摘 要

随着社会的快速发展，世界范围内的能源供应局势日益紧张，节能性能优越的热泵技术便更加广泛的应用于各行各业，尤其是对于能耗较大的采暖、热水和空调行业。空气源热泵热水器就是热泵技术应用比较好的一款产品。

本文主要对16匹空气源热泵热水器进行热力计算、结构设计、cad 绘图等。文章从产品背景出发介绍空气源热泵热水器的特点与应用及其工作原理。在这篇文章中，主要是对空气源热泵热水器的设计，通过相关的热力计算和结构计算对空气源热泵热水器的冷凝器和蒸发器进行设计，并选择合适的压缩机和节流装置。热力计算部分和结构计算部分将以表格的形式在文章中展现。最后将以cad绘图的形式更加形象具体的展现对直接蒸发式蒸发器和套管冷凝器以及其它主要部件的结构设计。

关键词：空气源热泵 热水器 热力计算 结构计算

The design of 16 HP air-source heat pump water heater

Abstract

With the rapid development of society, the situation of worldwide energy supplies turns intense increasingly. Therefore, heat pump technology which has superior energy-saving performance will be more widely used in all walks of life, especially for the heating, hot water and air conditioning industry requiring large energy consumption. Air source heat pump water heater is such a product which takes good advantage of the heat pump technology.

In this paper, it will start from the product background to introduce the characteristics and applications of the 16HP air source heat pump water heater, as well as its working principle. Then this paper mainly analysis and designs air source heat pump water heater according thermal calculation, structural design, CAD drawing, etc. Through the relevant calculation of the thermodynamics and the structure, we design the condenser and evaporator of air source heat pump water heater and select the suitable compressor and throttle device. The part of thermodynamic calculation and the part of structure calculation will be displayed in the article in the form of the article. In the end, the design of the fin type evaporator, the tube condenser and the system structure is more vividly shown in the form of CAD drawing.

Key words: air source heat pump, water heater, thermodynamic calculation , structure calculation.

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 工作原理 1

1.3 空气源热泵技术的发展。 1

1.4 空气源热泵的分类。 2

1.5 空气源热泵热水器存在问题 2

1.6 发展方向 2

1.7 结束语 3

第二章 16匹空气源热泵热水器系统的设计步骤 4

2.1制冷剂的选取 4

2.2设计步骤 4

2.2.1循环热力计算的内容 4

2.2.2压缩机的选取 5

2.2.3换热器的设计步骤 5

2.2.4节流装置的选取 5

2.2.5冷风机的选取 5

2.2.6水箱的选取 6

第三章 16匹空气源热泵热水器的设计计算 7

3.1任务要求 7

3.2 系统设计 7

3.3 工况确定 7

3.4 制冷循环热力状态参数 7

3.5 设计计算 8

3.5.1热泵系统热力计算 8

3.5.2压缩机的选择 9

3.5.3蒸发器结构参数的选取： 10

3.5.3直接蒸发式蒸发器特点 18

总结 26

致谢 29

第一章 绪论

1.1 课题背景

热泵作为一种优秀的技术，在利用逆卡诺循环原理基础上，以微量热能注入机组，通过在机组发生相变，将温度较低的热量升温达到使用效果。空气源热泵热水器技术由于其环保，低耗等特点，已经引起广泛关注。美国日本等国家于1950年左右已经研发这项技术。热泵热水器技术于1980年左右进入我国，一经引进，变如雨后春笋般发展 ^[1]。

地源、水源热泵主要在甘肃等地应用。本课题所诉空气源热泵优点是便于安装。但是受环境温度影响是其缺点。超高的COP指数是其优势 ^[2]。相对于传统热水设备来说其加热效率也极高。其特殊的加热机制使其无需依赖天气，从而拥有堪比太阳能热水器的效益^[3]。

1.2 工作原理

从空气中吸取热量，然后用吸取的热量加热水。其热力学原理为逆卡诺循环。蒸发器、压缩机、冷凝器、风机、水箱和节流阀为主要部件,系统流程如图l所示。

COP指数作为评判能耗比的重要标志,其值越高，越省电。其数值与温差，设备热交换能力，电机效率等息息相关。

图1-1 工作原理示意图

1.3 空气源热泵技术的发展

空气源热泵热水器，第四代热水器的代表^[4]，比传统热水器拥有更多优点 ^[5]。超高的COP指数，使其能够快速立足市场。上海交大实验室对其进行细节改进，优化了多个功能后，使其拥有更好的表现^［6-8］。李卫国等发现改变膨胀阀可以改进机组性能^［9］。

1.4 空气源热泵的分类

依据异样的使用场景需求，空气能热泵热水器有其详细分类。

1.按压缩机类型可分：塞式、涡旋式、螺杆式等；

2.按热泵容量巨细可分：小型，中大型等；

3.按空气能热泵机组布局可分：整体式和模块式空气能热泵热水器；

4.按功用可分：热收回型、蓄冷热型。

1.5 空气源热泵热水器存在问题

虽然空气源热泵热水器已被普及，但是在使用过程中依旧会出现很多问题,由于国内热泵热水器技术起步较晚,这种要求就显得尤其迫切。

（1）国内缺乏相关国家标准和政策支持国内缺乏相应的技术标准来规范市场,保证热泵热水器的健康有序发展;另外国内也缺乏相应的政策支持激励市场、鼓励消费者选择热泵热水器^[10]这是阻碍国内热泵热水器市场发展的最主要因素。例如在日本，政府会通过一系列政策的来促进该产品市场

(2)众所周知，整个系统的核心为压缩机。但是按照目前的数据来说，国内对于这方面的技术还有待提高起码没有能够拥有完整的自主知识产权 ^[11]。

(3)低温环境下的使用可靠性问题^[12-13]，由于热泵热泵器是通过采集空气热能进行水加热的,因此环境气温越高^[14],其效率越高，相反温度低时，加热效率会大打折扣，其节能效果将迅速减弱,甚至会逊色于传统电热水器。因此对低温工况下的研究迫在眉睫 ^[15-17]

(4)代用工质的研究问题^[18-19]目前,空气源热泵热水器常用的工质多为HCFC类或HFC物质,对臭氧层均有不同程度破坏作用和温室效应,从环保角度考虑最终会被限制,目前在欧洲及日本的部分热泵企业已开展了对HC、CO:等代用工质的研究,并已有相关产品面世,但关于这方面的研究还有很长的路要走,当前所面临的主要问题在于如何继续提高效率和不断降低生产成本。

1.6 发展方向

在如今的背景下，对环境无污染是对热泵热水器的第一个要求。此外，在不大幅度提高能耗的基础上，使其的热效率再次有所提高，是其的另一个展望^[20] 。总之，一个既环保又节能还使用简单方便的热水器使我们都希望见到的。

1.7 结束语

高效率，低成本，无污染是其主要特点 ^[21]。使取代污染环境 ^[22]、噪音大、耗能高、有危险、寿命短和操作人员多的煤锅炉、煤气锅炉、燃油锅炉的最新替代产品，与传统热水器加热等供热方式相比节电70%以上。机组采用世界名牌压缩机，运转平稳可靠，噪音小^[23-25]。由于直接补充冷水，因此机组的使用年限也会相对来说有所提高。

第二章 16匹空气源热泵热水器系统的设计步骤

2.1制冷剂的选取

制冷剂作为一种工作介质在制冷系统中不断循环流动，通过自身热力状态的变化完成与外界的能量传递和转换实现制冷的目的。根据各种实际工作条件，去去选择相应的制冷工质，该工质应具备如下理想：

1.基本性质：（1）其等熵压缩过程的最终温度相对来说应较低；（2）一定的工作温度条件下，压力压力比必不可少；（3）为了提高循环效率，比功的数值应维持较小，；（4）为了提高制冷效率，蒸发潜热的数值应该较高，一定流量时，整个系统的循环效率会提高，从而减小设备尺寸，达到节约成本的目的：（5）具有较高的导热率和放热率，在提高传热量的基础上降低蒸发器冷凝器的尺寸。

2.环保性能：产生非温室效应，无其它危害性污染。

3.传输性质方面：（1）在制冷系统中，为了降低流动阻力，通常考虑那些密度不太大和粘度不是很高的工质。

4.物理化学性质方面：工质分子结构较稳定，不易发生其它物理化学反应，同时无毒，无异味。

5.来源丰沛、价格低廉、方便购买。

基于以上制冷剂选择的原则，本设计选择的制冷剂为R134a。R134a是一种普遍应用于中低温工况的制冷剂，综合性能极好，除此之外，R134a（CH₂FCF₃）不含氯原子对臭氧层不存在破坏作用，具有良好的安全性能。

2.2设计步骤

2.2.1循环热力计算的内容

1.确定制冷循环热力状态参数

2.单位质量冷凝热

3.单位质量制冷量

4.压缩机指示功率

5.制冷剂质量流量

6.制冷系数

7.卡诺循环制冷系数

8.热力完善度

9.压缩机输入功率

10.蒸发器热负荷

11.能效比

2.2.2压缩机的选取

压缩机选型要求：

1.压缩机的排气量

2.压缩机进、排气压力和温度

3.技术参数的选择

4.结构性能的选择

2.2.3换热器的设计步骤

蒸发器设计步骤：

（1）蒸发器结构参数选定

（2）几何参数计算

（3）蒸发器设计热力计算

（4）制冷剂侧热力计算

（5）蒸发器结构尺寸计算

（6）校核计算

冷凝器设计步骤：

（1）冷凝器参数选择

（2）几何参数计算

（3）冷凝器设计热力计算

（4）冷凝器整体结构设计

2.2.4节流装置的选取

节流装置的选取应遵循以下原则

（1）设计制冷量

（2）制冷剂种类

（3）制冷系统的工况参数

2.2.5风扇的选取

风扇的选取应考虑进风口的状态参数以及风扇的流量。

2.2.6水箱的选取

水箱必须进行保温设置，以保证水温长时间的恒定，此外水箱还应兼有自动控制功能，控制热水达到一定体积后系统停止制热水。

第三章 16匹空气源热泵热水器的设计计算

3.1任务要求

设计一台制热量为16匹空气源热泵热水器。要求机组结构紧凑,占用面积小,使用方便,运行安全。

3.2 系统设计

图3-1制冷循环图 图3-2制冷循环lgp-h图

本热水器的构成为蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、水箱和其它小系统，通过管道连成密封系统。本系统蒸发器选直接蒸发式，冷凝器选用套管式。

3.3 工况确定

空气进口温度t_s1=20℃，出口温度t_s2=12℃，蒸发温度t₀=5℃；

冷却水进水温度t_w1=15℃，出水温度为t_w2=55℃，冷凝温度t_k=60℃；