15kw直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组本科毕业论文

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1、15KW直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组密级 毕 业 设 计(“卓越计划”学生用)题 目： 15KW直膨式太阳能 冷热浴三联供热泵机组 学 院： 能源与动力工程学院 学生姓名： 韩银丽 学 号 541202020110 专业班级： 热能与动力工程卓越12级01班 企业名称: 郑州慧银空调环保工程有限公司 企业指导教师： 吴涛 学校指导教师： 袁培（副教授） 完成日期： 2016年5月25日 目 录中文摘要I英文摘要II1 引言12 直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组的工作原理13 15kw直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组的热力计算3 3.1系统制冷量的确定3 3.2 初步确定压缩机的选型5 3.

2、3系统循环的简单热力计算54 壳管式冷凝器的设计6 4.1 壳管式冷凝器的设计计算6 4.1.1 冷凝器传热管的选择及设计计算6 4.1.2冷凝器的热负荷及冷却水温度的确定7 4.1.3初步设计规划冷凝器的结构7 4.1.4管内水侧表面的传热系数的计算8 4.1.5管外R134a制冷剂蒸汽冷凝表面换热系数的计算9 4.1.6 传热系数ko和面积热流量qf0的计算10 4.1.7所需传热面积的计算11 4.1.8冷却水侧流动阻力的计算11 4.2结构的设计计算12 4.2.1壳管式冷凝器的简单介绍12 4.2.2壳体的设计12 4.2.3管板的设计13 4.2.4拉杆和定距管的设计14 4.2.

3、5折流板的设计15 4.2.6隔板的设计15 4.2.7端盖的设计15 4.2.8连接管的设计16 4.2.9法兰的设计175 满液式壳管蒸发器的设计和计算18 5.1.1蒸发器传热管的选择及设计计算18 5.1.2蒸发器的冷负荷及冷却水温度的确定19 5.1.3初步设计规划满液式蒸发器的结构20 5.1.4管内水侧表面的传热系数的计算21 5.1.5管外R134a制冷剂蒸汽冷凝表面换热系数的计算21 5.1.6传热系数ko和面积热流量qf0的计算22 5.1.7所需传热面积的计算23 5.1.8冷却水侧流动阻力的计算24 5.2结构的设计计算24 5.2.1满液式壳管蒸发器的简单介绍24 5

4、.2.2壳体的设计24 5.2.3管板的设计26 5.2.4拉杆和定距管的设计26 5.2.5折流板的设计27 5.2.6隔板的设计27 5.2.7满液式蒸发器连接管的确定27 5.2.8箱体及垫片的设计28 5.2.9法兰的设计296 生活水箱的设计30 6.1设计条件的确定30 6.2水箱中传热管长度的计算30 6.3水箱结构的设计31 6.3.1外壳的设计31 6.3.2水箱内胆的设计31 6.3.3保温层的设计32 6.3.4水的进出口设计32 6.3.5制冷剂进出口的设计32 6.3.6排污口的设计32 6.3.7传热管的设计32 6.3.8法兰的设计337直膨式太阳能集热板的设计3

5、4 7.1太阳能集热板的设计计算34 7.1.1集热板面积的计算34 7.1.2传热管的计算35 7.2太阳能集热板结构的设计37 7.2.1吸热板和传热管的设计37 7.2.2集热板制冷剂进出口连接法兰的设计37 7.2.3集热板其他结构的设计388 系统中其他辅助设备的选型38 8.1油分离器的选型38 8.2气液分离器的选型38 8.3四通换向阀的选型39 8.4电子三通阀和单向阀的选型39 8.5干燥过滤器的选型39 8.6电子膨胀阀的选型39 8.7截止阀的选型409结束语40致 谢41参考文献42附 录4315KW直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组摘 要本文主要对直膨式太阳能冷热浴三

6、联供热泵系统进行了设计和计算，对系统的工作原理和四个运行状态进行了简单的介绍。在对直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组进行设计时，本文主要介绍了壳管式冷凝器、满液式壳管蒸发器、储热水箱以及直膨式太阳能集热板的设计计算。同时，对干燥过滤器、四通换向阀等系统的辅助设备进行了选型，完成了对整个直膨式太阳能冷热浴三联供系统的设计。关键词 直膨式太阳能、三联供、壳管换热器I15KW DIRECT EXPANSION SOLAR ASSISTED HEAT PUMP UNIT COLD BATH ABSTRACTAbstracthis paper mainly to the direct expansion

7、solar cold hot bath triple supply system are designed and calculated, the system working principle and four running state are introduced in simple. In the design of direct expansion solar cold hot bath triple heat pump unit. This paper mainly introduces the shell and tube condenser, full liquid type

8、 shell and tube evaporator, heat storage water tank and straight expansion solar set hot plate design calculation. At the same time, the filter drier, four-way reversing valve system, such as the selection of auxiliary equipment, through the direct expansion solar hot and cold bath trigeneration sys

9、tems design.KEY WORDS Direct expansion solar energy,Triple supply,Shell and tube heat exchangerII1 引言当今世界，随着化石能源的过度利用，越来越多的国家开始号召利用可再生能源。为响应国家节能减排的政策号召，太阳能作为一种清洁、环保、无污染的能源在近几年得到更多的利用，而在常见的利用方式就是利用太阳能进行热水的加热，但近年来对直膨式太阳能的研究也得到越来越多的关注。近年来随着人们对高品质生活要求，环境污染的问题得到越来越多人的重视，太阳能也得到越来越的应用。家用燃气热水器的用户数量不断增加，但电热水

10、器性能系数均较低，一般在0.950.98之间。所以有必要从原理上对其进行改进，以提高性能系数、降低电力消耗。近两年，冷热浴三联供机组由于结构紧凑、节能而获得国家政策性支持以及受到人们的欢迎。在此基础上开发出利用太阳能的直膨式三联供热泵机组能源利用效率比传统的率提高15%-25%。根据国家环保的需要和节能迫切性，它是当前唯一可以替代煤锅炉、油锅炉的理想的产品，应用前景十分广阔。 本文正是基于这种思想，将太阳能集热器和水源热泵结合在一起，太阳能集热器作为系统的蒸发器，实现制冷、制热和生产热水系统的运行，在太阳能光照不足时，开启辅助热泵系统来满足人们的生活需求。2 直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组的

11、工作原理太阳能冷热浴三联供1系统热泵系统将太阳能集热器与常规水源热泵结合起来，充分利用太阳能辐射资源，可以同时实现冬季制热、夏季制冷及全年提供热水等多种功能。图2-1 直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组系统图本文设计的直膨式太阳能冷热浴三联供系统的原理图如图中所示，该系统有四个工作状态：状态一：太阳能冬季制热系统调节电子三通阀17，打开截止阀6，从压缩机1出来的高温高压气体进入生活热水箱2与冷水进行换热，制取生活热水，后进入四通换向阀3，在壳管式冷凝器4中进行冷却，冷冻水经风机盘管将热量带到室内，制冷剂经单向阀5进入干燥过滤7，进电子膨胀阀8进行节流，节流后制冷剂流向单向阀9，并通过调节电子三通

12、阀10进入太阳能集热器/蒸发器14，进行蒸发换热，从太阳能集热器出来的制冷剂经过电子三通阀12回到四通换向阀3，经过气液分离器13，回到压缩机，进行下一循环。状态二：辅助热泵冬季制热系统调节电子三通阀17，打开截止阀6，从压缩机1出来的高温高压气体进入生活热水箱2与冷水进行换热，制取生活热水，后进入四通换向阀3，在壳管式冷凝器4中进行冷却，冷冻水经风机盘管将热量带到室内，制冷剂经单向阀5进入干燥过滤7，进电子膨胀阀8进行节流，节流后制冷剂通过单向阀9，并通过调节电子三通阀10进入壳管式换热器11，进行蒸发换热，从壳管式换热器出来的制冷剂经过电子三通阀12回到四通换向阀3，经过气液分离器13，回

13、到压缩机，开始下一循环。状态三：辅助热泵夏季制冷系统 调节电子三通阀17，打开截止阀6，调节电子三通阀10，从压缩机1出来的高温高压气体进入生活水箱2与冷水进行换热，加热生活用水，后经四通换向阀3，电子三通阀12，进入壳管冷凝器11，进行换热，后经单向阀15，进入干燥过滤7进入电子膨胀阀8进行节流，节流后的制冷剂经单向阀16，进入壳管式换热器4，进行换热，冷冻水将冷量带到室内，制冷剂回到四通换向阀3，经过气液分离器13，回到压缩机，进行下一循环。状态四：过渡季节制热水调节电子三通阀17，关闭截止阀6，从压缩机1出来的高温高压气体进入生活水箱2与冷水进行换热，加热生活用水，后经四通换向阀3，电子

14、阀17，单向阀5，经干燥过滤7进入电子膨胀阀进行节流，经单向阀9，调节电子三通阀10，进入太阳能集热器(或壳管式蒸发器11）进行换热，后经后电子三通阀12回到四通换向阀4，经过气液分离器13，回到压缩机，开始下一循环。3 15kw直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组的热力计算3.1系统制冷量的确定本文设计的直膨式太阳能冷热浴三联供热泵机组的工作状态是基于以下条件进行设计的表3-1 冬季太阳能供暖系统工作条件冷凝器进水温度冷凝器出水温度冷凝温度Tc蒸发器进水温度T进蒸发器出水温度T出蒸发温度Te3237411274 表3-2 冬季辅助热泵系统的供暖工作条件蒸发器进水温度蒸发器出水温度冷凝温度Tc冷凝

15、器进水温度T进冷凝器出水温度T出蒸发温度Te1274132374并已知辅助热泵系统的制热量为15KW，使用R134a作为制冷剂，依据给出的工作条件，查阅焓湿图得各点的状态参数如下表：表3-3 各点的状态参数表蒸发温度Te/1点压强Pe/KPa比体积Vg/（m3/kg)1点焓值kJ/kg1点熵值kJ/kgK冷凝温度Tc/3点压强Pe/KPa3点焓值kJ/kg4点焓值kJ/kg2s点的焓值kJ/kg机械效率制热量KWT1P1V1h1s1T3P3h3h4h2siQ热4337.650.06001399.51.7199411044.21256.16256.164150.7515由1-2s进行熵压缩，可得

16、2s点的熵值，压强，查压焓图得，。图3-1 系统实际制冷循环的 图由公式（1）得2的焓值： 制冷剂的质量流量为： 系统的制冷量为： 3.2 初步确定压缩机的选型根据上述计算得到的制冷量及已经确定的系统的工作条件，综合考虑冬季、夏季以及过度季节的运行条件，选择压缩机ZRT963E-TFD,制冷量14.3KW，输入功率4.1，性能系数3.47，质量流量94.5g/s，制热量17.5KW，排气量22.8m3/h。3.3系统循环的简单热力计算已知系统的制冷量为14.3kw,制冷剂为R134a，冷凝温度T3=41，蒸发温度，高温热源温度，低温热源温度，取压缩机的指示效率，压缩机的机械效率，根据这些已知条

17、件，查压焓图可得各点的焓值：， 则系统单位制冷量2为 单位容积制冷量为 单位理论功为 制冷量的质量流量为 压缩机的理论功率为 压缩机的指示功率为 压缩机的轴功率为 制冷系数及系统热力完善度的计算 卡诺循环的制冷系数为 所以系统的热力完善度为 冷凝器的热负荷为 4 壳管式冷凝器的设计4.1 壳管式冷凝器的设计计算系统设计的条件：制热量15kw，制冷剂R134a，冷凝温度，冷凝器进水温度为，出水温度。4.1.1 冷凝器传热管的选择及设计计算根据生产工艺条件，并参考传热管的选型标准，采用每英寸19片的滚轧低肋管为传热管，其基本参数为：，则每1米肋片管长的肋片数 每1米肋片管长肋片的面积为 每1米管长

18、肋间基管的面积为 每1米肋管的外表面积为 每1米管长的内表面积为 肋片的当量高度 4.1.2冷凝器的热负荷及冷却水温度的确定冷却水定性温度为 冷却水的进出温差为 由冷却水的定性温度34.5，查水的物性参数表得：，将上面的参数代入公式，得冷却水的流量为 4.1.3初步设计规划冷凝器的结构由查阅设计标准获得的数据显示，低肋管的传热系数较高，所以取管外表面面积的热负荷qfo=5700W/m2，初步规划的冷凝器所需的外表面积为 所需上述规格的低肋管总管长为 假设管内水的流速为2m/s,则每流程的管数为 根据取整的原则，则取每流程管数为3。假设用i表示流程数，Le表示冷凝管的有效长度，根据两者之间的关系

19、（即）可得出下列数据；表4-1 冷凝器壳体内径与长径比之间的关系Iin壳内径Di/m长径比Le/Di260.05795492749.812007214120.08196064417.611204046180.1003808799.586325257已知当长径比为4-10时，换热器的换热性能和经济性能较好，所以这里选择i=6，则有效管长为 取Le=1m。根据以上对冷凝器结构的初步设计的计算，可以得出每流程管数依次为2,3.4,4,3，2，传热管排列如图所示；图4-1 壳管式冷凝器传热管的排布图4.1.4管内水侧表面的传热系数的计算由图4-1可知，实际每流程的平均管数为3根，则管内冷却水的平均流速

20、为 所以管内水侧表面的雷诺数为 雷诺数大于104，所以水在管内做的是湍流流动。在定性温度下， 所以流体在管内受迫运动时在湍流区的换热系数为 4.1.5管外R134a制冷剂蒸汽冷凝表面换热系数的计算如图2中所示的传热管排布方式，则其管族修正系数的计算为 低肋螺纹管的增强系数为 先假设冷凝器壁面温度为39，则冷凝液膜的平均温度为 由平均温度40，查阅制冷剂蒸汽3的冷凝时R134a的rs1/4和Bm值，得汽化热 液相密度 液态运动粘度 热导率 根据上面的数据可得 因此 4.1.6 传热系数ko和面积热流量qf0的计算依据管内外的热平衡关系，则管外面积热流量qf0为 取水侧垢层热阻ri=0.00008

21、6m2k/w，查阅资料可得纯铜管的热导率r=384W/（mk)。低螺纹管的壁厚0.925mm，蒸汽与冷却水之间的传热温差为 管内外平均直径处的单位面积为 所以，管外表面面积热流量为 由公式（4-26）和公式（4-22），得 用试凑法解公式（4-27），得，所以管外表面实际温度为 与前面所做的假设基本相符。将代入公式（4-23）中得， 计算以管外表面积为基准的传热系数为 4.1.7所需传热面积的计算 该数据小于前面初步规划的冷凝器的外表面积，说明结构设计面积基本能够满足传热的需求，设计合理。在图2中，总管数为18根，所以有效冷凝管管长为 取有效管长为1米。4.1.8冷却水侧流动阻力的计算管内摩擦

22、阻力的计算公式为 取冷凝器两侧管板的厚度为50mm，则实际冷凝管的长度为 冷却水在管内的质量流速为 4.2结构的设计计算4.2.1壳管式冷凝器的简单介绍卧式壳管式冷凝器4是稳定性好。其主要由壳体、管板、折流板、冷却水进出口以及制冷剂进出口等结构组成。具体结构如图中4-2所示。图4-2 壳管式冷凝器的结构图对比其他几种常用的水冷冷凝器，壳管式冷凝器因其换热系数大，经济成本低，管理和操作方便而受到人们的青睐，近年来，壳管式冷凝器在中小型制冷装置中得到了广泛的应用，这更加体现出壳管式冷凝器通用、方便的特点。本人基于制冷系统制冷量以系统运行方式的需求，并结合考虑壳管冷凝器的有缺点，最终确定系统采用卧式

23、壳管式冷凝器进行设计。4.2.2壳体的设计依据前面的设计计算，在实际设计设计中选择外径为19mm，壁厚为1.5mm的传热管，传热管的排列方式为三角形排布，设计时综合考虑到壳管式冷凝器的隔板、拉杆等结构对管间距的影响，本文采用的传热管设计尺寸和排布方式如图4-3中所示：图4-3 传热管的设计尺寸和排布方式本文设计的壳管式冷凝器共有18根传热管，实际管长为1.1m，传热管之间采用三角形排布，管间距为33mm，传热管的流程数为6，则壳体的最小设计内径为： 同时为了保证传热管的稳定性和制造的方便性，在设计时考虑在传热管的周围增加定距管，综合考虑以上影响因素，并查阅参考文献5，原则内径为260mm，考虑

24、到安全性能和开孔的强度需求，壳体壁厚6.5mm，外径273mm。图4-4 壳体的结构尺寸4.2.3管板的设计管板上有密集的管孔，与列管采用焊接的方式进行连接，具有固定传热面上的传热管和定距管的作用，并作为壳体和封头之间的间壁起到分隔壳程和管程流体的作用。设计管板即确定管板的厚度、开孔数量和大小以及孔间距等参数。通过查阅管板的设计标准，本文设计采用，考虑到定距管和传热管的数量，管板的开孔数为22个，其具体的开孔直径和孔间距的尺寸如下图所示： 图4-5：管板的结构尺寸图4.2.4拉杆和定距管的设计拉杆和定距管6的起到了固定和便于安装弓形折流板的作用，根据壳体的直径，查阅拉杆数与直径的选用表，可知本

25、文设计壳管式冷凝器应选用直径为12mm拉杆，使用数量为4个。考虑到管板和折流板在实际制造上的方便，拟采用与传热管相同规格的四个铜管作为定距管，将拉杆放置在定距管中间，将定距管焊接在管板和折流板之间，来固定折流板。图4-6：定距管的设计结构和尺寸4.2.5折流板的设计折流板是用来改变流体流向的板，设置在冷凝器的壳程中，本文采用单弓形折流板进行设计。由冷凝器的公称直径，并查阅弓形折流板厚度的选型标准，选择弓形折流板的厚度为3mm。而折流板之间的间距B与换热器的用途、壳程流体的流量、粘度有关，其最小间距不得小于50mm，最大间距不能大于壳体的内径（在本文中即不能大于260mm），参照折流板间距的常用

26、数据；100；150；200；450；600；800；1000mm，结合本文设计的冷凝器用途和壳体直径，折流板的板间距定位150mm，数量为6。由壳体的公称直径和折流板的板间距，查阅弓形折流板各部分尺寸关系表，得折流板圆缺高度选为30%Ds，即 4.2.6隔板的设计根据查阅文献，隔板宽度选为8mm，已知设计的壳管式冷凝器的流程数为6，所以隔板需要的数量为5。密封垫圈沟槽宽为12mm，开口深度为6mm。隔板焊接在管板和封头之间。图4-7 隔板和密封垫沟槽的结构图4.2.7端盖的设计设计端盖的厚度为6.5mm，螺栓连接处厚度，现取L=22.5mm,球面半径R=260mm，球面高度，现取100mm，

27、具体的结构以及其他的设计尺寸如图4-8中所示。图4-8 壳管式冷凝器端盖4.2.8连接管的设计冷冻水进出口连接管的设计冷凝器中水流量的计算在，查水的物性参数表得，所以水的流量为 由水的流量，选流速，故管内径 (4-39) 查阅文献7取，则实际流速，选取的无缝钢管。制冷剂连接管由原始数据查R134a的图得，冷凝器进口处，冷凝器出口，制冷剂的质量流量。则液体的体积流量= （4-40） 蒸气的体积流量 （4-41）出液接管的内径，选液体流速为。 (4-42) 圆整后，查文献取无缝钢管，则液体的实际流速为进气接管内径（选蒸汽流速为） （4-43） 圆整后，查阅文献取无缝钢管实际流速为4.2.9法兰的设

28、计本文设计的铜管通过法兰连接的方式进行连接，法兰8采用如图所示的平面法兰。图4-9平面（FF）板式平焊钢制管法兰根据连接处钢管的外径，查阅标准可以得出平面法兰的连接和定位尺寸，所以端盖的法兰尺寸、冷凝器水进出口连接管法兰的设计尺寸、处连接管法兰尺寸如表中所示；表4-2 冷凝器中法兰的结构尺寸法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径螺栓数量螺纹规格法兰厚度端盖法兰375335184M1622.5冷凝器水进出口10075114M1014冷凝器制冷剂进口8055114M10145 满液式壳管蒸发器的设计和计算系统设计的条件：制冷量15kw，制冷剂R134a，蒸发温度4，蒸发器进水温度为12，出水温度7。5

29、.1.1蒸发器传热管的选择及设计计算根据生产工艺条件，并参考传热管的选型标准，采用每英寸19片的滚轧低肋管为传热管，其基本参数为：，则每1米肋片管长的肋片数 每1米肋片管长肋片的面积为 每1米管长肋间基管的面积为 每1米肋管的外表面积为 每1米管长的内表面积为 肋片的当量高度 5.1.2蒸发器的冷负荷及冷却水温度的确定冷却水定性温度为 冷却水的进出温差为 由冷却水的定性温度9.5，查水的物性参数表得：，由获得的水的定压比热容、密度和运动粘度，计算得到冷却水的流量为 5.1.3初步设计规划满液式蒸发器的结构由查阅设计标准获得的数据显示，低肋管的传热系数较高，所以取管外表面面积的热负荷qfo=57

30、00W/m2，初步规划的满液式蒸发器所需的外表面积为 所需上述规格的低肋管总管长为 假设管内水的流速为2m/s,则每流程的管数为 根据圆整的原则，则取每流程管数为3。假设用i表示流程数，Le表示冷凝管的有效长度，根据两者之间的关系（即）可得出下列数据；表5-1满液式蒸发器壳体内径与长径比之间的关系Iin壳内径Di/m长径比Le/Di260.05795492747.487446874120.08196064416.789347856180.1003808799.138963412已知当长径比为4-10时，换热器的换热性能和经济性能较好，所以这里选择i=6，则有效管长为 取。根据以上对满液式蒸发器

31、结构的初步设计计算，可以得出每流程管数依次为2，3，4，4，3，2，其传热管在壳体内的排列情况如图5-1所示；图5-1 壳管式蒸发器器传热管的排布图5.1.4管内水侧表面的传热系数的计算由图2可知，实际每流程的平均管数为3根，则管内冷却水的平均流速为 所以管内水侧表面的雷诺数为 雷诺数大于104，所以水在管内做的是湍流流动。在定性温度下， 所以流体在管内受迫运动时在湍流区的换热系数为 5.1.5管外R134a制冷剂蒸汽冷凝表面换热系数的计算如图2中所示的传热管排布方式，则其管族修正系数的计算为 低肋螺纹管的增强系数为 假设蒸发器的壁面温度为6，则满液式蒸发器液膜的平均温度为 由平均温度5，查阅

32、制冷剂液体蒸发时R134a的rs1/4和Bm值，得汽化热 液相密度 液态运动粘度 热导率 根据上面的数据可得 因此 5.1.6传热系数ko和面积热流量qf0的计算依据管内外的热平衡关系，则管外面积热流量qf0为 取水侧垢层热阻ri=0.000086m2k/w，查阅资料可得纯铜管的热导率9r=384W/（mk)。低螺纹管的壁厚0.925mm，制冷剂与冷却水之间的传热温差为 管内外平均直径处的单位面积为 所以，管外表面面积热流量为 由公式（5-26）和公式（5-22），得 用试凑法解公式（5-27），得，所以管外表面实际温度为 与前面所做的假设基本相符。将代入公式（23）中得， 计算以管外表面积为

33、基准的传热系数为 5.1.7所需传热面积的计算 该数据小于前面初步规划的满液式蒸发器的外表面积，说明结构设计面积基本能够满足传热的需求，设计合理。在图11中，总管数为18根，所以有效冷凝管管长为 5.1.8冷却水侧流动阻力的计算管内摩擦阻力的计算公式为 取蒸发器两侧管板的厚度为40mm，则实际蒸发器传热管的长度为 冷却水在管内的质量流速为 5.2结构的设计计算5.2.1满液式壳管蒸发器的简单介绍卧式满液式壳管蒸发器与卧式壳管式冷凝器的主要结构基本相同，近年来在铵系统和氟利昂系统被广泛应用，制冷剂走壳程，水走管程。满液式蒸发器具有占地面积小、换热系数高的优点。具体结构如4-2中所示。5.2.2壳

34、体的设计依据前面的设计计算，在满液式蒸发器的实际设计中仍选择外径为19mm，壁厚为1.5mm的传热管，传热管的排列方式为三角形排布，设计时综合考虑到壳管式冷凝器的隔板、拉杆等结构对管间距的影响，本文采用的传热管设计尺寸和排布方式如图5-2中所示：图5-2传热管的设计尺寸和排布方式本文设计的满液式壳管蒸发器共有18根传热管，实际管长为1m，传热管之间采用三角形排布，管间距为33mm，传热管的流程数为6，则壳体的最小设计内径为： 同时为了保证传热管的稳定性和制造的方便性，在设计时考虑在传热管的周围增加定距管，综合考虑以上影响因素，并查阅参考文献，则内径为260mm，考虑到安全性能和开孔的强度需求，

35、壳体壁厚取6.5mm，外径273mm。图5-3 壳体结构图5.2.3管板的设计管板上有密集的管孔，与列管采用焊接的方式进行连接，其作用是固定传热面上的传热管和定距管，并作为壳体和封头之间的间壁起到分隔壳程和管程流体的作用。设计管板即确定管板的厚度、开孔数量和大小以及孔间距等参数。通过查阅管板的设计标准，本文设计采用，考虑到定距管和传热管的数量，管板的开孔数为22个，其具体的开孔直径和孔间距尺寸如下图所示： 图5-4管板的结构尺寸图5.2.4拉杆和定距管的设计根据壳体的直径，查阅拉杆数与直径的选用表，可知本文设计壳管式冷凝器应选用直径为12mm拉杆，使用数量为4个。考虑到管板和折流板在实际制造上

36、的方便，拟采用与传热管相同规格的四个铜管作为定距管，将拉杆放置在定距管中间，将定距管焊接在管板和折流板之间，以固定折流板。结构如4-6所示。5.2.5折流板的设计由满液式蒸发器的公称直径，并查阅弓形折流板厚度的选型标准，选择弓形折流板的厚度为3mm。参照折流板间距的常用数据；100；150；200；450；600；800；1000mm，结合本文设计的蒸发器的用途和壳体直径，折流板的板间距定位200mm，数量为4。由壳体的公称直径和折流板的板间距，查阅弓形折流板各部分尺寸关系表，得折流板圆缺高度选为30%Ds，即 5.2.6隔板的设计根据查阅文献，隔板宽度选为8mm，已知设计的满液式壳管冷凝器的

37、流程数为6，所以隔板需要的数量为5。密封垫圈沟槽宽为12mm，开口深度为6mm。隔板焊接在管板和封头之间。图5-5 隔板和密封垫沟槽的结构图5.2.7满液式蒸发器连接管的确定冷冻水进出口连接管的设计冷凝器中水流量的计算在，查水的物性参数表得，所以水的流量为 由水的流量，选流速，故管内径 (5-39) 查阅文献取，选取的无缝钢管。制冷剂连接管由原始数据查R134a的图得，蒸发器进口处，蒸发器出口，制冷剂的质量流量。则液体的体积流量= （5-40） 蒸气的体积流量 （5-41）进液接管的内径，选液体流速为。 (5-42) 圆整后，查文献取无缝钢管，则液体的实际流速为出气接管内径（选蒸汽流速为） （

38、5-43） 圆整后，查阅文献取无缝钢管实际流速为。5.2.8箱体及垫片的设计 根据参考文献可知，管箱的长度为冷冻水进口的3倍。因此，管箱的长度，厚度。由参考文献10可知，选择DN273的6管程管箱垫片。5.2.9封头的设计设计封头的厚度为6.5mm，球面半径R=260mm，球面高度，现取70mm，具体的结构以及其他的设计尺寸如图5-6中所示。图5-6 满液式蒸发器封头的设计5.2.10法兰的设计蒸发器中铜管依然通过法兰连接，采用如4-9中的平面法兰方式。表5-2 蒸发器中法兰的尺寸表法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径螺栓型号/数量法兰厚度水的进出口法兰120mm100mm14mmM12416m

39、m制冷剂进口法兰130mm100mm14mmM12416mm制冷剂出口法兰100mm75mm11mmM10414mm6 生活水箱的设计6.1设计条件的确定在本文设计的直膨式太阳能冷热浴三联供系统中，从压缩机出来的高温高压的气体先经过生活水箱，与生活水箱中的冷水进行换热，生产生活用水。在该系统中，能够实现全年供应生活热水的需求。通过查阅大量的资料和标准，假定每人每天需要100L的生活热水，按四个人的需求进行计算，系统每天需要只要提供400L的生活用水。水箱的进水温度为5，将水加热到45。利用软件对系统的运行进行模拟，得出制冷剂进入生活水箱的温度为61，制冷剂离开水箱的温度设为56。水的吸热量：

40、单位时间内需向水箱提供的热量（每天加热热水的时间按24小时进行计算） 考虑到天气、使用人员等不可控因素的影响，本文设计系统单位时间内可以向水箱提供2kw的热量。6.2水箱中传热管长度的计算水箱中的传热管采用外径为21mm，壁厚为1.5mm的光管。生活用水在加热过程中的平均温度为： 需传热管的面积为 其中，Q表示制冷剂单位时间内向水箱传递的热量；K制冷剂与冷水之间的换热系数，查阅文献取；代入数据得 传热管的长度为 设计是为了更好的达到加热生活用水的目的，取传热管的实际设计长度为3米。6.3水箱结构的设计在本文中考虑到水箱的安装位置和使用方式，并使水箱具有更好的换热性能，本文中采用立式封闭间接式储

41、水箱11。其具体的结构如图所示：1保温层 2电加热器 3外壳4内胆 5传热管 6安全泄压阀7进水口 8出水口 9排污口10制冷剂出口 11制冷剂进口图6-1 立式封闭间接式储水箱6.3.1外壳的设计通过查阅水箱设计标准，水箱外壳设计为，厚度的圆柱形箱体，材料采用Q235。6.3.2水箱内胆的设计已知该系统每天需加热400L的生活用水，考虑一定的富裕量，水箱内胆的尺寸设计直径880mm，高为1200mm，厚度为1.2mm，材料采用不锈钢。6.3.3保温层的设计在该水箱设计中，在水箱外壳和内胆之间填充厚度为50mm的保温层，保温层材料为聚氨酯发泡塑料。6.3.4水的进出口设计根据生活经验并查阅大量

42、数据，确定生活水箱中水的进出口的设计尺寸为外径60mm，内径50mm，采用法兰连接。6.3.5制冷剂进出口的设计由传热管的尺寸，可以得出制冷剂进出口的尺寸为外径26mm，内径为22mm，连接采用法兰连接。6.3.6排污口的设计在封闭式水箱中排污口的内径不能小于50mm，考虑到系统中水的加热温度等因素，排污口的尺寸设计外径，内径。6.3.7传热管的设计在该水箱设计中，制冷剂通过传热管与水箱中的冷水进行换热，传热管在水箱中采用蛇形布置，总长度为3米，具体的排布位置和尺寸如图中所示：图6-2传热管分布图6.3.8法兰的设计水箱中的法兰都采用平面法兰，各部件法兰连接尺寸在下表中有详细的尺寸。表6-1

43、水箱法兰结构设计尺寸法兰外径螺栓孔中心圆直径螺栓孔直径螺栓的类型/数量法兰厚度水进出口处法兰140mm110mm18mmM12416mm制冷剂进出口法兰80mm55mm11mmM10412mm排污口处法兰210mm170mm18mmM16418mm安全泄压阀处90mm65mm11mmM10412mm7直膨式太阳能集热板的设计直膨式太阳能集热板，即制冷剂通过传热管在集热板中与集热板吸收的热量进行换热，直膨式太阳能集热板的作用就是热泵系统中的蒸发器。但与传统的热泵系统相比，他能够充分利用太阳能集热板吸收的效率，减少系统能量的投入，具有清洁、节能、环保的优点，该系统具有良好的发展前景。平板式太阳能集

44、热板的基本结构如图所示：图7-1平板式太阳能集热板的结构图7.1太阳能集热板的设计计算7.1.1集热板面积的计算为了使设计出来的太阳能集热板能够满足系统的需求，我们以郑州地区冬至日的太阳辐射为设计标准，通过查阅文献和资料，郑州地区冬至日的单位时间的平均太阳辐射量为； 太阳能集热板的集热面积为 系统集热器总面积，m2；郑州地区冬至日的单位时间的平均太阳辐射量；集热器的平均集热效率，根据经验，通常取30%80%，这里取50%；管路的热损失，这里去0.2；7.1.2传热管的计算设计条件，查阅资料得郑州地区12月份的平均风速12为3.4m/s，进入太阳能集热板时制冷剂的感度为0.231，出口处的干度为

45、1蒸发温度，传热管外径为21mm，壁厚1.5mm。铜管的对流表面传热系数为 在时，查制冷剂R134a物性参数得，平均干度为 由制冷剂的质量流量，可以求出R134a的质量流速为 管内流动的雷诺数为 所以，太阳能集热板与传热管的换热系数为 集热板的平均温度为 集热板的面积，；太阳辐射13强度，；吸热涂层的太阳光谱吸收率，采用黒铬涂层，吸收率去0.95；集热板平均温度，；环境温度，取1.7；平板式集热器的总传热系数，太阳能集热器的吸热量，本文为14.3KW；将已知数据代入公式得，。传热管的长度计算 蒸发温度，；集热管外径，；集热管内径，；集热管热导率，；集热板热导率，；集热板厚度，；集热管长，；集热

46、管内的换热系数，；将已知数据代入公式得，。7.2太阳能集热板结构的设计通过查阅资料，确定集热板的外形尺寸为2000100080mm，每个集热板的集热面积为2米，系统需要32块该规格的集热板，每个集热板内盘管的长度为2.3m，为了使系统具有更好的换热效果，设计时会适当增加传热管的长度。7.2.1吸热板和传热管的设计吸热板是平板式太阳能集热器内吸收太阳辐射的重要部件。在本文设计直膨式太阳能集热器中，传热管在集热板上采用蛇形14排布，与吸热板通过焊接连接在一起。该系统中吸热板的设计尺寸为18209901mm的铜板，传热管用铜管，其具体的设计尺寸和排布方式如图所示：图7-2 传热管的分布图7.2.2集

47、热板制冷剂进出口连接法兰的设计根据集热板中传热管的尺寸，可得制冷剂进出口处法兰的设计尺寸：法兰外径，螺栓孔中心圆直径，螺栓孔的直值径为11mm，连接用M104的螺栓进行连接，法兰内径，法兰厚度。7.2.3集热板其他结构的设计透明盖板：本文中透明盖板15采用双层钢化玻璃，尺寸为19909903mm，两层钢化玻璃之间的距离为10mm，内层钢化玻璃距吸热板的距离30mm。吸热涂层：本文设计中吸热板上的吸热涂层采用黒铬涂层16，吸收比和发射比分别在0.930.97和0.070.15之间，黒铬涂层具有较好的热稳定性和抗高温性。隔热层：隔热层是集热器中抑制吸热板通过热传导向外界传递热量的部件。实际设计中隔

48、热层的材料为聚氨酯保温材料，底部隔热层的厚度取30mm，四周侧边的保温层取50mm。外壳的设计：外壳设计为2000100080mm，采用铝合金，厚度取2mm。压条：集热板四周采用宽位15mm的压条。8 系统中其他辅助设备的选型8.1油分离器的选型 油分离器能够起到分离制冷剂中润滑油的作用。因此，在压缩机进入壳管式冷凝器的过程中，会增加一个油分离器，使分离出来的润滑油进入压缩机中，起到增加换热效果，减少润滑油损失的作用。 根据系统的制冷量为14.3KW ，选择艾默生公司的油分离器A-W55877型油分离器。其基本尺寸为，。8.2气液分离器的选型 气液分离器的作用是分离制冷剂蒸汽中的液体，应气液分

49、离器安装在满液式蒸发器与压缩机进口之间的位置。 选择PXQF型气液分离器，其基本尺寸如下：口径为DN 32，总高为400mm，进口高度，筒体直径。8.3四通换向阀的选型四通换向阀在热泵系统中实现制冷和制热系统切换的重要部件，本文选择型号为DHF18的四通换阀，进气口的直径，排气口的直径。8.4电子三通阀和单向阀的选型无论是电子三通阀还是单向阀，都起到了控制系统运行方向的作用，能够保证不同运行状态的正常运行，而不会出现混乱的情况。电子三通阀的选型为VXP40.15-1.9，公称直径为15mm，单向阀的选型为DIF-L20H1-S，公称直径为20mm。8.5干燥过滤器的选型 干燥过滤器主要对制冷剂

50、中的杂质进行有效的过滤，增强制冷剂在流通过程中的换热，本设计将干燥过滤器安装在电子膨胀阀之前。 根据制冷剂压降时得容量，选择艾默生公司生产的EK167S型干燥过滤器，其主要尺寸如下：其中，。8.6电子膨胀阀的选型 电子膨胀阀是本系统的重要零部件之一，其主要作用是在制冷系统中起到节流的作用，其安装位置在干燥过滤器之后，满液式蒸发器之前。 根据额定制冷量，可选择丹弗斯公司生产的TEN55-41，型电子膨胀阀。8.7截止阀的选型 在本设计中，采用了许多截止阀，用来代替四通换向阀，来起到对系统中制冷和制热进行转换，和系统中流通的截断作用。 根据系统中管径的要求，选择雅瑞ARI截止阀，规格为，长度，高的

51、截止阀。9结束语我国幅员辽阔，太阳能资源丰厚。合理的利用太阳能等可再生能源，是响应国家节能减排号召的一个重要途径。将太阳能的利用与热泵机组结合起来，能够节约资源，实现太阳能的合理应用。该系统结合了热泵机组和太阳能集热器的优势，既能够实现夏季制冷、冬季制热的目的，同时有能够提供全年不间断的热水，具有节能、环保、高效的优势。致 谢三个月的毕业设计时间转眼即逝，感谢袁培老师三个月的辛苦陪伴，感谢老师每次在我们有疑惑和不解时能够及时的为我们解答，让我们的毕业设计能够有理有据的按照老师的要求进行。在平时的辅导过程中，袁老师经常帮助我们查找相关资料，并且在画图时，除了细心的指导外，还教会了我们如何快速的运

52、用软件。再次感谢袁老师给予我的关心和帮助，让我渡过了我最后的也是最有意义的大学时光，也敦促我能够按时完成毕业设计。四年的大学时光即将过去，这里有我的留恋和不舍，感谢四年来老师和同学们的陪伴，让我在这里经历和成长，感谢这次毕业设计的机会，让我学会了如何去完成一个设计，学会了如何去查阅资料，如何去于同学和老师进行交流，感谢这次机会，让我在踏实努力中为我的大学生活画上圆满的句号。参考文献 1王如竹，玉辉，许煜雄.直膨式太阳能热泵空调及热水系统P.上海；CN515850,2004-07-282 郑贤德主编制冷原理与装置M北京：机械工业出版社，2001,105-132.3 沈维道，童钧耕.工程热力热学M.北京：高等教育出版社，2007-06.4 管壳式换热器GB 151-1999.5 钢制管式换热器HG/T 2650-1995.6朱聘冠主编.换热器原理及计算M.北京：清华大学出版社，1989-04.7无缝钢管尺寸、外形、重量GB/T17395-2008.8平面和突面板式平焊钢制管法兰GB/T9119.9 杨世铭，陶文铨.传热学M.北京：高等教育出版社，2006-08.10 管壳式热交换器用垫片 第3部分：非金属软垫片GB/T 29463.3-201211家用