碳跨临界循环具有较高的排气温度和气体冷却器中存在较大的温度滑移，能够制取温度较高的热水，使它在热泵热水系统中具有其他工质无法比拟的优势。

本文将综述二氧化碳在热泵中的应用，并设计一款360L二氧化碳热泵热水器。系统各主要部件及控制设计如下：

(1)气体冷却器采用套管盘管式换热器，为减小其结构尺寸，内管采用紫铜管轧制的低翅片管；

(2)蒸发器采用的是风冷式翅片管式换热器，管子为紫铜管，翅片为铝翅片；

(3)系统压缩机采用Dorin公司生产的CO2半封闭活塞式压缩机；

(4)化霜系统采用积算式自动化霜设计，采用高温热制冷剂蒸气进行化霜，提高了化霜效率并减少了化霜时间；

(5)设计了辅助加热系统，弥补机组低温环境下的能力衰减，并使用循环加热的热水保温系统，用来使水箱中的水保持在设定的范围内。

关键词 热泵热水器/制冷剂/二氧化碳/跨临界循环

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350L CO2 heat pump water heater

Abstract

The tecnolige of human become better and better from the time of treat machine being tecked. Along with the signing 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 cycle, there appears high temperature at compressor exit and a large temperature glide at the gas cooler, which makes CO2 have a wide application in the water heater. In this paper, the trans-critical cycle characteristics of heat pump system is introduced, the virtue and shortcoming of CO2 heat pump water heater is discussed, the overview of its research and its application on heat pump water heater is presentation and the suggestion of improving the carbon dioxide heat pump water heater efficiency was put forward.

According to the carbon dioxide cycle characteristic, a 350L the CO2 heat pump water heater is designed, major components and the control mode as follows:

(1) Serpentined thimble is designed as the gas cooler. And in order to reduce its structure size, the inner copper tube is made up with low fins;

(2) Evaporator uses the forced-air cooling type fin-and-tube heat exchanger, the pipe is copper tube, the fin is aluminum fin;

(3) CO2 half seal reciprocating compressor made in Dorin Corporation is used in this system;

(4) The integration type automation defrost mode is used in this design, and the

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high temperature refrigerant is used for the defrosting. These enhance the defrosting efficiency and reduce the defrosting time;

(5) For sake of getting enough hot water when environmental temperature is low, an auxiliary heating system is designed in this CO2 heat pump water heater. And the attemperator is a circulatory system, which can hold the water in the tank on constant temperature.

KEYWORDS refrigerant,heat pump water heater, transcritical cycle,compressor

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1概述

1.1绪论

1.1.1 引言

人类本来是自然界的一部分，人改造着自然，同时依赖着自然。但是，随着人类个体的增多，科技水平的进步，人类改变自然环境的能力越来越大了。人类为此自豪并乐此不疲，直到他们意识到自己改造的环境已经越来越不能让自己接受。

目前，人类对环境的改造和对资源的攫取已经临近自然界所能承受的极限。可持续发展的问题变的刻不容缓。

目前的环境问题很多，比如湿地退化，物种灭绝，温室效应，臭氧层空洞等等[2]。其中温室效应主要来自大量二氧化碳的排放。现在地球上主要的能源是化石能源，比如煤炭，石油，天然气，这些也是二氧化碳的主要来源。因此，解决温室效应的办法主要是节约能源。然后，我们说说臭氧层空洞。它的主要成因是氟利昂的排放，氟利昂在空气中受到照射，会产生大量的游离氯离子，而这些游离氯离子会将臭氧分解为氧气。而在高层大气中，有一层很薄的臭氧层，它吸收紫外线，臭氧层的破坏将大大增加阳光中的紫外线，对生物将构成严重威胁。所以，要尽量减少氟利昂的使用，使用新的对环境污染小的制冷剂成为全世界关注的话题[1]。

1987年9月16日，联合国为了避免工业产品中的氟氯碳化物对地球臭氧层继续造成恶化及损害，承续1985年保护臭氧层维也纳公约的大原则，邀请所属26个会员国在加拿大蒙特利尔签署环境保护公约——《蒙特利尔议定书》（蒙特利尔公约）。蒙特利尔公约中对CFC-11、CFC-12、CFC-113、CFC-114、CFC-115等五项氟氯碳化物及三项海龙的生产做了严格的管制规定，并规定各国有共同努力保护臭氧层的义务，凡是对臭氧层有不良影响的活动，各国均应采取适当防治措施。可见，在制冷及热泵装置中广泛使用的CFCs、HCFCs工质是引起臭氧层破坏的主要原因，而且，这些工质为温室气体，已列入逐步被淘汰之列。

二氧化碳是热泵系统工质替代中最有潜力的天然工质之一。氧化碳跨临界系统气体冷却器端的温度滑移可以与变温热源较好的匹配，它在热泵热水器方面的

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应用具有其它供热方式无法比拟的优势。

CO2 作为最早的制冷剂之一，在19 世纪末到20世纪30年代得到了普遍的应用，但随着CFCs的出现，CO2 逐渐退出制冷剂领域[6]，其原因是当时采用亚临界循环，由于临界温度较低，当环境温度稍高时，CO2的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严重影响。当制冷剂环保问题日益突出，并随着跨临界制冷循环的提出，CO2 作为理想的制冷剂开始重新获得新生[4]。1993年，挪威SINTEF能源研究所的G.Lorentzen(1993) 与Neksa Petter(2002) 等人率先对CO2跨临界循环在热泵上的应用作了理论和实验上的研究：分析了其流动性和跨临界循环水—水热泵的特性。研究表明，CO2跨临界循环不仅具有高的供热系数，而且系统紧凑，产生的热水温度高，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力，与传统的热泵相比具有很强的竞争性[2]。早在1995年，日本CRIEPI、东京电力公司和DENSO公司的M .Ssikawa、K.Kusakari等人(2000)就开始合作研究CO2热泵系统,开发家用以CO2为工质的热泵热水器。通过对性能的计算、相关的理论分析，搭建原形试验台进行试验研究，得出CO2热泵热水器的年平均COP可以达到3。实现了CO2热泵热水器的商业化。

CO2作为制冷剂，具有如下特点[7]：

(1) 二氧化碳的消耗臭氧潜能值ODP=0(Ozone Depletion Potential), 全球变暖潜能值GWP=1 (Global Warming Potential), 远远小于CFCS 和HFCS ,符合环保要求；

(2) 单位容积制冷量大,设备紧凑；

(3) 绝热指数大, 因此压缩机排气温度较高,但符合制取较高温度热水的要求；

(4) 临界温度低(31. 1 ℃) ,因此循环一般在跨临界状态下运行,在放热过程中较大的温度滑移可以和变温热源较好的匹配。

此外, 二氧化碳无毒, 不可燃,价格低廉,且粘度低,在较低流速状态下呈现紊流状态,传热性能得到提高。表1-1示出了几种制冷剂的热物理性质。

表1-1 几种制冷剂的热物理性质[5] 工质名称

饱和状态参数 ℃

R744 0 10 HFC134a 0 CFC12 0 10 HCFC22 0 10 10

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压力 Mpa

液体密度 kg/m3 3.94 928.1 4.5 861.5 0.293 1295.

2

14.530.415 1261.5 0.309 1396.6 18.05 0.423 1363.8 24.44 0.5 1281.5 21.2 0.68 1246.7 28.8 蒸气密度 kg/m3 97.7 135.1 2

1.306 20.381 液体比热

kJ/(kg.K)

蒸气比热

kJ/(kg.K)

液体粘度 μPa.S

蒸气粘度 μPa.S

液体导热系数

W/(m(μPa.S))

蒸气导热系数

W/(m(μPa.S)) 1.87 2.56 0.903 350.5104.5 14.8 0.1113 0.0208 86.4 16.0 0.0993 0.0255 3 10.95 0.0994 0.0121 0.955 0.648 247.97 11.7 0.0783 0.0858 0.677 231.15 12.18 0.0746 0.0917 0.74 0.79 2.54 3.00 1.344 0.917 0.930 1.17 1.2 294.21 11.42 0.0948 217.8 11.4 0.100 195.5 11.9 0.0947 0.0101 0.0131 0.095

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二氧化碳的临界温度很低，只有31.1℃，其热泵循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同，采用的是跨临界循环。此种循环不仅可避免受环境温度冷却截止温度的影响，而且还可发挥出它作制冷工质的其它有利因素。[12]其吸热过程（蒸发、压缩）在亚临界条件下进行，换热主要依靠潜热来完成；而冷凝过程则是在接近或超过临界点的区域内进行，放热依靠显热来完成是一个伴随有较大温度滑移的变温过程。这正好可与水加热时的温升相匹配，自然可减少高压侧不可逆传热引起的能量损失。因此，这种特殊的洛伦兹循环，特别适合于家用热水的加热，可得到较高的热泵效率。在CO2跨临界热泵循环系统中，超临界压力区内并无两相区域存在，温度和压力间彼此独立，为相互独立的变数，则高压侧压力对制冷剂焓值也有影响，高压侧压力变化对制冷量、压缩机功耗和COP 值也会产生影响。因此能够实现满足实际需要的多种控制策略。经试验研究分析可得，CO2跨临界循环的高压侧存在着一个最优的运行控制压力，在该压力下，循环的性能系数COP 可达到最大。其主要特点有以下几点：

(1) 二氧化碳的ODP 为零, GWP 值远远小于CFCS 和HFCS ,符合环保要求；

(2) 单位容积制冷量大,设备紧凑；

(3) 绝热指数大, 因此压缩机排气温度较高,但符合制取较高温度热水的要求；

(4) 临界温度低(31. 1℃) ,因此循环一般在跨临界状态下运行。此外, 二氧化碳无毒, 不可燃,价格低廉,且粘度低,在较低流速状态下呈现紊流状态,传热性能得到提高 。

在热力学性能上，作为蒸汽压缩制冷循环的工质，二氧化碳具有一定的缺陷。但是，应该注意的是，根据热力学第二定律，理论性能系数只与所实现的热力过程有关，而与工作介质的热力性质无关，只要两个热源的温度确定以后，理想循环的COP就确定了，因此COP并不是工质的内在属性。

无论从环保的角度还是从节能角度来看，只要系统设计合理，CO2热泵热水器的COP 绝对可以超越传统工质的热泵热水器系统。同时，将CO2热泵与储水箱组合也将是未来的发展趋势之一。因为它可以利用夜间低谷电，提高系统经济

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性，并起到“削峰填谷”的作用。但由于CO2 具有穿越临界点的热力特性，所以，目前CO2热泵热水器所面临的问题主要在于继续提高效率和不断降低成本。因此在设计上还有许多有待突破、改进的技术：

（1）目前，热泵热水器使用的制冷剂主要有R22、R134a、R407c 等，以55℃为冷凝温度时，冷凝压力分别为2.1753MPa、1.4917MPa、2.2153MPa。而CO2 热泵热水器放热过程的压力达到9～10MPa，吸排气压差很大 。由于其在高压状态下运行，因此必须考虑系统承受高压性能、高压保护、压缩机的选择、润滑油的选择等一系列问题。

（2） 在小管径、高质量流率的CO2工质流动时，提高热传效率的研究。例如通过管排型式，对高效跨临界循环热交换器的设计开发等。

（3）由于冷凝出口端与蒸发端的压差大，因此，降低膨胀部分的损失，是解决效率的有效途径.利用膨胀机的输出功率驱动压缩机完成压缩过程，设计高效率的膨胀过程，就成了另一个重要的关键，需要突破的部分。

（4） 对高科技的电子感测与控制技术的研究，针对各种环境需求，进行压力与冷暖房能力的最优匹配控制。

（5）合理利用低品味能源或可再生能源并探讨热水供应与其它供热方式的耦合问题。

（6）其他如对高压系统动能特性的掌控，高压负荷运转时所产生的振动噪音的防止，也是研究CO2压缩机所需面临的重要技术课题。总之,随着技术的不断进步，可以预见在不久的将来，CO2热泵热水器会在该市场领域中占据一定的市场份额，并独领一方。

1.2热水器制热原理

1.2.1卡诺循环基本原理

在运行中，蒸发器从空气的环境热源中吸取热量以蒸发传热工质二氧化碳，工质二氧化碳蒸汽经压缩机压缩后压力和温度都上升，高温蒸汽通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了储水罐中的水，冷凝后的传热工质二氧化碳通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。在超临界压力下，二氧化碳具有比热大、导热系数高、动力粘度小的特点，这对流动和传热都是十分有利的。在实际制冷（热）系统中，蒸发器不可避免地存在着压力损失，这个压力

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损失将使系统的平均蒸发温度降低，从而降低系统的COP 。

低温低压制冷剂经膨胀机构节流降压后，进入空气交换机中蒸发吸热，从空气中吸收大量的热量Q1； 蒸发吸热后的制冷剂以气态形式进入压缩机，被压缩后，变成高温高压的制冷剂（此时制冷剂中所蕴藏的热量分为两部分：一部分是从空气中吸收的热量Q1，一部分是输入压缩机中的电能在压缩制冷剂时转化成的热量Q2；被压缩后的高温高压制冷剂进入热交换器，将其所含热量（Q1+Q2）释放给进入热换热器的冷水，冷水被加热到65℃直接进入保温水箱储存起来供用户生活使用； 放热后的制冷剂以气态形式进入膨胀节流机构，节流降压，如此不间断进行循环。

图1-1热泵热水器的工作原理

1.2.2二氧化碳跨临界循环原理

二氧化碳跨临界循环系统由压缩机、气体冷却器、节流阀和蒸发器组成，系统循环图如图1-1所示。循环原理与一般的蒸气压缩式制冷循环略有不同，其循环的T-S图如图1-2所示。

如图1-2所示，2-1为压缩过程，此时压缩机的吸气压力低于临界压力，二氧化碳在压缩机中被压缩，压力升至超临界压力；

1-3 为冷却过程，换热过程依靠二氧化碳的显热来完成，制冷剂在冷却过程中处于超临界状态，无饱和状态，二氧化碳始终处于气态，并没有发生相变，整个过程二氧化碳的温度不断变化，有较大的温度滑移。因此高压端换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器。在气体冷却器内，冷却介质与二氧化碳工质逆流进行换热，这种方式接近洛伦兹循环，不可逆损失小，压缩机耗功小。工质在冷却过程中与在亚临界状态下完全不同，超临界二氧化碳在气体冷却器中被冷却介

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质所冷却，降温减焓，放出热量；

3-4 为节流过程，经过节流阀节流减压，二氧化碳从超临界压力降到临界压力以下的蒸发压力；

4-2 为蒸发过程，该换热过程与一般的蒸气压缩式制冷循环相同，在亚临界状态下利用二氧化碳的蒸发潜热在蒸发器内气化吸热。

图1-2 CO2循环系统图和T-S图

1.3方案论证

从科学利用能源角度来说，使用电力、燃气、燃油等高品位能源来制热水是极不合算的，并且在能源转换过程中，由于热损失的存在，使得制热系数仅在0.5-0.7之间 。另外，燃油燃气锅炉存在污染问题和漏油、漏气等安全隐患，并且运行费用高、效率低、易结垢，需专人维护。而热泵遵循逆卡诺循环的工作原理，是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统，通过消耗一部分高品位能量，把热量从低温（低品位）热源转移到高温热源中，从而达到节约部分高品位能源（如煤、燃气、油、电能等）的目的，其输出热量包括高品位热量和从低温热源中吸收的热量两部分。从热力学及工作原理上说，热泵就是制冷机。热泵不是热能转换设备，而是热量的搬运设备。在上个世纪初，科学家就提出了热泵的工作原理，为人类使用低温热源指出了方向，目前热泵技术在世界上也有了很多方面的应用，为改变人类的生存环境，节约高品位能源起到了重要的作用。

二氧化碳热泵热水器是一种特定用途的热泵，它吸收环境中的热量，通过制

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冷循环，将热量释放给热水器中的热水，作为洗浴和其他生活热水使用。由于二氧化碳是一种环境友好工质，且具有优良的传热和节能特性，所以近年来二氧化碳热泵热水器在国外，特别是日本发展迅速。

二氧化碳热泵热水器从无论从节能还是环保两方面均具有很强的优势。传统的热泵热水器（工质为R22和R134a）制出的热水温度一般只能达到55℃，对于亚临界循环，若要求更高的热水温度，则冷凝温度趋近该工质的临界温度，因此制冷系数下降。由于二氧化碳热泵热水器中，气体冷却器中存在较大的温度滑移，能够实现和热媒之间的良好的温度匹配，且具有较小的换热温差，换热效率高，并能获得常规工质的热泵热水机组所不能达到的90℃的热水，即使在冬季室外环境温度较低的情况下机组也能正常运行。

1.3.1 压缩机

1.3.1.1压缩机的比较

1.3.1.1.1往复式制冷压缩机

往复式制冷压缩机迄今还是应用最广泛的一种机型，广泛应用于中、小型制冷装置中，但由于往复式机器跟其他形式的机器相比，在可靠性、容积效率、压力稳定等性能方面都有所不及。所以，可以预料，除了在小冷量应用场合，往复式压缩机的市场份额已被其他形式的压缩机占去了一部分。并且失去率还有扩大的趋势由于采取了计算机辅助设计的手段使压缩机的设计、气阀的改进等方面更加合理，对其整体的性能的预料更加精确。目前：其性能系数约为2—2.5w/w（制冷）和2.9—3.4w/w（空调）。

1.3.1.1.2转子式制冷压缩机

这类压缩机如今广泛应用于家用电冰箱和空调器中，它从结构上看主要是因为不需用吸气阀而显得可靠性更高。同样的原因亦使它用于变速运行，在家用空调中其变速比可达10/1（从10~15HZ到100~150JZ），机器的零部件少，尺寸紧凑重量轻也是它的明显优点单缸的转子式压缩机在很低的转速不均匀度会增大，因而开发了双缸机来克服这个缺点。转子式压缩机的研究集中在降低能耗，采用替代工质（如HFC—134a）采用新的润滑油，电动机变速控制和降低噪音等方

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面，其性能系数可达2.9w/w（制冷）和3.4w/w（制热）。

目前,广泛使用的滚动转子式制冷压缩机主要是小型全封闭式，通常有卧式和立式两种，前者多见于冰箱，后者在空调器中常见。

1.3.1１３涡旋式压缩机

涡旋式空气压缩机是近年来开发出来的最新型的空气压缩机，它与传统空气压缩机相比，具有结构新颖、体积小、重量轻、噪音低，寿命长，输气平稳连续，操作简便， 维护费用少等一系列优异的技术性能，被行业内誉为“无需维修空气压缩机”和“新革命空气压缩机”，是50HP以下空气压缩机理想机型。

涡旋空气压缩机是由两个双函数方程型线的动、静涡盘相互啮合而成。在吸气、压缩、排气工作过程中，静盘固定在机架上，动盘由偏心轴驱动并由防自转机构制约，围绕静盘基圆中心，作很小半径的平面转动。气体通过空气滤芯吸入静盘的外围，随着偏心轴旋转，气体在动静盘噬合所组合的若干个月牙形压缩腔内被逐步压缩，然后由静盘中心部件的轴向孔连续排出。

涡旋空气压缩机的特点有：可靠性高涡旋式割据压缩机的主机零件少，是活塞机数量的1/8，零件的大师减少是可靠性提高的关键要素；回转半径小，线速度仅为2m/s，因而磨损小,机械效率高，振动小；科学控制的整机系统更确保稳定性的提高；噪音最低。因无吸、排气阀和复杂的运动机构而消除了阀片的敲击声和气流的爆破声，使噪音急剧降低。吸、排气连续稳定，每分钟6000次以上，使气流脉动极微小1台20HP（15KW）的涡旋式空气压缩机只有62dBA的噪音，使其能在任何地方安装使用，节省大量安装费用，更符合环保要求能耗最低。因为吸气增压效应和没有余隙容积，故涡旋式空气压缩机的容积效率高达98%以上。因为若干个工作腔逐渐压缩，故相邻工作腔的压差非常小，因此泄露自然极少。一个压缩过程分几次压缩，热效率高。无吸、排气阀，故进、排气的阻力损失几乎为零。无运动机构的磨擦磨损，机械效率高，这是涡旋式压缩机比其它空气压缩机大大节能的主要原因。例如：（1台20HP15KW）的涡旋式空压机一年工作6000小时，节省电费可达18000元；维护费用最低。主机零件少，易损件更少，大幅度减少了零件更换可能性。同时更换零配件周期长，使用方便，维护工作量少，维护费用低.特点的具体表现：极低的噪音，比任何空压机噪音都低，可直接放置在生产车间内，对工作者极小干扰，完全省略空压机专用机房。历为

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噪音低，所以可以随意安放在您认为方便的地方，无需为了隔离噪音而将空压机放置在较远的建筑物内，这样省下的不仅仅是建筑费用及长距离的气管安装费用，更可以避免噪音困扰邻居和自身，也可以随企业的不断发展而随意方便地增加压缩空气的供应。（当然要注意避开热源和灰尘等）。噪音范围在48－62分贝；极低的保养费用－保养费用低于任何空压机；由于涡旋空压机本身无易损件、机组性能优良，自动控制可靠，故用户只需轻轻地清扫一下机体两侧的滤网，按规定定时更换机油和滤芯及空气过滤器，油精分器。您就可以放心地使用涡旋空压机了。不必像使用其它空压机那样，再为随时可能发生的易损件更换而破费（这种花费累计下来是不少的），更避免了因故障停机造成的生产停滞而给您带来的经济损失；极低的运行费用，是公认的最高能效比的空压机，每年可为您节省上万元的电费。由于原理上的优越性，使得涡旋空压机比活塞、螺杆、滑片等传统空压机的效率都要高，电费是空压机运行的最大费用，以一台2立方/min机为例，一年运行4000到5000小时，涡旋空压机可为您节约电费一万余元；极低的含油量，空气纯度最高，机内的润滑油主要是为建立一层极薄的油膜和润滑轴承，而不像螺杆机那样主要是为了冷却，而活塞机完全是在烧油。故需要注入的油很少，需要的油气分离器，过滤芯负荷也很轻，输出的压缩空气含油量自然极低。极高的可靠性－号称是无需维修的空气压缩机 主机零部件少，结构新颖，吸送气平稳，故整机振动极小，动静涡盘相互不接触，整机无易损件，因此无需维修的概念具有充足的理由。

1.3.1.1.4螺杆式压缩机

螺杆式空气压缩机的概述：

螺杆式空气压缩机是喷油单级双螺杆压缩机，采用高效带轮(或轴器)传动，带动主机转动进行空气压缩，喷油对主机压缩腔进行冷却和润滑，压缩腔排出的空气和油混合气体经过粗、精两道分离，将压缩空气中的油分离出来，最后得到洁净的压缩空气。

双螺杆空气压缩机具有优良的可靠性能，机组重量轻、震动小、噪声低、操作方便、易损件少、运行效率高是其最大的优点。

压缩机主机工作原理：

螺杆式空气压缩机的核心部件是压缩机主机，是容积式压缩机中的一种，空

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气的压缩是靠装置于机壳内互相平行啮合的阴阳转子的齿槽之容积变化而达到。转子副在与它精密配合的机壳内转动使转子齿槽之间的气体不断地产生周期性的容积变化而沿着转子轴线，由吸入侧推向排出侧,完成吸入、压缩、排气三个工作过程。因此，双螺杆转子的型线技术决定着螺杆式空气压缩机产品定位的档次。

双螺杆空压机的工作流程：空气通过进气过滤器将大气中的灰尘或杂质滤除后，由进气控制阀进入压缩机主机，在压缩过程中与喷入的冷却润滑油混合，经压缩后的混合气体从压缩腔排入油气分离罐，此时压缩排出的含油气体通过碰撞、拦截、重力作用，绝大部份的油介质被分离下来，然后进入油气精分离器进行二次分离，得到含油量很少的压缩空气，当空气被压缩到规定的压力值时，最小压力阀开启，排出压缩空气到冷却器进行冷却，最后送入使用系统。

在蒸汽压缩式制冷和热泵系统中，各种类型的制冷压缩机是决定系统能力大小的关键部件，对系统的运行性能、噪声、振动、维护和使用寿命等有着直接的影响．

1.3.1１５离心式压缩机

离心式制冷压缩机的构造与工作原理：离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高汽体的压力，而是依靠动能的变化来提高汽体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动汽体运动或者使汽体得到动能，然后使部分动能转化为压力能从而提高汽体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以称这种型式的压缩机为离心式压缩机。其中根据压缩机中安装的工作轮数量的多少，分为单级式和多级式。如果只有一个工作轮，就称为单级离心式压缩机，如果由几个工作轮串联而组成，就称为多级离心式压缩机。在空调中，由于压力增高较少，所以一般都是采用单级，其它方面所用的离心式制冷压缩机大都是多级的。单级离心式制冷压缩机的构造主要由工作轮、扩压器和蜗壳等所组成，压缩机工作时制冷剂蒸汽由吸汽口轴向进入吸汽室，并在吸汽室的导流作用引导由蒸发器(或中间冷却器)来的制冷剂蒸汽均匀地进入高速旋转的工作轮3(工作轮也称叶轮，它是离心式制冷压缩机的重要部件，因为只有通过工作轮才

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能将能量传给汽体)。汽体在叶片作用下，一边跟着工作轮作高速旋转，一边由于受离心力的作用，在叶片槽道中作扩压流动，从而使汽体的压力和速度都得到提高。由工作轮出来的汽体再进入截面积逐渐扩大的扩压器4(因为汽体从工作轮流出时具有较高的流速，扩压器便把动能部分地转化为压力能，从而提高汽体的压力)。汽体流过扩压器时速度减小，而压力则进一步提高。经扩压器后汽体汇集到蜗壳中，再经排气口引导至中间冷却器或冷凝器中。

离心式制冷压缩机的特点与特性：离心式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比较，具有下列优点：单机制冷量大，在制冷量相同时它的体积小，占地面积少，重量较活塞式轻5～8倍；由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，因而工作可靠、运转平稳、噪音小、操作简单、维护费用低；工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。故制冷剂蒸汽与润滑油不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能；能经济方便的调节制冷量且调节的范围较大；对制冷剂的适应性差，一台结构一定的离心式制冷压缩机只能适应一种制冷剂；离心式压缩机在大冷量范围内（大于1500kw）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比拟的系统总效率。离心式压缩机的运动零件少而简单，且其制造精度要比螺杆式压缩机低的多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。此外，大型离心式压缩机 如应用在工作压力变化范围狭小的场合中，可以避开由喘振所带来的问题，在不久的将来，总体和部分负荷（Integrated part lode value）将愈来愈被重视，从而要求离心式压缩机要在较宽广的应用工况中工作效率高。但是，相对来讲，离心式压缩机的发展近来有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战，离心式压缩机自1993年就开始根据CFCS替代的需要进行着重新的设计，以使其热力和气动力性能得到更好的改善。因而已有很多离心式压缩机的工质替代转向从HCFC—22置换为HFC—134方面，其制冷量范围为90~1250kw。

从以上分析可知：就性能来讲，涡旋式最好，滚动转子式次之，往复式最差；就成本价格而言，相同制冷能力的压缩机，涡旋式＞滚动转子式＞往复式；据目前的条件，设计中采用滚动转子式压缩机；随着压缩机技术的发展，涡旋式压缩机有成为首选的趋势。

因此，本系统选择涡旋式压缩机。

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1.3.2 冷凝器的选择

冷凝器是制冷装置的主要换热设备之一。它的任务是将压缩机排出的高温高压制冷剂蒸汽 ，通过其向环境放出热量而冷却、冷凝成为饱和液体甚至过冷液体。

1.3.2.1冷凝器的种类及特点

冷凝器按其冷却介质不同，可分为水冷式、空气冷却式、蒸发式和淋水式四类

（1）水冷式冷凝器：水冷式冷凝器是以水作为冷却介质，靠水的温升带走冷凝热量。冷却水一般循环使用，但系统中需设有冷却塔或凉水池。水冷式冷凝器按其结构形式又可分为壳管式冷凝器和套管式冷凝器两种，常见的是壳管式冷凝器：立式壳管式冷凝器，立式冷凝器的主要特点是：由于冷却流量大流速高，故传热系数较高，一般K=600～700(kcal/m2·h·℃)。垂直安装占地面积小，且可以安装在室外。冷却水直通流动且流速大，故对水质要求不高，一般水源都可以作为冷却水。管内水垢易清除，且不必停止制冷系统工作。但因立式冷凝器中的冷却水温升一般只有2～4℃，对数平均温差一般在5～6℃左右，故耗水量较大。且由于设备置于空气中，管子易被腐蚀，泄漏时比易被发现。

（2）卧式壳管式冷凝器：它与立式冷凝器有相类似的壳体结构，主要区别在于壳体的水平安放和水的多路流动。卧式冷凝器不仅广泛地用于氨制冷系统，也可以用于氟利昂制冷系统，但其结构略有不同。氨卧式冷凝器的冷却管采用光滑无缝钢管，而氟利昂卧式冷凝器的冷却管一般采用低肋铜管。这是由于氟利昂放热系数较低的缘故。值得注意的是，有的氟利昂制冷机组一般不设贮液筒，只采用冷凝器底部少设几排管子，兼作贮液筒用。

（3）套管式冷凝器：制冷剂的蒸气从上方进入内外管之间的空腔，在内管外表面上冷凝，液体在外管底部依次下流，从下端流入贮液器中。冷却水从冷凝器的下方进入，依次经过各排内管从上部流出，与制冷剂呈逆流方式。这种冷凝器的优点是结构简单，便于制造，且因系单管冷凝，介质流动方向相反，故传热效果好，当水流速为1～2m/s时传热系数可达800kcal/(m2·h·℃)。其缺点是金属消耗量大，而且当纵向管数较多时，下部的管子充有较多的液体，使传热面积不

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能充分利用。另外紧凑性差，清洗困难，并需大量连接弯头。因此，这种冷凝器在氨制冷装置中已很少应用。对于小型氟利昂空调机组仍广泛使用套管式冷凝器。

（4）空气冷却式冷凝器：空气冷却式冷凝器是以空气作为冷却介质，靠空气的温升带走冷凝热量的。这种冷凝器适用于极度缺水或无法供水的场合，常见于小型氟利昂制冷机组。根据空气流动方式不同，可分为自然对流式和强迫对流式两种。

空气自由运动的空冷冷凝器：该冷凝器利用空气在管外的自由运动是吸收制冷剂放出的热量后，密度发生变化引起空气的自由流动而不断带走制冷剂放出的热量。它不需要风机，没有噪声，多用于小型制冷装置。目前应用非常普遍的是丝管式结构的空气自由流动式冷凝器。

空气强迫流动的空气冷却式冷凝器：它有一组带有肋片的蛇管组成。制冷剂蒸气从上部集管进入蛇管，其管外肋片用于强化空气侧换热，补偿空气侧换热系数过底的缺陷。由低噪声轴式通风机迫使空气流过肋片间隙，通过肋片及管外壁和管内制冷剂交换热量，将其变成液体。此装置适用于中、小型氟利昂制冷装置。它具有结构紧凑、换热效果好、制造简单等优点。

（5）蒸发式冷凝器

蒸发式冷凝器的换热主要是靠冷却水在空气中蒸发吸收气化潜热而进行的。按空气流动方式可分为吸入式和压送式。

蒸发式冷凝器由冷却管组、给水设备、通风机、挡水板和箱体等部分组成。冷却管组为无缝钢管弯制成的蛇形盘管组，装在薄钢板制成的长方形箱体内。箱体的两侧或顶部设有通风机，箱体底部兼作冷却水循环水池。蒸发式与壳管式冷凝器的并联。

（6） 淋水式冷凝器

淋水式冷凝器的主要优点为：1、结构简单，制造方便；2、漏氨时容易发现，维修方便；3、清洗方便；4、对水质要求低。其主要缺点是：1、传热系数低；2、金属消耗量高；3、占地面积大。

淋水式冷凝器是靠水的温升和水在空气中蒸发带走冷凝热量。这种冷凝器主要用于大、中型氨制冷系统中。它可以露天安装，也可安装在冷却塔的下方，但

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应避免阳光直射。

综上所述，由于和上边一样的原因，套管式冷凝器具有该冷凝器结构简单，制作方便，传热特性好等优点。又本系统的换热面积较小，综上所述，根据本装置所特有的低温、结构简单、紧凑、传热系数较小等特点，可选定采用套管式蒸发器，由于长度较长，可将其盘成盘管式，以减少体积。

1.3.3 蒸发器的选择

根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类：冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂——水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等；冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。

1.3.3.1卧式蒸发器

其与卧式壳管式冷凝器的结构基本相似。按供液方式可分为壳管式蒸发器和干式蒸发器两种。卧式壳管式蒸发器广泛使用于闭式盐水循环系统,其主要特点是：结构紧凑，液体与传热表面接触好，传热系数高。但是它需要充入大量制冷剂，液柱对蒸发温度将会有一定的影响。且当盐水浓度降低或盐水泵因故停机时，盐水在管内有被冻结的可能。若制冷剂为氟利昂，则氟利昂内溶解的润滑油很难返回压缩机。此外清洗时需停止工作。

1.3.3.2干式氟利昂蒸发器

主要区别在于：制冷剂在管内流动,而载冷剂在管外流动。节流后的氟利昂液体从一侧端盖的下部进入蒸发器，经过几个流程后从端盖的上部引出，制冷剂在管内随着流动而不断蒸发，所以壁面有一部分为蒸气所占有，因此，它的传热效果不如满液式。但是它无液柱对蒸发温度的影响，且由于氟利昂流速较高(≥4m/s)，则回油较好。此外，由于管外充入的是大量的载冷剂，从而减缓了冻结的危险。这种蒸发器内制冷剂的充注量只需满液式的1/2～l/3或更少，故称之为“干式蒸发器”。

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