摘 要

随着世界经济的快速发展，利用喷射式热泵技术来降低电能消耗，改善能源结构，以创造更好的经济和社会效益变得越来越重要。本文首先对喷射式热泵的背景以及近年来喷射式热泵技术的研究和应用现状进行了介绍。然后建立了喷射式热泵系统模型，对系统运行原理及喷射器内部混合过程进行了模拟，利用MATLAB软件调用REFPROP程序计算了系统的引射率、质量流量和性能系数COP等关键系统性能参数。并研究分析了蒸发、发生和冷凝温度发生变化时对系统运行参数的影响。结论表明，当蒸发温度升高时，系统的引射率会增大，COP会增大，质量流量也会增加；当发生温度升高时，系统引射率会增大，COP会增大，而质量流量会减少；当冷凝温度升高时，系统引射率会减小，COP会减小，而质量流量会增大；最后，根据相关计算结果进行了管壳式冷凝器的热力计算和结构尺寸的设计计算，并利用CAD绘制了相应的图纸。

关键词：喷射式热泵 引射率 质量流量 管壳式冷凝器

Design of 100kW Ejector Heat Pump System

Abstract

With the rapid development of the world economy, it is becoming more and more important to use jet heat pump technology to reduce energy consumption and improve energy structure in order to create better economic and social benefits. Firstly, the background of jet heat pump and the research and application status of jet heat pump technology in recent years are introduced. In this paper, a model of ejector heat pump system is built. The operation principle of the system and the mixing process inside the ejector are simulated. The key system performance parameters, such as ejection rate, mass flow rate and COP, are calculated by calling REFPROP program with MATLAB software. The effects of evaporation, occurrence and condensation temperature on the system performance parameters were studied and analyzed. The results show that when evaporation temperature rises, the system ejection rate increases, mass flow rate increases and COP increases; when evaporation temperature rises, the system ejection rate increases, mass flow rate decreases and COP increases; when condensation temperature rises, the system ejection rate decreases, mass flow rate increases and COP decreases; finally, the thermodynamic calculation and structure size of shell-and-tube condenser are carried out according to the relevant calculation results. Design and calculation, and draw the corresponding drawings using CAD.

Key Words: Ejector Heat Pump; Ejection rate; mass flow; Shell-and-tube condenser

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究内容 4

第二章 喷射式热泵循环性能分析 6

2.1 系统结构及原理简介 6

2.2喷射式热泵系统模型 7

2.2.1控制方程 7

2.2.2热力学分析 9

2.3计算结果及性能分析 10

2.3.1发生温度变化对系统性能参数的影响 10

2.3.2蒸发温度变化对系统性能参数的影响 12

2.3.3冷凝温度变化对系统性能参数的影响 14

2.4本章小结 15

第三章 冷凝器的热力计算 16

3.1气液两相进程冷凝器的热力计算 16

3.1.1初始数据的获取和计算 16

3.1.2管子的选择及相关计算 17

3.1.3管程结构及管程计算 18

3.1.4壳程结构及壳程计算 19

3.1.5传热面积及壁温校核 20

3.1.6阻力的计算和校核 21

3.2气相进程冷凝器的热力计算 22

3.3本章小结 23

第四章 冷凝器的结构设计 24

4.1气液两相进程冷凝器的设计 24

4.1.1管箱、壳体及封头的选择 24

4.1.2管板的选择 24

4.1.3法兰的选择 25

4.1.4换热管的规格和尺寸 25

4.1.5拉杆与定距管的选择和布置 25

4.1.6折流板的选择与布置 25

4.1.7防短路结构 25

4.1.8壳体与管板、管板与法兰及换热管的连接 25

4.2气相进程冷凝器的结构设计 26

4.3本章小结 26

第五章 总结与展望 27

5.1总结 27

5.2展望 27

参考文献 28

附录 31

附录一 喷射式热泵循环的程序代码 31

附录二 冷凝器设计程序代码 37

致 谢 44

第一章 绪 论

1.1 研究背景

众所周知，热水在家庭应用、商业建筑、工业过程等许多领域都是必不可少的。当下，热水都是由燃气热水器或电热水器产生，其直接消耗化石燃料或电力以产生热量^[1]。因此，传统的热水器可能导致环境污染问题和巨大的能源浪费。因此，热泵热水器由于其较高的能效，近年来得到了研究和改进^[2]。随着社会的快速发展，工业水平的提高和生活质量的改善，环境污染问题也开始变得愈发突出：如出现温室效应、频繁的酸雨天气、臭氧消耗增加等等。而热泵技术的发展则在一定程度上改善了环境的污染问题并有效的提高了能源的利用率。通过热泵技术，利用生活中产生的废热或余热蒸汽，转变为可以再次利用的有用热，从而供给暖通空调系统以供人们所利用^[3]。

根据对余热蒸汽回收的不同，可以将热泵分为压缩式，吸收式和喷射式热泵这三种主要形式^[4]。其中，压缩式热泵最主要的优点是其压缩比能够达到较高的数值,效率较高,但缺点也很明显,就是耗电量太大。吸收式热泵能够致热是以消耗高品位的热能为代价的,它的缺点也很明显，就是需要复杂的系统和较高的技术水平支持，前期还需要投入巨大的费用,因而在实际应用中也是阻力颇大。相比之下，蒸汽喷射式热泵的优势就显而易见，它具有简单的结构，运行安全度足够高，投入费用少，节能环保等等。根据喷射式热泵对蒸汽利用的特点,可将其广泛应用到对供热参数要求不同的用户中去，以达到对低温废热的高效利用的目的^[5]。然而，喷射式热泵的缺点是效率较低,应用范围受限于蒸汽压力^[6]。综合上述分析可知,在满足尽可能提高喷射式热泵的工作效率的前提下，蒸汽喷射式热泵会成为整个热泵系统中最有可能得到大力推广和应用的一项技术，其最大的优势就是可以极大程度的回收利用生活的废热，节能而环保。本课题便拟利用工业的中低温余热或太阳能，通过喷射式热泵技术，降低电能消耗，改善能源结构，以创造更好的经济和社会效益。

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