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本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目 7kW分體式水源熱泵
空調(diào)機組
學生姓名
專業(yè)班級
學 號
院 （系）
指導(dǎo)教師(職稱)
完成時間
7kW分體式水源熱泵空調(diào)機組
摘 要
本文分析了水源熱泵空調(diào)機組的發(fā)展前景和節(jié)能方面的優(yōu)勢。主要介紹了的水源熱泵空調(diào)機組設(shè)計思路及主要零部件的設(shè)計計算與選擇計算方法，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的性能特點并確定了合適的壓縮機，并詳細介紹了熱力計算、蒸發(fā)器的設(shè)計計算、冷凝器的設(shè)計計算、水箱的尺寸計算、隔熱計算、節(jié)流機構(gòu)的選擇計算和一些其他零部件的選擇計算的過程。分析了水源熱泵空調(diào)機組的組成結(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，討論了其在節(jié)能環(huán)保方面的巨大優(yōu)越性。結(jié)合工程實際開發(fā)了不同類型的水源熱泵,對水源熱泵系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。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/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 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國外發(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 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 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)運行原理 10
2.4 熱泵性能分析 10
2.4.1 熱泵的經(jīng)濟性分析 10
2.4.2 冷熱源分析比較 11
2.4.3 方案選擇 12
2.5 壓縮機選型 13
2.5.1 壓縮機種類比較 13
2.5.2 斡旋壓縮機的特點 13
2.5.3 選擇壓縮機 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)流機構(gòu)的選擇 18
2.8.1 常用節(jié)流機構(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)計工況要求 20
3 設(shè)計計算 21
3.1 理論循環(huán)計算 21
3.2 冷凝器的計算 23
3.2.1 冷凝器傳熱管的選擇及參數(shù)計算 23
3.2.2 冷凝器熱負荷及冷卻水流量 25
3.2.3 傳熱計算 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)計計算 27
3.3.1 套管蒸發(fā)器傳熱管的選擇及參數(shù)計算 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)流機構(gòu)計算 32
3.4.1 熱力膨脹閥的選型計算 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)計算及隔熱要求 35
3.5.1 幾何參數(shù)計算 35
3.5.2 隔熱要求及計算 37
4 輔助設(shè)備的設(shè)計計算 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干燥過濾器 48
結(jié) 論 50
致 謝 52
參考文獻 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)保意識的提高，世界和中國的能源利用結(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。此時具有經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保等多方面優(yōu)勢的水源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)運而生，彌補了中國傳統(tǒng)的供暖空調(diào)方式存在的問題，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。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3.5～4.4，與傳統(tǒng)的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調(diào)的50～60％[2]。
1.2 水源熱泵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)在地表水源熱泵方面的應(yīng)用才剛剛開始?，F(xiàn)在利用海水和湖水的熱泵都有應(yīng)用，隨著上海 2010 世博會的工程開工，利用黃浦江水作為冷熱源的熱泵項目也開始了建設(shè)使用。目前我國應(yīng)用海水源熱泵的項目有：青島東部開發(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)；目前青島市正在進行規(guī)劃，準備在沿海一帶實行海水供熱供冷，取代鍋爐； 在山東，湖南等地，也有湖水源熱泵應(yīng)用的先例。
我國對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 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，天津大學熱能研究所呂燦仁教授開展了我國熱泵的最早研究，1965 年研制成功國內(nèi)第一臺水冷式熱泵空調(diào)機。中國水源熱泵的研究和應(yīng)用才剛剛起步，與國外相比，在熱泵機組的優(yōu)化設(shè)計、 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。目前國內(nèi)對于開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 國外發(fā)展現(xiàn)狀
國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)展相當迅速。如美國，截止1985年全國共有4000臺源熱泵，而1997年就安裝了45000臺，到目前為止已安裝了400000臺，每年以10％速度穩(wěn)步增長。1998年美國商業(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％。美國源熱泵工業(yè)已經(jīng)成立了由美國能源環(huán)境研究中心(Energy & Environmental Research Center)、美國下水資源聯(lián)合會(National Ground Water Association)、愛迪生電力研究所(Edison Electric Institute)及眾多源熱泵制造設(shè)計銷售公司以及政府機構(gòu)和建筑商等46家成員組成美國源熱泵協(xié)會，該協(xié)會近年中將投入一億美元從事開發(fā)、研究和推廣工作。美國計劃到200年達到每年安裝40萬臺源熱泵目標，其中，水源熱泵占5％，屆時將降低溫室氣體排放百萬噸，相當于減少50萬輛汽車污染物排放或種植樹百萬英畝，年節(jié)約能源費用達4.2億美元，此后，每年節(jié)約能源費用再增加0.7億美元[4]。??
與美國源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧利、德國等國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，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，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，高壓高溫的制冷劑氣體從壓縮機出來后進入水/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。到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體后進入蒸發(fā)器蒸發(fā)成低壓蒸汽，同時吸收空氣的（水）熱量。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時，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，高壓高溫制冷劑氣體從壓縮機壓出后進入冷凝器同時排放熱量而冷卻成高壓液體，到熱膨脹閥進行節(jié)流膨脹成低壓液體進入蒸發(fā)器器蒸發(fā)成低壓蒸汽，蒸發(fā)過程中吸收水中的熱量將水冷卻。低壓制冷劑蒸汽又進入壓縮機壓縮成高壓氣體，如此循環(huán)不已。此時，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冷式和冷卻塔式，機組效率提高。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
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，可以提高機組的效率。因為水的熱容大，所以地表水體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水1℃大約能提高機組 3%的效率。據(jù)美國環(huán)保署 (EPA)估計，設(shè)計安裝良好的水源熱泵，平均來說可以節(jié)約用戶 30%～ 40%的供熱制冷空調(diào)的運行費用。
冬季供暖時，同鍋爐相比，沒有污染排放。減輕了環(huán)境壓力。在使用燃料鍋爐時，鍋爐只能將燃料中部分熱能轉(zhuǎn)化成熱能供給用戶，同時排出污染物。 使用電鍋爐的時候，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 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，一機多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋爐加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。特別是對于同時有供熱和供冷要求的建筑物，水源熱泵有著明顯的優(yōu)點。不僅節(jié)省了大量能源，而且用一套設(shè)備可以同時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、辦公樓、學校等建筑，小型的水源熱泵更適合于別墅住宅的采暖、空調(diào)。
分體水源熱泵機組分為內(nèi)機、外機兩個部分，內(nèi)機結(jié)構(gòu)近似于暗裝直冷式風機盤管。外機主要結(jié)構(gòu)包括壓縮機、冷凝器、四通筏等制冷、制熱部件，名為“ 外機”，實際上一般安裝于室內(nèi)。將壓縮機、冷凝器等與送風盤管分開來，一方面減小了機組尺寸， 使內(nèi)機高度低于250mm， 外機高度低于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)計進行安裝。另一方面降低了室內(nèi)的噪音，外機可安裝于走廊、洗手間、廚房吊頂、陽臺等位置，避免噪聲影響室內(nèi)。有的建筑物內(nèi)，特別在過渡季節(jié)，部分區(qū)域需要供冷，部分區(qū)域需要供熱，水源熱泵可以同時供冷和供熱，可以實現(xiàn)建筑內(nèi)冷熱量的轉(zhuǎn)移和平衡。
水源熱泵機組的運行沒有任何污染，可以建造在居民區(qū)內(nèi)，沒有燃燒，沒有排煙，也沒有廢棄物，不需要堆放燃料廢物的場地，且不用遠距離輸送熱量。水源水經(jīng)過熱泵機組時，只是交換了熱量，水質(zhì)不會發(fā)生變化，不消耗、不破壞、不污染水資源，使用過程中不釋放任何對環(huán)境有害的排放物。制冷是產(chǎn)生的熱量傳遞給大地，不會產(chǎn)生厄爾尼諾現(xiàn)象。不燃油、不燒煤、無爆炸危險。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，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。
全電腦控制，顯示屏顯示機組工作狀態(tài)，多個可內(nèi)置參數(shù)設(shè)定可隨時調(diào)整機組工作狀態(tài)自動故障報警。高低壓、溫度、斷水、5次啟停等多種保護功能，保證壓縮機免受損壞。
水源熱泵系統(tǒng)各個制冷單元相互獨立迸行空氣調(diào)節(jié)，空調(diào)機組分散于各個空調(diào)房間，相互獨立進行空氣調(diào)節(jié)，新風機系統(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)水溫數(shù)據(jù)不全，對取水點的水溫數(shù)據(jù)，國家沒有準確的數(shù)據(jù)監(jiān)測，使得設(shè)計方不能明確取水點溫度的全年變化情況?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)過于粗糙，難以適應(yīng)地表水源熱泵的設(shè)計需要。在沒有詳細數(shù)據(jù)的情況下，設(shè)計方傾向于進行保守的估計，所以一般會將系統(tǒng)選大，這樣反而造成了出投資以及運行費用上的浪費，與使用水源熱泵的節(jié)能目的也背道而馳。
國內(nèi)對于地表水源熱泵的研究相對滯后，目前國內(nèi)對地表水源熱泵基本都以具體的工程作為研究對象，局限于這個項目的需要，并沒有把相關(guān)的研究進一步深入以及全面地考慮地表水源熱泵的共性。
冬季運行時大型離心機有可能不能工作，就目前數(shù)據(jù)來看，大型離心式壓縮機在進水溫度低于 8℃的時候很難開機。所以，目前的工程多采用螺桿機組。這樣，如果工程比較大，需要的冷量、熱量比較多的情況下，就面臨著機器過多，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。
長途取水的經(jīng)濟性，夏季工況依靠水的顯熱來帶走熱量，取水量大，如果取水點距離用水設(shè)備過遠，則不經(jīng)濟。因為水源往往低于地面，而且取水點一般在水下，把水送到機組要克服從取水點到機組的揚程以及阻力，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，取水點距離機組過遠，可以采用低于取水點的地下機房，這樣水泵就只需要克服管路和設(shè)備的阻力，但是這樣必然會帶來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
系統(tǒng)部件除壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，節(jié)流機構(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)采用常見的單級壓縮蒸汽無回熱熱力循環(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傳遞熱量，即制冷劑在蒸發(fā)器中汽化時吸熱，在冷凝器中凝結(jié)時放熱。當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)碳氫化合物等。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。按照化學成分，制冷劑可分為五類：無機化合物制冷劑、氟利昂、飽和碳氫化合物制冷劑、不飽和碳氫化合物制冷劑和共沸混合物制冷劑。根據(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、無機化合物制冷劑：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。對于無機化合物制冷劑，國際上規(guī)定的代號為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)：氟利昂是飽和碳氫化合物中全部或部分氫元素(H)被氯(Cl)、氟(F)和溴(Br)代替后衍生物的總稱。國際規(guī)定用“R”作為這類制冷劑的代號，如R22等。
4、飽和碳氫化合物：這類制冷劑中主要有甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和環(huán)狀有機化合物等。代號與氟利昂一樣采用“R”，這類制冷劑易燃易爆，安全性很差。如 R50、R170、R290等。
5、不飽和碳氫化合物制冷劑：這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，為此對有關(guān)制冷劑的性能必須有所了解。對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)對環(huán)境無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液化，此時將需要溫度很低的冷卻介質(zhì)；且由于當制冷劑在節(jié)流前的溫度接近臨界溫度時，制冷劑的氣化潛熱很小，節(jié)流損失就會很大，循環(huán)的經(jīng)濟性將很差；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，以免壓縮機和冷凝器等設(shè)備過于龐大；同時冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之比不過大，以免壓縮終溫過高，壓縮機的輸氣系數(shù)過低；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之差也希望盡可能的小，以降低對壓縮機強度的要求[6] 。
(4) 化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好不燃燒、不爆炸、無毒；不腐蝕常用工程材料、與潤滑油不起化學反應(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，同時節(jié)流后的干度較小。
(11) 價廉易得。
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)特點和市場水冷柜式空調(diào)常用制冷劑，選擇制冷劑為R134a。其優(yōu)點為：R134a的綜合性能極佳，具有良好的熱力性能。如：運行壓力適中；具有較大的單位容積制冷量；等熵指數(shù)較小；而且無毒、無燃燒及無爆炸等優(yōu)點。R134a的出現(xiàn)并隨其價格的逐漸降低，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℃。它的主要熱力學性質(zhì)與R12相似，不會破壞空氣中的臭氧層，是近年來推薦使用的環(huán)保冷媒，會造成輕度溫室效應(yīng)，是比較理想的R12替代制冷劑。
R134a無色，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，對大氣臭氧無破壞作用，溶解度很小，僅0.11%，且隨溫度的降低而減少。R134a對系統(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、四通閥、室內(nèi)換熱器和室外換熱器以及節(jié)流部件,其特征是壓縮機為全封閉渦旋壓縮機, 室外換熱器為套管式換熱器,壓縮機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的低壓入口相通,四通閥的接口與一個及以上的室內(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,每個室內(nèi)換熱單元包括依次相通的第一截止閥、室內(nèi)機換熱器、室內(nèi)機節(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，與蒸發(fā)器中的工質(zhì)2進行熱交換，工質(zhì)2吸收熱量后，蒸發(fā)成低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機提高壓力和溫度后，進入冷凝器凝結(jié)成液體并向工質(zhì)3放出熱量，這熱量實際上包括來自低位熱源熱量和壓縮機的功耗，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入蒸發(fā)器，再開始新的工作循環(huán)[10]。制冷工作流程與此相反。制冷劑從壓縮機出來經(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 水源熱泵制熱過程的工作原理
2.3.2 系統(tǒng)運行原理
以制熱工況為例，系統(tǒng)原理如下圖2-2：
圖 2-2 水源熱泵制熱過程的系統(tǒng)原理
2.4 熱泵性能分析
2.4.1 熱泵的經(jīng)濟性分析
(1) 熱泵機組可以達到一機兩用的效果，即冬季利用熱泵采暖，夏季進行制冷。既節(jié)約了制冷機組的費用，有節(jié)省了鍋爐房的占地面積。
(2) 如已有地熱井，則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，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)對大氣及環(huán)境無任何污染，而且對能源消耗極低，屬于綠色環(huán)保型裝置，符合目前我國能源、環(huán)保的基本政策，對用戶本身也無形中起到自我宣傳的作用[11]。
熱泵供熱比鍋爐供熱是先進的，將熱泵與煤、燃氣、油等多種方式采暖時，以加熱為10000千卡熱量所需的費用做一個綜合比較[12]，我們可以得出：
1) 用熱泵機組：設(shè)熱泵的COP（指其制熱量與所消耗的電能的比值，即機組的性能系數(shù)）值為4，則耗電量為2.91kW，若電費平均價格為0.5元/kWh（北京地區(qū)），則電費為：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。若煤價為0.35元/kg，則費用為：2.13 х 0.35元 = 0.75元。
3) 用燃氣：燃氣大約能夠產(chǎn)生75%的熱量，則所需的燃氣量為3.81立方米。若燃氣價格為0.8元/，則費用為：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。若油價為2.4元/kg，則費用為：1.16 х2.4元 = 2.78元。
空調(diào)類別
能源價格
熱轉(zhuǎn)換
效率,%
燃料熱值
單位功率費用,元/kwh
運行費用,元/ m3
特點
燃煤空調(diào)
280元/t
55
5000kwh/kg
0.102
13.4
污染嚴重,
費用低
燃氣空調(diào)
1.7元/m3
75
10500kwh/ m3
0.216
28.5
輕微污染,
費用較高
燃油空調(diào)
3000元/t
85
10500kwh/ kg
0.336
44.3
輕微污染,
費用高
電暖氣
0.5元/kwh
100
0.5
66
無污染,
費用最高
水源熱泵
0.5元/kwh
410
0.166
22.6
無污染,
費用低
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，通過熱交換對建筑進行空氣調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)利用了地球表面淺層的地熱資源，冬季通過熱泵將水中的地位熱能提高品位，對建筑供暖；夏季通過熱泵將建筑內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對建筑進行降溫。水源熱泵系統(tǒng)簡單，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)來吸收余熱余濕。這種系統(tǒng)常用分散安裝的局部空調(diào)機組，制冷機管道不變長距離輸送，不宜作為集中式空調(diào)系統(tǒng)來使用，另外這種系統(tǒng)對制冷機有一定要求，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)是將空氣通過空氣處理設(shè)備（過濾，冷卻，加熱，加濕設(shè)備和風機等）處理后，經(jīng)風管送到各方間。處理過程復(fù)雜，耗電量大?？諝馓幚碓O(shè)備集中設(shè)置，因此主機房占地面積較大，對于不設(shè)有地下室的別墅使用顯然不太方便[14]。
水源模塊機組
螺桿冷水機組
直燃機
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
可維護性
最高，多臺壓縮機、
多個模塊
不如模塊機組，與回路布置有關(guān)。
相對低，任何一個小小故障都可能導(dǎo)致機組不能運行
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，為模塊機組的2倍以上
無需
啟動速度
快，開機即開始制冷熱，幾分鐘就達到滿負荷
快，開機即開始制冷，幾分鐘就可達滿負
慢，開機到滿負荷時間至少需要15分鐘
停機時間
按下停止按鈕即可停機，幾分鐘后可停水泵
同前
停機需要稀釋，一般需要半個小時，此期間水泵要一直開啟
可維護性
較容易判斷故障，而且檢修快捷
同前
困難，溴化鋰機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，維護保養(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
同前
每年衰減1—3%，若保養(yǎng)不當，衰減更快
壽 命
不低于20年
不低于15年
理論上涉及15年，實際上難達到
2.4.3 方案選擇
表 2-2 地源熱泵中央空調(diào)、螺桿式冷水機組與直燃機技術(shù)經(jīng)濟比較
水源熱泵在所有空調(diào)機組中運行費用最低，而且設(shè)備初投資也比較低廉。當有低溫源（如地下水）條件時，且在各類制熱空調(diào)中費用最低無污染，所以水源熱泵是首選。該建筑設(shè)計原則是環(huán)保、節(jié)能，根據(jù)以上比較，選擇水源熱泵空調(diào)機組進行空氣調(diào)節(jié)。
2.5 壓縮機選型
2.5.1 壓縮機種類比較
在制冷量相同的條件下，渦旋式壓縮機與往復(fù)式壓縮機及滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機相比較具有許多優(yōu)點：
（1）效率高。渦旋式壓縮機的吸氣、壓縮、排氣過程是連續(xù)單向進行，因而吸入氣體的有害過熱小；相鄰工作腔間的壓差小，氣體泄露少；沒有余隙容積中氣體向吸氣腔的膨脹過程，容積效率就高，通常達95%以上；動渦旋體上所有點均以幾毫米的回轉(zhuǎn)半徑作同步回轉(zhuǎn)，所以運動速度低，摩擦損失少；沒有吸氣閥，也可以不設(shè)置排氣閥，所以氣流的流動損失小。
（2） 力矩變化小，振動小，噪音低。因一對渦旋體中幾個月牙空間可同時進行壓縮過程，故使曲軸轉(zhuǎn)矩變化小，渦旋式壓縮機僅為滾動轉(zhuǎn)子式和往復(fù)式的1/10，壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)；且進排氣的壓縮脈動很小，故噪音和振動都小[14]。
（3）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕，可靠性高。渦旋式壓縮機構(gòu)成壓縮室的零件數(shù)目與滾動轉(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)的柔性機構(gòu)，能避免液擊造成的損傷和破壞，故渦旋式壓縮機的運行可靠性高。
2.5.2 渦旋壓縮機的特點
渦旋式空氣壓縮機與往復(fù)式壓縮機和其他類型的壓縮機相比擁有很多優(yōu)點：體積小，重量輕， 零部件少；運動部件受力變化小，振動小，噪聲低； 絕熱效率、容積效率、機械效率高等。這些特點使渦旋壓縮機相對其他類型壓縮機而言發(fā)展空間更加廣闊。但是一般情況下渦旋壓縮機無法實施外部冷卻，工作過程中的熱量難以導(dǎo)出，必須對壓縮腔進行內(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)較大的空氣壓縮機的發(fā)展。如果不采用內(nèi)部冷卻，空氣壓縮機壓比不能大于3。而對制冷、空調(diào)領(lǐng)域來說，氟利昂工質(zhì)絕熱指數(shù)小，渦旋壓縮機發(fā)展相對順利，技術(shù)也較完善[15]。
渦旋壓縮機以其體積小、重量輕、噪聲低、效率高、運行平穩(wěn)的優(yōu)點，僅幾年時間便在國內(nèi)壓縮機市場占有一席之地。以下渦旋式空氣壓縮機的今后發(fā)展方向：
（1）建立系統(tǒng)的包括壓縮機油冷卻、供油、電機等外部系統(tǒng)在內(nèi)的模塊化數(shù)學模型，使之具有通用性；并在原有基礎(chǔ)上強化對壓縮機內(nèi)部熱力學特性、動力學特性的研究，更完善地分析壓縮機各種運行工況下的工作過程；
（2）加強對實際運行的實驗研究，建立起關(guān)于渦旋空壓機理論和實驗相應(yīng)發(fā)展的統(tǒng)一體系，保證渦旋式空壓機在借鑒其他類型壓縮機的基礎(chǔ)上發(fā)展方向的準確性；
（3）擴大渦旋式空氣壓縮機機型， 打破渦旋壓縮機在大容量( > 2 L/ min) 上的空白；
（4）提高對渦旋式空壓機的加工工藝，保證壓縮機性能和品質(zhì)；
（5）增強渦旋式空壓機的市場競爭力，在保證性能和品質(zhì)的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本、運行成本，從而降低產(chǎn)品價格，并實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
2.5.3 選擇壓縮機
表2-3 ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機參數(shù)
制冷量W
輸入功率kW
220V時電流A
COP?W/W
排量cm3/rev
7400
1.77
10.03
3．62
9．9
排量m3/h
潤滑油充注c
殘留濕度mg
凈重
工質(zhì)
13.1
1.5
15
28
R134a
按本設(shè)計的要求和設(shè)計計算得出的一些數(shù)據(jù)，可以選用ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機，經(jīng)過查艾默生谷輪壓縮機系列，可知ZB26KQE-PFJ的額定工況為：頻率50HZ，蒸發(fā)溫度4℃，冷凝溫度45℃，過冷度5℃，過熱度10℃。
表2-4 壓縮機工作工況
ZB26KQ E-PFJ壓縮機
制冷劑
R134a
頻率
50Hz
標準額定工況
蒸發(fā)溫度
4 ℃
冷凝溫度
45 ℃
過冷度
5K
過熱度
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)是將壓縮機排出的高壓過熱制冷劑蒸汽，通過向環(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，需設(shè)置冷卻水系統(tǒng)，水側(cè)會產(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，作為冷凝器時耐壓為1.6～1.8MPa ，設(shè)計較復(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)計復(fù)雜、制造成本最高、水垢可以化學清洗，由于其可以大幅減小制冷機的體積和重量，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/(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(yīng)用。對于小型氟利昂空調(diào)機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熱源進行熱交換。蒸發(fā)器是吸收熱量，為被冷卻對象提供冷量的設(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，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)的溶液中來加熱溶液、使溶劑汽化的蒸發(fā)過程。
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行的傳熱過程。
（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，對于熱敏性物料，如抗生素溶液、果汁等應(yīng)在減壓下進行。而高粘度物料就應(yīng)采用加壓高溫熱源加熱（如導(dǎo)熱油、熔鹽等）進行蒸發(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，并將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，此蒸發(fā)過程即為多效蒸發(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)的濕潤面積。同時其進出口處的壓差隨流動阻力增大而增加，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，其優(yōu)點為：
1) 制冷劑充注量小；
2) 載冷劑在管外流動，不易凍結(jié)，凍結(jié)后不易損壞傳熱管；
3) 容易回油，制冷劑與潤滑油不分離，無需從下部回油；
4) 不存在制冷劑自由液面，可用于車船；
5) 幾乎沒有靜液柱影響。
干式蒸發(fā)器的缺點為：
1) 制冷劑在換熱面上的浸潤面積小，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)流機構(gòu)的選擇
節(jié)流機構(gòu)在整個熱力循環(huán)計算中起著重要作用，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，與壓縮機輸氣量相平衡。
2.8.1常用節(jié)流機構(gòu)
（1）手動節(jié)流閥：手動節(jié)流閥是所有膨脹閥的原型和基礎(chǔ)，通常用于試驗用制冷裝置、作為其他節(jié)流機構(gòu)的備用件、制冷裝置定型實驗等；
（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)器出口處制冷劑過熱度來控制通斷和流量的節(jié)流機構(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)器出口處制冷劑過熱度來控制通斷和流量，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式兩類，利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過熱度來控制通斷和流量，需與單片機控制系統(tǒng)配套，適用于各種系統(tǒng)。
（6）毛細管：制冷劑在毛細管內(nèi)的膨脹過程，是流體在等截面管道中有摩擦的、有或無熱交換的流動過程。毛細管是不可調(diào)節(jié)的節(jié)流機構(gòu)，當工況發(fā)生變化時，制冷劑流量無法相應(yīng)進行調(diào)節(jié)?？紤]到本系統(tǒng)的成本及實際需用，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毛細管相連，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，推動閥桿使膨脹閥開度增大，進入到蒸發(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)與壓縮機的制冷量相匹配。如果熱力膨脹閥的制冷量較壓縮機的制冷量小的多，會造成工作時熱力膨脹閥始終全開，但制冷劑流量仍小于系統(tǒng)設(shè)計流量，系統(tǒng)的自平衡特性會使冷凝壓力上升，蒸發(fā)壓力下降，在新的條件下達到新的平衡，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的制冷量大的多，會造成工作后制冷劑流量過大，蒸發(fā)器出口處制冷劑過熱度過小或沒有過熱度，導(dǎo)致閥關(guān)閉且存在液擊的可能；過一段時間后蒸發(fā)器中制冷劑量減少，過熱度增大，閥重新開啟但流量又過大，導(dǎo)致過熱度過小或沒有過熱度；如此反復(fù)振蕩，易造成系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。
一般來說，在實際工作工況下，熱力膨脹閥制冷量應(yīng)是壓縮機制冷量的1.05～1.25倍。在此，針對本系統(tǒng)采取熱力膨脹閥制冷量是壓縮機制冷量的1.25倍[18]。
2.9 設(shè)計工況要求
（1）制冷工況
進水溫度：12℃；循環(huán)回水溫度7℃，過熱度Δt0=10℃,過冷度Δtk=5℃
制冷劑：R134a
壓縮機：ZB26KQE-PFJ全封閉渦旋壓縮機1臺
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)計計算
3.1 理論循環(huán)計算
制冷工況下循環(huán)的性能指標計算
（1） 作出lgP-h圖，并標出相應(yīng)的狀態(tài)點:
表3-1 各點數(shù)值
p
t
v
h
s
點
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點表示飽和蒸汽，1點表示過熱蒸氣,1—2表示制冷劑在壓縮機中的等熵壓縮過程，2—3—4表示制冷劑在冷凝器中的冷卻和冷凝過程，4—5表示節(jié)流過程，制冷劑在節(jié)流中壓力和濕度都降低，但焓值保持不變，且進入兩相區(qū)。5—1表示制冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，這里采用R134a制冷工質(zhì)[17] 。
（2）通過查各種制冷劑壓焓圖軟件，理論循環(huán)中各種點的狀態(tài)參數(shù)并列上表。
（3）計算性能指標
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) 壓縮機的實際輸氣量
（3-5）
壓縮機理論輸氣量
（3-6）
6) —壓縮機指示效率，=0.75
理論功率
（3-7）
指示功率
（3-8）
壓縮機的軸功率為
（3-9）
7）冷凝器熱負荷的計算
由狀態(tài)點2的焓值計算式得：
式中，為壓縮機的只是效率，它被定義為等熵壓縮過程耗功量與實際壓縮過程耗功量之比。由上式得：
（3-10）
故
（3-11）
3.2 冷凝器的計算
3.2.1 冷凝器傳熱管的選擇及參數(shù)計算
1)冷凝溫度：45℃
2)冷卻水進水溫度：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號管其管型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：翅節(jié)距、翅厚、翅高h=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
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
每米管長肋片面積
（3-12）
單位管長肋頂面積
（3-13）
單位管長肋間基管面積
（3-14）
單位管長肋片面積
（3-15）
單位管長外面積
（3-16）
冷卻水的定性溫度
℃ （3-17）
對數(shù)平均溫差
℃ （3-18）
3.2.2 冷凝器熱負荷及冷卻水流量
冷凝熱負荷
=8.7392kW （3-19）
查水的物性表可知，水在34攝氏度時，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 傳熱計算
先計算水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，水在℃時，運動粘度，因為
（3-22）
則說明水在管內(nèi)為湍流
先計算水側(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℃時物性集合系數(shù)B=1386
查表得：1號管增強系數(shù)
套管間R134a冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由下式計算得
（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℃時，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度為
（3-20）
盤管的曲率半徑為125mm，周長為0.39m,所以套管換熱器盤6.1圈