6-热泵的基本结构和主要部件

热泵的结构和主要部件第6课1910年第一台以氨为工质的冰箱问世1920年美国开利公司制造出第一台开启式压缩机的卧式柜型空调器1930年第一台以氟利昂为工质（R-12)的制冷机问世1951年第一台窗式空调器正式问世1964年我国第一台“双鹿”牌——窗式空调器问世80年代末我国电冰箱产量占全世界第一位90年代中我国空调器产量占全世界第一位热泵的种类•从热泵的运行原理上来分，可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵、半导体热泵和化学热泵等；•从热水的加热方式和特征上来分，又可分为分体静态加热式，循环加热式和直热加热式。•从热源的来源分，可以分为水源热泵、土源热泵、废水源热泵、空气源热泵、太阳能热泵；•从储热方式特征来分，又可以分为水储热式和相变储热式；•从热泵驱动能源来讲，又可分为电动热泵、燃油或燃气热泵、蒸汽（吸收式）热泵等；•从热泵的使用场所来分，分为大中型商业机组和小型家用机两大类；•从使用目的不同，可以分为生活热水热泵、采暖热泵、海水热泵、养殖热泵和泳池专用热泵等。•从使用方式上来分，可分为即开即热式和储热式；制冷的主要方法及分类1.相变制冷－蒸汽压缩，吸收式制冷，吸附式制冷2.气体绝热膨胀制冷3.气体涡流管制冷4.热电制冷5.磁制冷6.太阳能制冷不同制热类型的热泵简介•吸收式热泵•吸收式热泵没有压缩机，它是以热能为动力，利用一些某种溶液对另一种溶液的强烈吸收性，来实现将热量从蒸发器转移到冷凝器的。•由于吸收式制冷（热泵）能够利用温度较低的热量运行，所以是利用工业废热等低品位热能的有效手段。•吸收式热泵由发生器、吸收器、节流阀、冷凝器、蒸发器、液体阀和溶液泵等部件组成，原理如下图：吸收式制冷（热泵）系统原理气体绝热膨胀制冷涡流制冷磁制冷•就是利用磁热效应，又称磁卡效应制冷.•磁热效应是指融制冷工质在等温磁化时向外界放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量的现象.磁制冷技术中的制冷工质是固态的磁性材料.•如果把这样两个绝热去磁引起的吸热过程和绝热磁化引起的放热过程用一个循环连接起来，通过外加磁场，有意识地控制磁惰，就可使得磁性材料不断地从一端吸热而在另一端放热，从而达到制冷的目的。磁热效应-磁制冷磁热效应：利用磁致冷材料的磁热效应(基本原理是磁性材料的磁化放热和退磁吸热)。基于材料的磁热效应和一定的热力流程可以构成磁制冷循环。半导体制冷（热泵）•半导体制冷（热泵），又称热电制冷（制热），不同的半导体联结成的回路，在其两端施加电压时，不同的半导体之间将有电流并伴随着热运动现象，利用这种现象而制成的装置称为半导体制冷（热泵）装置；•1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各连接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他发现其中一个接头变热，而另一个接头却在变冷；这个现象就被物理界称为“帕尔帖效应”。P、N型半导体用于制冷的结构原理半导体制冷片：TEC1-12710T125半导体热泵的效率•半导体制冷（热泵）效率的高低在很大程度上取决于热电堆冷热端的温差，在冷热端温差很小的情况下，半导体热泵的效率还是相当高的蒸汽压缩制冷原理热泵热水器的主要部件•蒸汽压缩式热泵热水器，不管是哪一种类型，它的主机都是由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器四大部件组成；•为了更好的保证热泵系统的正常工作，热泵系统还必须设置气液分离器、高低压保护器、超温保护器、自动控制器、机械式泄压阀、四通阀、电磁阀、单向阀、曲轴箱加热带、储液器等大量零部件。热泵主要依照热源的分类•在热泵应用中，由于向蒸发器供热的热源形式不同，热泵也有多种不同的结构类型：除空气源外，还有水源、土源、海水源、废水源、太阳能等多种热源，但是以水源（地源）和空气源的应用最多。•热泵另一个主要分类方式为循环本身，即普通单级循环、复叠式循环、双级循环、喷气增焓循环、二级中间冷却循环等。采用地下水的水源热泵示意图水源热泵的设计应注意•在水源热泵系统的设计和施工，要做好当地的水文勘察工作，要详细了解地下水的温度、流量、流向、土质、含水层的富水性和渗透性，而且要做相关的试验，内容包括抽水和回灌，水流方向，持续流量等等。•地下水源热泵是应用，包括海水源和污水源热泵的应用，是一项比较复杂的系统工程，可参阅相关手册和标准，做好耐心细致的设计和勘察工作后进行。•回水井应该设置在抽水井的上游，回灌井和抽水井不宜太近或太远，一般根据土质，控制在50-100米左右。土源热泵系统原理土壤源热泵系统•是以土壤为热源的热泵装置，它将土壤换热器埋入地下，通过载热剂将大地深处的热量带出，通过热泵提升温度后供采暖和生活热水所用，土壤源热泵避开了地下水源热泵的回灌问题，同时也避免了地下水的腐蚀、结垢等一系列麻烦，无污染，系统洁净，是土壤源热泵的最大优势。•但是它的应用也有如下问题：由于土壤的导热性能极差，使土壤源热泵的冷端向土壤取热十分困难太阳能热泵•太阳能热泵热水器，是通过直接利用太阳辐射能和环境空气为热源的热泵机组，它有两种型式：即集热板直接作为蒸发器的“直接膨胀式”，和以太阳能集热板吸收的热量通过一个换热器进行蒸发的“间接膨胀式”。•热泵用的太阳能集热器，也可以分为带有透光板和保温措施的普通平板集热器和仅有金属板芯的集热器，这种集热器和空气直接接触，虽然在有阳光时增加了散热损失，但是也具备了在阴雨天的工作能力。太阳能热泵试验•无保温、无玻璃面板的太阳能集热板，正在进行太阳能热泵实验，由于可以使用光和空气作为系统的低温热源，也称为“风光源热泵”。•右图为间接膨胀式太阳能热泵集热器空气源热泵热水装置和主要部件•制冷（热泵）压缩机•根据压缩的原理，压缩机大致分为容积式压缩机和速度式压缩机两大类；•根据压缩机的密封结构分类：压缩机可以分为开启式压缩机、半封闭式压缩机和全封闭式压缩机三大类；开启式斜盘活塞压缩机（汽车用）半封闭活塞式压缩机的实物剖面半封闭式螺杆压缩机螺杆压缩机双、单滚动转子式压缩机滚动转子式压缩原理滚动转子式压缩机•在当前的小型家用热泵热水器系列产品中，占有最主要的地位，绝大多数家用热泵热水器都采用这种型式的压缩机。•滚动转子压缩机运行平稳，产量大，价格低，在动平衡上，较活塞式表现更好；•双转子运行更好；•不利的是，压缩机壳体是高压腔，对电机绕组运行不利，也对润滑不利。蜗旋式压缩机•是1905年就被提出的压缩机，由于当时的机械加工水平限制，一直未能得以推广，直到1980年后才得到规模化应用。它是一种新型的容积式压缩机，以效率高，体积小，噪音低，运行平稳等特点，迅速得到广大制冷和热泵工程师的青睐，被广泛应用于空气源热泵热水器中。蜗旋式压缩机原理蜗旋压缩机内部结构涡旋压缩机细节涡旋压缩机的定盘和动盘蜗旋式压缩机的特点•由于蜗旋式压缩机中，其蜗旋有若干层（例如三层），因此，在其旋转过程中，吸气、压缩和排气等过程是同时在不同层的压缩室内进行的，一个压缩室的形成到完成排气，要经过若干周才能够完成，在外部的压缩室，曲轴每旋转一周就完成一个吸气过程，而接近中心部位的压缩室则不断进行排气过程，压缩室和相邻压缩室的压力差更小，故扭矩均衡，运转平和，内部泄露小，容积效率高。工作也更加可靠。•蜗旋式压缩机壳体为低压腔；电动机基础电动机主要部件的功能•铁芯，包括定子铁心和转子铁心，用以构成电动机的磁路；•定子绕组分为工作绕组和启动绕组，为防止每圈（匝）之间短路，采用高强度聚脂漆包线绕制，分别为电动机提供工作力矩和启动力矩；•启动电容为电机启动使使交流电相位偏移，和启动绕组一起为电机转子提供启动力矩；•电机端盖和轴承起到支撑转子正常运转的作用；•转子接受旋转磁场的力并对外输出功；•机座则整个电动机提供定位、围护以及散热。电动机工作原理•由磁铁组成的定子和转子，定子的磁场如果旋转，就会形成“旋转磁场”，转子的磁场由于受到磁性“同性相斥，异性相吸”的作用，只要这个力可以克服转子轴承的摩擦力，转子就会发生与旋转磁场方向相同，转动速度相同的旋转运动。•旋转磁场的产生来自于交流电本身：交流电每秒改变50次方向（称为50赫兹）电动机的极数•电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，极数越多，转速越低。•三相电动机不需要启动电容器。•上述单相和三相的电动机，都被称为“异步”电动机；•也称“感应电动机”或者“鼠笼电机”；•电动机运转时会产生热量，必须及时散热蒸发器和冷凝器•空气源热泵热水器，是以空气为热源来实现“加热”水的目的的，直接完成从空气中吸取热量的器件，就是蒸发器；•空气源热泵热水器的蒸发器，全部采用管翅式结构，更具体一点，是铜管铝翅片式，也有教科书称其为“翅片管式换热器”，或“肋片管式换热器”。•在蒸发器的管内进行的是氟利昂的沸腾吸热过程，由于空气侧的换热系数较低，为了增加换热能力，在不增加传热温差ΔT的前提条件下，唯有加强换热系数和增大换热面积。风冷蒸发器结构示意图•与空调器室外机的翅片管式冷凝换热器不同的是，热泵热水器的蒸发器由于经常处于湿润的状态，为提高外表面的换热系数，有利于冷凝水的流动，消除翅片间的“水桥”现象，蒸发器的铝翅片采用“亲水铝箔”。空气源热泵蒸发器实物用以增加空气的扰动的“气窗”在冷库进行冬季运行实验•为了减少蒸发器内制冷剂的流动阻力，减少流动损失，一般蒸发器会分若干路并联进入蒸发器，如上图，制冷剂由分液头分为四路进入蒸发器，为保证各路制冷剂的尽量流量相同，分液头之后的铜管要等长、等距、等径、同程蒸发器的多种形态电机和风叶风机朝向可以向上及向侧面热泵冷凝器的种类和特点•可分为三个大类：•即对全部容积的水直接进行加热的容积式冷凝器（静态加热方式）；•以对全部的水进行循环加热的循环加热式冷凝器（动态加热方式）；•和一次性将水的温度加热到设定温度，再输送至保温水箱的直热式冷凝器。静态加热冷凝器的两种布置方法循环加热式套管冷凝器•套管广泛应用于热泵热水器；•优点是效率高，无运行死区，抗垢和抗冻能力强，可长程逆流式的高效换热器；•多束管基本停用；•缺点是占空间大；螺旋管式套管换热器成品和螺旋管螺旋管式套管换热器实物剖图各种异型铜管小型化的壳管式换热器•将铜肋管盘成螺圈置于钢管内的管-管换热器，水在铜管内流通，制冷剂在钢管内流动，钢管起一定的储液器作用。•占用空间小，但是弱逆程换热，不利于高温制热板式换热器原理•由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。•各板片之间形成薄而狭窄的通道，相邻的两片之间进行热量交换。•它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高板式换热器的单片形状板式换热器流体的流动路线装配型板式换热器实物图片•装配型板式换热器可以制造的很大，因此换热量也大，广泛应用于船舶、冶金、食品、机械、石油化工、生活区集中供热、空调等•也可作为泳池、水产养殖等用途的二次换热装置管壳式换热器主要用于大型制冷（热泵）机组节流装置：毛细管和膨胀阀•节流装置是制冷和热泵系统不可缺少的四大部件之一，起着节制制冷剂流量，建立系统高低压力差的重要作用；•节流装置的结构可以极其简单，如毛细管，也可以相对复杂，如热力膨胀阀、电子膨胀阀和膨胀机等。•一般小型热泵系统，采用毛细管；较大型的机组采用热力膨胀阀、电子膨胀阀。节流阀的调整•过热度，空调术语，是将干饱和蒸汽继续定压加热，蒸汽温度就要上升，而超过饱和温度，其超过的温度就叫过热度。•过热度（superheat）这个术语，用于热力膨胀阀是指低压侧和感温包内蒸气之间的温度差。通常将系统调节在5-8℃）过热度下工作。•过热度对于膨胀阀的正常工作起着举足轻重的作用。吸气如果完全无过热度，就有可能发生液击，引起湿冲程液击损坏压缩机。•为了避免此种现象，需要一定的吸气过热度，以保证只有干蒸汽进入压缩机(因冷媒性质决定，过热度的存在表示液态冷媒的完全蒸发）。•但是，过热度偏高会引起压缩机排气温度（排气过热度）升高，压缩机运行工况恶化寿命降低。所以，吸气过热度应该控制在5℃-8℃范围毛细管•毛细管，是一根长度在0.5-5米不等，内经0.5mm-3mm的细铜管，结构十分简单，工作可靠，成本低廉，本身没有运动和密封部件，焊接