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学号:20031268开题报告6KW风冷热泵冷热水机组设计二级学院:机械工程学院教学系：制冷系专业班级:热能与动力工程03-3学生姓名:程博指导教师:陈瑞球2007年5月一、论文结构1．1总体结构的设想论文的总体结构将这样安排：1、热泵机组运行工况和设计参数的确定，压缩机的选型计算。2、风冷换热器的设计计算，其中有冷凝器热负荷、冷凝器进出口空气参数、初步确定冷凝器结构参数、空气状态参数及风量确定、最窄截面风速、空气测表面传热系数、冷凝器外表面效率、管内R410A冷凝时的平均凝结表面传热系数、管壁温度、传热系数、传热系数及冷凝器结构尺寸确定、风换测空气阻力计算、风量风速校核。3、冬季制热工况校合。4、其他设备的选型，包括：电子膨胀阀、电磁式四通换向阀、贮液器、气液分离器、风机及电机、压力开关、水泵。5、最后确定系统原理图，设计制冷管路，计算制冷制冷剂充注量。1．2主要解决的问题风冷热泵冷热水机组自90年代在我国得到了广泛的应用以来，特别是在长江流域的许多空调工程中得以广泛采用，而且地域由南向北迅速推广。这类机组的优点是一机二用，提高了机组的利用率。制冷时，冷凝器采用风冷，省去了水冷冷水机组所需要的冷却水系统；制热时采用热泵运行方式，节能且无使用锅炉造成的对环境的污染；机组安装、布置方便，可置于屋顶而无需专门设置机房等。同时满足外贸出口的需求，顺应国内市场潮流，为内销产品进行技术储备。1．3预期的创新点风冷热泵冷热水机组通过自然能(空气蓄热)获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取(供)暖或供应热水，整个系统集热效率甚高。主要特点有：第一是节能，有利于能源的综合利用，第二点是有利于环境保护，第三点是冷热结合，设备应用率高，节省初投资，第四因为它是电驱动，所以它调控比较方便。第四点是考虑到制冷剂对臭氧层破坏和温室效应的影响,制冷剂采用R410a.常温常压下，R410a是一种不含氯的氟代烷非共沸混合致冷剂，无色气体，贮存在钢瓶内是被压缩的液化汽。其ODP为0，因此不破坏大气臭氧层。二、文献综述2．1我国空气源热泵发展的现状风冷热泵冷热水机组是九十年代在我国开始应用的一种新型空调主机，此类机组夏天既可供冷，冬天又可回收和利用低位热能供热，省却了锅炉房和冷却水系统，不污染环境，机组运行采用微电脑控制，可靠性较高，安装灵活方便，可用于新建和改建建筑的大型空调工程以及家庭空调中，特别适用于我国中部及长江流域和以南地区。近几年，风冷热泵机组在国内外的应用日益增多。由于风冷热泵型机组存在体型较大，噪声较高，除霜技术尚不完善等问题。主要应用风冷热泵的地区是长江流域，该地区夏季闷热，冬季湿冷，1月份平均气温0℃－10℃，相对湿度大于75%。因此，要求热泵必须适应0℃以下低温高湿气候环境[1]。而对于黄河流域、华北地区这些传统的采暖地区（中国气象分区的Ⅱ区和Ⅰ区南部）长期以来一直依靠燃煤、燃油采暖。随着经济的发展、城市规模的扩大，这些传统的采暖方式的缺点越来越突出，不能适应可持续发展的要求，据统计燃煤采暖已经成为北方冬季城市空气污染的罪魁祸首。因此对于这些地区探索出一些可持续发展的洁净采暖技术就具有非常现实而且重要的意义，并逐渐成为工程界、学术界普遍关注的一个热点问题。空气源热泵使用方便、能量利用效率高、对使用地区基本不产生什么污染，这种技术的推广对于地区能源结构调整、治理大中城市环境污染，解决电力结构性过剩、促进暖通空调的可持续发展也产生着十分积极的意义[2]。2．2空气源热泵发展国外发展情况1824年卡诺的论文奠定了热泵的理论基础，1928年哈尔登在住宅安装了第一台示范性供热热泵。此后直至本世纪五十年代初期，热泵才在美国作为商品出现，六十年代后期才逐渐在各地区大量推广应用。七十年代初的世界能源危机，使热泵的发展产生了飞跃，在民用供暖领域，采用热泵技术节能受到了世界范围内的重视。至八十年代初期，热泵在美、日、德、法、及其它发达国家均得到了广泛的应用，并形成了欧洲重点发展大型热泵机组或热泵站，美、日中小型热泵装置领先的格局[3]。由于能源利用造成的环境问题，使高效节能的热泵技术受到了能源部门和环境政策的重视。除了住房用的小型热泵以外，世界上已有7000台工业热泵在各地使用，近400套区域集中供热的热泵系统向各地供热。在瑞典，区域集中供热的热泵系统占据了市场供热首位，89套系统共供热1.180MW，其中9套是由余热驱动的。热泵主要为住房、商业和办公楼供热、供热水，主要以室外的空气和通风中的回风为热源。由于建筑物隔热结构的改进，房屋楼宇的供热要求在减少，但是制冷要求却在增加。在美国，70％的住房有制冷并且通过空气分配系统供热和供冷。在日本，是90％。在欧洲，只有在意大利、西斑牙和希腊普遍采用房间制冷系统，其比例为85％。现代的低温供热系统采用散热器(45～55℃)或地板加热器(30～45℃)，现代的发电装置采用蒸汽燃气联合循环，可以便发电效率提高到55％，因此，热电冷联供热系统将进一步普及。热泵可以回收工业余热，能耗大的石油炼制、化工、食品加工、制浆和造纸工业的余热可作为热泵的热源，在1994年约有10％工业余热得到了利用[4]。2．3空气源热泵的研究现状2．3.1空气源热泵结霜、除霜问题的研究由于空气源热泵冬季采用空气作为热源,所以,随着室外温度的降低,其蒸发温度也随之降低,蒸发器表面温度随之下降,甚至低于0℃。此时,当室外空气在流经蒸发器被冷却时,其所含的水分就会析出并依附于蒸发器表面形成霜层。结霜对热泵是极其不利的。随着霜层的形成,蒸发器传热热阻增加,蒸发温度下降,机组的性能下降,工况恶化,制热量也将下降,这将严重影响压缩机以及热泵整体的性能,同时,除霜带来的额外费用还将降低空气源热泵的经济性,这也就是为什么空气源热泵在寒冷、潮湿地区的应用受到限制的原因。所以说,结霜机理、化霜方法一直是空气源热泵研究与应用中要解决的重点与难点[5]。除霜即除去换热器表面的结霜,使换热器能正常工作,尽可能地维持正常的COP值。除霜一般分为4个阶段:除霜启动、融霜、排霜以及除霜终止并恢复。除霜方法主要有:(1)不加热除霜—扫霜和中止循环法;(2)加热除霜—电加热器或蒸汽加热器融霜、淋水法、热气除霜法、热气-水融霜法以及能量分析法等。从节省劳动力与节能上考虑,现在已很少使用扫霜、中止循环法、电加热器除霜法及淋水法。热气除霜是将压缩机排气通入蒸发器,使其外壁的霜融化、热气除霜的优点在于,霜层融化由内到外,在融霜初期无水蒸气向蒸发器外逸出。只有当霜层融化脱落后,肋片管上的热量才会向外辐射,但此时已处于除霜的结束阶段,因此和周围环境的热交换量Q4较小。而且在热气除霜前可先用热气的压力使管内积存的制冷剂及冷冻油排走,减少热量Q3,这样可缩短融霜时间,使室内温升少,除霜后降温所消耗的制冷量少。随着电磁阀、恒压阀、除霜发讯等自动控制元件在新一代热泵机组中的应用,以及对除霜负荷计算的进一步研究,热气除霜将成为风冷热泵机组的主要除霜方法[6]。能量分析法指的是:从能量转换和能量传递的角度出发,将制冷系统的逆循环除霜过程看成是一个制冷剂吸收能量,并在除霜中释放能量的过程,详尽地分析能量的来源及分配,找出相应的改进措施,达到节能的目的[7]。2.3.2空气源热泵机组与水冷式冷水机组的比较(1)占地面积单就风冷式制冷机外形尺寸而言，要比水冷式制冷机组的尺寸大，但水冷式制冷机需设置冷却塔和冷却水泵，因此水冷机的综合尺寸较风冷机要大很多。另外，风冷式制冷机一般置于高层建筑的裙楼屋顶或多层建筑的屋顶，其外形尺寸同水冷式制冷机在屋顶设置冷却塔的占地面积相当，这样就节省了在建筑物内因设置了制冷机房而多占用的面积。这在寸土寸金的大城市中尤显优势。(2)系统简单风冷式制冷机因没有冷却水系统，使制冷系统变得简单化，即省去了冷却塔、冷却水泵和管路的施工安装工作量，也减小了冷却水系统运行的日常维护、保养工作量与维修费用。(3)对建筑物美观的影响目前大部分建筑物的水冷式制冷机组，均采用冷却塔循环水冷却系统。冷却塔安装在大楼屋面，既影响建筑外观，又与优雅环境不协调。使用冷却塔常常会遭到审美观念较强的建筑师的反对。而风冷式制冷机外形方正，高度一般不会超过3m，比冷却塔要低一半左右，对建筑物外观影响相对较小。而且风冷机还可防止某些冷却塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”给人们带来的不便。(4)水阻力风冷机组水系统的另一特点是，风冷机水侧阻力通常为30~50kPa，远比一般水冷机的水侧阻力80~100kPa要小。(5)节水方面在空调工程上冷却塔运行中所蒸发与风耗的水量较大，而且无法回收。例如：深圳经协大厦，空调冷却水的补水量是整个大厦中日常生活用水的一倍。而风冷机却无须消耗冷却水[8]。2．4空气源热泵的应用以南京市为例，南京是个夏季热、冬季冷，湿度又高的城市，尽管许多人对南京地区冬季热泵供暖的可靠性和合理性持一定的怀疑态度，但由于空气源热泵的上述某些优点，空气源热泵冷热水机组在南京的发展也相当的快。二十世纪九十年代初南京就有工程开始采用空气源热泵冷热水机组。至1995—1998年投入使用的空气源热泵数量明显增加。据我们目前掌握的资料，南京采用空气源热泵冷热水机组为空调系统冷热源的工程目前有250项左右。其中，某设计院这几年选用热泵为冷热源的项目约有35项之多，占该院空调工程项目数的30%左右。某工程师一个人先后有近10个项目采用了空气源热泵冷热水机组作为空调冷热源。在我们所了解的以空气源热泵冷热水机组为冷热源的项目中有商场、写字楼、办公楼、酒店、厂房、综合楼等。从调查的结果看，这几年空气源热泵冷热水机组在南京的发展很快，且大多数工程的热泵空调系统还是能基本满足所需的制冷供热要求的。下面就一个典型工程的情况作些介绍。明日大酒店，建筑面积约7800M2，其中20%左右为酒店公共用房80%左右为客房。酒店共选用3台110RT热泵，实际只用2台。冬季使用效果良好，某晚，室外温度0-2℃，天气多云，热泵出水温度维持在39-41℃，客房内温度可达25℃。下雪天气，热泵仍能正常运行。使用至今曾有过一、二次结霜比较严重，自动除霜困难，管理人员用顶层生活用锅炉热水冲淋后，一切正常。热泵置于酒店顶层屋顶，三台水泵置于热泵旁的室外平台，与热泵一一对应，即每台泵与热泵串联后再并联。与热泵相邻的楼层为酒店内部办公用房，其室内噪单约为45-50dB(A)，冬天个别雨雾寒冷天，由于橡胶隔振垫被冻，隔振效果减弱，其紧贴楼层噪音有所增加。但由于热泵未紧贴客房布置，客房未受明显影响。实际运行表明，系统开2台热泵已足以满足空调要求，冬天极个别的恶劣天气才需开3台热泵[9]。由于目前供暖模式正在进行重大改革，客观上要求给广大用户提供尽可能多的选择，同时建筑业发展异常迅速，许多新建的建筑难以依赖传统的集中供暖，就目前的实际情况而言很多用户在冬季往往有提前供暖或者延后供暖的客观需求，应该讲空气源热泵供暖模式具有一些传统供暖模式所不具有的优点，使得其市场前景非常乐观[10].三、参考文献[1]李先瑞,郎四维.我国热泵发展当今的状况以及未来的展望.中国建筑科学研究院空调所,2005.5.27.[2]蒋能照.空调用热泵技术及应用[M].北京：机械工业出版社，1997，9.[3]吴滨.空气源热泵机组.中国论文下载中心.2006.6.19[4]沈春光,邢辉.空气源热泵热水器发展的现状及市场前景.《太阳能信息》162期B册,2007.5.9.[5]刘忠民.热泵与空调低温制热的探讨[J].制冷与空调，2001,(1).[6]罗鸣,谢军龙,沈国民.风冷热泵机组中的热气除霜方法[J].制冷与空调,2003,3(6):472491.[7]陈旭峰,任乐,袁秀玲.能量分析法在空气源热泵除霜中的应用[J].制冷空调与电力机械,2003,2(90):112141.[8]姜益强，姚杨，《空气源热泵冷热水机组的选择》，《暖通空调》,2003.[9]张建忠,龚延风.空气源热泵冷热水机组在南京的应用.中国供热网,2006.11.10.[10]柴沁虎,马国远.空气源热泵低温适