摘 要

随着能源结构的不断调整，能源的有效利用成为各位专家学者的热门研究课题，高效节能的热泵机组开始进入人们日常的生产生活当中。热泵机组有很多种形式，如土壤源热泵、水源热泵和空气源热泵等等，热源介质的不同，机组的性能和能效比也有所不同。以空气为热源的热泵机组，虽然在能效比方面略低于水冷热泵机组等个别性能较高的机组，但是由于其结构简单紧凑、环境适应性强、运行及维修成本低等一系列突出优点，在实际的生产实践中被广泛应用。风冷模块机组概念的提出使风冷热泵机组进入一个新的发展阶段，模块机组最突出的优点就是制冷量可以按需调节。

本文主要针对130kW热泵型风冷模块机组进行主要部件的热力和结构计算，并通过CAD绘图软件完成结构与零件图纸的绘制。本文主要内容是对风冷模块机组进行设计；根据名义制冷量对压缩机和电磁膨胀阀进行选型，然后通过热力计算和结构计算对蒸发器和冷凝器进行设计。

关键词：热泵型风冷模块 蒸发器 冷凝器 结构计算 热力计算

Design of 130kW Heat Pump Air Cooling Module Unit

Abstract

With the continuous adjustment of the energy structure, the effective use of energy has become a hot research topic for experts and scholars. The energy-efficient heat pump unit has begun to enter people's daily production and life. There are many types of heat pump units, such as soil source heat pumps, water source heat pumps and air source heat pumps. The heat source medium is different, and the unit performance and energy efficiency ratio are also different. The heat pump unit with air as the heat source is slightly lower than the water-cooled heat pump unit and other high-performance units in terms of energy efficiency ratio, but due to its simple and compact structure, strong environmental adaptability, low operating and maintenance costs, etc., It is widely used in practical production practices. The concept of the air-cooled module unit has brought the air-cooled heat pump unit into a new development stage. The most prominent advantage of the module unit is that the cooling capacity can be adjusted as needed.

This paper mainly focuses on the thermal and structural calculation of the main components of the 130kW heat pump air-cooled module unit, and draws the drawing of the structure and parts through the CAD drawing software. The main content of this paper is to design the air-cooled module unit; the compressor and electromagnetic expansion valve are selected according to the nominal cooling capacity, and then the evaporator and condenser are designed by thermal calculation and structural calculation.

Keywords: heat pump air-cooled module；evaporator；condenser，structure calculation；thermal calculation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1选题的背景 1

1.2课题的研究意义 1

1.3热泵型风冷模块机组基本原理与特点 2

1.4系统各部件分析 2

第二章130 kW热泵性风冷模块机组的设计步骤 4

2.1任务要求： 4

2.2制冷循环系统热力计算 4

2.2.1冷凝器各项参数 4

2.1.2蒸发器各项参数 4

2.1.3制冷剂R410a压焓图 5

2.1.4压缩机吸气温度 5

2.1.5循环系统各点参数值 5

2.1.6热力计算 5

2.2压缩机与电磁膨胀阀的选择及制冷剂流量校核 6

2.2.1压缩机选型 6

2.2.2膨胀阀选型 7

2.2.3压缩机的制冷剂质量流量 7

2.3满液式管壳蒸发器设计计算 7

2.3.1风机的参数 12

2.4强制通风空冷冷凝器设计计算 13

第三章 总结 21

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1选题的背景

近年来，空调普及率随着人们生活水平的不断上升也逐年提高，各式各样的热泵及空调产品伴随着人们的衣食住行，例如中央空调、果蔬冷藏柜等等，其中空调能耗约占建筑能耗的40%-60%^[1]，能源消耗率的急剧增加，使得节能势在必行，而热泵作为有效的能量回收系统，在工商业和民用建筑中被广泛应用^[2-10]。风冷模块机组是一种在既能满足制冷又能实现制热的冷热一体设备^[11]，在实践应用中比其他形式的热泵机组适应性更强。与利用其他热源形式的热泵冷水机组相比，风冷模块机组在能效比方面不是很突出，用电量也略高于一些能效较高的热泵机组，但是由于其有适用范围广、制冷量可以按需调节和运行时受外界环境影响较小以及适应气候环境变化宽度大等显著优势，被人们广泛应用于生产生活中。目前市面上的同类型模块机组已经在耗电量方面做了很大改进，产品类型逐渐趋于成熟，在运行及维修成本方面也逐步优化，风冷模块机组一般是常温机组，但也有用于制冷的低温模块；总的来说，风冷机组因有不占屋顶面积、系统结构简单、灵活性较高，安装与维修方便^[12]等优势，被广泛应用于各个场所，尤其是水源缺乏、用水有严格限制的地方，如明确规定不得将淡水作为冷却水的香港^[13-14]。风冷模块采用冷热一体机，结构紧凑，在安装环节可以大大减少安装空间，理想情况下，可至少减少30%的安装空间，无论对于厂家还是客户来说，都是降低使用成本的首要选择。现今，模块式冷水机组已广泛应用于商业建筑空调和工业加工用制冷采暖。

1.2课题的研究意义

如今，世界能源储量急剧下降，各类能源的供应也日渐缩减，能源形式的严峻性突出表现在资源有限、结构失衡、使用低效、造成污染严重、能源利用形式落后，如何合理充分地利用有限的能源成为节能的主要方向之一，因此人们开始考虑开发新的能源利用方式以及探究如何在相同条件下最大限度地提高能源利用率。

在二十世纪九十年代，我国开始将热泵型风冷机组应用于新型空调，当时还没有模块化的概念，机型及结构大小按照实际的制冷量需求设计，调节性能较差，但与以往的制冷设备相比，省去了单独的加热系统和冷却系统，机组的整体结构变得更为紧凑，安装起来也较为方便。近几年来国内很多生产厂家开始设计开发模块性的冷热水机组，改善以往设备机体安装不方便，制冷量无法调节的情况。此外，膨胀阀以及压缩机性能的改进使得模块机组的对变工况的适应能力和对变负荷的调节能力有了显著变化。

1.3热泵型风冷模块机组基本原理与特点

在日本，大约十几年前，40～120 hp的风冷式冷水机组刚开始出现就有了“模块式冷水机组”概念^[14]。通俗来讲，就是将几个制冷量较小的小型机组串联在一起，每一个小型机组相当于一个独立的单元，实际需要多大的制冷量，就将一定数量的小型机组连起来使制冷量满足需求。蒸发器与冷凝器紧凑布置，制冷量较大的机组冷凝器一般为V型或筒型布置，这样能够更大限度的提高空间利用率，系统的使用几乎不受气体环境影响，并且不受冷水机组相关法规的限制，此外每个小单元都可以单独控制，整体上可以保证部分负荷性良好。机组常用制冷剂为R134a与R22或R410A。

1.4系统各部件分析

机组在给定的蒸发及冷凝温度压力下，能够通过计算得到机组的单位制冷量，进而通过产出与投入比得到机组的COP值，COP值是模块机组性能好坏的重要评价依据，值得高低会直接影响机组耗电量。