一、原理與設(shè)計(jì)工況：

空氣源熱泵熱水機(jī)組是利用逆卡諾循環(huán)的工作原理，通過熱泵對(duì)制冷劑做功從而使其發(fā)生顯著相變，實(shí)現(xiàn)不斷地吸熱與放熱。眾所周知，空氣源熱泵性能系數(shù)COP隨環(huán)境溫度降低而下降，在-25℃環(huán)境溫度下無法工作。此次設(shè)計(jì)中，空氣源熱泵在低溫工況下的制熱性能可以在噴氣增焓系統(tǒng)的作用下得以更好提升，從而使空氣源熱泵在低溫環(huán)境下運(yùn)行成為可能，擴(kuò)展了傳統(tǒng)空氣源熱泵的應(yīng)用范圍。

空氣源熱泵在低溫環(huán)境下達(dá)到良好的運(yùn)行工況，整個(gè)系統(tǒng)一般采用 噴氣增焓系統(tǒng)。

噴氣增焓技術(shù)類似于汽車的“渦輪增壓”，該系統(tǒng)以噴氣增焓的壓縮機(jī)為基礎(chǔ)，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)行一次壓縮后壓力可能沒有達(dá)到系統(tǒng)所需的壓力，這時(shí)需要利用壓縮機(jī)所帶的輔助進(jìn)氣口，對(duì)處在的中間壓力制冷劑氣體吸入，使之與部分壓縮的制冷劑混合換熱，從而可以實(shí)現(xiàn)兩次壓縮均用一臺(tái)壓縮機(jī)，并將主循環(huán)回路制冷劑的焓差進(jìn)一步加大，這也是該系統(tǒng)可以增焓的原因。

噴氣增焓空氣源熱泵熱水器機(jī)組循環(huán)流程見下圖：

制冷劑循環(huán)過程分為以下四個(gè)流程：

首先：四通換向閥通過管道連接接收來自壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體，如果外界環(huán)境比較冷，氣體經(jīng)過四通換向閥可以達(dá)到除霜的效果。

其次：冷凝器位置在換向閥之后，換向閥無法改變制冷劑的狀態(tài)，進(jìn)入冷凝器的制冷劑狀態(tài)和進(jìn)入換向閥的制冷劑保持一致。制冷劑帶的熱量通過冷凝器傳遞到冷卻水中,使水的溫度升高。

然后：在冷凝器和干燥過濾器的連接管道上裝有視液鏡，可以對(duì)制冷劑狀態(tài)有一個(gè)直觀的觀察。制冷劑中有時(shí)會(huì)帶有一些雜質(zhì)存在影響整個(gè)系統(tǒng)，所以需要進(jìn)行過濾排除。制冷劑從干燥過濾器出來，一部分到電子膨脹閥B后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，另一部分流?jīng)主管道，兩部分制冷劑在經(jīng)濟(jì)器中相遇交換熱量。輔助回路的制冷劑氣體被升溫后被噴氣增焓壓縮機(jī)的輔助進(jìn)氣口吸入，進(jìn)行二次壓縮。主管道中的制冷劑通過另外一個(gè)節(jié)流部件—電子膨脹閥A降壓后流向蒸發(fā)器。

最后：環(huán)境中的熱量被蒸發(fā)器中的制冷劑不斷吸收，狀態(tài)發(fā)生改變成氣體，隨后進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，兩者之間設(shè)有氣液分離器。由此完成了一個(gè)完整的制冷循環(huán)。

與傳統(tǒng)的空氣源熱泵系統(tǒng)相比，由噴氣增焓壓縮機(jī)完成的中間補(bǔ)氣階段是該系統(tǒng)最重要的一個(gè)階段，該階段由噴氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)及經(jīng)濟(jì)器完成。因此，噴氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)和經(jīng)濟(jì)器為整個(gè)機(jī)組的兩個(gè)核心部件。

二、空氣源熱泵熱水器熱力計(jì)算：

噴氣增焓系統(tǒng)壓焓圖見下圖：

經(jīng)過熱力計(jì)算可知,壓焓圖上各個(gè)點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)見下表：

關(guān)于這些狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)，我們推薦可以采用excel結(jié)合Refprop做制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算，得到如下的效果：

熱力計(jì)算過程：

三、壓縮機(jī)選型計(jì)算：

本次設(shè)計(jì)制熱量75kW，應(yīng)選擇中型壓縮機(jī)。此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)為噴氣增焓系統(tǒng)，因此對(duì)壓縮機(jī)的要求很高，應(yīng)選用低溫型噴氣增焓壓縮機(jī)。

1）、由熱力計(jì)算結(jié)果可知壓縮機(jī)實(shí)際耗功：

 Wel=103.75 kJ/kg

2）、壓縮機(jī)吸氣體積流量：

V=0.0168m3/s

對(duì)比各類型壓縮機(jī)性能，選擇艾默生旗下谷輪公司補(bǔ)氣增焓(渦旋)壓縮機(jī)，型號(hào)為ZW154KSP。壓縮機(jī)型號(hào)參數(shù)和適用范圍見下表：

壓縮機(jī)測(cè)試工況：蒸發(fā)器溫度-5℃、冷凝溫度60℃、過熱度11K、過冷度8.3K；

EV控制條件：排氣溫度<115℃、經(jīng)濟(jì)器過熱度6K、排氣溫度>115℃時(shí)調(diào)節(jié)噴射量使排氣溫度≤115℃。

比對(duì)所選壓縮機(jī)的制熱量，以及所設(shè)計(jì)的低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組所需制熱量，此次設(shè)計(jì)擬采用兩臺(tái)谷輪補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)。

四、冷凝器的設(shè)計(jì)：

本設(shè)計(jì)中，選取水冷式冷凝器，制冷劑走管外，冷卻水走管內(nèi)，冷卻水升溫后用于供應(yīng)生活熱水。此外由于冷凝器需要產(chǎn)生75kW的熱量，熱量相對(duì)較大，一般的冷凝器無法達(dá)到要求，綜合考慮選擇臥式殼管式冷凝器，見下圖：

查閱文獻(xiàn)，計(jì)算可知，在此次設(shè)計(jì)中，傳熱管選用低肋管，分為四個(gè)流程，每流程平均管數(shù)15根，有效長(zhǎng)度為1.1m，實(shí)際冷凝管長(zhǎng)度1.12m。為了保證冷凝器可以達(dá)到更好的效果，在冷凝器進(jìn)出口及外殼包裹一層保溫材料。

關(guān)于殼管設(shè)計(jì)的軟件，我們推薦 HTRI軟件：

HTRI是更專業(yè)的換熱，按結(jié)構(gòu)模塊可以做空冷器、省煤氣、板換、管殼套管、螺旋板、發(fā)夾式管殼、布管工具、震動(dòng)分析、燃燒器 殼管換熱器示例 綜合管道阻力、管道附件阻力及其他設(shè)備阻力的大小，合理選擇設(shè)備，保證總阻力在規(guī)定范圍內(nèi)；

五、風(fēng)冷翅片式換熱器的設(shè)計(jì)：

本設(shè)計(jì)的機(jī)組是低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組，其主要目的是用于制熱水。運(yùn)用的能源是空氣能，即在換熱器中制冷劑與空氣進(jìn)行熱交換，因此選取冷卻空氣式蒸發(fā)器，由熱力計(jì)算得蒸發(fā)器所需冷負(fù)荷為30.75kW，相對(duì)較小，所以本設(shè)計(jì)選擇表面式蒸發(fā)器。

本設(shè)計(jì)中，為了滿足機(jī)組的蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，采用兩塊蒸發(fā)器并聯(lián)，安裝位置兩者呈V形，則單個(gè)蒸發(fā)器所需達(dá)到的冷負(fù)荷為：

查閱文獻(xiàn)，計(jì)算可得，所設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器的單管有效長(zhǎng)度2.071m，總共有176根傳熱管，按照常見的排列方式正三角形叉排排列，翅片常選用平直套片。蒸發(fā)器寬2.1m，高1.1m，實(shí)際迎風(fēng)面積2.31m。

關(guān)于翅片式換熱器的設(shè)計(jì)和仿真，我們推薦兩個(gè)軟件：

翅片式換熱器：常用的是 EVAP-COND 和 Coildesigner ，筆者用 Coildesigner 比較多一點(diǎn)，也覺得計(jì)算出來的數(shù)值準(zhǔn)確性很高：

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美國(guó)NIST出品的EVAP-COND：

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六、制冷劑充注量的計(jì)算：

在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，制冷劑充注量對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的使用效果等各方面都存在影響，因此有一個(gè)最佳制冷劑充注量。

系統(tǒng)中制冷劑的充注量不等于制冷量。充注量是指系統(tǒng)充注制冷劑的量，而制冷量是指系統(tǒng)在工作過程中，單位時(shí)間從密閉空間吸取的能量之和。制冷劑的充注量會(huì)受到系統(tǒng)容積大小，制冷劑所處狀態(tài)及進(jìn)出口空氣干度的影響。制冷劑的充注量是系統(tǒng)中所有部件容納制冷劑的質(zhì)量總和。

其中，VH表示蒸發(fā)器容積，單位為L(zhǎng)，VK表示冷凝器容積，單位為L(zhǎng)。

七、輔助設(shè)備選型：

一個(gè)完整的系統(tǒng)不僅僅只有蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流機(jī)構(gòu)四大部件，一些輔助設(shè)備也是必不可少的，如干燥過濾器等。

輔助設(shè)備的種類有很多，它們的作用也各不相同，基本上可以分為兩大類：

一、是維持循環(huán)正常進(jìn)行的設(shè)備裝置，如兩級(jí)壓縮的中間冷卻器等；

二、是用于改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的指標(biāo)與條件的設(shè)備裝置，如集油器、油分散器、氨液分離器以及各種貯液器等。

7.1 經(jīng)濟(jì)器的選型

經(jīng)濟(jì)器相當(dāng)于是一個(gè)換熱器，其基本原理如同蒸發(fā)器和冷凝器的原理，制冷劑和外界環(huán)境進(jìn)行換熱，從而使制冷劑得以過冷。為了滿足此次設(shè)計(jì)的制熱需求,所選用的經(jīng)濟(jì)器是板式換熱器：

7.2 循環(huán)風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)是將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的器件，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的輸配能耗，是非常重要的部分。根據(jù)風(fēng)量q=10250m3/h，風(fēng)阻△P=84.75Pa，選擇T40型軸流通風(fēng)機(jī)，型號(hào)T40-2.5，風(fēng)機(jī)參數(shù)見下表：

7.3 熱力膨脹閥 的選型

膨脹閥是制冷循環(huán)中一個(gè)不可或缺的部件之一，一般安裝于儲(chǔ)液罐和蒸發(fā)器之間。膨脹閥對(duì)高溫高壓的制冷劑液體進(jìn)行節(jié)流使之成為低溫低壓的制冷劑蒸汽。

7.3.2 輔助電子膨脹閥選型

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù):所需制冷量為1.233kW，所用制冷劑為R410a蒸發(fā)溫度T0=-10.7℃，蒸發(fā)壓力Pm=0.5600MPa；冷凝溫度Tk=50℃，冷凝壓力P=3.0711MPa。

根據(jù)丹佛斯選型軟件,采用型號(hào)為ETS6-08型電子膨脹閥,滿足設(shè)計(jì)要求。型號(hào)參數(shù)見下表：

7.4 四通換向閥的選型

四通換向閥是制冷設(shè)備中不可或缺的部件之一，其工作原理是：通過將制冷劑的流動(dòng)通道改變，從而使制冷劑的流向改變。

本設(shè)計(jì)中，四通換向閥主要起到除霜的功效。所謂機(jī)組的除霜就是讓系統(tǒng)進(jìn)行的循環(huán)變?yōu)槟嫜h(huán)，不可以向室內(nèi)提供熱量，僅用于除霜，且會(huì)從室內(nèi)吸收部分熱量。

制冷量為30.75kW換算為13.2匹，因此選擇四通換向閥時(shí)選擇14匹的四通換向閥。

此次設(shè)計(jì)中選用的是浙江三花公司SHF-50-911D型四通換向閥。型號(hào)參數(shù)見下表：

7.5  干燥過濾器的選型

熱泵機(jī)組內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)存在著水分及雜質(zhì)等，會(huì)對(duì)設(shè)備的性能和使用壽命等帶來負(fù)面作用，嚴(yán)重時(shí)可損壞壓縮機(jī)。

干燥器和過濾器在熱泵部件中也是一個(gè)不容忽視的重要部件。冷媒在干燥器中的安全流速為： 0.013~0.033m/s之間 ，流速過快很容易使干燥劑變成粉狀。過濾器一般選擇與冷媒及潤(rùn)滑油相容的金屬細(xì)網(wǎng)，過濾網(wǎng)臟后可拆卸用汽油清洗,洗后的金屬網(wǎng)可第二次使用。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：制熱量Q=75kW，蒸發(fā)溫度t=-20℃，冷凝溫度t=50℃，以及干燥過濾器在系統(tǒng)中所處的位置，選用丹佛斯公司型號(hào)為DCL/DML032s的干燥過濾器。DCL干燥過濾器,適用于HFC和HCFC制冷劑。80%分子篩,20%活性鋁氧化物。型號(hào)參數(shù)見下表：

7.6 氣液分離器的選型：

氣液分離器一般安裝在壓縮機(jī)進(jìn)、出口處用于將氣體和液體分離開來，從而提高設(shè)備的性能。選用強(qiáng)度大、氣密性好的氣液分離器可以更好地提高系統(tǒng)的制冷能力。

在選型時(shí),氣液分離器應(yīng)能容納50%系統(tǒng)的充灌23。氣液分離器筒徑計(jì)算公式：

此次設(shè)計(jì)中選用的是15匹的氣液分離器，口徑為18mm，筒體高度399mm，滿足設(shè)計(jì)需求。

八、空氣源熱泵熱水器水箱設(shè)計(jì)：

根據(jù)商用空氣源熱泵熱水器水箱的容量，此次設(shè)計(jì)的75kW空氣源熱泵熱水機(jī)組可以提供給約60人洗浴，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)可供給60人同時(shí)使用的熱水水箱。按每人每天50~60L用水量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，預(yù)設(shè)水箱容積為3000L。水箱的進(jìn)水溫度預(yù)設(shè)為6℃，出水溫度為45℃；

綜合考慮到加熱時(shí)間、使用人數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化,預(yù)留一定的富余量,取Q=14kW。

九、設(shè)計(jì)總結(jié)：

本文設(shè)計(jì)的是75kW空氣源熱泵熱水機(jī)組在低溫工況(-20℃)下的運(yùn)行。整個(gè)設(shè)計(jì)完成后，結(jié)果證明噴氣增焓技術(shù)可以較好地?cái)U(kuò)展空氣源熱泵熱水器的適用范圍，對(duì)傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)進(jìn)行改善。經(jīng)過綜合分析評(píng)價(jià)后，該機(jī)組最終設(shè)計(jì)結(jié)果如下：

1)、制冷劑選用R410a，該制冷劑節(jié)能環(huán)保，被廣泛地運(yùn)用于空氣源熱泵熱水機(jī)組當(dāng)中。由熱力計(jì)算可知,機(jī)組的性能系數(shù)(COP)可達(dá)2.04,冷凝熱負(fù)荷為30.75kW。

2)、低溫型空氣源熱泵熱水機(jī)組采用的是噴氣增焓系統(tǒng)，在噴氣增焓系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)器和帶輔助補(bǔ)氣口的噴氣增焓壓縮機(jī)是其核心部件。此次設(shè)計(jì)中選用的艾默生旗下谷輪公司噴氣增焓壓縮機(jī)，型號(hào)為ZW154KSP。選用兩機(jī)并聯(lián)以滿足設(shè)計(jì)機(jī)組所需制熱量。

3)、由于冷凝熱負(fù)荷為30.75kW，相對(duì)較小，比對(duì)各類壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍，且此次設(shè)計(jì)主要是為供應(yīng)熱水。因此冷凝器選擇臥式殼管式冷凝器，制冷劑在管外流動(dòng),冷卻水走管程。在整個(gè)設(shè)計(jì)中,傳熱管選用低肋管，分為四個(gè)流程，每流程平均管數(shù)15根，有效長(zhǎng)度為1.1m。

4)、此次設(shè)計(jì)的熱水器是利用節(jié)能環(huán)保的空氣能，因此蒸發(fā)器選用表面式蒸發(fā)器，采用兩塊蒸發(fā)器并聯(lián),按V形放置。在整個(gè)設(shè)計(jì)中，選用紫銅管作為傳熱管，并將管束按照正三角形叉排排列，總管數(shù)為176根，單管有效長(zhǎng)度2.071m，翅片常選用平直套片。蒸發(fā)器寬2.1m，高1.1m，實(shí)際迎風(fēng)面積2.31m。

5)、制冷劑的充注量對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)性能的影響很大,因此計(jì)算所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的制冷劑充注量十分重要。通過計(jì)算可知,整個(gè)系統(tǒng)共需要R410a約12kg。