水源热泵毕业设计

摘要水源热泵是用水作为热泵的低位热源的热泵装置，源源不断的将水中的低位 热能向高温热源传递，与其他形式的热泵相比具有很多优点。本次设计是根据初 始参数设计一台水源热泵系统。本文首先介绍了热泵系统的原理、特点、应用以及研究发展方向。其次，详 尽介绍了水源热泵系统的对比与研究，再次，说明了设计过程，包括换热器的热 力计算、结构设计、阻力校核，并按照设计题目完成计算说明书。在整个水源热泵设计过程中，热力计算是首要因素，它主要包括温差、传 热系数和换热面积等的计算，这部分内容适合各种类的热泵系统。结构设计主要 是设计热泵系统的蒸发器和冷凝器，本系统蒸发器采用板式，冷凝器采用管壳式， 要确定板片数目以及换热管数量以及其他相关尺寸等。关键词： 水源 热泵 水源热泵Design of 50kW water source heat pump systemABSTRACTThe heat source of the Water source heat pump is the low heat of the water. This heat pump transfers heat source from the water to high-temperature objects in a steady stream, compared with other forms of heat pump it has many advantages. This paper is based on the initial parameters to design a water source heat pump system.Firstly, The paper introduces the principle of heat pump system, characteristics, application and research development. Secondly, it describes the differences of other heat pumps in detail. Thirdly, the paper notes the design process, including the heat exchanger calculations, structural design, the resistance calculations. Finally, it completes the calculation in accordance with a design manual.In the design process, thermal calculation is the primary factor. The thermal calculation includes temperature, heat transfer coefficient and heat transfer area, and other calculations, which are the same parts of other heat pump systems. Structural design is to determine the size of heat pump system evaporator and the condenser. Plate heat exchanger is used as the system evaporator and shell and tube heat exchanger is used as the condenser. Structural design is to calculate the plate number , the number of tubes and other relevant dimensions.key Words： Water source；heat pump；Water source heat pump目录摘要IABSTRACT II第一章 绪论11.1 热泵简介11.1.1背景介绍11.2水源热泵31.2.1水源热泵的发展31.2.2水源热泵机组组成及原理31.2.3水源热泵的特点41.3总结5第二章 水源热泵系统的设计步骤72.1总的热力计算72.2压缩机的选择72.3蒸发器的热力计算和结构计算72.4冷凝器器的热力计算和结构计算82.5节流阀的选择8第三章50Kw水源热泵系统的设计93.1任务要求93.2系统设计93.3工况确定103.4制冷循环热力状态参数103.5设计计算113.5.1热泵系统热力计算113.5.2压缩机的选择123.5.3板式蒸发器的设计计算133.5.4管壳式冷凝器的设计计算183.5.5热力膨胀阀的选择24第四章 总结25参考文献26致谢错误!未定义书签。第一章绪论11热泵简介1.1.1背景介绍能源和环境污染问题是当今世界面临的重大问题之一。能源是现代社会和生 活的物质基础，但是随着世界人口和经济的迅速增长，能源的消耗急剧增加，并 导致环境污染不断加剧。人的生活与能源消费息息相关，人的生活中衣、食、住、行、文化娱乐等等， 都需要消耗大量的能源。在最近二、三十年里，世界各国生产用电大幅度增加。 在一些工业发达国家，现代化水平较高的城市，民用电量比例很大。同时随着人 们对舒适生活条件的要求提高，用于采暖和空气调节方面的能耗占能源总量的比 例逐步增加。自1945年以来，采暖和空气调节用能量每年平均以5%左右的速度 增长，因此，采暖和空气调节的节约能源问题十分重要。重视和研究热泵装置是解决当前供热、通风和空气调节上用能源的供需矛 盾，减少环境污染的有效而可靠的办法之一。借助于热泵装置，人们能把自然 界或废弃的工业低温余热，变为较高温度的有用热能，供应生产和生活上的需要。 随着热泵及其各种驱动装置的研制和热泵系统的的试验研究工作的开展，热泵技 术将在我国得到日益广泛的应用，在节能工作中发挥应有的作用。1.1.2热泵的定义及其原理|= 耗热泵是从低温热源吸热送往高温热源的循环设备。以消 耗部分低位能源（机械能、电能或高温热能）为补偿，使热 能从低温热源向高温热源传递的装置。图1-1热泵工作原理左图为热泵的工作原理图，高品位能量驱动热泵将低温 热源的热量收集并传递给高温热源。在能量的量上，它遵 循热力学第一定律守恒的原理，即：E+Q2=Q151.1.3热泵的分类热泵的种类很多，分类方法各不相同，通常分为以下几种类型。1按低位热源种类分一、空气源热泵空气作为低位热源，取之不尽，用之不竭，处处都有，可以无偿地获取。空 气源热泵装置的安装和使用都比较方便。其主要特点是：室外空气的状态参数随地区和季节的不同而有很大的变化， 这对热泵的容量和制热性能系数影响很大6；一般来说，当室外空气相对湿度大 于70%，温度为35C时，机组室外换热器就会结霜，致使空气源热泵的制热 量、制热性能系数和可靠性下降；空气的热容量小，为了获取足够的热量，则需 要较大的空气量，因而风机的容量较大，致使空气源热泵装置的噪声较大7,8。二、水源热泵 水源热泵就是用水作为热泵的低位热源的热泵装置。可作为低位热源的水有地表水（河水、湖 水、海水等），地下水（深井水、泉水、地热尾水等），生活 废水、工业污水和工业设备冷却水等9。水源热泵的优点是：水的热容大，传热性能好，所以换热设备较紧凑；水温 较稳定，因而使热泵的运行工况较稳定。其缺点是：热泵装置必须靠近水源，或 设有一定的蓄水装置；其次，对水质也有一定的要求，应进行水质分析后采用合 适的换热器材质和结构型式，以防止出现腐蚀等问题10,11。三、土壤源热泵 用土壤热能作为低位热源的热泵装置，称为土壤源热泵。 与空气源热泵相比，其优点有：全年地温波动小，冬季土壤温度比空气温度高，因此，热泵的制热性能系数较高；地下埋管换热器不需要除霜；在采暖期内， 当室外空气温度最低时，土壤的温度并不是最低，热泵的供热能力也不会下降到 最低；土壤具有蓄能作用12,13。其缺点有：地下埋管换热器受到土壤性质的影响 较大，长期连续运行时，热泵的冷凝温度或蒸发温度受土壤温度变化的影响而发 生波动；土壤的导热系数小，使地下埋管换热器的持续吸热速率仅为2040W/ m?, 般吸热速率为25W/；初投资较高，仅地下埋管换热器的投资就占热泵 系统投资的 20%30%14。四、太阳能热泵 太阳能是一种无穷无尽，无公害的干净能源。太阳能热泵是一种把温度较低的太阳能提 升到3050C，再进行供热的装置。其主要优点是：可以采用结构简单，与建筑物做成一体的低温平板集热器，其效率较高；热泵用的集热器成本较低是它的最大优点；热泵可不设除霜装置。 其缺点是：要解决太阳能利用的间歇性和不可靠性问题；投资较高15。2.按热泵的驱动方式分一、机械压缩式热泵机械压缩式热泵是一种以机械能驱动的热泵。 按驱动装置的形式，压缩式 热泵又分为电动机驱动的热泵、柴油机驱动的热泵、汽油机驱动的热泵、燃气机 驱动的热泵、蒸汽透平驱动的热泵等。二、吸收式热泵吸收式热泵是一种以热能直接驱动的热泵，它又分为第 1 类吸收式热泵和第 2 类吸收式热泵 16 。1.2 水源热泵1.2.1 水源热泵的发展热泵技术在上世纪初已经得到应用并逐步发展成熟。水源热泵机组在上世纪 60 年代的美国加利福尼亚州开始应用。1955 年该技术申请专利，由于其优越的 性能，投资及运行费用较其他类型机组都低，广泛运用于工业厂房、舰船、 宾 馆、医院等。近十几年来，水源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧 如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展17。20 世纪 80 年代初，我国在一些外商投资的建筑中采用水环热泵空调系统， 由于其节能环保、经济实用等优势，90 年代水源热泵技术在我国得到较广泛应 用。目前国内多家大学和研究机构都在对水源热泵进行研究。成绩比较显著的是 清华大学研究的多工况水源热泵，其已经形成产业化，并已经建成多个工程投入 使用18。特别是在 20 世纪 90 年代后，随着公众环保意识和对世界资源拥有 量的重新认识，在能源利用方式上有了很 大的转变，使用的能源由一次能源逐 渐向清洁及可再生能源方向发展，水源热泵就是比较理想的一种设备。虽然我国 的水源热泵的研究和应用起步较晚，在热泵机组的优化和工程应用方面与国外相 比存在较大的差距，但是中国市场被普遍看好。1.2.2 水源热泵机组组成及原理图1-2水源热泵机组制热原理图图1-3水源热泵机组制冷原理图水源热泵机组主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器4个部件组成，通过 管道将它们连成一个密封系统。在制热状态下，其工作过程如下：1）制冷剂液体在蒸发器内以低温与水发生热交换，吸收水的热量并气化。2）产生的制冷剂低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。3）压缩机排出的高压气态制冷剂进入冷凝器，放出热量传给冷却介质，凝 结成高压液体，其放出的热量包括从水中吸收的热量和压缩机做功产生的热量。4）高压液体流经膨胀阀节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸 发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发吸收水中的热量，产生的低压蒸汽再次 被压缩机吸入。如此周而复始，形成循环，热量源源不断从水中传递给温度较高 的室内。在制冷状态下，其工作过程如下：1）制冷剂在蒸发器中与载冷剂发生热交换，吸收载冷剂的热量并汽化。2）产生的制冷剂低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。3）压缩机排出的高压气态制冷剂进入冷凝器，放出热量传水，凝结成高压 液体。4）高压液体流经膨胀阀节流，变成低压低温的气、液两相混合物，进入蒸 发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发吸收载冷剂的热量，产生的低压蒸汽再 次被压缩机吸入。如此周而复始，形成循环，热量由室内低温热源不断地向地下 水这个高温热源转移，从而向房间内提供了冷气19,201.2.3水源热泵的特点由于水源热泵技术利用地表水或地下水作为机组的冷热源，所以其具有以下优点：一、属可再生能源利用技术：水源热泵是利用了地球水体所储藏的太阳能资 源作为冷热源21，进行能量转换的供暖空调系统。 其中可以利用的水体，包括 地下水或河流和湖泊以及海洋等。二、节能效果突出：水源热泵机组可利用的水体温度冬季为1222C,水 体温度比环境温度高，所以热泵循环的蒸发温度高，能效比也提高，而夏季水体 为1835C22，水体温度比环境温度低，所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却 效果好于风冷式和冷却塔式,机组效率提高。三、运行稳定可靠：水体的温度一年四季相对稳定，其波动的范围远远小于 空气的运动，是很好的热泵热源和空调冷源，水体温度较恒定的特性，使得热泵 机组运行更可靠、稳定，也保证了系统的高效性和经济性。不存在空气源热泵的 冬季除霜等难点问题。而且其自动控制程度高，使用寿命可达到 15 年以上23。四、环保效果显著：系统运行过程中，无燃烧，无渗漏，无任何固态、液态 或气态污染物排放，也不排放造成温室效应的二氧化碳（CO2）等，是“绿色”供 暖（冷） 的环境系统工程。水源热泵的污染物排放与空气源热泵相比，相当于 减少 40以上；与电供暖相比，相当于减少 70以上24。如果结合其它的节 能措施，节能减排会更明显。五、“三联供”提高生活品质25：水源热泵系统可供暖、空调，还可以供生 活热水，一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空调两套装置或系统。特别 是对于同时有供热和供冷要求的建筑物，水源热泵有着明显的优点，不仅节省了 大量能源，而且用一套设备可以同时满足供冷和供热的要求，减少设备的初投资。 水源热泵可应用于宾馆、商场、办公楼、学校等建筑，小型的水源热泵更适合于 别墅住宅的供暖、空调26,27。1.3 总结综上可以看出水源热泵系统优点突出，近年在我国应用日益广泛，但是我国 的发展和应用情况与国外相比，仍存在一定差距，除了设计经验不足之外，更重 要的是缺乏对该系统的深入了解。在未来的几年中，中国面临着巨大的能源压力。 一方面，中国的经济要保持较高速度的增长;另一方面，又必须考虑环保和可持 续发展问题。所以要求提高能源利用效率，鼓励各种节能设备和技术的推广。在 中国的能源消耗中，建筑耗能的比例相当高。为了适应市场要求和参加国际竞争， 我们必须加快中国水源热泵的产业化研究开发。第二章 水源热泵系统的设计步骤热泵热水器的设计主要包括五大部分：总的热力计算，压缩机的选择，冷凝 器的热力计算和结构计算，蒸发器的热力计算和结构计算，其他零部件的选择。2.1 总的热力计算具体步骤如下：（1）确定制冷循环热力状态参数（2）单位质量制冷量（3）单位容积制冷量（4）单位指示功（5）单位冷凝热（6）制冷剂质量流量（7）压缩机理论排量（8）制冷系数（9）卡诺循环制冷系数（10）热力完善度（11）压缩机输入电功率（12）冷凝负荷（13）能效比2.2压缩机的选择根据热力计算所确定的理论输气量选配合适的压缩机2.3蒸发器的热力计算和结构计算（1）蒸发器机构的初步规划（2）蒸发器设计参数计算（3）板片的选择（4）制冷剂蒸发器设计热力计算（5）制冷剂侧蒸发段热力计算（6）侧过热段热力计算（7）蒸发器设计校核计算2.4冷凝器器的热力计算和结构计算（1）冷凝器机构的初步规划（2）管型的选择（3）估算传热管总长（4）确定每程管数、有效单管长及流程数（5）传热管的布置排列及主体结构（6）传热计算及所需传热面积确定（7）连接管管径计算2.5 节流阀的选择（1）压差的确定（2）根据系统流量和蒸发量确定型号第三章 50Kw 水源热泵系统的设计3.1任务要求设计一台制冷量为50KW的水源热泵系统，制冷剂为R134a,以湖水为水源。要求机组结构紧凑,占用面积小,使用方便,运行安全。3.2系统设计蒸发器图3-2制冷循环lgp-h图图3-1制冷循环图水源热泵主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等4个部件组成，通过管 道连成密封系统。本系统蒸发器选用板式，冷凝器选用管壳式，水源采用湖水。图3-3水源热泵系统图1 四通阀；2油过滤器；3压缩机；4电动机；5气液分离器；6水泵；7视液镜；8干燥过滤器；9管壳式冷凝器；10电磁阀；11节流阀；12板式蒸发器3.3 工况确定冷冻水进口温度tsi=12C，出口温度ts2=7C，蒸发温度t0=2C；冷却水进水温度tw1=25C，出水温度为tw2=30C，冷凝温度tk=35C； 吸气温度7C，过冷度5C，过热度5C。3.4 制冷循环热力状态参数表 3.1 制冷循环热力状态参数状态点符号单位参数值参数来源0t0C2根据t0确定蒸发压力p0， 作等压线交饱和气体线 得0点，查图或表Po102kpa3.15hokj/kg399.651t1C7p0的等压线父t,查lgp-h 图v1m3/kg0.0663h1kj/kg404.12st2sC43.58过1点作等熵线，与p2 等压线交点2sh2skj/kg426.212t2C47.29由公式求得h2P2102kpa8.87h2kj/kg430.114t4C30h4=h5h4kj/kg241.833.5设计计算3.5.1 热泵系统热力计算表 3.2 热泵系统热力计算项目符号单位计算公式或数据来源数值备注冷凝温度tkC选用35蒸发温度t0C选用2吸气温度txC选用7过冷度gC选用5过热度C选用5蒸发器出口温度tlCt1=t0+Atr7蒸发器出口比焓hikJ/kg查R22性质表404.1冷凝器出口温度t4Ct4=tk-tG30冷凝器出口比焓h4kJ/kg查R22性质表241.83蒸发压力PoMPa查R22性质表3.15冷凝压力PkMPa查R22性质表8.87压缩机入口比体积V1m3/kg查R22性质表0.0663压缩机吸气焓h1kJ/kg查R22性质表404.1单位质量制冷量qkJ/kgq0=h1-h5=404.1-241.83162.27制冷剂质量流量qm,rkg/sqm,r=Q0/q00.308续表 3.2项目符号单位计算公式或数据来源数值备注冷凝器单位热负荷qkkJ/kgqk=h2-h4=430.11-241.83188.28冷凝器热负荷QkkWQk=qm,rXqk57.99理论比功kJ/m3=h2-h1=430.11-404.126.01压缩机实 际输气量qvsm3/sqvs=qm,rXV10.020制冷系数=q0/6.24卡诺循环制冷系数cc=T0/（Tk-T0）8.34热力完善度nn=s/sc0.75机械效率nm取用0.90电动机效率nmot取用0.86压缩机输入功率PkWPrqmMmnmot10.35能效比EEREER=Q0/p4.833.5.2 压缩机的选择选择压缩机：美国谷轮公司（Compeland）的ZR250KC-TWD压缩机ZR系列涡旋压缩机技术为中高温空调应用提供了出众的解决方案，高可靠性、高能效比。可提供的产品系列为230HP。技术参数电源（V/Hz） 380/50-460/60功率（马力） 20.0制冷剂型号 R134a冷凝温度（C） 48.9表 3.3 ZR 系列涡旋压缩机温度制冷量表蒸发温度（C）制冷量（W）蒸发温度（C）制冷量（W）-12.229200-6.737500-1.1470004.4575007.2630001069500谷轮压缩机 ZR 系列产品特点：1、压缩机 ZR 系列超高能效 能效比比目前市场上最先进的活塞式压缩机还高 12%2、压缩机 ZR 系列杰出的可靠性 运动部件少轴向及径向的谷轮专柔性设计提供了前所未有的耐液击和容忍杂质 的能力3、压缩机 ZR 系列内置电机断路装置 能有效保护电机免受高温及高电流之损坏4、压缩机ZR系列低噪音/低排气脉冲噪音值比活塞式压缩机低 5 分贝以上5、压缩机 ZR 系列简化系统设计独特的卸载启动设计使单相压缩机启动时无需启动电容/继电器在大多数应用中 无需曲轴箱加热器和气液分离器6、压缩机ZR系列近100%的容积关键所在率带来超常的制热能力3.5.3 板式蒸发器的设计计算1.板式蒸发器设计参数计算表 3.4 板式蒸发器设计参数计算项目符号单位计算公式或数据来源数值备注水进口焓h12CkJ/kg查水性质图表50.38水出口焓h7CkJ/kg查水性质图表29.42水的质量流量qm,wkg/sqm,w=Q0X/(h12C-h7C)2.39水体积流量qv,wm3/sqv,w=qm,w/ W2.39x10-3续表 3.4项目符号单位计算公式或数据来源数值备注2C 时 R134a饱和液态焓hkJ/kg查R134a性质表202.72C 时 R134a气态焓hkJ/kg查R134a性质表399.652CR134a 饱和液态密度Pr,lkg/m3查R134a性质表12882CR134a 饱和气态密度Pr,vkg/m3查R134a性质表15.47制冷剂液相体积流量qv,lm3/sqv,l=qm,/Pr,l2.39x10-4制冷剂气相体积流量qV,vm3/sqV,v=qm,r/pr,v1.99x10-22.板片选择查某公司BR0.10型板片参数，外形尺寸495x164x0.8其厚度为0.8mm,平均板间距6=3.8mm，当量直径de=26=7.6mm。表 3.5 技术数据表单片换热面积：0.109法兰通径：DN m25.50板间距：mm4工作温度：C180单流道截面积：0.000656工作压力：Mpa0.6,1.0,16 2.5取大处理量: m3/h25角孔直径：mm50表 3.6 BR0.10 型板片参数表板片外形尺寸mm495x164x0.8法向波纹节距m15流道宽度mm130平均板间距m3.8单片重量kg0.5平均当量直径mm6.0角孔尺寸mm40波纹高度m3.0波纹形式等腰三角形板片材料SUS 304 3163.蒸发器设计热力计算表 3.7 蒸发器设计热力计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注每块板的面积A.1m2Ai=bxh=0.164x0.4950.081整个蒸发器有效换热面积Am2A=(101-1)A0=100x0.0818.1单通道横截面积Asm2查板片参数6.56x10-4水的流速wm/sro =q /(50xA)w X,W s70.073水的运动粘度Vm2/s查水性质图表1.33x10-6水的普朗特数Pr查水性质图表9.73雷诺数RewRew=wXde/V417.14努塞尔数NuwNu =0.2121Re 0.78Pr1/ww350.09导热系数九W/(mK)查水性质图表0.573传热系数hwW/(m2K)h =UNu /d =0.573x4 wwe1.65/0.00637771）制冷剂侧蒸发段热力计算表 3.8 制冷剂侧蒸发段热力计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注导热系数九W/( mK)查R134a性质表0.09335R134a粘度Pas查R134a性质表2.658x10-4续表 3.8项目符号单位计算公式或数据来源数值备注入口干度x由状态点查R134a的压焓图0.199热流密度qW/m2q=QxlOOO/A6173质量流率Gkg/(m2s)G=q /(50xA)9.39普朗特数Pr查R134a性质表4.694汽化潜热rkJ/kg查R134a性质表197.12雷诺数ReRe=Gxde/y268.49液相表面传热系数h ir,lW/(m2K)h 】=0.2092x九xReo.78Prr,l1/3/de337.5沸腾表面传热系数hr,eW/(m2K)h =h lx88(q/G/r/1000r,e r,1)0.51715.172）制冷剂侧过热段热力计算表 3.9 制冷剂侧过热段热力计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注R134a粘度Pas查R134a性质表1.113x10-5导热系数九W/(mK)查R134a性质表0.01239制冷剂密度Pkg/m3查R134a性质表15.1普朗特数Pr查R134a性质表3.973雷诺数ReRe=Gxde/y6412努塞尔数Nur,sNu =0.2121Re0.78Pr1/3r,s313.11过热段传热hW/(mh =xNu /d510.45系数r,s2K)r,sr,s e由于板式换热器高度湍流，且水温在516C间不易结垢，垢层一般比较薄。由经验知，板式换热器热阻不到管壳式换热器的一半，在设计校核时其数值应不大于管壳式换热器公开发表的污垢热阻的 1/5，即有Rw=O.OO012m2的,兀=0.00006口2.的,耳=0.0000血2的4.蒸发器设计校核计算表 3.10 蒸发器设计校核计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注蒸发段总传热系数keW/(m2K)k =1/(1/h )+R +R +(1/hr,e)972.96过热段总传热系数ksW/(m2K)k =1/(1/h )+R +R +(1/hr,s)412.57蒸发段和过热段分界点处水的焓值hkJ/kgh=qmrx(h-h)x (1-x) 心严749.75对应 水温 t=11.85 C蒸发段水的平均温度taveCt =0.5x(11.85+7)ave9.43蒸发段平均温差AteCAt =9.43-2e7.43过热段最小温差At .minCAt i =t i -t .min w,in r,out5过热段最大温差AtmaxCAt =t-tmaxe9.85对数平均温差AtsCAt = (At -At . ) /Insmaxmin(At /At .) maxmin77.15蒸发段换热面积Aem2A= (1-x) x (h-h)exq x1000/(k xAt) 丄m,r ee6.721过热段面积ASm2A =9 /(k xAt )s Ts v ss70.478总面积Am2A=1.1x(Ae+A s)7.9193.5.4 管壳式冷凝器的设计计算1.管型参数选用申16x1.5 mm的紫铜管轧制的低翅片管为内管。表 3.11 紫铜低翅片管参表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注管子规格选用916x1.5铜管翅节距Sfmm查得1.25翅厚6mm查得0.223翅咼hmm查得1.5管内径dbmm查得12.86翅顶直径dtmm查得15.86每米管长翅顶面积adm2/mad=叫* sf0.0089每米管长翅侧面积afm2/maf=n (dt2-db2)/(2 sf)0.1083每米管长翅间管面积abm2/mab=ndb(sf-8t)/sf0.0332每米管长管外总面积aofm2/ma0f=ad+af+ab0.1504紫铜的 导热系数九W/(mK)按T3铜查资料3932.管壳式冷凝器热力计算表 3.12 管壳式冷凝器热力计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注冷却水进口温度tw1C选用25冷却水出口tw2C选用30温度冷却水均温twC27.5续表 3.12项目符号单位计算公式或数据来源数值备注冷却水流速um/s选用1.5假定热流密度qW/m2选用5500应布置传热面积A0fm2A0f=Qk/q010.54冷却水平均温度时密度Pkg/m3查水性质表996.3冷却水平均温度时比热容CpJ/(kgK)查水性质表4.176应布置有效总管长LmL=A0f/aof60.44所需水量qvm3/sqv=MpCp(tw2-twi)2.9x10-33.管壳式冷凝器结构计算1排气口；2制冷剂蒸汽进口；3冷却水出口；4冷却水进口；5制冷剂液体出口；6排污口为使传热管排列有序及左右对称，共布置 42 根管子，则每个流程平均管数Z=21根，管内平均水速u=1.45m/s。取传热管有效单管长L=1.8m,则实际布置外 冷凝传热面积A0f=11.37 m2。传热管按正三角形排列，管板上相邻管孔中心距为 2.5血，管数最多的一排管不在管中心线上。考虑最靠近壳体的传热管与壳体的 距离不小于5 mm,则所需要最小壳体内径为260 mm,根据无缝钢管规格，选用 申273x7mm的无缝钢管作为壳体的材料。管排布置及管板尺寸能够避免盖内侧装 配孔周边的密封面不致遮盖管孔，同时壳体内部留有一定空间起贮液作用。3.13 管壳式冷凝器结构计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注每流程管数ZZ=qv/(d.2u n/4)20.3取整Z=21流程N选取2总管数nN=ZN42管内平均流速um/su=qv/(d.2Z n/4)1.45有效单管长Lm选取1.8冷凝器实际面积A0fm2A0f=nLa0f11.37管孔中心距Smm选取25最小壳体内径Dminmm据正三角布置草图计算260壳体内径Dmm选取9273x7mm无缝钢管接管内径d.imd.=(4qv/nu)0.5，u=1m/s0.061取973mmx3mm接管长度lmm查标准150续表 3.14项目符号单位计算公式或数据来源数值备注管箱长度L2mmLNnd2N/3E95管板外径Dmm查标准305管板壁厚d查标准25管板法兰厚度bfmm查标准20接管法兰尺寸查标准80x16mm换热器总长LimLl=2(L/2+L2)+l2.144.管壳式冷凝器校核计算表 3.15 管壳式冷凝器校核计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注27.5 C时水的运动粘度Vm2/s查水性质表8.55x10-727.5 C时水的普朗特数Prf查水性质表5.8227.5 C时水 的导热系数九W/(mK)查水性质表0.613雷诺数RefRe=UXdi/V18655大于104水在管内湍流水侧表面传热系数hw,iW/(m2K)hw,i=0-023xXRef0-8Prf0-4/di6767.08管排修正系数根据管排布置0.728续表 3.15项目符号单位计算公式或数据来源数值备注增强系数屮根据所选管型查表得1.384R22侧冷凝表面传热系数hk,0W/(m2K)山府0.725叫。25屹（5）心253675.73竹0-0.25一式冷却水侧阻力系数ff=0.3164/Ref0.252.707x10-2对数平均温差 tmc tm=(tw1-tw2)小(tk-tw2)/(tk-tw1)7.21水侧污垢系数Ri1m2K/W选用8.6x10-5热流密度qW/m2q0= (0m-00)/(1/hw,i+Ri)a0,f/ai+a0,f lha m974.3x(7.2 叫二式试凑结果计算e0/c第式 q0/(W/m2)第二式 q0/(W/m2)1.54982.105563.251.65229.185465.821.75472.435368.41.655351.275417.11热流密度qW/m2e0=1.65 时误差最小5384.19取均值实际需要面积A0fm2Ao,f= Qk/q010.77符合初步结构设计中实际布置冷凝传热面积为11.37 m2,较传热计算所需要的面 积大，可作为冷凝传热面积的富裕量，初步结构设计所布置的冷凝传热面积能够 满足负荷要求。依据循环热力计算，可分别求得制冷剂进冷凝器时过热蒸汽的体积流量及制 冷剂从冷凝器排出时冷凝流体的体积流量，选取制冷剂在冷凝器进气接管和初夜 接管中的适当流速，即可计算出接管和出液管的内径。一般卧式管壳式冷凝器的 进气接管管径与所配制冷压缩机的排气管管径相同。可选060x5血钢管为出液 接管。3.5.5 热力膨胀阀的选择表 3.16 膨胀阀参数计算表项目符号单位计算公式或数据来源数值备注冷凝压力PkkPa315蒸发压力P0kPa887蒸发量qhm3/s0.017选取ASTV-4X （上海丰申）选用热力膨胀阀时应该注意：选用的热力膨胀阀容量应该比蒸发器的实际热 负荷大 20%-30%；对不设冷却水量调节阀或冬季冷却水温较低的制冷系统，选 择热力膨胀阀时，阀的容量应比蒸发器负荷大 70%-80%，但最大不超过蒸发器 热负荷的 2 倍；选择热力膨胀阀时，应计算出供液管路的压力降，以得出阀前后 的压差，再根据制造厂所提供的膨胀阀计算容量表确定热力膨胀阀的规格。本系统的蒸发量为0.017m3/s,蒸发压力为315kPa,冷凝压力887kPa，忽略其 他压力损失，压差为572kPa，结合系统流量和蒸发量，选取ASTV-4X （上海丰 申）。第四章 总 结在本次毕业设计过程中，设计一台 50kW 制热量的水源热泵系统，此系统可 以满足常规空气调节要求。设计要求结构紧凑，占用面积小，运行可靠安静。主 要完成的工作大体如下：首先，对课题进行仔细的分析，然后查阅大量有关本课 题的文献资料，进一步了解和学习；其次构想水源热泵设计的初步方案；再次完 成水源热泵整体结构的热力计算，着重对热水器进行初步的结构设计和主要的热 力计算，并进行计算验证，基本合理之后进行绘图、改图；最后完成资料的整理、 计算说明的总结及论文的撰写。通过本次毕业设计，我对水源热泵有了较为系统的认识。我清楚的知道了水 源热泵是属于可再生能源利用技术，它具有节能效果突出，运行稳定可靠，环保 效果显著，可“三联供”提高生活品质等优点。但是我也认识到水源热泵在我国的 发展和应用情况与国外相比，仍存在一定差距。这跟设计经验不足以及对该系统 缺乏较为深入的研究有关。虽然本次毕业设计已经结束了，但是由于设计经验不够，还存在着很多不足 之处需要今后继续的研究，主要有以下几个方面：本文在设计热泵的时候进行了 相应的简化，很多实际的影响因素都被简化或者忽略，很多非主要部分没有考虑； 本文只是对热泵最主要部件蒸发器和冷凝器进行较为详细的设计，而对其他 辅助设备等均没有能够完全考虑和设计：由于本人水平有限，在算法的选用设计 和实现上有很多不足之处，走了一些弯路，希望今后能找到一些更好设计方法和 算法，提高计算精度，使计算更加简单明了。参考文献1 徐邦裕，陆亚俊,马最良热泵M.北京:中国建筑工业出版社,1988.72 李洪斌，杨先.热泵与节能J.现代物理知识,2005,18:14163 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