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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 100KW空氣源熱泵熱水器
學(xué)生姓名
專業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師（職稱）
完成時(shí)間
100KW空氣源熱泵熱水器
摘 要
本文主要介紹了空氣源熱泵熱水器的工作原理、特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及其存在的問(wèn)題。首先是從空氣源熱泵的概述、起源、發(fā)展歷程等進(jìn)行了介紹。然后通過(guò)對(duì)制冷的熱力學(xué)基礎(chǔ)分析，運(yùn)用熱力學(xué)第一定律進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)計(jì)算說(shuō)明所選取工況的合理性。
本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是在查詢了大量的書籍資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，每一個(gè)零部件的選擇均進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算，并參考有關(guān)行業(yè)標(biāo)注和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的選型確定，通過(guò)對(duì)實(shí)際物體的參考來(lái)進(jìn)行的熱泵熱水器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 空氣源/熱泵/熱水器/設(shè)計(jì)
100KW AIR-SOURCE HEAT PUMP WATER HEATER
ABSTRACT
This paper mainly introduces the working principle of the air source heat pump water heater, the air source heat pump water heater characteristics, development situation at home and abroad and the existing problems. What is introduced firstly is summary of the air source heat pump, the origin and development process. Refrigeration thermodynamic fundamental analysis to select a suitable cooling, and then the calculation of the thermodynamic cycle. By the first law law of thermodynamics, energy conversion of the entire system, and to select reasonable conditions adopted in the calculation of the coefficients of the refrigeration cycle.
The graduation project, on the basis of checking on a large number of books and data, each selected component cost the rigorous calculation, and marked with reference to the relevant industry and national standards selection determine, through the actual object reference to the design of the air source heat pump water heater.
KEY WORDS air-source,heat pump,water heater,design
II
100KW空氣源熱泵熱水器
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 熱泵熱水器 1
2空氣源熱泵熱水器的組成 12
2.1壓縮機(jī)分類及特點(diǎn) 12
2.2 冷凝器分類及特點(diǎn) 14
2.3節(jié)流裝置分類及特點(diǎn) 19
2.4 蒸發(fā)器分類及特點(diǎn) 22
2.5 制冷劑選擇 24
3 空氣源熱泵熱水器壓縮機(jī)的選型 29
3.1熱力計(jì)算 29
3.2 壓縮機(jī)校核 31
4 空氣源熱泵熱水器冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算 34
4.1 肋相關(guān)參數(shù) 34
4.2 冷凝器熱負(fù)荷及冷卻水流量 35
4.3 冷凝器結(jié)構(gòu)初步規(guī)劃 35
4.4 管內(nèi)水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 37
4.5計(jì)算R134a蒸汽冷凝表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 37
4.6 計(jì)算傳熱系數(shù)和面積熱流量 38
4.7 計(jì)算所需要的傳熱面積 39
4.8 計(jì)算冷卻水側(cè)流動(dòng)阻力 39
4.9 管板 41
4.10 分程隔板 41
4.11 拉桿 42
5 節(jié)流裝置的選擇 43
6 蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算 45
6.1傳熱管選型及排布 45
6.2 計(jì)算幾何參數(shù) 45
6.3 計(jì)算空氣側(cè)干表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 46
6.4 計(jì)算空氣側(cè)傳熱系數(shù) 48
6.5 計(jì)算制冷劑管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 49
6.6 計(jì)算管內(nèi)傳熱面積 51
6.7 傳熱管的長(zhǎng)度 51
6.8 R134a的流動(dòng)阻力及其對(duì)傳熱管溫差的影響 52
6.9 空氣側(cè)的阻力計(jì)算 53
7 輔助設(shè)備的選擇 54
7.1 貯液器的選擇 54
7.2 集油器的選擇 55
7.3 過(guò)濾器選擇 56
7.4 風(fēng)機(jī)選型 56
7.5 視夜鏡選型 58
7.6 單向閥 59
7.7 循環(huán)水泵選型 60
7.8 油分離器 61
7.9電磁閥 63
7.10 溫度控制器 65
8 制冷系統(tǒng)管路設(shè)計(jì) 67
8.1 制冷管路 67
8.2 制冷管路設(shè)計(jì)原則 67
8.3 制冷管徑及流速的選擇 68
結(jié)束語(yǔ) 70
致 謝 71
參考文獻(xiàn) 72
3
1 緒論
1.1 概述
當(dāng)今世界，人類社會(huì)發(fā)展日益加速，無(wú)論是在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，還是第三產(chǎn)業(yè)服務(wù)業(yè)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，都是處于人類歷史上空前發(fā)展最快的一個(gè)階段。能源是每個(gè)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的最重要一環(huán)，據(jù)預(yù)測(cè)，到21世紀(jì)中葉，可再生能源在世界能源結(jié)構(gòu)中將占到50%以上，而隨著人類生活水準(zhǔn)的不斷提高，各方面的能源消耗也呈攀升趨勢(shì)。2006年2月16日,旨在限制溫室氣體排放、遏制全球變暖的《京都議定書》生效, 大力鼓勵(lì)、推廣綠色環(huán)保新能源及其應(yīng)用產(chǎn)品成為必然的選擇。而能源緊張、拉閘限電、燃?xì)鉂q價(jià)等問(wèn)題的凸顯喚起了人們對(duì)能源戰(zhàn)略應(yīng)用的重新思考,同時(shí)也將人們的目光引向了新型能源的開發(fā)與利用, 這促使傳統(tǒng)的、高能耗的家電產(chǎn)品逐步退出市場(chǎng)。與此同時(shí)，為了減少能源消耗，利用空氣能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等綠色能源是解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑之一[1]
。
在我國(guó), 隨著人類生活水準(zhǔn)的不斷提高，熱水能耗越來(lái)越大,衛(wèi)生熱水節(jié)能已成為不容忽視的問(wèn)題。這就催生了新一代熱水器——空氣源熱泵熱水器。
1.2 熱泵熱水器
1.2.1 空氣源熱泵熱水器發(fā)展概況
1.2.1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
空氣源熱泵技術(shù)在我國(guó)的研究已有很長(zhǎng)的歷史,但是真正得到快速發(fā)展、普遍應(yīng)用則是最近十幾年到20年的事情,主要是用在制冷空調(diào)系統(tǒng)上,如家用空調(diào)器、商用多聯(lián)機(jī)組及工業(yè)工藝用的制冷制熱設(shè)備等。而空氣源熱泵熱水器在我國(guó)興起沒(méi)多少年,還有許多問(wèn)題需要解決。
首先，空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)單從原理上看,似乎只要把熱泵空調(diào)器用于采暖的熱變成熱水就可以出產(chǎn)品了,其實(shí)不然。熱水器產(chǎn)熱水的溫度要求在55℃,所以,它不僅有著與采暖熱泵同樣的,即在寒冷地區(qū)冬季如何產(chǎn)熱的問(wèn)題,還有必須能在炎熱地區(qū)以供熱的工況運(yùn)行產(chǎn)熱(此時(shí)空調(diào)是產(chǎn)冷)的問(wèn)題。因此,它的運(yùn)行使用工況諸如冷凝溫度、最大壓差、最高蒸發(fā)壓力等都與熱泵空調(diào)有著較大的差異,因而給壓縮機(jī)和制冷工質(zhì)帶來(lái)了新問(wèn)題。這些問(wèn)題在熱泵熱水器的設(shè)計(jì)中必須予以解決,否則,其產(chǎn)品就有著較大的地域和使用時(shí)段的局限性,甚至超出使用條件而毀壞。目前,國(guó)內(nèi)空氣源熱泵熱水器的工質(zhì)主要是R22,在冷凝溫度55℃時(shí),壓縮機(jī)排氣壓力接近,而對(duì)于常規(guī)的空調(diào)用制冷壓縮機(jī)來(lái)說(shuō),其排氣壓力是有限制的,最高值一般為26～, 因此,冷凝壓力和冷凝溫度也相應(yīng)的受到限制,加熱最高水溫受到限制。反過(guò)來(lái)說(shuō),過(guò)高的水溫,會(huì)使機(jī)組的冷凝壓力升高, 排氣溫度升高, 不但使機(jī)組的能效比下降, 甚至使機(jī)組不能正常工作, 嚴(yán)重時(shí)可能損壞壓縮機(jī)。。因此在文獻(xiàn)[2]
中提出, 熱泵熱水器的自我保護(hù)設(shè)計(jì)必不可少。當(dāng)熱泵熱水器在夏季運(yùn)行時(shí), 環(huán)境溫度高, 作為蒸發(fā)器的空氣換熱器負(fù)荷增大很多,直接的后果就是蒸發(fā)溫度、吸氣過(guò)熱度過(guò)高,因此吸氣壓力、吸氣溫度高。文獻(xiàn)指出了吸氣壓力、溫度高的危害并提出解決的辦法。它還指出空氣源熱泵熱水器在冬季運(yùn)行容易出現(xiàn)的問(wèn)題,比如結(jié)霜問(wèn)題,由于蒸發(fā)溫度低帶來(lái)的制熱效率低的問(wèn)題等；沖灌量對(duì)熱泵熱水器性能的影響：熱泵熱水器與其他制冷裝置一樣,制冷劑的沖灌量與熱水器性能有很大關(guān)系。制冷劑充注量過(guò)多或過(guò)少都將影響制冷裝置的工作性能。空氣源熱泵熱水器因其特殊的變工況運(yùn)行條件,充注量的變化對(duì)系統(tǒng)的工作性能影響更大,同時(shí)系統(tǒng)對(duì)充注量多少的要求與常規(guī)的熱泵空調(diào)不同。文獻(xiàn)中做了大量試驗(yàn)來(lái)分析沖灌量對(duì)空氣源熱泵熱水器的影響,討論了包括對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行功率、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)器的過(guò)熱度、COP的影響,并得出結(jié)論:
1) 充注量過(guò)少,蒸發(fā)、冷凝壓力低,系統(tǒng)運(yùn)行最大功率低,COP低, 系統(tǒng)加熱時(shí)間變長(zhǎng); 如果充注量過(guò)多,蒸發(fā)、冷凝壓力高,系統(tǒng)運(yùn)行最大功率高,對(duì)系統(tǒng)損耗大,COP也不高,在最佳充注量附近系統(tǒng)運(yùn)行性能對(duì)充注量的改變不敏感。
2) 在實(shí)際的制冷劑充注中應(yīng)盡可能保證蒸發(fā)器出口有一定的過(guò)熱度裕量(1～2℃), 這樣既可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行也可使得COP較高, 這一點(diǎn)可作為系統(tǒng)最佳充注量的一個(gè)判斷依據(jù)[2]
。
1.2.1.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r
空氣源熱泵技術(shù)1924年就已在國(guó)外發(fā)明。然而在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里并沒(méi)有被人類充分地認(rèn)識(shí)和運(yùn)用。直到20世紀(jì)60年代，世界能源危機(jī)爆發(fā)以后才受到充分的重視，所以此后世界各國(guó)紛紛加大了研發(fā)力度，進(jìn)一步推廣了熱泵技術(shù)，使得目前熱泵技術(shù)已經(jīng)比較廣泛地使用。
歐盟 2008年9月11日，歐盟議會(huì)工業(yè)研究及能源委員會(huì)（ITRE）通過(guò)一項(xiàng)提案，明確規(guī)定將所有類型的熱泵應(yīng)用視為使用可再生能源技術(shù)。隨著所有類型的熱泵（環(huán)境空氣熱源、環(huán)境水熱源和地?zé)嵩矗┚患{入可再生能源技術(shù)范疇，加之提案要求所有歐盟成員國(guó)都遵守新規(guī)定的內(nèi)容，即促進(jìn)或強(qiáng)制要求在新建和現(xiàn)有建筑中使用可再生能源技術(shù)，這使得歐盟的熱泵市場(chǎng)得到大幅提升。按有關(guān)規(guī)定，2020年，在歐盟地區(qū)住宅的熱能需求中，以可再生能源滿足的比例將不低于15％。利用太陽(yáng)能熱水器或熱泵與電熱水器或燃?xì)鉄崴骰旌吓渲茫悄壳皩?shí)施可再生能源指令最常見(jiàn)的方案。目前，歐盟的熱泵機(jī)組中約有一半為空氣源熱泵，剩下的是地源或水源熱泵。而且，這些熱泵裝置多數(shù)用于采暖，只有少量整體式空氣源熱泵利用室內(nèi)排風(fēng)作為熱源或在浴室進(jìn)行空氣除濕時(shí)制熱，用于制取生活用熱水。這種運(yùn)行方式?jīng)Q定了空氣側(cè)的流量不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)溫度出現(xiàn)較大變化。
日本 日本是最早普及熱泵應(yīng)用的國(guó)家，第一次石油危機(jī)后，從能源安全的基本目標(biāo)出發(fā)，日本將節(jié)能作為基本國(guó)策。由于熱泵技術(shù)具有顯著的節(jié)能效益，家用熱泵型空調(diào)技術(shù)取得較大發(fā)展，到20世紀(jì)80年代中期，日本已基本普及家用熱泵型空調(diào)。而利用熱泵技術(shù)制取生活用熱水，則是在熱泵型空調(diào)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加裝熱能回收裝置和熱水儲(chǔ)存裝置演變而成，這類與家用空調(diào)裝置組合的熱泵熱水器，直到今天仍然是日本市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。據(jù)日本制冷空調(diào)工業(yè)協(xié)會(huì)（JRAIA）統(tǒng)計(jì)，2009年，日本熱泵熱水器的產(chǎn)銷量約為110萬(wàn)臺(tái)，其中約60萬(wàn)臺(tái)是用于空調(diào)或采暖的多功能組合型產(chǎn)品，僅具有制取生活熱水功能的產(chǎn)品為50萬(wàn)臺(tái)左右。
為提高空氣源熱泵的冬季運(yùn)行性能，日本企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)多年來(lái)進(jìn)行了不懈的努力。20世紀(jì)80年代投放市場(chǎng)的變頻驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，大幅提高了低溫運(yùn)行條件下的供熱能力和運(yùn)行效率；90年代投放市場(chǎng)的采用直流調(diào)速技術(shù)的產(chǎn)品，在低溫運(yùn)行條件下的供熱能力和運(yùn)行效率進(jìn)一步提高；21世紀(jì)初，適應(yīng)-20℃和-25℃低溫環(huán)境的熱泵產(chǎn)品和采用二氧化碳跨臨界循環(huán)技術(shù)熱泵熱水器相繼上市。在日本，空氣源熱泵可以全年全天候滿足住宅用戶的空調(diào)制冷、采暖制熱和生活熱水供應(yīng)等需求，目前熱泵的全年能耗水平已降至20世紀(jì)80年代初的1/3左右?？傮w而言，目前日本熱泵熱水器的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平在全球處于領(lǐng)先地位，主要制造商有松下、三洋、日立、大金、三菱電機(jī)等。
在日本市場(chǎng)中，按使用的制冷劑不同進(jìn)行劃分，熱泵熱水器主要有R410A和兩大類，使用R134a等制冷劑的產(chǎn)品很少。使用的熱泵熱水器商品名為 EcoCute，譯作生態(tài)精靈，該產(chǎn)品自2001年進(jìn)入市場(chǎng)后，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)大幅擴(kuò)大，目前的年增長(zhǎng)率為20％左右。日本具備空調(diào)制冷功能的熱泵熱水器，基本都使用R410A，同時(shí)也銷售僅具備制取生活熱水單一功能的R410A機(jī)型。與EcoCute相比，使用R410A的同類產(chǎn)品的最顯著優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低。采用小容量熱泵系統(tǒng)和大容量?jī)?chǔ)水箱的配置方案是日本熱泵熱水器的特點(diǎn)。日本電網(wǎng)普遍采用價(jià)差較大的分時(shí)計(jì)費(fèi)政策，深夜電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)段的電價(jià)約為基本電價(jià)的1/5，配備大容量?jī)?chǔ)水箱可以在電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)段儲(chǔ)存充足的熱量，以滿足全天的熱水需求，一般情況下在非電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)段，熱泵系統(tǒng)無(wú)需運(yùn)行。而較小容量的熱泵系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，才能為大容量?jī)?chǔ)水箱提供足夠的熱量，通常蓄熱運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4～8小時(shí)，這種運(yùn)行方式對(duì)均衡電網(wǎng)用電負(fù)荷較為有利。此外，較小容量的熱泵系統(tǒng)有利于降低熱泵系統(tǒng)的制造成本。
2009年7月，日本政府發(fā)布了能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)法，仿效歐盟可再生能源指令將熱泵利用的環(huán)境熱源作為可再生能源。由于日本熱泵應(yīng)用量大面廣，若熱泵利用的環(huán)境熱源作為可再生能源納入統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，原定需要付出巨大努力才能在2030年實(shí)現(xiàn)的日本可再生能源利用目標(biāo)，幾乎一夜之間就可實(shí)現(xiàn)。
美國(guó) 早在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)已經(jīng)開始將熱泵用于采暖，以緩解戰(zhàn)爭(zhēng)造成的電力供應(yīng)不足。但是，受技術(shù)水平的制約，熱泵裝置相對(duì)于燃油采暖器具而言，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且故障率高，當(dāng)戰(zhàn)后能源供應(yīng)恢復(fù)正常時(shí)，充足而廉價(jià)的石油供應(yīng)使熱泵的市場(chǎng)空間迅速消失，以至于到20世紀(jì)60年代，美國(guó)軍方甚至明文規(guī)定不允許將熱泵列入采購(gòu)清單。然而，兩次石油危機(jī)以及日本熱泵普及應(yīng)用取得空前成功，促使美國(guó)政府重新評(píng)估熱泵的節(jié)能潛力，熱泵裝置在家用空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步擴(kuò)大。20世紀(jì)80年代，美國(guó)曾掀起熱泵熱水器開發(fā)熱潮，當(dāng)時(shí)在美國(guó)本土生產(chǎn)熱泵熱水器的企業(yè)約有10家，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式主要有四大類：
附加型（Add-on）。在既有的儲(chǔ)水式熱水器基礎(chǔ)上，加裝熱泵單元，既可以改裝電熱水器，也可以改裝燃?xì)鈨?chǔ)水式熱水器。通常儲(chǔ)水式熱水器與熱泵單元的制造商分別為兩家企業(yè)，新增的熱泵單元相對(duì)獨(dú)立，兩者通過(guò)簡(jiǎn)單的接口相聯(lián)系，最大限度減少兩者的相互影響。
整體型（Drop-in）。這是最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，熱泵單元與水箱構(gòu)成一個(gè)整體，標(biāo)準(zhǔn)配置通常包含配套電熱器件。
過(guò)熱蒸汽冷卻器型（Desuperheaters）。利用熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣的過(guò)熱狀態(tài)的制 冷劑加熱生活熱水，加熱生活用水的換熱器與熱泵裝置的冷凝器是串聯(lián)關(guān)系，該換熱器既可以作為熱泵的可選配件隨熱泵一并交付用戶，也可以在用戶既有熱泵或空調(diào)制冷機(jī)上加裝。
多功能集成型（Integrated and Full Demand Systems）。集空調(diào)制冷、采暖、生活熱水、余熱回收等功能于一體的集成系統(tǒng)，由一套熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全部功能。不過(guò)，這類系統(tǒng)一般劃入空調(diào)，即使是制熱運(yùn)行，采暖負(fù)荷一般為生活熱水負(fù)荷的數(shù)倍。
到20世紀(jì)80年代末，美國(guó)熱泵熱水器累計(jì)安裝數(shù)量約為2萬(wàn)臺(tái)。進(jìn)入90年代，不少熱泵生產(chǎn)企業(yè)相繼停產(chǎn)。雖然美國(guó)能源部和有關(guān)機(jī)構(gòu)著手促進(jìn)熱泵熱水器的應(yīng)用，并取得不少研究成果，但是市場(chǎng)多年來(lái)一直未能突破年銷量4000臺(tái)的規(guī)模。目前，美國(guó)本土的熱泵熱水器制造商或品牌主要有通用電氣、A.O.史密斯、Air -Tap、E-Tech、Geyser、 Aqual、Trevor-Martin等，部分產(chǎn)品是在國(guó)外生產(chǎn)后運(yùn)往美國(guó)銷售的。澳大利亞和新西蘭的情況與美國(guó)有不少相似之處，整體式熱泵熱水器是主要的品種，經(jīng)歷20世紀(jì)80年代的熱泵熱水器發(fā)展高峰后，也在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于停滯狀態(tài)。
通用電氣公司從2009年起開始銷售需求響應(yīng)型復(fù)合熱源熱泵熱水器，該熱水器的空氣源熱泵單元以小功率、高效率的持續(xù)運(yùn)行作為基本模式，輔助電熱元件在需要較高溫度的熱水進(jìn)行消毒處理，或者熱泵供熱未能滿足需求時(shí)投入運(yùn)行。按需求響應(yīng)運(yùn)行，要求電熱元件只在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)段或者有臨時(shí)特殊需求時(shí)投入運(yùn)行，為用戶節(jié)省電費(fèi)。通用電氣公司預(yù)計(jì)，一臺(tái)儲(chǔ)水容量約200L的復(fù)合熱源熱泵熱水器平均每年可以減少2500kWh的電力消耗。該產(chǎn)品是通用電氣公司開發(fā)的智能電網(wǎng)家電系列產(chǎn)品之一，主要針對(duì)電熱水器市場(chǎng)，通用電氣公司期待采用新技術(shù)的熱泵熱水器能夠開拓龐大的熱泵熱水器潛在市場(chǎng)。
需求響應(yīng)（Demand Response）即電力需求響應(yīng)的簡(jiǎn)稱，是指當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)，電動(dòng)器具接收到供電網(wǎng)絡(luò)傳送的相應(yīng)信號(hào)后，改變常規(guī)運(yùn)行模式，減少或者推移某時(shí)段用電負(fù)荷，響應(yīng)供電方要求，從而改善電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，同時(shí)降低用戶電費(fèi)支出。供電頻率是反映電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)特征量，通過(guò)供電頻率的測(cè)量基本可以確定電力供求情況的變化，供電頻率提高意味著供過(guò)于求，反之則意味著供不應(yīng)求。具有 需求響應(yīng)功能的家用電器可以根據(jù)頻率的變化及時(shí)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，在基本不影響用戶正常使用的情況下，穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。在美國(guó)，住宅電力消費(fèi)約占全部電力生產(chǎn)的37％，廚房電器、照明、采暖和空調(diào)的耗電量約占美國(guó)家庭電力消費(fèi)的82％。需求響應(yīng)型家用電器是通用電氣公司零凈能耗住宅開發(fā)計(jì)劃的主要內(nèi)容，迄今該公司已成功開發(fā)出冰箱、洗衣機(jī)、熱泵熱水器等一系列具有需求響應(yīng)功能的產(chǎn)品。目前，歐盟和美國(guó)一些家電制造企業(yè)也在積極開發(fā)類似的產(chǎn)品。
1.2.2空氣源熱泵熱水器的原理、特點(diǎn)
熱水器就是指通過(guò)各種物理原理，在一定時(shí)間內(nèi)使冷水溫度升高變成熱水的一種裝置。
目前我國(guó)市場(chǎng)上的熱水器主要有：電熱水器、燃?xì)鉄崴?、太?yáng)能熱水器及空氣源熱泵熱水器。
電熱水器由電能通過(guò)電熱絲、陶瓷管、或電熱膜式加熱管等方式加熱水，加熱管直接接觸水，電能理論百分百轉(zhuǎn)換為熱能，是熱效率較高的一種。電熱水器有兩種形式：一種即熱式電熱水器一般功率較大，普通居民家庭的電線線路難以承受，并且由于加熱時(shí)水電不分離，存在較大安全隱患；另一種熱水器是貯水式，需要長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱，并且受容積限制，出水量小，同時(shí)還要考慮到水箱保溫、密閉性能的影響，存在著一定安全隱患。
燃?xì)鉄崴饕匀紵烊粴饣蚬艿烂簹庾鳛闊嵩矗撮_即用，使用方便、不受時(shí)間限制，但能耗較高，熱效率差，而且有時(shí)出水不穩(wěn)定，使用罐裝液化氣的用戶，存在著“換氣”等不便問(wèn)題，在大部分農(nóng)村地區(qū)就不適合使用；由于燃?xì)庠谕L(fēng)不當(dāng)、不充分燃燒時(shí)容易產(chǎn)生一氧化碳中毒，故存在著較大的安全隱患；燃燒后的產(chǎn)物排放也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染。
太陽(yáng)能熱水器以潔凈太陽(yáng)能作為能源，基本不消耗其他能源，能源效益高，但初投資大成本高，體積龐大，安裝位置受到限制，并且對(duì)外界氣候環(huán)境條件要求苛刻，陰雨天時(shí)不可用，特別是冬季水溫經(jīng)常達(dá)不到正常要求，往往還需要附加其它電加熱設(shè)備[4]
。
“空氣能”熱水器是一種采用空氣熱能生產(chǎn)熱水的熱水器。通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)搬運(yùn)空氣中的熱量，通過(guò)冷媒的膨脹和壓縮實(shí)現(xiàn)與水的熱交換。它是繼燃?xì)鉄崴?、電熱水器和太?yáng)能熱水器之后的第4代熱水器，綜合電熱水器和太陽(yáng)能熱水器的優(yōu)點(diǎn)安全、節(jié)能、環(huán)保型熱水器，可一年365天全天候運(yùn)轉(zhuǎn)，制造相同的熱水量，使用成本只有電熱水器的1/4，燃?xì)鉄崴鞯?/3，太陽(yáng)熱水器的1/2。
在我國(guó)，空氣源熱泵熱水器目前按銷售領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，熱泵熱水器廠家主要是生產(chǎn)商用機(jī)（工程機(jī)），還有部分家用機(jī)型。
對(duì)于此類產(chǎn)品，按熱源來(lái)源來(lái)分主要分為：空氣源熱泵熱水器；水源熱泵熱水器。按加熱方式來(lái)分主要分為：一次加熱式熱泵熱水器；循環(huán)加熱式熱泵熱水器；靜態(tài)加熱式熱泵熱水器。按結(jié)構(gòu)方式來(lái)分主要分為：整體式熱式熱泵熱水器；分體式熱式熱泵熱水器。
目前市場(chǎng)上較多的空氣源熱泵熱水器，主要有分體機(jī)和一體機(jī)兩種類型，但多為容積式換熱器，熱泵機(jī)組的冷凝器直接置于承壓水箱中達(dá)到制取熱水的目的，其主要特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、換熱效率高、工作成本低、制造價(jià)格相應(yīng)較低、分體機(jī)安裝方便、對(duì)環(huán)境影響小，但安裝人員需要一定的安裝技術(shù)，主機(jī)相當(dāng)于分體空調(diào)室外機(jī)，水箱相當(dāng)于分體空調(diào)的室內(nèi)機(jī)，小容量可以壁掛，大容量落地安裝，一體機(jī)體積較大，占用地方較大、噪聲也大，只能落地安裝，主要優(yōu)點(diǎn)是不需要太多的安裝技術(shù)，只要通電通水就可以工作。
自然界中，水總是往低處流，熱量總是從高溫自發(fā)的傳向低溫，這些自然現(xiàn)象很容易發(fā)生。那么，水如何流向高處呢？這就需要借助于水泵的力量。類似的，我們也可以利用熱泵將熱量由低溫傳遞到高溫。故熱泵實(shí)際上是一種熱量的提升裝置，它主要是利用逆卡諾循環(huán)的原理，從周圍環(huán)境中吸取熱量，然后將它傳遞給需要加熱的對(duì)象（一般是溫度較高的物體）。一臺(tái)壓縮式熱泵裝置，主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和 膨脹閥四部分組成，通過(guò)讓工質(zhì)不斷完成蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）——壓縮（壓縮為高溫高壓氣體）——冷凝（放出熱量到需要加熱的對(duì)象中）——節(jié)流（降壓）——再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過(guò)程，將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中（如圖1所示）。熱泵在工作時(shí)，把環(huán)境介質(zhì)中儲(chǔ)存的能量在蒸發(fā)器中吸收；壓縮機(jī)消耗部分電能QB；通過(guò)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)最后在冷凝器中放熱，。由此看出，熱能輸出的能量為壓縮機(jī)之功與熱泵從環(huán)境中吸收的熱量之和。故熱泵技術(shù)可以節(jié)約大量的電能，從而降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。
圖1-1 空氣源熱泵熱水器工作原理圖
同其他型式的熱水器相比，熱泵熱水器的主要特點(diǎn)如下【3-11】
:
1）超大水量：水箱容量根據(jù)具體要求量身訂做，水量充足，可滿足不同客戶不同時(shí)段需求。
2）經(jīng)濟(jì)節(jié)省，高效節(jié)能：從空氣中獲取大量的能源，能效比高達(dá)300%～400%。根據(jù)使用規(guī)律設(shè)定熱水器自動(dòng)運(yùn)行時(shí)間，費(fèi)用自然節(jié)省。
3）適用范圍廣：不受陰雨天等氣候影響，在環(huán)境溫度為-10℃～43℃下均能正常工作，可廣泛應(yīng)用于家庭、賓館、酒店、學(xué)校、醫(yī)院、集體宿舍、住宅小區(qū)、桑拿等集中供熱。
4）持久恒溫：使用非常簡(jiǎn)單，整個(gè)熱水器采用自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，用戶只需在初次使用時(shí)開一下電源，在以后的使用過(guò)程中完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，到達(dá)用戶指定水溫時(shí)自動(dòng)停機(jī)，低于用戶指定水溫時(shí)系統(tǒng)自行開機(jī)運(yùn)行，完全實(shí)現(xiàn)一天24小時(shí)隨時(shí)有熱水而不用等候。
5）安全環(huán)保：結(jié)構(gòu)上水電完全分離，且無(wú)任何有害有毒氣體排放或燃燒，不受臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的影響；克服了太陽(yáng)能熱水器只能安裝頂樓、破壞屋頂?shù)姆浪畬雍统兄啬芰Α⒂绊懯腥莸娜秉c(diǎn)。
6）防凍功能：具有智能化霜功能，確保熱水器在低氣溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，它可根據(jù)室外環(huán)境溫度、蒸發(fā)器翅片溫度和機(jī)組運(yùn)行時(shí)間等多個(gè)參數(shù)綜合、智能判斷自動(dòng)進(jìn)入和退出化箱。
7）安裝方便：體積小巧 可以安裝在任何地方，安裝在室內(nèi)不占用空間，也可以安裝在室外，如屋頂、地面等露天放置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，占地面積小、安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需另設(shè)機(jī)房。
8）蓄熱運(yùn)行：“移峰填谷”，充分利用晚間低谷電價(jià)運(yùn)行。
但熱泵熱水器也有其明顯的缺點(diǎn)，尤其是空氣源熱泵熱水器：
1）熱泵在冬季寒冷季節(jié)時(shí)的能效比是很低的，季節(jié)運(yùn)行性能波動(dòng)很大。
2）成本較高。
1.2.3 需要解決的問(wèn)題及發(fā)展方向
1.2.3.1 問(wèn)題
目前,空氣源熱泵熱水器主要應(yīng)用在長(zhǎng)江以南的地區(qū),這主要是因?yàn)樵诘蜏貤l件下,普通空氣源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能會(huì)受到很大影響,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[12]
:
1) 隨著環(huán)境溫度的降低,普通空氣源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低,在冷凝溫度(或冷凝壓力)不變的情況下,壓縮機(jī)壓縮比增大,超出了普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)正常運(yùn)行的臨界值(根據(jù)資料,容積式壓縮機(jī)壓縮比臨界值一般為8～10), 壓縮效率降低。
2) 普通空氣源熱泵在低溫環(huán)境下工作時(shí),系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低,壓縮機(jī)壓比增大, 輸氣系數(shù)減小,制熱量減少,系統(tǒng)制熱性能系數(shù)下降,經(jīng)濟(jì)性降低。
3) 當(dāng)環(huán)境溫度降至0℃以下,蒸發(fā)溫度過(guò)低時(shí),壓縮機(jī)壓縮比增大引起排氣溫度過(guò)高,超過(guò)壓縮機(jī)允許的工作范圍,致使壓縮機(jī)頻繁啟停,系統(tǒng)無(wú)法正常工作, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)燒毀。針對(duì)以上情況,提出雙級(jí)壓縮熱泵熱水器系統(tǒng),通過(guò)雙級(jí)壓縮中間冷卻方式來(lái)解決壓縮機(jī)壓縮比過(guò)大排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題,提高熱泵熱水器系統(tǒng)性能。文章在系統(tǒng)的熱力學(xué)分析基礎(chǔ)上,給出了系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)系數(shù)和各部件損失的計(jì)算式,通過(guò)對(duì)設(shè)定運(yùn)行工況的計(jì)算,得出:系統(tǒng)在冷凝溫度60℃和蒸發(fā)溫度-30℃工況下,性能系數(shù)大于2,系統(tǒng)有用能損失主要集中在冷凝器端, 高、低壓兩壓縮機(jī) 損失之和不到系統(tǒng)總損失的1/3。
1.2.3.2發(fā)展方向
我們知道,氟里昂破壞大氣臭氧層,且有些氟里昂GWP(溫室效應(yīng)指數(shù))值比較高,這就迫使人們尋找新的綠色制冷劑,歐洲人很推崇天然制冷劑,由此,天然制冷劑重新獲得重視。它無(wú)毒、不可燃、不破壞臭氧層、GWP為1,除此之外,的單位容積制冷量是R22的5倍,流動(dòng)性和傳熱性都很好。近年來(lái),無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都在研究在制冷空調(diào)的應(yīng)用,這其中有很大一部分是應(yīng)用在空氣源熱泵熱水器上。美國(guó)、歐洲和日本等國(guó)家和地區(qū)研制出了熱泵系統(tǒng)樣機(jī),并且與之相配套的壓縮機(jī)已經(jīng)批量生產(chǎn),因此,我們有理由相信制冷系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)很多高校和研究部門對(duì)系統(tǒng)做了一些開創(chuàng)性的研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,在蒸發(fā)溫度0℃的條件下,把水從9℃加熱至60℃,熱泵熱水系統(tǒng)的COP值可達(dá)4.3。以周圍空氣為熱源時(shí),全年的運(yùn)行平均供熱COP值可以達(dá)到4.0,與傳統(tǒng)的電加熱或者燃煤系統(tǒng)相比,可以節(jié)省75%的能量.文獻(xiàn)[14]
對(duì)熱泵熱水系統(tǒng)及其壓縮機(jī)、換熱器、膨脹閥等各重要部件的研究狀況做出介紹。由于跨臨界循環(huán)中,冷凝壓力相當(dāng)高,這就給壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難,各國(guó)都加大投資進(jìn)行研發(fā),這方面的介紹見(jiàn)文獻(xiàn)。
2空氣源熱泵熱水器的組成
2.1壓縮機(jī)分類及特點(diǎn)
制冷壓縮機(jī)在制冷系統(tǒng)中的作用是將吸入的來(lái)自蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣,在經(jīng)過(guò)壓縮后使制冷劑蒸氣變成高溫高壓的制冷劑氣體,然后排到冷凝器,經(jīng)過(guò)冷凝器的降溫后氣體冷凝,在節(jié)流裝置下變成低溫低壓的氣體流向蒸發(fā)器,制冷劑在蒸發(fā)器下進(jìn)行蒸發(fā)吸熱沸騰,變?yōu)橹评鋭┱魵夂笥直粔嚎s機(jī)的吸氣管吸入,這樣就使系統(tǒng)中的制冷劑在壓縮機(jī)的動(dòng)力作用不斷循環(huán)流動(dòng)。
制冷壓縮機(jī)根據(jù)其對(duì)制冷劑蒸氣的壓縮熱力學(xué)原理可以分為容積型和速度型兩大類。
1 容積型壓縮機(jī) 在容積型壓縮機(jī)中，一定容積的氣體先被吸入到氣缸里，繼而在氣缸中其容積被強(qiáng)制縮小，壓力升高，當(dāng)達(dá)到一定壓力時(shí)氣體并被強(qiáng)制地從氣缸排出?？梢?jiàn)，容積型壓縮機(jī)的吸排氣過(guò)程是間歇進(jìn)行，其流動(dòng)并非連續(xù)穩(wěn)定的。容積型壓縮機(jī)按其壓縮部件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可分為兩種形式：往復(fù)活塞式（簡(jiǎn)稱往復(fù)式）和回轉(zhuǎn)式。而后者又可根據(jù)其壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子式）、滑片式、螺桿式（又稱雙螺桿式）、單螺桿式、渦旋式等。
2 速度型壓縮機(jī) 在速度型壓縮機(jī)中，氣體壓力的增長(zhǎng)是由氣體的速度轉(zhuǎn)化而來(lái)的，即先使吸入的氣流獲得一定的高度，然后再使之緩慢下來(lái)，讓其動(dòng)量轉(zhuǎn)化為氣體的壓力升高，而后排出?？梢?jiàn)，速度型壓縮機(jī)中的壓縮流程可以連續(xù)地進(jìn)行，其流動(dòng)是穩(wěn)定的。在制冷和熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用的速度型壓縮機(jī)幾乎都是離心式壓縮機(jī)。
按密封結(jié)構(gòu)形式分類 制冷系統(tǒng)中的制冷劑應(yīng)是不容許泄露的，這意味著系統(tǒng)中凡與制冷劑接觸的每個(gè)部件都應(yīng)是對(duì)外界是密封的。根據(jù)制冷壓縮機(jī)所采取的防泄露方式和結(jié)構(gòu)，可有三種不同的基本壓縮機(jī)形式。
1 開啟式壓縮機(jī) 以往復(fù)式為例，壓縮機(jī)的曲軸的功率輸入端伸出壓縮機(jī)機(jī)體之外，再通過(guò)傳動(dòng)裝置與原動(dòng)機(jī)相連接。在伸出部分要用軸封裝置防止軸段和機(jī)體間的泄露。利用這種軸封裝置的隔離作用使原動(dòng)機(jī)獨(dú)立于制冷劑系統(tǒng)之外的壓縮機(jī)形式稱為開啟式壓縮機(jī)（通常，這種壓縮機(jī)的制冷量較大）。若原動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)，因它與制冷劑和潤(rùn)滑油不接觸而無(wú)需具備耐制冷劑和耐油的要求。因此，開啟式壓縮機(jī)可用于以氨為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)中。
2 半封閉式壓縮機(jī) 采用封閉式的結(jié)構(gòu)，把電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)連成一整體，裝在同一機(jī)體內(nèi)共用一根主軸，因而可以取消開啟式壓縮機(jī)中的軸封裝置，避免了由此產(chǎn)生或多或少泄露的可能性。圖1-3是半封閉式壓縮機(jī)（以往復(fù)式為例）的結(jié)構(gòu)例子。從中可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)室11內(nèi)充有制冷劑和潤(rùn)滑油，這種與制冷劑和潤(rùn)滑油相接觸的電動(dòng)機(jī)被稱為內(nèi)置電動(dòng)機(jī)。其端蓋都是用墊片和螺栓擰牢壓緊來(lái)防止泄露，因而壓縮機(jī)內(nèi)零部件易于拆卸修理更換。半封閉式壓縮機(jī)的制冷量一般居于中等水平。
3 全封閉式壓縮機(jī) 全封閉式壓縮機(jī)也象半封閉式一樣，把電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)連成一整體，共用一根主軸，它與半封閉式的差異在于，連接在一起的壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)組安裝在一個(gè)密閉的薄壁機(jī)殼中，機(jī)殼由兩部分焊接而成，這樣既取消了軸封裝置，又大大減輕和縮小了整個(gè)壓縮機(jī)的尺寸和重量，露在機(jī)殼外表的只焊有一些吸排氣管、工藝管以及其它（如噴液管）必要的管道、輸入電源接線柱和壓縮機(jī)支架等。圖1-4表示了全封閉式壓縮機(jī)（以往復(fù)式為例）的結(jié)構(gòu)剖面圖。由于整個(gè)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)組是裝在一個(gè)不能拆開的密封機(jī)殼中，不易打開進(jìn)行內(nèi)部修理，因而要求這類壓縮機(jī)的使用可靠性高，壽命長(zhǎng)，對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)的安裝要求也高。這種全封閉結(jié)構(gòu)形式一般用于大批量生產(chǎn)的小冷量制冷壓縮機(jī)中。
全封閉式制冷壓縮機(jī) 全封閉式制冷壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)裝在一起后，放入機(jī)殼中，上、下機(jī)殼接合處焊封。全封閉式制冷壓縮機(jī)密封性好，但維修時(shí)需剖開機(jī)殼，維修后又要重新焊接，為此要求它有10-15年的使用期間，在此期間內(nèi)不必拆修。
絕大多數(shù)的全封閉式制冷壓縮機(jī)采用立軸式布置，這樣就可以用簡(jiǎn)單的離心式供油在立軸壓縮機(jī)中，有的電動(dòng)機(jī)位于上部，有的電動(dòng)機(jī)位于下部。GL系列壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)位于上部。從吸氣管吸入的制冷劑穿過(guò)電動(dòng)機(jī)外殼，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙進(jìn)入氣缸。蒸氣在氣缸內(nèi)壓縮后，經(jīng)排氣消聲器流出機(jī)殼。由于吸氣充分冷卻。電動(dòng)機(jī)上部的空間起第一吸氣消聲室的作用，電動(dòng)機(jī)下部與機(jī)體之間的空間起第二吸氣消聲室的作用。電動(dòng)機(jī)位于上部有利于壓縮機(jī)的潤(rùn)滑[14]
。
由實(shí)踐可知：1 就性能來(lái)講，渦旋式最好，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式次之，往復(fù)式最差。2 就成本價(jià)格而言，相同制冷能力的壓縮機(jī)，渦旋式＞滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式＞往復(fù)式。據(jù)目前的條件，往復(fù)式使用技術(shù)最成熟，設(shè)計(jì)中選用往復(fù)式壓縮機(jī)。
2.2 冷凝器分類及特點(diǎn)
冷凝器是制冷裝置的主要熱交換設(shè)備之一。它的主要任務(wù)是通過(guò)環(huán)境介質(zhì)（空氣或水）將壓縮機(jī)排出的高壓過(guò)熱制冷劑蒸汽冷卻、冷凝成為飽和液體，甚至過(guò)冷液體。在大型制冷機(jī)中，有的設(shè)置專用過(guò)冷器與冷凝器配合使用，使制冷劑液體過(guò)冷，以增大制冷機(jī)的制冷量，提高其經(jīng)濟(jì)性。
2.2.1 冷凝器的結(jié)構(gòu)
冷凝器按冷卻方式分為三類：水冷式冷凝器，空氣冷卻式冷凝器，蒸發(fā)式冷凝器。
1 水冷式冷凝器
這種形式的冷凝器是用水作為冷卻介質(zhì)帶走制冷劑冷凝時(shí)放出的熱量。冷卻水可以一次性使用，也可以循環(huán)使用。循環(huán)使用時(shí)必須配有冷卻塔或者冷水池，保證水不斷得到冷卻。水冷式冷凝器主要有殼管式冷凝器與套管式冷凝器。
(1) 殼管式冷凝器 分為立式和臥式冷凝器。采用哪一種形式制冷機(jī)與使用哪一種制冷劑有關(guān)。一般立式殼管式冷凝器用于大型氨制冷系統(tǒng)，而臥式殼管式冷凝器則普遍使用大、中型氨或氟利昂制冷系統(tǒng)中。
圖2-1 左為立式冷凝器，右為臥式冷凝器
其殼內(nèi)管外為制冷劑，管內(nèi)為冷卻水。殼體的兩端管板上穿有傳熱管。殼體一般用鋼板卷制（或直接采用無(wú)縫鋼管）焊接而成。管板與傳熱管的連接方式可采用脹接法和焊接法，一般脹接法更便于修理和更換傳熱管。
1) 臥式殼管式冷凝器 除上述殼管式冷凝器器的一般特點(diǎn)外，臥式殼管式冷凝器在管板外側(cè)設(shè)有左右端蓋，端蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有滿足水流程需要的隔腔，保證冷卻水在管程中往返流動(dòng)，使冷卻水從一側(cè)端蓋的下部進(jìn)入冷凝器，經(jīng)過(guò)若干個(gè)流程后由同側(cè)端蓋的上部流出。國(guó)產(chǎn)臥式殼管式冷凝器一般為4~10個(gè)流程。在端蓋的上部和下部設(shè)有排氣和放水閥，以便裝置啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)排出水側(cè)空氣，或在停止運(yùn)行時(shí)排出管內(nèi)存水，防止冬季時(shí)凍裂傳熱管。
表2-1 面積熱流量與質(zhì)量流速
熱流密度
1200
2300
5800
11600
R12質(zhì)量流速
R12質(zhì)量流速
2）立式殼管式冷凝器 立式殼管式冷凝器以適合立式安裝而得名。與臥式殼管式冷凝器不同之處在于它的殼體兩端無(wú)端蓋，制冷劑過(guò)熱蒸汽由豎直殼體的上部進(jìn)入殼內(nèi)，在豎直管簇外冷凝成為液體，然后從殼體下部引出。殼體的上端口設(shè)有配水槽，管簇的每一根管口裝有一個(gè)水分配器，冷卻水通過(guò)該分配器上的斜分水槽進(jìn)入管內(nèi)，并沿內(nèi)表面形成液膜向下流動(dòng)，以提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，節(jié)約冷卻水循環(huán)量。冷卻水由下端流出并集中到水池內(nèi)，再用水泵送到冷卻塔降溫后，可循環(huán)使用。
（2）套管式冷凝器 它是由不同直徑的管子套在一起，并彎制成螺旋形或蛇形的一種水冷式冷凝器。如圖所示
圖2-2 套管式冷凝器
制冷劑蒸汽在套管間冷凝，冷凝液從下面引出，冷卻水在直徑較小的管道內(nèi)自下而上流動(dòng)，與制冷劑成逆流式，因此傳熱效果較好。當(dāng)水速為1~2m/s時(shí)，傳熱系數(shù)K在930W/M2K左右.該冷凝器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便。但是在套管長(zhǎng)度較大時(shí)，下部管間易被液體充斥，使傳熱面積不能得到充分利用，而且金屬耗量較大，一般只在小型氟利昂制冷裝置中使用。
2 空氣冷卻式冷凝器
這種冷凝器以空氣為冷卻介質(zhì)，制冷劑在管內(nèi)冷凝，空氣在管外流動(dòng)，吸收管內(nèi)制冷劑放出的熱量。由于空氣的傳熱系數(shù)較小，管外（空氣側(cè)）常常要設(shè)置肋片，以強(qiáng)化管外換熱。
按空氣流動(dòng)的方式不同此類冷凝器分為空氣自由運(yùn)動(dòng)和空氣強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)兩種形式。
（1） 空氣自由運(yùn)動(dòng)的空冷冷凝器 該冷凝器利用空氣在管外流動(dòng)式吸收制冷劑排放的熱量后，密度發(fā)生變化引起空氣的自由流動(dòng)而不斷地帶走制冷劑蒸汽的凝結(jié)熱。它不需要風(fēng)機(jī)，沒(méi)有噪聲，多用于小型制冷裝置。目前應(yīng)用非常普遍的是絲管式結(jié)構(gòu)的空氣自由運(yùn)動(dòng)式冷凝器。
（2） 空氣強(qiáng)制流動(dòng)的空冷冷凝器 如圖所示，
圖2-3 強(qiáng)制空冷冷凝器
它有一組或幾組帶有肋片的蛇形管組成。制冷劑蒸汽從上部集管進(jìn)入蛇管，其管外肋片用以強(qiáng)化空氣側(cè)換熱，補(bǔ)償空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過(guò)低的缺陷。肋片一般采的鋁片制成，套在的銅管外，由彎頭連接成蛇形管管組。肋片根部用二次翻邊與管外壁接觸，靜機(jī)械過(guò)液壓脹管后，兩者緊密接觸以減少其傳熱熱阻。一般肋片距離在范圍。由低噪聲軸流風(fēng)機(jī)迫使空氣流過(guò)肋片間隙，通過(guò)肋片接管外壁與管內(nèi)制冷劑蒸氣進(jìn)行熱交換，將其冷凝成為液體。適用于中、小型氟利昂制冷裝置。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效果好、制造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。純銅管鋁肋片空氣強(qiáng)制流動(dòng)熱交換器的典型結(jié)構(gòu)參數(shù)：一般60KW以下的裝置多采用純銅管，管間距25mm；或純銅管，管間距35mm，管壁厚度為；其肋管排列方式可順排，也可叉排；肋片間距在范圍。風(fēng)速一般控制在范圍內(nèi)?？諝膺M(jìn)出冷凝器的溫差一般取。為提高換熱面積的利用率，管排數(shù)以取排[15]
。
3 蒸發(fā)式冷凝器
圖2-4 蒸發(fā)式冷凝器
蒸發(fā)式冷凝器（Evaporative condenser)又叫蒸發(fā)冷、冷卻器，是由制冷利用盤管外的噴淋水部分蒸發(fā)時(shí)吸收盤管內(nèi)高溫氣態(tài)制冷劑的熱量而使管內(nèi)的制冷劑逐漸由氣態(tài)被冷卻為液態(tài)的一種設(shè)備。
制冷蒸發(fā)式冷凝器是由專用軸流風(fēng)機(jī)、噴淋嘴、電子水除垢儀、集氣囊、PVC換熱片、高效脫水器、冷卻管組、填料集水槽、水泵、收水器、箱體等部件組成。
換熱管采用多種形式，常用的有碳鋼熱浸鋅管（又分圓管和橢圓管）、鋁合金管、不銹鋼管（又分314/316圓管、波接管 ）；其中碳鋼熱浸鋅型蒸發(fā)式冷凝器為最早開始使用的產(chǎn)品且占有國(guó)內(nèi)大部分的用戶主要用于高壓氣體冷凝、冷卻，適用壓力范圍在0—30MPa；鋁合金型蒸發(fā)式冷凝器為新型節(jié)能型新一代產(chǎn)品適用于冰機(jī)制冷劑冷凝，適用壓力范圍在0—5MPa；不銹鋼管蒸發(fā)式冷凝器主要用在一些化工廠的腐蝕性氣體冷卻及冷凝工藝中。
制冷蒸發(fā)式冷凝器的外殼一般用鍍鋅板噴塑，后因不耐腐蝕，逐漸采用了鍍鋁鋅板噴塑，市場(chǎng)上最新使用的是鍍鋁鎂鋅板，這種板材有不銹鋼的特點(diǎn)，不生銹，外觀好看，易加工。
軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣從頂部和側(cè)壁下部被吸入流經(jīng)盤管，填料、飽和熱濕空氣則被排到周圍大氣中，熱濕空氣中夾帶的部分水滴通過(guò)收水器截留，有效地控制水滴飄散損失，散失致大氣中的水蒸氣在系統(tǒng)中由浮球閥控制補(bǔ)充冷卻水。
綜上所述，臥式殼管式冷凝器使用范圍廣泛、傳熱性能好、造價(jià)適中，故選臥式殼管式冷凝器。
2.3節(jié)流裝置分類及特點(diǎn)
節(jié)流閥是最常用的節(jié)流機(jī)構(gòu)，也是種類最多的節(jié)流機(jī)構(gòu)，其主要種類和用途為：
手動(dòng)節(jié)流閥 它是所有膨脹閥的原型和基礎(chǔ)，通常用于試驗(yàn)用制冷裝置、作為其他節(jié)流機(jī)構(gòu)的備用件、制冷裝置定型試驗(yàn)等。有直角式和直通式兩種，與管路的連接方法有管接頭、焊接、法蘭連接三種。鹵代烴制冷劑用的手動(dòng)節(jié)流閥一般為銅制，流道公稱直徑為，氨用手動(dòng)節(jié)流閥一般用鑄鐵和鋼制成，少數(shù)為不銹鋼制成，目前，手動(dòng)節(jié)流閥全部為定型產(chǎn)品。
浮球閥，他利用液位控制通斷和流量的節(jié)流機(jī)構(gòu)，適用于具有自由液面容器的系統(tǒng)，如設(shè)有滿液式蒸發(fā)器、中間冷卻器、高壓貯液器等容器的系統(tǒng)，目前，多用于氨制冷系統(tǒng)。
工作原理：浮漂始終都要漂在水上，當(dāng)水面上漲時(shí)，浮漂也跟著上升。漂上升就帶動(dòng)連桿也上升。連桿與另一端的閥門相連，當(dāng)上升到一定位置時(shí)，連桿支起橡膠活塞墊，封閉水源。當(dāng)水位下降時(shí)，浮漂也下降，連桿又帶動(dòng)活塞墊開啟。
浮球閥是通過(guò)控制液位來(lái)調(diào)節(jié)供液量的。滿液式蒸發(fā)器要求液面保持一定高度，一般適合采用浮球膨脹閥。浮球閥工作原理是依靠浮球室中的浮球受液面作用的降低和升高，去控制一個(gè)閥門的開啟或關(guān)閉。浮球室置于滿液式蒸發(fā)器一側(cè)，上下用平衡管與蒸發(fā)器相通，所以兩者的液面高度一致。當(dāng)蒸發(fā)器中液面下降時(shí)，浮球室液面也下降，于是浮球下降，依靠杠桿作用使閥門開啟度增大，加大供液量。反之亦然。
塑料浮球閥具有自動(dòng)開啟、關(guān)閉管路，以控制水位的功能。采用優(yōu)質(zhì)銅材精制而成，其體積小安裝簡(jiǎn)便，啟用靈敏度高，水頭損失小、無(wú)水錘現(xiàn)象，能大大提高水塔(池)利率。
圖2-5 浮球閥
小孔式浮球閥具有自動(dòng)開啟、關(guān)閉管路，以控制水位的功能。對(duì)于新建水塔(池)，由于浮球體積的大大縮小，而使水塔(池)，上部應(yīng)留給浮球自由浮動(dòng)所需的高度也相應(yīng)減小，降低了水塔(池)的造價(jià)，它克服了老式桿浮球閥體積大，易損壞，工作不可靠而大量滋水弊病。它是您理想的水塔(池)自動(dòng)控制水位的最新型閥門，對(duì)于現(xiàn)有的水塔(池)需更換老式的浮球閥更是合適更新?lián)Q代產(chǎn)品。
不銹鋼浮球閥與塑料浮球閥的功能幾乎一樣，但不銹鋼浮球閥的價(jià)格卻比塑料浮球閥的價(jià)格高出許多
熱力膨脹閥，它是利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量的節(jié)流機(jī)構(gòu)，能夠適用于各種系統(tǒng)。
功能：熱力膨脹閥實(shí)現(xiàn)冷凝壓力至蒸發(fā)壓力的節(jié)流，同時(shí)控制制冷劑的流量；它的體積雖小，但作用巨大，它的工作好壞，直接決定整個(gè)系統(tǒng)的工作質(zhì)量，以最佳的方式給蒸發(fā)器供液，保證蒸發(fā)器出口制冷劑蒸汽的過(guò)熱度穩(wěn)定，感溫包必須與壓縮機(jī)的吸氣管良好的接觸從而準(zhǔn)確的感應(yīng)壓縮機(jī)的吸氣溫度，通常充注著與制冷系統(tǒng)內(nèi)部相同的制冷劑，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)感溫包反饋回來(lái)的壓力即是壓縮機(jī)吸氣溫度對(duì)應(yīng)的該種類型制冷劑的飽和壓力，通過(guò)膨脹閥確保了在運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化時(shí)(比如熱負(fù)荷變化)，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器最優(yōu)及最佳的供液方式，感溫包的充注量只根據(jù)在某一特定的溫度下完全感溫包內(nèi)液態(tài)制冷劑完全蒸發(fā)來(lái)進(jìn)行修正的，這就等于給作用在膨脹閥膜片上方感溫包反饋回來(lái)的壓力規(guī)定了一個(gè)上限，因?yàn)槿绻鼙诒砻鏈囟壤^續(xù)增高，只會(huì)增加感溫包內(nèi)部氣態(tài)制冷劑的溫度(處于過(guò)熱狀態(tài))，而壓力基本上不再改變。
按照平衡方式不同，膨脹閥分為外平衡式和內(nèi)平衡式。在專用空調(diào)中，由于蒸發(fā)器有分路并采用蓮蓬頭分液器，壓降比較大，造成蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度各不相同。在這種情況下，使用內(nèi)平衡式膨脹閥會(huì)因蒸發(fā)器出口溫度過(guò)低而造成熱力膨脹閥過(guò)度關(guān)閉，以至膨脹閥喪失對(duì)蒸發(fā)器的供液調(diào)節(jié)功能。所以專用空調(diào)均采用外平衡式膨脹閥，采用外平衡式可以避免膨脹閥過(guò)度關(guān)閉的情況，保證有壓降的蒸發(fā)器也得到正常的供液。
熱電膨脹閥：它是利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量，能夠適用于各種系統(tǒng)。
電子膨脹閥：有電磁式和電動(dòng)式兩類，利用蒸發(fā)器出口處制冷劑過(guò)熱度來(lái)控制通斷和流量，需要與單片機(jī)控制系統(tǒng)配套，適用于各種系統(tǒng)。電子膨脹閥是一種新型的節(jié)流裝置，它由微處理器進(jìn)行控制，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了微機(jī)直接控制和調(diào)節(jié)制冷循環(huán).電子膨脹閥有步進(jìn)電機(jī)型和電磁線圈型兩種結(jié)構(gòu)形式。電磁線圈型嚴(yán)格地說(shuō)是一種電磁膨脹閥。目前現(xiàn)在我們說(shuō)的電子膨脹閥通常指的是步進(jìn)電機(jī)型。它由閥體、閥芯、波紋管、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和脈沖步進(jìn)電機(jī)等組成。脈沖步進(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，波紋管是將制冷劑通道與運(yùn)動(dòng)部件隔開，以防制冷劑泄露。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y芯的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有兩種，減速式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括齒輪副、羅紋副、傳動(dòng)桿等。直動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)沒(méi)有齒輪副。
電子膨脹閥的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍大、動(dòng)作迅速靈敏、調(diào)節(jié)精密、穩(wěn)定可靠。制冷劑在電子膨脹閥中可以正、逆兩個(gè)方向流動(dòng)，避免了熱力膨脹閥只有一個(gè)方向的缺點(diǎn)。用于熱泵時(shí)可使制冷系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。制冷系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，電子膨脹閥可以完全關(guān)閉，使制冷劑進(jìn)口處無(wú)需安裝電磁閥[16]
。
綜上所述，根據(jù)此系統(tǒng)的壓差，選外平衡式熱力膨脹閥。
2.4 蒸發(fā)器分類及特點(diǎn)
蒸發(fā)器也是一種間壁式熱交換設(shè)備。低溫低壓的液態(tài)制冷劑在傳熱壁的一側(cè)氣化吸熱，從而使傳熱壁另一側(cè)的介質(zhì)被冷卻。被冷卻的介質(zhì)通常是水或空氣，為此蒸發(fā)器可分為兩大類，即：
1 冷卻液體（水或鹽水）的蒸發(fā)器，這種蒸發(fā)器又可分為臥式殼管式蒸發(fā)器（制冷劑在管外蒸發(fā)的為滿液式，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)的稱干式），和立管式冷水箱。
2 冷卻空氣的蒸發(fā)器，這種蒸發(fā)器有可分為兩大類，一類是空氣做自然對(duì)流的蒸發(fā)排管，如廣泛使用于冷庫(kù)的墻排管、頂排管，一般是做成立管式、單排蛇管、雙排蛇管、雙排U形管或四排U形管式等型式；另一類是空氣被強(qiáng)制流動(dòng)的冷風(fēng)機(jī)，冷庫(kù)中使用的冷風(fēng)機(jī)系做成箱體型式，空調(diào)中使用的通常系做成帶肋片的管簇，在這種的冷卻器中，制冷劑靠壓差、液體的重力或液泵產(chǎn)生的壓頭在管內(nèi)流動(dòng)，因?yàn)楸焕鋮s的介質(zhì)是空氣，空氣側(cè)的放熱系數(shù)很低，所以蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)也很低。為了提高傳熱性能，往往是采取增大傳熱溫差、傳熱管加肋片或增大空氣流速等措施來(lái)達(dá)到目的。此外，還有冷卻固體物料的接觸式蒸發(fā)器.
表2-2 表面蒸發(fā)器的典型結(jié)構(gòu)參數(shù)
制冷劑
鹵代烴
氨
蒸發(fā)溫度
管材料
20
管外徑/mm
管壁厚/mm
管距/mm
管排數(shù)
翅片形式
套片
繞片
翅片材料
20
片節(jié)距/mm
片厚/mm
空氣狀態(tài)變化
濕空氣流經(jīng)表面式蒸發(fā)器的換熱表面時(shí)，由于換熱表面的冷卻作用，狀態(tài)發(fā)生變化。如忽略空氣流經(jīng)表面式蒸發(fā)器的流動(dòng)阻力，狀態(tài)變化過(guò)程為一等壓過(guò)程。這樣，空氣各狀態(tài)參數(shù)的變化取決于換熱表面的溫度，空氣在換熱表面上不同的狀態(tài)變化過(guò)程見(jiàn)圖
圖2-6 焓濕圖
在對(duì)空氣冷卻過(guò)程進(jìn)行分析時(shí)，可以人為地將氣流分成兩部分，認(rèn)為當(dāng)濕空氣流過(guò)表面試蒸發(fā)器的換熱表面時(shí)，有一部分空氣與翅片以及管外壁面接觸，進(jìn)行充分換熱，其溫度是換熱表面溫度，這一部分氣流稱為接觸氣流。另一部分氣流從翅片和管形成的流道中間流過(guò)，未與換熱表面接觸，溫度仍為初始溫度，稱為旁通氣流，流出表面試蒸發(fā)時(shí)，接觸氣流與旁通氣流進(jìn)行充分混合。
當(dāng)換熱表面的溫度高于或等于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，接觸氣流與換熱表面只有顯熱交換，在冷卻過(guò)程中，空氣溫度降低、含濕量不變、焓減少、相對(duì)濕度提高，這樣的過(guò)程是等含濕量過(guò)程，稱為等濕冷卻。
當(dāng)換熱表面的溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，接觸氣流的溫度也將低于露點(diǎn)溫度，空氣中所含水蒸氣凝結(jié)在換熱表面上，接觸氣流與換熱表面不僅有顯熱交換，還有潛熱交換，接觸氣流冷卻后的狀態(tài)為等溫線與飽和線的交點(diǎn)W。旁通氣流不參與換熱，狀態(tài)不變。接觸氣流與旁通氣流進(jìn)行混合的過(guò)程線是點(diǎn)1與點(diǎn)W的連線，混合過(guò)程的終點(diǎn)為點(diǎn)2，未與混合過(guò)程線上。在此過(guò)程中，空氣溫度降低、含濕量下降、焓減少、相對(duì)濕度升高，這樣的過(guò)程成為減濕冷卻。減濕冷卻時(shí)，所處的工作條件可簡(jiǎn)稱為濕工況。
減濕冷卻時(shí)，如換熱表面的溫度高于，空氣中的水蒸氣在換熱表面凝結(jié)為液體，稱為凝露，這樣的工作條件稱為凝露工況。如換熱其表面溫度低于，空氣中的水蒸氣在換熱表面凝華為固體，稱為結(jié)霜，這樣的工作調(diào)降稱為結(jié)霜工況[17]
。
綜上所述，由于裝置所特有的低溫、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、傳熱系數(shù)較小等特點(diǎn)，并且套片管式強(qiáng)制對(duì)流空氣冷卻式冷凝器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，傳熱特性好等優(yōu)點(diǎn)。故可選用鋁翅片管簇式蒸發(fā)器。
2.5 制冷劑選擇
制冷劑是制冷裝置中的工作介質(zhì)，又稱制冷工質(zhì)。制冷裝置進(jìn)行制熱制冷就是利用制冷劑的循環(huán)流動(dòng)去進(jìn)行熱量交換，所以制冷劑是制冷裝置必不可少的部分。早期使用的制冷劑有乙醚、二氧化硫、氯化鉀、二氧化碳等。由于其本身的缺點(diǎn),現(xiàn)除二氧化碳還用于生產(chǎn)干冰等制冷系統(tǒng)外，其余均被淘汰?，F(xiàn)被采用的制冷劑約有二三十種,主要有氨、氟利昂、水等[13]。
表2-3 制冷劑發(fā)展歷程
第1代
第2代
第3代
第4代
年代
1830-1930
1931-1990
1991-2010
2010-
原則
能用即可
安全與耐久性
臭氧層保護(hù)
防止全球變暖，低ODP，低GWP，高效
制冷劑
醚類，CO2，空氣，甲酸甲酯
CFCs, HCFCs NH3 ,H2O
( HCFCs ) , HFCs , NH3 ,
H2O ,HCs ,
CO2
( HCFCs ) , NH3 , H2O , HCs , CO2 ,
空氣
從19世紀(jì)30年代,Perkins 發(fā)明了蒸氣壓縮式制冷循環(huán)后,人類迎來(lái)了制冷技術(shù)的發(fā)展期，而制冷劑的發(fā)明、更新和替換始終貫穿整個(gè)過(guò)程。目前根據(jù)新時(shí)期的發(fā)展要求,制冷劑又將面臨新的挑戰(zhàn)。
表2-1所表示的是J . M. Calm所描述的制冷劑的發(fā)展的4個(gè)階段[14]。為發(fā)展制冷工業(yè)，人類發(fā)明了各種各樣的制冷劑。但是，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或者潛藏著對(duì)環(huán)境的危害作用。這時(shí)第1代制冷劑中的“天然制冷劑”重新燃起了人們的希望。
氨具有優(yōu)良的熱力性能、ODP = 0和GWP <1，但有毒,在化學(xué)工業(yè)和食品工業(yè)中以及中央空調(diào)(歐洲) 都重新得到了應(yīng)用；二氧化碳ODP = 0以及GWP = 1，用跨臨界循環(huán)熱泵提供熱水，作為復(fù)疊循環(huán)低壓級(jí)和低溫載冷劑時(shí)具有優(yōu)良性能。碳?xì)浠衔颫DP =0和GWP < 1，用于冰箱制冷劑和發(fā)泡劑，也可用于冷水機(jī)組，但易燃易爆，這非常不利。水—ODP = 0和GWP < 1，用于冷凝溫度較低的水冷冷水機(jī)組以及冰蓄冷機(jī)組。
在不同的目標(biāo)下，采用有優(yōu)良性能的“天然制冷劑”可能是大勢(shì)所趨。
制冷劑選擇要求：1）應(yīng)是環(huán)境可接受物質(zhì)2）臨界溫度要高3）有合適的飽和蒸汽壓4）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好5）凝固溫度要低6）粘度和密度要小7）導(dǎo)熱系數(shù)要高8）絕熱指數(shù)要小9）液體比熱容要小10）氣體潛熱要大11）價(jià)廉易得