太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題 目太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院 名 稱 機(jī)械電子工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 熱能與動(dòng)力工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 填表時(shí)間： 2014 年 月 日摘要目前，太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)已經(jīng)在建筑中得到廣泛推廣。太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了空氣和太陽(yáng)能兩種可再生能源的綜合利用和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是一種高效潔凈的新型熱水制備方式。本設(shè)計(jì)在簡(jiǎn)述國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了滿足該居民樓全年供應(yīng)熱水要求的太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方案，設(shè)計(jì)了平板型太陽(yáng)能集熱器；對(duì)熱泵系統(tǒng)中，建立壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥數(shù)學(xué)模型，并編制了冷凝器、蒸發(fā)器的

2、仿真程序；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析；其中重點(diǎn)是冷凝器、蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及仿真編程和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析。本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，包括太陽(yáng)能熱水供應(yīng)回路和空氣源熱泵熱水供應(yīng)回路；太陽(yáng)能優(yōu)先供應(yīng)熱水，當(dāng)太陽(yáng)能供應(yīng)不足時(shí)，空氣源熱泵再供應(yīng)熱水，最大化的使用太陽(yáng)能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，計(jì)算出傳統(tǒng)方式和本系統(tǒng)的全年總費(fèi)用、初投資，得出投資回收年限，表明該系統(tǒng)具有節(jié)能，經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；空氣源熱泵；蒸發(fā)器；冷凝器；性能分析 ABSTRACT Now the solar assisted air source heat pump hot water system has be

3、en widely spread in the building. Solar-assisted air source heat pump system realized the utilization and complementary advantage of two renewable energy：air and solar，being a new and high efficient preparation method. This design introduces the solar-assisted air source heat pump system at home and

4、 abroad research. Operation scheme of solar hot water - air source heat pump hot water supply system meet the residential building year-round water-supply. This subject also designed a flat solar collector and established mathematical model of compressor, condenser, evaporator, expansion valve. This

5、 paper compiles the condenser, evaporator simulation program. Finally the design makes analysis efficiency of system, which focuses on the simulation programming and the structure design of the condenser and evaporator, and systems analysis of the economy. Solar air source heat pump hot water supply

6、 system designed in this paper composed of the solar hot water supply loop and air source heat pump hot water supply loop. Solar energy supply hot water first. When the solar energy supply is insufficient, the air source heat pump supplies hot water. System is maximize used of solar energy, to achie

7、ve the purpose of energy saving. Economic analysis calculates total cost of the traditional way and the annual, then we get its the investment recovery period. Above all results indicated that the system has the energy saving and being economical.Key words: Solar energy; Air source heat pump; Evapor

8、ator; Condenser; Performance analysis目 錄摘要2ABSTRACT31 緒論11.1 本課題的研究目的及意義11.2太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀21.3 本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容42 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)方案62.1 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)要求62.2 熱水供應(yīng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)72.3本章小結(jié)93太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)103.1設(shè)計(jì)參數(shù)103.2 平板型太陽(yáng)能集熱器的數(shù)學(xué)模型113.3 平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)183.4本章小結(jié)194 熱泵裝置各部件數(shù)學(xué)模型204.1 壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型204.2 蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型及仿真244.3冷凝器數(shù)學(xué)模型及

9、仿真334.4膨脹閥模型404.5輔助電加熱器的選取424.6 本章小結(jié)425.系統(tǒng)節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性分析435.1 系統(tǒng)的節(jié)能性分析435.2系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析455.3 本章小結(jié)466 總結(jié)與展望47參考文獻(xiàn)49致謝51附錄一52英文翻譯52附錄二67蒸發(fā)器仿真程序67 1 緒論進(jìn)入21世紀(jì)世界對(duì)能源的需求越來(lái)越大，然而化石能源（如煤炭、石油、天然氣等）面臨枯竭的困境，并且化石能源的燃燒也會(huì)對(duì)大氣造成污染。因此開(kāi)發(fā)研究新型能源和可再生能源是當(dāng)前重重之重。太陽(yáng)能作為最常見(jiàn)，最清潔的能源是首選的新能源；空氣源熱泵將低位能轉(zhuǎn)變成高位能，節(jié)能清潔。本設(shè)計(jì)所研究的太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)不僅具有節(jié)能，清潔

10、的有點(diǎn)，而且還能節(jié)約費(fèi)用，在以后會(huì)用更廣泛的用途。1.1 本課題的研究目的及意義我國(guó)主要是用煤炭、燃油、燃?xì)?、電鍋爐等形式提供商業(yè)建筑熱水，主要采用電熱水器、燃?xì)鉄崴?、太?yáng)能熱水器等形式提供民用建筑熱水。我國(guó)能耗利用率不高，建筑能耗約占總能耗的30%，其中商業(yè)建筑熱水能耗占總能耗20%一40%，民用建筑熱水能耗占20%1，所以，在建筑節(jié)能工作和提高社會(huì)能源使用率上，降低傳統(tǒng)燃煤供暖所造成的大氣污染，減少建筑能耗，大力推廣及使用清潔能源是順應(yīng)時(shí)代的趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)緩解和解決大氣污染具有重要意義2。從利用熱能角度，采用電力、燃?xì)?、燃油等高品位熱源的熱水器，雖然加熱效率較高，但實(shí)際加熱過(guò)程中伴隨著巨大

11、的熵增損失，將熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，以空氣源熱泵作為傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的輔助熱源，來(lái)保證太陽(yáng)能熱水器的全天候工作，在我國(guó)，對(duì)于太陽(yáng)能資源十分豐富的地區(qū)而言，這項(xiàng)課題具有一定的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。太陽(yáng)能熱水器具有節(jié)能及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)得到了一定的應(yīng)用，但常規(guī)太陽(yáng)能熱水器易受氣候的影響，不能全天候運(yùn)行。熱泵作為一種高效節(jié)能裝置，其應(yīng)用逐漸普及，將熱泵節(jié)能技術(shù)與太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可彌補(bǔ)后者的不足，并實(shí)現(xiàn)其高，全天候運(yùn)行，對(duì)節(jié)能、環(huán)保都有重要的意義3。1.2太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀太陽(yáng)能空氣源熱泵在建筑中的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的推廣，這符合走可持

12、續(xù)發(fā)展道路，節(jié)約能源，環(huán)保的政策。我國(guó)地域廣闊，蘊(yùn)藏這豐富的太陽(yáng)能資源，因地制宜的在不同的建筑采用不同形式的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，可有效地促進(jìn)建筑節(jié)能水平的提高和人民生活水平的改善，既節(jié)約的能源，有保護(hù)了環(huán)境，符合國(guó)家資源和環(huán)境戰(zhàn)略，太陽(yáng)能熱泵有巨大的發(fā)展前景。太陽(yáng)能集熱器本身具有受環(huán)境影響大，有間歇性的特點(diǎn)，它與空氣源熱泵相結(jié)合能充分克服太陽(yáng)能本身的這些缺點(diǎn)，而且還可以達(dá)到節(jié)約高位能和減少環(huán)境污染的目的，具有很大的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用潛力。1.2.1 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國(guó)外關(guān)于太陽(yáng)能和熱泵聯(lián)合的研究，可以追溯到 20 世紀(jì) 50 年代由 Jordan 和Therkled 提出早期太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的研

13、究主要集中在民用建筑或公共設(shè)施供熱這樣的大型系統(tǒng)4。太陽(yáng)能熱泵的結(jié)構(gòu)型式多種多樣，不同結(jié)構(gòu)型式的系統(tǒng)具有不同的性能特性。Chandrasekhar5等人根據(jù)加拿大七個(gè)代表性城市的天氣資料，對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)型式的太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)供暖及供熱水的性能模擬。Macarthur 6對(duì)串聯(lián)式太陽(yáng)能熱泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)其投資回收期進(jìn)行了計(jì)算。研究結(jié)果表明，太陽(yáng)能熱泵儲(chǔ)熱器的容量和太陽(yáng)能集熱器的面積是太陽(yáng)能熱泵設(shè)計(jì)的重點(diǎn)考慮因素，儲(chǔ)熱器容量和太陽(yáng)能集熱器過(guò)大或過(guò)小都會(huì)極大降低太陽(yáng)能熱泵的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)給出當(dāng)?shù)貤l件下，對(duì)于90m2的供熱面積，最理想太陽(yáng)能集熱器面積的儲(chǔ)熱器容積分別為30 m2和3.5

14、m2。 在大規(guī)模應(yīng)用方面，國(guó)外的研究側(cè)重于與建筑結(jié)構(gòu)及目標(biāo)對(duì)象相結(jié)合包括：以空氣源熱泵作為住宅的供暖(冷)機(jī)組的研究，在大型建筑物或建筑群的供暖(冷)的研究，在室內(nèi)或室外露天游泳池中的應(yīng)用研究，在建筑物余熱(排風(fēng)廢熱)回收與利用中的應(yīng)用研究，對(duì)冷凝廢熱回收與利用中的應(yīng)用研究，人工冰場(chǎng)和游泳池相結(jié)合的系統(tǒng)研究以及該技術(shù)在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用等，美、日、西歐都是熱泵主要的應(yīng)用國(guó)家，但他們熱泵的發(fā)展模式卻不盡相同，美國(guó)熱泵行業(yè)的發(fā)展主要以單元式熱泵空調(diào)為先導(dǎo)，生產(chǎn)以空氣作為低位熱源的單元式熱泵空調(diào)機(jī)組，此后又在空氣空氣單元式熱泵空調(diào)機(jī)組的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于商業(yè)建筑的空氣水熱泵和水環(huán)熱泵系統(tǒng)。我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能

15、熱泵熱水系統(tǒng)的研究起步比較晚，大部分研究集中于直膨式，而并聯(lián)式即空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的研究比較少。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)于并聯(lián)式空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的研究主要有：劉業(yè)鳳7等針對(duì)現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱泵隨太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度變化導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一種太陽(yáng)能空氣雙熱源式熱泵及熱水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季采暖和全年供生活熱水的功能，此系統(tǒng)有環(huán)保節(jié)能和運(yùn)行穩(wěn)定的特性，但是系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱泵和空氣源熱泵同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)太陽(yáng)能熱泵熱量不能滿足需要的時(shí)候使用電加熱。王燕俊8的太陽(yáng)能復(fù)合熱水系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)冷凝器，普通空冷冷凝器實(shí)現(xiàn)熱泵空調(diào)器的制冷、制熱功能，另外一個(gè)水冷冷凝器將熱泵熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)

16、合，利用太陽(yáng)能和熱泵的優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)熱水，此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)制冷、供暖，制備熱水同時(shí)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)增加循環(huán)水量，在滿足水負(fù)荷的前提下，降低熱水終溫，可有效提高系統(tǒng)整體性能，若使用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥，不同的工況下實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)制冷劑的冷量，也可以提高系統(tǒng)整體性能。馬偉斌9等提出太陽(yáng)能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)在太陽(yáng)能與熱泵結(jié)合方面做了很好的嘗試，系統(tǒng)可有效解決北方寒冷地區(qū)太陽(yáng)能全年穩(wěn)定供熱水問(wèn)題,對(duì)太陽(yáng)能空氣雙熱源熱泵中央熱水系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用前景作了詳細(xì)的論述。盧春萍10等對(duì)太陽(yáng)能-空氣源熱泵并聯(lián)供熱系統(tǒng)的主要附件建立熱力模型，利用 VC 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了該供熱系統(tǒng)的運(yùn)行模擬軟件，通過(guò)

17、模擬來(lái)預(yù)測(cè)該太陽(yáng)能系統(tǒng)的運(yùn)行情況，使設(shè)計(jì)人員對(duì)該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有一個(gè)較全面的了解，通過(guò)模擬得出，在我國(guó)北方比較干燥的地區(qū)，使用蒸發(fā)式制冷新風(fēng)機(jī)組,將極大地減少初投資和設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。上海理工大學(xué)教授丁國(guó)良11對(duì)制冷空調(diào)裝置智能仿真深入研究，提出制冷系統(tǒng)從部件到整體裝置的建模與求解方法，基于現(xiàn)代控制理論的空調(diào)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算理論，以及基于模型的智能化仿真，促進(jìn)了國(guó)際制冷界的設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代化。林康立12通過(guò)對(duì)某辦公樓太陽(yáng)能和空氣源熱泵中央熱水系統(tǒng)工程的研究，說(shuō)明了在熱水系統(tǒng)中太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)現(xiàn)全年全氣候供應(yīng)熱水，節(jié)能效果明顯，環(huán)保和減排效果也較好，但是初投資增大，適應(yīng)范圍也有限。

18、太陽(yáng)能空氣源雙熱源復(fù)合熱泵將風(fēng)冷熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱水技術(shù)有機(jī)結(jié)合，突破了風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)低溫環(huán)境下運(yùn)行效率低或無(wú)法運(yùn)行的缺陷，充分利用太陽(yáng)能和空氣能等綠色新能源，可以實(shí)現(xiàn)夏季供冷、冬季供暖，全年提供生活熱水等多工況運(yùn)行，充分滿足人們生活的需求。操作靈活方便，能夠產(chǎn)生更經(jīng)濟(jì)的效益。但是這種熱泵在我國(guó)的使用還不是很廣，主要是設(shè)備比較復(fù)雜，初投資較大，另外只能實(shí)行切換式運(yùn)行，不能同時(shí)吸收太陽(yáng)能和空氣的熱量。所以如果想大面積推廣使用，還需要降低成本，提高能源的利用率。1.3 本設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是滿足居民生活熱水需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括太陽(yáng)能熱水循環(huán)和熱泵熱

19、水循環(huán)，系統(tǒng)滿足24小時(shí)不間斷供應(yīng)熱水。具體內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的方案，簡(jiǎn)述其工作原理和控制方案。（2）建立平板型太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算；計(jì)算太陽(yáng)能集熱器的熱效率和系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率。（3）建立壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)系統(tǒng)的需求經(jīng)行選型。建立膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行選型。（4）建立蒸發(fā)器、冷凝器數(shù)學(xué)模型，用VB語(yǔ)言編蒸發(fā)器、冷凝器的仿真程序，對(duì)蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)行模擬仿真和分析。（5）對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性分析，通過(guò)與傳統(tǒng)方式的對(duì)比，得出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。2 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)方案2.1 太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)要求2.1.1

20、熱水供應(yīng)系統(tǒng)的功能要求根據(jù)冬季濟(jì)南某小區(qū)一棟樓居民生活用熱水的需要，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)滿足該棟居民四季正常生活用熱水，如洗澡、洗手、廚房用水等，系統(tǒng)供應(yīng)熱水必須是24小時(shí)連續(xù)。另外，還要滿足當(dāng)太陽(yáng)能供應(yīng)不上或供應(yīng)不足時(shí)，熱泵單獨(dú)運(yùn)行能滿足居民的正常生活用水?？紤]特殊情況，當(dāng)熱泵也無(wú)法工作時(shí)，使用電加熱的方式供應(yīng)熱水。本課題供應(yīng)熱水運(yùn)行模式系統(tǒng)是基于濟(jì)南某小區(qū)一棟居民樓居民熱水的需求進(jìn)行的：（1）一棟五層居民樓，每層六戶，每戶大約80m2，樓頂平面積為480 m2。（2）每戶按照4口人計(jì)算，一共120人。（3）系統(tǒng)的應(yīng)用地點(diǎn)選在山東省濟(jì)南市。2.1.2 熱水供應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)建要求 借鑒

21、現(xiàn)在很多熱水供應(yīng)系統(tǒng)的裝置都放置在樓頂，特別是學(xué)校的澡堂、賓館，這樣既美觀又減小了占地面積。本課題設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)中的太陽(yáng)能集熱器、熱泵、恒溫水箱、儲(chǔ)熱水箱放置在居民樓的樓頂，這樣可以不用再使用泵將熱水打到每戶，減少初投資。如果居民樓樓頂是閣樓式的，便在樓頂搭建鐵架，支撐太陽(yáng)能集熱器、熱泵。供熱水的管道必須用保溫材料包裹好，以避免在熱水運(yùn)輸工程中的熱量的損失，特別是在冬季。太陽(yáng)能集熱器最好的朝向是正南，北半球面向正南接受太陽(yáng)能最多，但是如果居民樓建筑特殊，允許南偏東或者南偏西1015。儲(chǔ)熱水箱盡量靠近太陽(yáng)能集熱器13。2.2 熱水供應(yīng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)運(yùn)行模式

22、功能要求、構(gòu)建要求及主要設(shè)計(jì)參數(shù)資料，依據(jù)易實(shí)現(xiàn)、構(gòu)造簡(jiǎn)單、投資成本低的原則，參考了一些成功的案類資料和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)本文系統(tǒng)運(yùn)行方案。2.2.1 系統(tǒng)組成本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)有兩個(gè)子循環(huán)回路組成：太陽(yáng)能集熱器熱水循環(huán)回路和空氣源熱泵熱水循環(huán)回路。太陽(yáng)能集熱器熱水循環(huán)回路主要由太陽(yáng)能集熱器、溫度傳感器、水泵、控制器、儲(chǔ)熱水箱、恒溫水箱；空氣源熱泵熱水循環(huán)回路由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、循環(huán)水泵等組件組成。太陽(yáng)能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖如2.1所示 圖2.1 系統(tǒng)原理圖2.2.2系統(tǒng)工作原理該熱水供應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)晴天的時(shí)候太陽(yáng)能集熱器工作產(chǎn)生熱水，利用水泵使熱水在儲(chǔ)熱水箱和太陽(yáng)能集熱器之間循環(huán)，不斷加熱

23、，儲(chǔ)熱水箱中的水達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)進(jìn)入恒溫水箱。恒溫水箱中的水保持恒定溫度，并提供給用戶使用。自來(lái)水直接供應(yīng)給儲(chǔ)熱水箱，以便自來(lái)水在太陽(yáng)能集熱器和貯熱水箱循環(huán)時(shí)加熱。當(dāng)白天陽(yáng)光不足、晚間或者陰雨天時(shí)，太陽(yáng)能集熱器不能供應(yīng)足熱水時(shí)，空氣源熱泵就工作產(chǎn)生熱水滿足要求。冷凝器與恒溫水箱組成一個(gè)熱水循環(huán)回路，不短加熱熱水，保持恒溫水箱的水溫。熱泵內(nèi)的循環(huán)：制冷劑（R22）在壓縮機(jī)中被壓縮成高壓高溫的過(guò)熱氣態(tài)，進(jìn)入冷凝器中，與水換熱，將水加熱到所需要的溫度。換熱后的制冷劑再進(jìn)入熱力膨脹閥，等焓降壓，之后再進(jìn)入蒸發(fā)器中，吸收空氣的熱量蒸發(fā)成氣態(tài)，最后又進(jìn)入壓縮機(jī)，完成整個(gè)循環(huán)。此外，在恒溫水箱內(nèi)還用電加熱器，

24、避免當(dāng)太陽(yáng)能集熱器和空氣源熱泵都無(wú)法工作供應(yīng)熱水的情況。當(dāng)恒溫水箱中的水溫度達(dá)不到時(shí)，電加熱器直接加熱恒溫水箱內(nèi)的水，保持恒溫水箱內(nèi)水溫恒定。2.2.3熱水供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)能夠滿足一天24小時(shí)不間斷供應(yīng)熱水。儲(chǔ)熱水箱中有溫度傳感起和水位傳感器，儲(chǔ)熱水箱中有一個(gè)溫度設(shè)定值和水位上限值、水溫下限值。恒溫水箱中也有溫度傳感器和水溫傳感器，但是恒溫水箱中溫度有三個(gè)設(shè)定值（設(shè)定值1、設(shè)定值2和設(shè)定值3）和水位上限值、水溫下限值。晴天時(shí)，早上太陽(yáng)能集熱器還無(wú)法正常工作，不能將水溫加熱到居民所需的溫度時(shí)，空氣源熱泵便開(kāi)始工作，加熱水直到設(shè)定溫度3。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器能正常工作，

25、將儲(chǔ)熱水箱中的水溫加熱到設(shè)定溫度時(shí)，熱泵停止運(yùn)行，便由太陽(yáng)能集熱器供應(yīng)熱水。下午太陽(yáng)輻射變?nèi)?，不足以使太?yáng)能集熱器加熱水溫到所需的值，恒溫水箱中的水溫會(huì)下降，低于設(shè)定值1時(shí)，空氣源熱泵便開(kāi)始工作。晚上太陽(yáng)能集熱器無(wú)法工作，只能由空氣源熱泵供應(yīng)熱水。陰天時(shí)，太陽(yáng)能集熱器無(wú)法正常工作，只能由空氣源熱泵來(lái)供應(yīng)熱。此時(shí)，儲(chǔ)熱水箱和恒溫水箱之間的閥門關(guān)閉，只有當(dāng)恒溫水箱中的水位定于上限水位時(shí)，儲(chǔ)熱水箱中的水才進(jìn)入恒溫水箱，保持恒溫水箱的水位。儲(chǔ)熱水箱中的水位傳感器，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中的水位低于設(shè)定值時(shí)，自來(lái)水自動(dòng)加水。儲(chǔ)熱水箱中的溫度傳感器用來(lái)：當(dāng)太陽(yáng)能集熱器把儲(chǔ)熱水箱中的水加熱到設(shè)定的溫度值時(shí)，儲(chǔ)熱水箱與恒

26、溫水箱之間的閥門打開(kāi)，儲(chǔ)熱水箱的水流入恒溫水箱。恒溫水箱中的溫度傳感器用來(lái)：當(dāng)恒溫水箱中的水低于設(shè)定值1時(shí)，空氣源熱泵運(yùn)行，加熱恒溫水箱中的水到設(shè)定值3，以保持恒溫水箱水溫恒定；當(dāng)恒溫水箱中的水低于設(shè)定值2時(shí)，恒溫水箱中的電加熱器工作，直接加熱恒溫水箱中的水到設(shè)定值3，維持水溫。儲(chǔ)熱水箱中的水位傳感器：自來(lái)水管道上的閥門與水位傳感器相連，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中的水位低于下限的設(shè)定值時(shí)，閥門打開(kāi)，儲(chǔ)熱水箱自動(dòng)加水，水位達(dá)到水位上限值時(shí)，閥門關(guān)閉。恒溫水箱中的水位傳感器與儲(chǔ)熱水箱水位傳感器作用相同，當(dāng)水位低于下線設(shè)定值時(shí)，儲(chǔ)熱水箱連通恒溫水箱的閥門打開(kāi)，給恒溫水箱加水。恒溫水箱中的水位傳感器是優(yōu)先與溫度傳感

27、器的，就是當(dāng)水位傳感器低于設(shè)定值時(shí)，不論水箱中溫度如何，都要給恒溫水箱加水。冬天出現(xiàn)及低溫的時(shí)，空氣源熱泵可能會(huì)結(jié)霜，而無(wú)法正常工作，電加熱器就會(huì)工作，保證居民正常使用熱水。設(shè)計(jì)系統(tǒng)除了正常使用的熱泵以外還有備用的，防止當(dāng)工作中熱泵出現(xiàn)故障無(wú)法正常供應(yīng)熱水的情況。2.3本章小結(jié)本課題研究的是太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的裝置設(shè)計(jì)，先進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，了解本課題系統(tǒng)的基本功能要求和運(yùn)行模式。設(shè)計(jì)是基于初始設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)或選型各個(gè)裝置。3太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)參數(shù)3.1.1 熱負(fù)荷計(jì)算（1）濟(jì)南地區(qū)氣象資料年平均氣溫 14.7季節(jié)日平均氣溫：夏季（6月8月，92天），26.7；

28、春秋季（3月5月、9月11月。一共183天），15.5；冬季（12月2月，90天），1.5。最高月平均氣溫：27.5；最低月平均氣溫：0.4。該地區(qū)年日照時(shí)間2616.8h，太陽(yáng)能年總輻射量50165852W/m2y，日照百分率4762.（2）自來(lái)水溫度：春季，15；夏季，22；秋季，15；冬季，2。（3）日用熱水量：21.6t，其中人的洗浴70150L/人；廚房：5080L/人；衣物洗滌2040L/人；室內(nèi)衛(wèi)生用水1030L/人14。（4）日用熱負(fù)荷：按冬季平均日氣溫1，上水溫度2，熱水溫度45， 3889.574MJ式中，t1,2熱水溫度、自來(lái)水溫度，； 3.1.2 恒溫水箱容積計(jì)算及材料

29、選擇 （1）居民用熱水高峰時(shí)段為晚上7：0010：00，共3個(gè)小時(shí)。 （2）熱水供應(yīng)系數(shù)為0.7512。 （3）高峰時(shí)段總的用水量：每個(gè)人洗浴取100L，廚房沒(méi)人用水50L，計(jì)算的用水量為13.5m3。 （4）恒溫水箱容積選取13.5，長(zhǎng)寬=2.62.6m，高為2m。 （5）恒溫水箱由外殼、內(nèi)膽、保溫層組成。外殼對(duì)恒溫水箱保溫材料等起防護(hù)作用，并對(duì)水箱起支撐作用。本課題設(shè)計(jì)的恒溫水箱外殼選用201不銹鋼，厚度為1mm；內(nèi)膽決定水箱耐壓程度和壽命，選用304不銹鋼，厚度為1.5mm；保溫層在外殼與內(nèi)膽之間，起減少熱損失的作用（保溫24h，熱水溫度的下降應(yīng)不大于4）。本設(shè)計(jì)選用聚氨酯保溫層，厚度為

30、50mm15。3.2 平板型太陽(yáng)能集熱器的數(shù)學(xué)模型 平板型太陽(yáng)能集熱器主要由吸熱板、透明蓋板、保溫層、殼體等幾部分組成： 圖3.1太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)圖 為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)模型時(shí)作如下假設(shè)：（1） 系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)；（2） 吸熱板的厚度很小，沿厚度方向的溫度梯度可以不考慮；（3） 流體在管內(nèi)的流動(dòng)是均勻的；（4） 在傳熱過(guò)程中，認(rèn)為儲(chǔ)熱水箱的水溫保持均勻一致；（5） 集熱器與儲(chǔ)熱水箱之間的管路損失不記；（6） 在每個(gè)小時(shí)的時(shí)間間隔內(nèi)，認(rèn)為系統(tǒng)處于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；（7） 通過(guò)集熱器透明蓋板的熱流是一維的；（8） 通過(guò)集熱器透明蓋板的降溫是可以忽略；（9） 通過(guò)集熱器背部隔熱材料的熱流

31、是一維的；（10） 天空可以認(rèn)為是一個(gè)在等效天空溫度在發(fā)射長(zhǎng)波輻射的黑體；（11） 通過(guò)集熱器前面和背面的熱損失都對(duì)于同一環(huán)境溫度；（12） 集熱器四周的殼體在吸熱板上的陰影是可以忽略；（13） 熱物性與溫度無(wú)關(guān)。3.2.1 平板型太陽(yáng)能集熱器能量平衡方程分析平板型太陽(yáng)能集熱器的熱物性能主要建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)之上進(jìn)行。平板型太陽(yáng)能集熱器吸熱板吸收太陽(yáng)輻射的能量，其中一部分被太陽(yáng)能集熱器熱流帶走，另一部分通過(guò)集熱器結(jié)構(gòu)散失到環(huán)境中。集熱熱流帶走的能量成為太陽(yáng)能集熱器的有用熱量，散失到環(huán)境中的熱量成為熱損失。圖3.2所示為平板型太陽(yáng)能集熱器的能量平衡圖：圖3.2 太陽(yáng)能集熱器能量平衡圖其能量

32、平衡關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方程表示為15： （3.1）式中 Qa 單位時(shí)間內(nèi)集熱器吸收的太陽(yáng)能輻射能，W； 單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用輸出能量。W； 單位時(shí)間內(nèi)集熱器的能量損失，W；其中，Qa可用下式計(jì)算16： （3.2）式中 集熱器集熱面積上的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度，W/m2； 集熱器集熱面積，m2； 有效透過(guò)-吸收積；（在實(shí)際應(yīng)用中可以近似取為1.02，其中為透明蓋板的透過(guò)率，為集熱器吸熱板涂層的吸收率。）3.2.2 平板太陽(yáng)能集熱器總熱損失系數(shù)太陽(yáng)能集熱器熱損失主要由地步散熱、側(cè)面散熱和頂部散熱三部分組成， 圖3.3 太陽(yáng)能集熱器熱損失圖即： （3.3）又， （3.4）其中 （3.5）式中 底部熱損失系數(shù)，

33、W/（m2K）； 側(cè)面熱損失系數(shù)，W/（m2K）； 頂部熱損失系數(shù)，W/（m2K）； Tp 吸熱板的溫度，； Ta 蓋板的溫度，。（1） 底部熱損失系數(shù)15： = （3.6）式中 集熱器背部隔熱材料的導(dǎo)熱熱阻，（m2K）/W； 集熱器殼體底部與環(huán)境之間的對(duì)流換熱熱阻，（m2K）/W；（2） 側(cè)面熱損失系數(shù)：對(duì)于大多數(shù)集熱器，計(jì)算側(cè)面熱損失系數(shù)是非常復(fù)雜的，但是，在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)中，側(cè)面熱損失應(yīng)該很小，因此不必很精確地確定它。大型集熱器通常可以忽略側(cè)面熱損失，但是小型集熱器的側(cè)面熱損失則不能忽略。達(dá)菲和貝克曼指出：對(duì)于30的集熱器，其側(cè)面損失小于頂部和底部熱損失的1%；但對(duì)于12的集熱器，其

34、側(cè)面熱損失約為頂部和底部熱損失的3%16。對(duì)于邊緣熱材料厚度約為地步隔熱材料厚度相同的平板集熱器，可將側(cè)面熱損失作為底部熱損失的一個(gè)附加因子考慮13，側(cè)面熱損失系數(shù)表示為： = （3.7）式中，分別如圖所示。 圖3.4 平板型太陽(yáng)能集熱器隔熱材料尺寸（3） 頂部損失系數(shù)：頂部熱損失是由各平行板間的對(duì)流和輻射換熱所引起的。頂部熱損失系數(shù)的確定比較繁瑣，需要假定蓋板的溫度，然后用迭代法加以計(jì)算?？死锥饔?973年提出了一個(gè)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式17： =+ （3.8） 在式（3.8）中， f = (1.00.04+0.0005)(1+0.058n) （3.9） = 5.7 + 3.8 （3.10） 式中

35、n 透明蓋板的層數(shù)； 環(huán)境風(fēng)速，取值2.5m/s； 風(fēng)吹過(guò)集熱器頂部蓋層時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2K)； 斯忒藩玻爾茲曼常熟，5.6710-8W/(m2K4)； 集熱板的發(fā)射率； 蓋板的發(fā)射率。上式的最佳應(yīng)用條件是： 320 420(K)， 260 310(K)， 0.1 0.95， 0 10（m/s)， 1 n 3， 0 90。綜上所述： =+ （3.11）3.2.3 平板型太陽(yáng)能集熱器的有用熱量由（3.1）可得： (3.12)式中 集熱流體的質(zhì)量流量，kg/s； 集熱流體的平均比熱，kJ/（kg）；3.2.4 平板型太陽(yáng)能集熱器的效率方程太陽(yáng)能集熱器的效率15 （3.12）若以集熱器進(jìn)口

36、流體溫度為計(jì)算熱損失的基準(zhǔn)，集熱器效率可表示為： （3.13）式中 集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子。集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子是指集熱器實(shí)際有用能量收益與設(shè)想整個(gè)集熱器吸熱體處于進(jìn)口溫度下工作時(shí)的有用能量之比16。計(jì)算公式如下： （3.14）式中 集熱器的熱效率因子。由于影響集熱器效率的因素很多，包括集熱器本身結(jié)構(gòu)特征、集熱器流體傳熱及流動(dòng)特征、集熱流體流量、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及室外溫度和風(fēng)速等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中，集熱器的效率方程式通常由廠家提供或者由集熱器效率實(shí)驗(yàn)測(cè)定18。集熱器效率表示為： （3.15）式中 A,B 集熱器的性能常數(shù)（由廠家提供或?qū)嶒?yàn)測(cè)的）； 集熱器進(jìn)口流體溫度，； 環(huán)境溫度，；Ic 太陽(yáng)

37、輻射強(qiáng)度，W/m2。3.3 平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu) 單個(gè)平板型集熱器外形尺寸采用GB/T 6424-1997推薦值：l1=1.5m，l2=1.0m，lb=40mm，l3=25mm，（符號(hào)意義見(jiàn)圖3.4所示）。本課題平板型太陽(yáng)能集熱器主要結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)表3.1。表3.1 平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)部件名稱部件參數(shù)形式結(jié)構(gòu)尺寸或材質(zhì)吸熱板管板銅鋁復(fù)合體涂層非選擇性黑板漆透明蓋板數(shù)量nl材質(zhì)普通平板玻璃底部隔熱層與蓋板間距l(xiāng)325mm隔熱層材料巖棉導(dǎo)熱系數(shù)0.0355W/(m2k)底部和層面隔熱層厚度lb40mm外殼材質(zhì)不銹鋼1.5mm翅片數(shù)量m6材質(zhì)鋁長(zhǎng)度lm1460mm寬度ln200mm排管材質(zhì)銅尺

38、寸管徑和壁厚150.8mm集管尺寸管徑和壁厚201mm材質(zhì)銅由（3.15）計(jì)算：=44.5%。因?yàn)榫用駱菢琼斆娣e是480m2，考慮面積問(wèn)題，儲(chǔ)熱水箱、恒溫水箱、管道、6臺(tái)熱泵，所以集熱器的面積為330m2，需要220塊集熱板。濟(jì)南地區(qū)日均太陽(yáng)輻射量：1.92 MJ/m2h 2.24 MJ/m2h，按照每天8個(gè)小時(shí)太陽(yáng)能能集熱器吸收太陽(yáng)能15.36 MJ/m2h 17.92 MJ/m2h。計(jì)算太陽(yáng)能保證率： =32.83%式中，I1每天太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)能，取15.8 MJ/； Ac太陽(yáng)能集熱器面積，330m2； r日照百分率，取0.55。冬季時(shí)太陽(yáng)能保證率為44.76%在一個(gè)合適的范圍之內(nèi)，

39、春夏秋季時(shí)，太陽(yáng)光照更好，太陽(yáng)能保證率會(huì)比這更高，節(jié)能的效果會(huì)更加顯著。3.4本章小結(jié)太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型的建立依據(jù)集熱器能量方程，考慮集熱器的各部分的損失。建立數(shù)學(xué)模型確定集熱器的結(jié)構(gòu)，得出集熱器的熱效率和太陽(yáng)能的保證率。4 熱泵裝置各部件數(shù)學(xué)模型初參數(shù)：空氣年平均溫度為10，自來(lái)水的年平均溫度為15，所需的熱水溫度為45，熱泵工質(zhì)采用R22，R22的質(zhì)量流量為0.0903kg/s，蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度為0，蒸發(fā)壓力為0.4977MPa，冷凝器的冷凝壓力為1.948MPa，冷凝器的冷凝溫度為50，冷凝器內(nèi)水的流量為0.154L/s。4.1 壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型 壓縮機(jī)的種類很多，主要有活塞式、螺桿式、

40、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式、渦旋式、離心式和軸流式等。壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立模型時(shí)，必須按照具體種類分別處理。制冷壓縮機(jī)的建模方法一般有三種：一種是根據(jù)壓縮機(jī)試驗(yàn)資料得到數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，這種方法簡(jiǎn)單并且與具體的壓縮機(jī)實(shí)際情況吻合較好，但是只是針對(duì)某一型號(hào)的壓縮機(jī)，適用范圍較小；一種方法是將壓縮機(jī)中復(fù)雜的流動(dòng)與傳熱過(guò)程簡(jiǎn)化成一些半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算；還有一種方法是將壓縮機(jī)氣缸內(nèi)的控制容積建立能量方程、質(zhì)量方程和動(dòng)量方程，從聯(lián)立方程中求解壓縮機(jī)各性能參數(shù)，這種方法較為復(fù)雜，但是通用性較好。 研究壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型，只要能夠準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)系統(tǒng)性能和其它部件有影響的參數(shù)即可。由于壓縮機(jī)對(duì)于制冷空調(diào)裝置的作用是通過(guò)制冷劑的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的，

41、因此最主要的參數(shù)是通過(guò)壓縮機(jī)的制冷劑流量；流經(jīng)壓縮機(jī)的制冷劑狀態(tài)參數(shù)反映壓縮機(jī)與蒸發(fā)器和冷凝器之間聯(lián)系，是重要參數(shù)之一。 4.1.1 壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)物理模型時(shí)作如下假設(shè)：整個(gè)壓縮機(jī)過(guò)程為絕熱過(guò)程；整個(gè)壓縮過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程；將所需要工況表示在圖上，如圖所示，根據(jù)所用工質(zhì)，查出有關(guān)特征的狀態(tài)參數(shù)值：包括壓力p（），比容（m3/kg），溫度T（K），比焓h(kJ/kg)，比熵s(kJ/kg)，為進(jìn)一步分析做好準(zhǔn)備。 圖4.1 熱力循環(huán)示意圖 （1）單位工質(zhì)制冷量q0(kJ/kg) （4.1）式中 壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)焓值，(kJ/kg)； 蒸發(fā)器進(jìn)口工質(zhì)焓值，(kJ/k

42、g)； （2）單位絕熱理論功 （4.2）式中 壓縮機(jī)出口工質(zhì)的焓值，(kJ/kg)； （3）工作容積11 = （4.3）式中 壓縮機(jī)汽缸直徑，； 壓縮機(jī)汽缸活塞行程，； （4）理論容積輸氣量 （4.4）式中 壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min。 （5）實(shí)際輸氣量 （4.5）式中 壓縮機(jī)容積效率； 壓縮機(jī)進(jìn)口工質(zhì)比容，m3/kg。 （6）制冷量 （4.6） （7）理論絕熱功率 （4.7）式中 壓縮機(jī)工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s。 （8）指示功率 （4.8）式中 壓縮機(jī)指示效率。 （9）軸功率 （4.9）式中 壓縮機(jī)摩擦功率。 （10）性能系數(shù) = （4.10） （11）排氣溫度 （4.11）式中 吸氣溫度，K

43、； n 壓縮指數(shù)； 壓力比 吸排氣相對(duì)阻力損失。4.1.2壓縮機(jī)選型分析目前，在中小型熱泵機(jī)組中，一般都采用往復(fù)式或滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)。全封閉式壓縮機(jī)因其結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)軸封裝置、體積小、噪聲低、重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，在中小型機(jī)組中得到廣泛的應(yīng)用。壓縮機(jī)的確定：初設(shè)熱泵熱水裝置的開(kāi)機(jī)/停機(jī)時(shí)間比約為11，熱水平均用量為500L/h,選用四臺(tái)，另再加兩臺(tái)備用。 （4.12） 熱水加熱所需的熱量，kW； 熱水產(chǎn)率，kg/s； 水的比熱容，kJ/(kgK）； 熱水溫度，； 自來(lái)水的溫度，； =17.5kW。查R22壓縮機(jī)參數(shù)，又制熱量，熱泵工質(zhì)的冷凝溫度和正溫度，可選擇壓縮機(jī)K型14，其制熱量為19.3

44、kW，功率為5.2kW，熱泵工質(zhì)需從蒸發(fā)器吸收的熱量為19.35.2=14.1kW。4.2 蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型及仿真 對(duì)于制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)器是制冷劑從系統(tǒng)外吸熱的換熱器，制冷劑以氣液兩相狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，在裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，制冷劑以低干度的氣液兩相狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，隨著兩相流體在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)與吸熱，逐漸受熱蒸發(fā)，當(dāng)接近蒸發(fā)器出口時(shí)，一般已經(jīng)完全蒸發(fā)成飽和蒸汽，在后段，由于蒸發(fā)溫度仍比被冷卻介質(zhì)溫度低，飽和蒸汽仍繼續(xù)吸熱而成為蒸發(fā)壓力下的過(guò)熱蒸汽，最后以過(guò)熱氣體狀態(tài)離開(kāi)蒸發(fā)器。制冷裝置中的蒸發(fā)器，按其被冷卻介質(zhì)的特性，可以分為冷卻液體的蒸發(fā)器及冷卻空氣的蒸發(fā)器兩大類。冷卻空氣的蒸發(fā)器也有多

45、種結(jié)構(gòu)形式，但都是制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，空氣在管外被冷卻。蒸發(fā)器的換熱與冷凝器的換熱的差異不僅表現(xiàn)在制冷劑側(cè)，還表現(xiàn)在管外側(cè)的換熱上。對(duì)于冷卻空氣蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)溫度一般都會(huì)低于來(lái)流空氣的露點(diǎn)溫度，由于既有顯熱交換，又有潛熱交換，也就是所說(shuō)的析濕現(xiàn)象。4.2.1蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)蒸發(fā)器的傳熱量Q=14.1kW，去蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)35，近似認(rèn)為蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)的吸熱主要為工質(zhì)的蒸發(fā)相變過(guò)程，則蒸發(fā)器進(jìn)口側(cè)工質(zhì)與空氣傳熱溫差為（空氣溫度為25），蒸發(fā)器出口測(cè)工質(zhì)與空氣的傳熱溫差為（初定出口空氣為16），則蒸發(fā)器中工質(zhì)與空氣的對(duì)數(shù)傳熱溫差32為： （4.13）將上述數(shù)據(jù)帶入蒸發(fā)器面積32公式： 19.5m2 （

46、4.14）式中 蒸發(fā)器的傳熱面積，m2； 蒸發(fā)器的傳熱量，W； 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，W/(m2K)； 蒸發(fā)器的平均傳熱溫差，； 制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s； 制冷劑的比熱容，kg/(kgK）； 制冷劑出進(jìn)蒸發(fā)器的溫度，；翅片管式蒸發(fā)器的翅片管一般由紫銅管套鋁片構(gòu)成，構(gòu)成圖如下： 圖4.2 翅片結(jié)構(gòu)示意圖傳熱管選用100.7mm的紫銅管，翅片選用=0.2mm的鋁套管片，翅片間距=2.2mm。管束按正三角形叉排排列，垂直于流動(dòng)方向管間距=25mm，沿流動(dòng)方向管排數(shù)=419。翅片為平直套片，考慮套片翻邊后的管外徑為：10.4mm （4.15）沿氣流流動(dòng)方向的管間距為：21.65mm （4.16）沿氣流

47、方向套片的長(zhǎng)度：129.9mm （4.17）每米管長(zhǎng)翅片的表面積： 0.4148m2 （4.18） 每米管長(zhǎng)翅片的管子表面積： 0.0297m2 （4.19） 每米管長(zhǎng)的總傳熱外表面積： 0.4445 m2 （4.20) 每米管長(zhǎng)光管的外表面積： 0.03267 m2 （4.21） 每米管長(zhǎng)的內(nèi)表面積： 0.02702 m2 （4.22） 每米管長(zhǎng)平均直徑處的表面積： 0.02984 m2 （4.23） 由以上計(jì)算可得： 13.606 （4.24） 計(jì)算管長(zhǎng)為43.87m2 實(shí)際管長(zhǎng)為L(zhǎng)=43.2 m 蒸發(fā)器取寬為900mm，長(zhǎng)為300mm，垂直于氣流方向每排管子數(shù)為12，單管長(zhǎng)即為900mm。4.2.2蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型 本文采用穩(wěn)態(tài)分布模型模擬翅片式空氣冷卻式蒸發(fā)器。蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)主要基于以下假設(shè)11： （1） 制冷劑與空氣逆流換熱； （2）對(duì)于沿管長(zhǎng)的每個(gè)微元，制冷劑側(cè)，空氣側(cè)、管壁的物性視為一致，不考慮管壁熱阻； （3）從簡(jiǎn)化模型算法的角度出發(fā)，考慮到過(guò)熱區(qū)較短且加速度壓降很小，忽略過(guò)熱區(qū)壓降。圖4.3 蒸發(fā)器模型示意圖圖4.4 蒸發(fā)器微元示意圖 Ta1、Ta2是進(jìn)出水溫度，Ha1、Ha2進(jìn)出水的焓值，Tr1、Hr2是進(jìn)出工質(zhì)的溫度，Hr1、Hr2進(jìn)出工質(zhì)的焓值。制冷劑側(cè)包括兩