100KW空气源热泵热水器——毕业论文.doc

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1、郑州轻工业学院本科毕业设计(论文)题 目 100KW 空气源热泵热水器 学生姓名 专业班级 学 号 院 (系)机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 100KW 空气源热泵热水器1目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 概述 .11.2 热泵热水器 .12 空气源热泵热水器的组成 .122.1 压缩机分类及特点 .122.2 冷凝器分类及特点 .142.3 节流装置分类及特点 .192.4 蒸发器分类及特点 .222.5 制冷剂选择 .243 空气源热泵热水器压缩机的选型 .293.1 热力计算 .293.2 压缩机校核 .314 空气源热泵热水器冷凝器设计计算 .3

2、44.1 肋相关参数 .344.2 冷凝器热负荷及冷却水流量 .354.3 冷凝器结构初步规划 .354.4 管内水侧表面传热系数 .374.5 计算 R134a 蒸汽冷凝表面传热系数 .374.6 计算传热系数和面积热流量 .384.7 计算所需要的传热面积 .39100KW 空气源热泵热水器24.8 计算冷却水侧流动阻力 .394.9 管板 .414.10 分程隔板 .414.11 拉杆 .425 节流装置的选择 .436 蒸发器的设计计算 .456.1 传热管选型及排布 .456.2 计算几何参数 .456.3 计算空气侧干表面传热系数 .466.4 计算空气侧传热系数 .486.5 计

3、算制冷剂管内表面传热系数 .496.6 计算管内传热面积 .516.7 传热管的长度 .516.8 R134a 的流动阻力及其对传热管温差的影响 .526.9 空气侧的阻力计算 .537 辅助设备的选择 .547.1 贮液器的选择 .547.2 集油器的选择 .557.3 过滤器选择 .567.4 风机选型 .567.5 视夜镜选型 .587.6 单向阀 .597.7 循环水泵选型 .60100KW 空气源热泵热水器37.8 油分离器 .617.9 电磁阀 .637.10 温度控制器 .658 制冷系统管路设计 .678.1 制冷管路 .678.2 制冷管路设计原则 .678.3 制冷管径及流

4、速的选择 .68结束语 .70致 谢 .71参考文献 .72100KW 空气源热泵热水器I100KW 空气源热泵热水器摘 要本文主要介绍了空气源热泵热水器的工作原理、特点、国内外发展状况及其存在的问题。首先是从空气源热泵的概述、起源、发展历程等进行了介绍。然后通过对制冷的热力学基础分析,运用热力学第一定律进行整个系统的能量转换,并且通过计算说明所选取工况的合理性。 本次的毕业设计,是在查询了大量的书籍资料的基础上进行的,每一个零部件的选择均进行了严格的计算,并参考有关行业标注和国家标准进行的选型确定,通过对实际物体的参考来进行的热泵热水器的设计。关键词 空气源/热泵/热水器/设计 100KW

5、空气源热泵热水器II100KW AIR-SOURCE HEAT PUMP WATER HEATERABSTRACTThis 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

6、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 selec

7、t 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 nation

8、al 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 100KW 空气源热泵热水器11 绪论1.1 概述当今世界,人类社会发展日益加速,无论是在工业,农业,还是第三产业服务业,高新技术产业,都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段。能源是每个国家可持续发展的最重要一环,据预测,到 21 世纪中叶,可再

9、生能源在世界能源结构中将占到 50%以上,而随着人类生活水准的不断提高,各方面的能源消耗也呈攀升趋势。2006 年 2 月 16 日,旨在限制温室气体排放、遏制全球变暖的京都议定书生效, 大力鼓励、推广绿色环保新能源及其应用产品成为必然的选择。而能源紧张、拉闸限电、燃气涨价等问题的凸显唤起了人们对能源战略应用的重新思考,同时也将人们的目光引向了新型能源的开发与利用, 这促使传统的、高能耗的家电产品逐步退出市场。与此同时,为了减少能源消耗,利用空气能、太阳能、地热能、风能等绿色能源是解决这个问题的有效途径之一 1 。在我国, 随着人类生活水准的不断提高,热水能耗越来越大,卫生热水节能已成为不容忽

10、视的问题。这就催生了新一代热水器空气源热泵热水器。1.2 热泵热水器1.2.1 空气源热泵热水器发展概况1.2.1.1 国内发展状况空气源热泵技术在我国的研究已有很长的历史,但是真正得到快速发展、普遍应用则是最近十几年到 20 年的事情,主要是用在制冷空调系统上,如家用空调器、商用多联机组及工业工艺用的制冷制热设备等。而空气源热泵热水器在我国兴起没多少100KW 空气源热泵热水器2年,还有许多问题需要解决。首先,空气源热泵热水器的设计:简单从原理上看,似乎只要把热泵空调器用于采暖的热变成热水就可以出产品了,其实不然。热水器产热水的温度要求在 55,所以,它不仅有着与采暖热泵同样的,即在寒冷地区

11、冬季如何产热的问题,还有必须能在炎热地区以供热的工况运行产热(此时空调是产冷)的问题。因此,它的运行使用工况诸如冷凝温度、最大压差、最高蒸发压力等都与热泵空调有着较大的差异,因而给压缩机和制冷工质带来了新问题。这些问题在热泵热水器的设计中必须予以解决,否则,其产品就有着较大的地域和使用时段的局限性,甚至超出使用条件而毁坏。目前,国内空气源热泵热水器的工质主要是 R22,在冷凝温度 55时,压缩机排气压力接近,而对于常规的空调用制冷压缩机来说,其排气压力是有限制的,最高值一2/8cmkgf般为 26 , 因此,冷凝压力和冷凝温度也相应的受到限制,加热最高水温2/30f受到限制。反过来说,过高的水

12、温,会使机组的冷凝压力升高, 排气温度升高, 不但使机组的能效比下降, 甚至使机组不能正常工作, 严重时可能损坏压缩机。 。因此在文献 2中提出, 热泵热水器的自我保护设计必不可少。当热泵热水器在夏季运行时, 环境温度高, 作为蒸发器的空气换热器负荷增大很多,直接的后果就是蒸发温度、吸气过热度过高,因此吸气压力、吸气温度高。文献指出了吸气压力、温度高的危害并提出解决的办法。它还指出空气源热泵热水器在冬季运行容易出现的问题,比如结霜问题,由于蒸发温度低带来的制热效率低的问题等;冲灌量对热泵热水器性能的影响:热泵热水器与其他制冷装置一样,制冷剂的冲灌量与热水器性能有很大关系。制冷剂充注量过多或过少

13、都将影响制冷装置的工作性能。空气源热泵热水器因其特殊的变工况运行条件,充注量的变化对系统的工作性能影响更大,同时系统对充注量多少的要求与常规的热泵空调不同。文献中做了大量试验来分析冲灌量对空气源热泵热水器的影响,讨论了包括对系统的运行功率、蒸发压力、冷凝压力、蒸发器的过热度、100KW 空气源热泵热水器3COP 的影响,并得出结论:1) 充注量过少,蒸发、冷凝压力低,系统运行最大功率低,COP 低, 系统加热时间变长; 如果充注量过多,蒸发、冷凝压力高,系统运行最大功率高,对系统损耗大,COP 也不高,在最佳充注量附近系统运行性能对充注量的改变不敏感。2) 在实际的制冷剂充注中应尽可能保证蒸发

14、器出口有一定的过热度裕量(12), 这样既可以保证系统稳定运行也可使得 COP 较高, 这一点可作为系统最佳充注量的一个判断依据 2。1.2.1.2 国外发展状况空气源热泵技术 1924 年就已在国外发明。然而在很长的一段时间里并没有被人类充分地认识和运用。直到 20 世纪 60 年代,世界能源危机爆发以后才受到充分的重视,所以此后世界各国纷纷加大了研发力度,进一步推广了热泵技术,使得目前热泵技术已经比较广泛地使用。欧盟 2008 年 9 月 11 日,欧盟议会工业研究及能源委员会(ITRE)通过一项提案,明确规定将所有类型的热泵应用视为使用可再生能源技术。随着所有类型的热泵(环境空气热源、环

15、境水热源和地热源)均被纳入可再生能源技术范畴,加之提案要求所有欧盟成员国都遵守新规定的内容,即促进或强制要求在新建和现有建筑中使用可再生能源技术,这使得欧盟的热泵市场得到大幅提升。按有关规定,2020 年,在欧盟地区住宅的热能需求中,以可再生能源满足的比例将不低于 15。利用太阳能热水器或热泵与电热水器或燃气热水器混合配置,是目前实施可再生能源指令最常见的方案。目前,欧盟的热泵机组中约有一半为空气源热泵,剩下的是地源或水源热泵。而且,这些热泵装置多数用于采暖,只有少量整体式空气源热泵利用室内排风作为热源或在浴室进行空气除湿时制热,用于制取生活用热水。这种运行方式决定了空气侧的流量不能太大,否则

16、会导致室内温度出现较大变化。100KW 空气源热泵热水器4日本 日本是最早普及热泵应用的国家,第一次石油危机后,从能源安全的基本目标出发,日本将节能作为基本国策。由于热泵技术具有显著的节能效益,家用热泵型空调技术取得较大发展,到 20 世纪 80 年代中期,日本已基本普及家用热泵型空调。而利用热泵技术制取生活用热水,则是在热泵型空调系统基础上,加装热能回收装置和热水储存装置演变而成,这类与家用空调装置组合的热泵热水器,直到今天仍然是日本市场的主流产品。据日本制冷空调工业协会(JRAIA)统计,2009 年,日本热泵热水器的产销量约为 110 万台,其中约 60 万台是用于空调或采暖的多功能组合

17、型产品,仅具有制取生活热水功能的产品为 50 万台左右。为提高空气源热泵的冬季运行性能,日本企业和相关研究机构多年来进行了不懈的努力。20 世纪 80 年代投放市场的变频驱动产品,大幅提高了低温运行条件下的供热能力和运行效率;90 年代投放市场的采用直流调速技术的产品,在低温运行条件下的供热能力和运行效率进一步提高;21 世纪初,适应-20和-25低温环境的热泵产品和采用二氧化碳跨临界循环技术热泵热水器相继上市。在日本,空气源热泵可以全年全天候满足住宅用户的空调制冷、采暖制热和生活热水供应等需求,目前热泵的全年能耗水平已降至 20 世纪 80 年代初的 1/3 左右。总体而言,目前日本热泵热水器的产业规模和技术水平在全球处于领先地位,主要制造商有松下、三洋、日立、大金、三菱电机等。 在日本市场中,按使用的制冷剂不同进行划分,热泵热水器主要有 R410A 和两大类,使用 R134a 等制冷剂的产品很少。使用 的热泵热水器商品名为 2CO 2COEcoCute,译作生态精灵,该产品自 2001 年进入市场后,市场规模持续大幅扩大,目前的年增长率为 20左右。日本具备空调制冷功能的热泵热水器,基本都使用R410A,同时也销售仅具备制取生活热水单一功能的 R410A 机型。与 EcoCute 相比,使用 R410A 的同类产品的最显著优点是价格较低。采用小容量热泵系统和大容量储

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