空气源热泵产品结构及工作原理

空气源热泵基础知识
------------原理、结构及分类
目录
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 第六部分 空气源热泵基础知识 空气源热泵工作原理 空气源热泵零部件介绍 热泵产品的分类及介绍 空气源产品适用范围 空气源热泵相关知识
第一部分 空气源热泵基础知识
(一). 热力学第一定律（能量守恒定律的具体应 用:“守恒性”）
热力膨胀阀
热力膨胀阀是一种能自动调节供液量的节流降压机构。 它是利用蒸发器出口处制冷剂蒸气的过热来调节制冷剂流 量的。它相对比较稳定，而且故障率很低。 • 根据热力膨胀阀结构上的不同，分为内平衡式和外平衡式 两种。 • 热力膨胀阀可自动调节，并有辅助手动调节，但注意不可 随意调动。如果开启过大则达不到节流效果，而且可能导 致压机湿压缩；过小则会导致效率降低及系统排气温度及 压力过高等。必要情况下进行调节时，一般每次1/4或1/2 圈慢慢调节。
（四）、节流装置
• 节流装置主要是降温、降压作用，对冷媒流量进行调节使液 体流量在较低的压力下更易蒸发，蒸发效果的好坏直接影响 蒸发器吸收空气热量的效率 • 目前在空气源热泵热水器中，使用的节流装置主要有毛细管、 热力膨胀阀、电子膨胀阀。
毛细管：
• 当流体沿管内流动时，由于管道摩擦阻力而产生压降，管 径越小、管子越长则流动阻力就越大，产生的压降也越大。 • 采用毛细管——小内径并有一定长度的紫铜管，代替膨胀 阀作为节流降压元件，这就是毛细管节流装置。 毛细管节流装置的特点： 1、没有主动调节能力，一旦系统确定，其节流能力基本确 定； 2、毛细管在不同工况时，节流能力不同； 3、毛细管工况适应能力较差。
板式换热器
同轴换热器 （套管）
高效罐式 换热器
盘管式换热器
各种换热器有多种不同的形式结构，以上图片仅为常 见的几种
• 盘管式主要是使用在家用产品中，属于典型的静态加热的 换热器，换热效率最低。 • 板式冷凝器具有很好的换热性能，体积小具有灵活的安装 性，但成本高，对安装使用的要求高； • 套管式冷凝器对水质的要求没有板式换热器严格，使用时 制冷剂与冷却水完全实现逆流换热，但套管式冷凝器金属 消耗量较大，体积也较大。 • 高效罐式换热器，换热方式与套管类似，区别是水与氟在 换热器内流动的通道不同，换热效率较好，对水质和工况 的要求相对最低，体积小，但技术并未完全成熟。
1、压缩机的驱动和压缩动力下，气态
Er(输出能量） 高温区
2
压 缩 机 Ei(输入功率）
冷凝器 热交换盘管-散热 节 流 器
冷媒（制冷剂）被吸进压缩机内并被 压缩成高温高压的气态冷媒; 2、高温高压气态冷媒流入冷凝器 （即设备的散热盘管）；此时低温 的水和流动着高温冷媒的通过盘绕 在水箱外壁的铜管（散热盘管或称 冷凝器）进行热交换，冷水温度升 高，气态冷媒温度降低及液化;
表述1：“在一个封闭的或是完全绝热的系统中，能量不可能 消失，只能从一种形式转化为另一种形式。” 表述2：“热可以变为功，功可以变为热；一定量的热消失， 必产生与之相当数量的功，反之亦然。 能量不可能被创造，也不可能被消灭。
(二).
热力学第二定律（热量传递的方向性）
表述1：“热能和其它形式的能量可以等量交换。但是 完全 机械能 热能 （即方向性、限度）” 部分 表述2：“热不可能自发地，不付代价地从低温物体传到高温 物体。” 表述3：“不可能制造从单一热源取得热量，使之全部转化为 功而不留下任何变化的热力发动机。”
热量的传递是有方向的；ຫໍສະໝຸດ Baidu量形式的转化是有限制的
（三）沸点与压力的关系 物质的沸点与压力有直接关系,压力改变,沸点 相应改变。
压力上升 压力下降 沸点升高 沸点降低
举例：在山顶烧开水和山脚下烧开水，水沸腾时的温度 是不一样的。
（四）显热与潜热
显热：可以通过温度计测量的物体冷热变化； 潜热：物质发生物态改变，温度不变产生的热量变化 物态变化：物质的三种状态，固态、液态、气态。物质从 一种状态变为另一种即为物态变化。 物质从气态变为液态需要释放潜热，物质从液态变为气态 需要吸收潜热。
第二部分 空气源热泵工作原理
1、卡诺循环
由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆的热力 循环叫卡诺循环。 蒸发式制冷的原理是利用逆卡诺循环来实现。 蒸发式制冷的循环过程：低温低压的蒸气被压缩成高温高压 的气体，在冷凝器中放热冷凝为常温高压液体，常温高 压的液体在节流机构处变为常温低压的液体，在蒸发器 内吸热变为低温低压的蒸气。
蒸发器 盘管风机-吸热 低温区
1
Ea(从外界吸收的能量，即制冷量） COP（热效率）＝Er/Ei Smart设备工作原理及设备结构图 3、液态冷媒通过节流阀压力降低；
4、低压液态冷媒流入蒸发器吸收了风机带来的空气中的热量而气化,如 此周而复始的运行，利用空气中的热能将水加热到设定温度。
低温制冷剂与空气换热设备
优点： 结构简单、零部件少； 运动件中心与电机轴一致，体积小； 吸排气连续； 余隙容积小，效率高。
（二）、冷凝器
• 冷凝器是制冷机的主要热交换设备。其作用是使从压缩机 出来的高温高压制冷剂蒸气在其中向冷却介质——水或空 气放热，冷却、冷凝成高温高压的过冷液体。 • 冷凝器按冷却介质和冷却方式的不同分为三种类型： 水冷式冷凝器——用水作为冷却介质； 空气冷却式冷凝器，亦称风冷式冷凝器——用空气作为冷 却介质； 蒸发式冷凝器——用水和空气作为冷却介质，主要是靠水 蒸气把热量带走。 • 水冷式冷凝器：在空气源热泵热水器上使用的常见冷凝器 按结构可分为板式换热器、套管式换热器、盘管式及高效 罐（俗称水炮）等； • 上述每种冷凝器，如果一侧与水接触，则都可能容易产生 水垢，所以一般都要求定期清洗。
（六）、储液罐及气液分离器
• 储液罐:主要用于调节系统在不同工况下所需的不同冷媒流 量、尽可能保证进入冷凝器换热效果以及进入节流阀的冷媒 为液态形式； • 气液分离器：将冷媒蒸汽与冷媒液体进行分离分离蒸发器来 的低压蒸汽中的液滴，避免压缩机湿压缩；同时保证压缩机 的正常回油。气液分离器出入管不可接反，否则会导致压缩 机缺油
使制冷剂流动受阻力压力降低
节流阀
冷凝器
蒸发器
压缩机
制冷系统的“心脏”，制冷剂 流动的能量来源
高温制冷剂与水换热设备
第三部分 空气源热泵系统零部件介绍
一、主要部件 蒸气压缩式热泵有四大必须部件：压缩机、蒸发器、 冷凝器、节流结构。 空气源热泵的其他主要系统部件：风机。 二、辅助部件 空气源热泵常用的辅助系统部件包括四通阀、储液罐、 气液分离器、电磁阀、卸压阀、过滤器，以及为保证机器 正常运行用的保护装置及电气控制装置等等。
（一）.压缩机
1、压缩机的作用 在电动机的带动下压缩和输送制冷剂蒸气，使制冷剂在 系统中循环。 2、压缩机的分类 容积型： 往复式：活塞式 回转式：滚动转子式，滑片式，单螺杆式，双螺杆式， 涡旋式。 速度型：离心式
1.涡旋式压缩机
涡旋式压缩机的工作原理：右图所示 优点： 1、运动件中心与电机轴一致，体积小; 2、没有吸、排气阀，工作可靠、寿命长; 3、效率高。较滚动活塞式高5%至10%; 4、对液击不敏感; 5、吸、排气过程连续，几乎没有气流脉动; 6、运转平稳、平衡性好、扭矩变化均匀； 7、由于无吸\排气阀,压缩机转速可提高; 8、零、部件数量少,重量轻,体积小。较同 规格活塞式小40%,轻15% 。
热水出口 低压保护器 四通阀 高压保护器 卸压阀 冷水进口 汽水换热器 （家用型水箱） 压缩机 节流装置（毛细管） 蒸发器 风机
系统结构流程说明： 压缩机→高压保护器→换向阀 →热交换器（家用型水箱）→节流装置 →蒸发器→低压保护器→气液分离器→压缩机。
（十）制冷剂(冷媒、雪种)
决定系统运行能力最重要的组成之一,常见的制冷剂: R12,R22,R717,R134A,R407C,R417A,R410A等。 冷媒的基本要求：临界温度高，冷凝压力低，蒸发潜热高， 换热系数高，与油的互溶性好，安全性高,物理/化学性 质稳定等等。 新冷媒：符合冷媒的基本要求，并且在某一方面有较突出的 表现，同时ODP,GWP尽量低。 常见的新冷媒：R134A,R407C,R417A,R410A
2、热泵： 利用逆卡诺循环中的放热过程的热机即为热泵。 “泵”是一种能提高位能的机械设备，比如水泵主要 是提高水位或增加水压。而“热泵”是一种能从自然 界的热源中获取低位热能，经过电力做功，输出可被 人们所用的高品位热的设备。 • 热源：是指我们从中抽取能源的环境，如空气，地下 井等。 • 热泵按结构、用途等可以有多种分类。如果按所取热 源方式，常见的可分为空气源、水源、地热等；按用 途分，可以分为采暖热泵、烘干热泵、热泵热水器。 空气源热泵热水器是热泵中一种常见应用方式。
L型蒸发器
U型蒸发器
4、蒸发器与冷凝器都是相对而言的。简单来说，不管形 式结构如何，我们习惯把常态工作过程中放热的称为冷凝 器，而吸热的则成为蒸发器。空气源热泵在化霜状态工作 时，蒸发器与冷凝器的作用是反过来的。
5、蒸发器（翅片式换热器）根据结构形式可分为：平板式， L型，C型，U型，V型。 6、蒸发器的清洗保养：由于蒸发器为翅片式结构，片间距 离也较小，加上容易产生冷凝水及风扇的吸力等因素，因 此蒸发器上很容易沾上灰尘杂质等，严重影响换热效果。 因此也必须定期对蒸发器进行清洗。 清洗蒸发器必须使用软性的或非尖锐性的工具配合蒸 发器专用清洗剂进行情形，否则容易损坏翅片或铜管
（五）四通阀
• 四通阀的作用主要是在主机需要除霜时变换系统内工质流 向，从而使制热时的冷凝器成为蒸发器，从热水中吸收热 量；而制热时的蒸发器则成为冷凝器，放热融霜。因此热 泵在除霜时不但不能加热，而且还使水箱内的热水温度降 低，双倍损失热量。一般因主机除霜而浪费的热量占到总 制热量的30%左右。这也是冬季空气源热泵能效比低下的 重要原因之一。 • 四通阀并非热泵热水器产品的必需部件，如采用其他除霜 方式则可取消四通阀。
电子膨胀阀
• 电子膨胀阀也是目前较普遍使用的一种节流装置。它的优 点有：1、流量调节不受冷凝压力变化的影响；2、对膨胀 阀前制冷剂液体过冷度的变化具有补偿作用；3、执行动 作快、准；4、有效地控制过热度，最大限度地发挥蒸发 器的能力； • 由于电子膨胀阀需要电控板程序控制，而目前这一领域的 技术尚未完全成熟 ，而且故障率相对比热力膨胀阀要高， 因此其广泛发展受一定制约。
2.
滚动转子式压缩机
滚动转子式压缩机的结构组成
1-气缸；2-偏心轴；3-滚动活塞； 4-排气阀；5-排气孔；6-滑片； 7-滑片弹簧；8-吸气孔
1、转子回转一周，完成一次压缩和 排气，同时完成下一次吸气； 2、吸气开始的时间和吸气孔的位置 有严格的对应关系，不随工况的改 变而变化。
能量损失： 汽缸漏气损失； 排气阀前后压损； 气体、汽缸壁换热损失； 汽缸余隙容积损失； 各部分机械摩擦损失； 各种电气损失。
（三）、蒸发器
1、蒸发器是制冷机的另一主要热交换设备。在蒸发器中， 制冷剂液体在较低温度下蒸发（沸腾）而转变为蒸气，利 用制冷剂的蒸发潜热，吸收被冷却介质的热量而使被冷却 介质的温度降低。所以，蒸发器是制冷系统中产生和输出 冷量的设备。 2、蒸发器按冷却介质的不同分为冷却液体（水、盐水等） 的蒸发器和冷却空气的蒸发器两种。冷却液体的蒸发器有 壳管卧式蒸发器、干式蒸发器和沉浸式蒸发器；冷却空气 的蒸发器有冷却排管和直接蒸发式空气冷却器两种。 3、在空气源热泵热水器中，使用的蒸发器主要是翅片式， 蒸发器使用的翅片形式：平片、波纹、百叶窗、桥片。按 此顺序相同条件下换热能力逐渐增强，但风阻也逐渐增大。 蒸发器内的铜管形式：光管，内螺纹管。目前基本所 有的翅片换热器内采用的铜管均为内螺管。
（七）风机：轴流风机
1、轴流风机：气流方向与风机轴向相同的风机。 2、轴流风机的特点： • 风量大，压力低 • 叶片数量一般为3至6片； • 先进的叶片形式可使风量增大、噪声降低； • 其噪声与叶片和导风轮间隙关系密切。
（八）、其它部件
压力开关
压力表
卸压阀、电磁阀、单向阀
（九）、电气部件
家用型空气源热泵系统结构示意图