1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文）题 目 150 升即热式二氧化碳热泵热水器 学生姓名 专业班级 热能与动力工程 学 号 院 （系） 机电工程学院 指导教师(职称) 完成时间 150 升即热式二氧化碳热泵热水器目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1 概述 .11.1 绪论 .11.1.1 引言 .11.2 热水器制热原理 .41.2.1 卡诺循环基本原理 .41.2.2 二氧化碳跨临界循环原理 .51.3 方案论证 .61.3.1 压缩机 .61.3.2 冷凝器的选择 .101.3.3 蒸发器的选择 .121.3.4 制冷剂的选择 .131.3.5 节流机构的选择 .131.4 经济性分析 .
2、181.4.1 直热式热泵热水器与循环式热泵热水器对比分析 .191.4.2 二氧化碳跨临界循环分析 .211.4 小结 .182 系统的设计计算 .242.1 制热量及功率的计算 .242.1.1 制热参数的计算 .242.1 制热量及功率的计算 .24150 升即热式二氧化碳热泵热水器2.1.1 制热参数的计算 .242.2 压缩机的选择及热力的计算 .242.2.1 压缩机热功率计算 .242.2.2 取最优高压值 .242.2.3 压缩机的选择和确定 .262.2.4 对所选的压缩机系统进行实际热力计算 .272.2.5 实际的热水产量及时间计算 .282.3 冷凝器设计计算 .282
3、.3.1 冷凝器的热平衡计算 .282.3.2 冷凝器类型选择 .282.4 蒸发器的设计计算 .312.4.1 蒸发器的类型选择 .312.4.2 选定蒸发器的结构参数 .312.4.3 计算几何系数 .312.4.4 计算空气侧干表面的传热系数 .333 零部件的选择计算 .393.1 管道的选择 .393.1.1 压缩机-气体冷却器间的高压气体管道 .393.1.2 气体冷却器-蒸发器间的气体管道 .393.1.3 压缩机吸气管道 .393.2 节流机构的选择 .393.3 压力控制器的选择 .393.4 视液镜 .443.5 蒸发器风机的选择 .453.6 风扇扇叶的选择 .46150
4、 升即热式二氧化碳热泵热水器3.7 干燥过滤器选型 .473.8 单向阀选型 .493.9 储液器选择 .50结束语 .52致谢 .53参考文献 .54150 升即热式二氧化碳热泵热水器I150L 即热式二氧化碳热泵热水器摘要自从人类进入蒸汽时代以来，人类进步飞速，但随之而来的环境污染问题也越来越严重。环境的污染和能源的浪费已经成为现今不可忽略的问题。而本次研究的以二氧化碳为工质的热泵对环境没有危害，不会有如氟利昂等破坏臭氧层的问题，同时有无毒，不产生温室效应等优点。利用二氧化碳跨临界循环能够制取高于常见热泵所能制取的高温热水，使其相比较其他工质来说有无可比拟的优势。本文将简要介绍二氧化碳热泵
5、的应用，并设计一款 150L 即热式二氧化碳热泵热水器。其主要部件及其控制部件的设计选择如下：气体冷却器采用的是套管盘管式换热器。同时为减小其结构和尺寸，用紫铜管轧制的低翅片管作内管；蒸发器采用的是风冷式翅片管式换热器，管子采用紫铜管，翅片采用铝翅片。系统的压缩机采用的是 BOCK 公司的 半封闭活塞式压缩机；2节流机构选用谷轮公司的热力膨胀阀。关键词 热泵热水器/二氧化碳/跨临界循环150 升即热式二氧化碳热泵热水器II150L heat pump instant water heater2ABSTRACTThe technology of human become better and b
6、etter from the time of heat machine being invented. 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 hig
7、h temperature at compressor exit and a large temperature glide at the gas cooler, which makes have a wide application in the water heater. In this paper, the trans-critical 2cycle characteristics of heat pump system is introduced, the virtue and shortcoming of heat pump water heater is discussed, th
8、e overview of its research and its application on 2heat 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 150L the CO2 heat pump instant water heater is design
9、ed, major components and the control mode as follows: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; Evaporator uses the forced-air cooling type fin-and-tube heat exchanger, the pipe is copper tube, the fin
10、 is aluminum fin;CO2 half seal reciprocating compressor made in BOCK Corporation is used in this system;150 升即热式二氧化碳热泵热水器IIIWe uses the Cooplands thermal expansion valve as the throttle mechanism of this system.KEYWORDS heat pump water heater, , transcritical cycle2150 升即热式二氧化碳热泵热水器11 概述1.1 绪论1.1.1
11、引言人类原本为自然界中的一员，人们在渐渐的改造着自然，同时也依赖着自然。但是随着人类文明的进步和人口的迅速膨胀，人类改变自然的能力也越来越强。人类乐此不疲，直到我们渐渐发现我们改造的环境越来越不适合我们的生存。而现在，人类对环境改造的限度和对资源的过度开发已经接近自然界的极限。这时，可持续发展的问题变得愈加重要。目前的环境问题很多，如温室效应，臭氧层空洞等 1。而其中温室效应主要原因是大量二氧化碳的排放。现今我们主要利用的能源是石化能源，如煤炭，石油，天然气等，这些也正是二氧化碳的主要来源。因此，节约能源成为解决这些问题的主要途径。另一方面，氟利昂的排放是臭氧层空洞的主要原因。所以，尽量减少氟
12、利昂的应用是减轻该问题的主要途径。 21987 年 9 月 16 日，为了避免工业产品中的氟氯碳化合物继续破坏臭氧层，联合国邀请 26 个会员国签署了蒙特利尔公约。其中对部分氟氯碳化合物等的生产做了严格的规定，并要求各国共同为保护臭氧层而努力。可见，制冷业广泛使用的CFCs、 HCFCs 工质是破坏臭氧层的主要物质。同时这些工质也是温室气体，已经被列入淘汰名单之中。而二氧化碳是热泵系统中最有潜力的天然工质之一。在二氧化碳跨临界系统中，在气体冷却器端的出口温度移动可与变温热源很好的匹配。同时，它在热水器方面的应用有着突出的优势。二氧化碳作为较早的制冷剂，在 19 世纪末开始便得到了广泛的应用。但
13、随着CFCs 的出现，二氧化碳便渐渐淡出制冷剂领域，其主要原因为当时主要采用的是亚临界循环，而二氧化碳在这种循环中功耗很大，经济性受到严重影响。当制冷剂在环保方面的问题日趋突出，跨临界循环的提出，二氧化碳重新进入人们的视野之中。1993 年，挪威 SINTEF 能源研究所的研究人员率先对二氧化碳跨临界循环在热泵中的应用进行了理论和实验上的研究。他们的研究表明，二氧化碳跨临界循环具有很高的供热系数，同时系统的结构紧凑，产水温度高，在民用和工业两方面都有着非150 升即热式二氧化碳热泵热水器2常大的发展潜力 3。早在 1995 年，日本多家公司就开始合作，共同研究二氧化碳热泵系统，同时也开发出了相
14、关的热水器。通过相关计算和理论分析，得出的 COP 可以大到 3，从而实现了相关热水器的商业化。二氧化碳作为制冷剂，具有以下特点 4：二氧化碳不消耗臭氧层，即 ODP=0，全球变暖潜能值 GWP=1，远小于常见的 CFCs、HCFCs，符合相关环保规定；单位容积制冷量大，结构紧凑；绝热指数大，所以压缩机排气温度较高，同时也负荷制取热水温度需要；临界温度低，因此其一般在跨临界状态下运行。此外，二氧化碳还有无毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流状态使其传热性能高等优点。二氧化碳的主要热物理性质如下表 1-1表 1-1 二氧化碳的热物理性质 5饱和状态参数压力Mpa液体密度 kg/3蒸气密度 k
15、g/3液体比热kJ/(kg.K)蒸气比热kJ/(kg.K)液体粘度 Pa.S蒸气粘度 Pa.S液体导热系数W/(m(Pa.S)蒸气导热系数W/(m(Pa.S)0 3.94 928.1 97.7 2.54 1.87 104.5 14.8 0.1113 0.020810 4.5 861.5 135.1 3.00 2.56 86.4 16.0 0.0993 0.0255二氧化碳的临界温度只有 31.1，其热泵循环打的流程采用的是跨临界循环。此循环类型不但可以避免受到环境温度的影响，而且可以其其他的作为制冷工质的其他优点。吸热过程在亚临界条件下进行，而潜热是换热的主要依靠方式；在大约临界点区域，是冷凝
16、过程进行的主要区域，依靠显热完成的放热过程是一个含有很大温度滑移的温变过程。而这恰好与加热时水的温升相配合，因而可减少位于高压侧的能量损失。因此，这种特殊的洛伦兹循环，特别适合用于设计家用热水器，可有效得到很高的热泵效率。而在二氧化碳跨临界循环中，两相区域并不存在于超临界压力区内，压力和温度彼此没有关联，所以高压压力对制冷剂的焓值也有一定影响，其变化也将导致制冷量、压缩机功耗和 COP 值产生改变。因此可以方便的实现150 升即热式二氧化碳热泵热水器3满足需要的多种控制方式。同时由实验研究分析得出，二氧化碳跨临界循环的高压侧有一个最优的运行控制压力，同时在最优压力下，循环性能系数可达到最大。其
17、主要有以下特点：二氧化碳 ODP=0， GWP=1，远小于常见的 CFCs、HCFCs，符合相关环保规定；单位容积制冷量大，结构紧凑；绝热指数大，所以压缩机排气温度较高，同时也负荷制取热水温度需要；临界温度低，因此其一般在跨临界状态下运行。此外，二氧化碳还有无毒，不可燃，易得，粘度低，低流速下呈紊流状态使其传热性能高等优点。在热力性能上，二氧化碳作为工质来说也具有一些缺陷。但是，根据热力学第二定律，工作介质的热力性质并不影响理论性能系数，因此 COP 也并不是工质的内在属性。从环保和节能两个角度来说，只要系统设计的合理，二氧化碳热泵热水器的COP 已经可以轻松超越其他传统工质的系统。同时将之与
18、水箱结合这也是未来的发展趋势之一。因为水箱储水可以有效的利用夜间的廉价的电力，从而提高系统的经济性，实现“ 削峰填谷” 。但由于二氧化碳需要穿越其临界点，所以目前二氧化碳热泵热水器普及的主要阻力在于降低成本和提高运行效率。因此在今后的设计中还有许多待改进的技术难点：目前，R22、R134a、R407c 等是热泵领域用作制冷剂的主要物质。但是当冷凝温度为 55时，上述制冷剂的冷凝压力分别为2.1753MPa、1.4917MPa、2.2153MPa。而二氧化碳热泵热水器压力可以达到910MPa，其吸气压力和排气压力的差值很大。而由于其基本都在高压下运行，所以设计计算中必须考虑系统所能承受的最高压力，以及压缩机，润滑油等的耐压性质。在小管径、高质量流量等情况下的二氧化碳流动时，提高传热效率的相关研究。比如通过改变管排形式，设计开发高效的跨临界循环热交换器等。
