空調器制冷基本原理及制冷系統(tǒng)匹配設計基礎知識

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一、制冷基本原理

　　定義

　　制冷的基本原理及基本方法

　　單級壓縮蒸氣制冷循環(huán)

　　1、定義

　　制冷：從低于環(huán)境的物體中吸取熱量，并將其轉移給環(huán)境介質的過程。

　　制冷機：完成制冷循環(huán)所必需的機器和設備的總稱。

　　制冷裝置：將制冷機同使用冷量的設施結合在一起的裝置。如冰箱，空調機等。

　　制冷劑：除半導體制冷以外，制冷機都是依靠內部循環(huán)流動的工作介質來實現(xiàn)制冷過程，完成這種功能的工作介質，稱為制冷劑，也稱制冷工質，俗稱雪種。

　　2、制冷的基本原理

　　由于熱量只能自動地從高溫物體傳給低溫物體，因此實現(xiàn)制冷必須包括消耗能量的補償過程。

　　制冷機的基本原理：利用某種工質的狀態(tài)變化，從較低溫度的熱源吸取一定的熱量Q0，通過一個消耗功W的補償過程，向較高溫度的熱源放出熱量Qk,。在這一過程中，由能量守恒得Qk=Q0+W。

　　3、制冷的基本方法

　　相變制冷：利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程或固體在低溫下的熔化或升華過程向被冷卻物體吸取熱量。普通空調器都是這種制冷方法。

　　氣體膨脹制冷：高壓氣體經(jīng)絕熱膨脹后可達到較低的溫度，令低壓氣體復熱即可制冷。

　　氣體渦流制冷：高壓氣體經(jīng)過渦流管膨脹后即可分離為熱、冷兩股氣流，利用冷氣流的復熱過程即可制冷。

　　熱電制冷：令直流電通過半導體熱電堆，即可在一端產(chǎn)生冷效應，在另一端產(chǎn)生熱效應。

　　4、單級壓縮蒸氣制冷循環(huán)

　　蒸氣壓縮式制冷機是目前應用最廣泛的一種制冷機，有單級、多級和復疊式之分。

　　單級壓縮蒸氣制冷機是指將制冷劑經(jīng)過一級壓縮從蒸發(fā)壓力壓縮到冷凝壓力的制冷機。單級制冷機一般可用來制取-40℃以上的低溫。

　　普通的空調器都是利用單級壓縮蒸氣制冷機的原理制造的。

　　單級壓縮蒸氣制冷機的由以下幾個基本組成部份：

　　壓縮機

　　冷凝器

　　節(jié)流機構（毛細管）

　　蒸發(fā)器

　　制冷劑

　　壓縮機：它的作用是將蒸發(fā)器中的低溫低壓制冷劑蒸氣吸入，并壓縮到高溫高壓的過熱蒸氣，然后排到冷凝器。

　　常用的壓縮機有活塞式、轉子式、渦旋式、螺桿式和離心式等等。

　　壓縮機有定速壓縮機和變頻壓縮機?，F(xiàn)在最新的有變容量的壓縮機，例如美的MDV用的谷輪“e-渦旋”壓縮機可以在10%-100%之間調節(jié)輸出量，運用“TS”技術可以使壓縮機的能力輸出實現(xiàn)級量調節(jié)，在控制方面比變頻壓縮機簡單、可靠，更接近空調器的實際負荷要求。

　　冷凝器：它的作用是將來自壓縮機的高溫高壓制冷劑蒸氣冷凝成過冷的液體，在冷凝過程中，制冷劑蒸氣放出熱量，故要用水或空氣來冷卻。

　　不同制冷劑有不同的冷凝壓力。普通家用空調器冷凝器里面的制冷劑（R22）壓力：標準制冷工況下一般在18—19bar左右，過負荷工況下一般在22—24bar左右。

　　節(jié)流機構：普通空調常用的是毛細管，高檔的空調器用電子膨脹閥。制冷劑經(jīng)過節(jié)流機構時，壓力由冷凝壓力降到蒸發(fā)壓力，一部份制冷劑會在節(jié)流的過程中閃發(fā)成為氣體。

　　節(jié)流過程中制冷劑的焓值不變。

　　普通的家用空調器節(jié)流結束時大約有20%的制冷劑會閃發(fā)成氣體。制冷劑沒有蒸發(fā)就閃發(fā)成氣體降低了空調器的性能。

　　蒸發(fā)器：它的作用是使經(jīng)節(jié)流機構后的制冷劑液體蒸發(fā)成蒸氣，以吸收被冷卻物體的熱量。蒸發(fā)器是對外輸出冷量的設備。

　　普通家用空調器蒸發(fā)器里的制冷劑（R22）的蒸發(fā)壓力在5.5-6.5bar左右。

　　系統(tǒng)匹配步驟：

　　選壓縮機

　　選冷凝器

　　選蒸發(fā)器

　　估算制冷劑充注量

　　匹配制冷系統(tǒng)

　　不合格項目的整改

　　二、系統(tǒng)匹配

　　一般來說，新匹配一臺空調器都有一個參考機型

　　新匹配機的性能指標對壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器的選擇有很大關系。

　　室外機、室內機的電機轉速-風量-噪音是首先要摸底搞清楚的。

　　1、選壓縮機

　　根據(jù)實際情況選擇壓縮機型式：活塞式、轉子式、渦旋式及其電源規(guī)格

　　一般來說，家用空調器中活塞式用得比較少，T3型空調器一般會選擇活塞式壓縮機。

　　目前3P以下的家用空調器大多數(shù)都是轉子式壓縮機。轉子壓縮機又分單轉子與雙轉子壓縮機。

　　3P以上的家用空調器一般會使用渦旋式壓縮機。

　　根據(jù)空調器的制冷量大小來選擇壓縮機的大小，一般來說按空調器的額定制冷量是壓縮機的單體能力的90%來選擇。

　　壓縮機每一個排量（1cc）的能力約為175W。

　　2、選冷凝器

　　長U管管徑，內螺紋管還是光管

　　在正常的范圍內，管徑越小，換熱系數(shù)越大，耐壓也越大，但流動阻力也越大。

　　內螺紋管比光管換熱系數(shù)高，不同形式的內螺紋管換熱系數(shù)也不一樣

　　小管徑冷凝器及新型的內螺紋管的研究是一個重要的方向。

　　選擇非親水鋁箔（普通鋁箔）還是親水鋁箔，選擇片型是平片、沖縫片還是波紋片，選擇片距

　　選擇其它型式的冷凝器

　　高效的冷凝器有全鋁冷凝器、全銅冷凝器等等

　　3、選蒸發(fā)器

　　長U管管徑，內螺紋管還是光管

　　一般來說蒸發(fā)器的長U管徑可以選擇小管徑的。

　　選擇親水鋁箔

　　一般選擇沖縫片，最小片距可達1.3mm。

　　4、估算制冷劑充注量

　　參考機型的制冷劑充注量

　　一臺空調正常狀態(tài)下約有60%的制冷劑會在室外側的冷凝器里，約40%的制冷劑在室內側的蒸發(fā)器里。

　　以參考機型為基礎，算出冷凝器和蒸發(fā)器內容積增大（或減少）的比例，估算出大概的制冷劑充注量。

　　比如說：參考機型充注量為1000g，內機不變，室外機冷凝器由單排變?yōu)?.5排：側估算充注量為：

　　1000*0.6*1.5+1000*0.4=1300(g)

　　一般來說，估算的充注量要比最后的要稍多。這個只能靠經(jīng)驗掌握。估算的只能提供一個大概。

　　5、匹配制冷系統(tǒng)

　　以下各點是對一般情況而言的，以下數(shù)據(jù)做一個參考。

　　*制冷工況匹配，以下對策中的“增加冷媒”僅作為最后的手段，此方法應該盡量避免。

　　在標準制冷工況下匹配的目標：

　　1）排氣溫度目標值：85-90℃

　　高于目標值，則應該減短毛細管，加大室外機風量或追加冷媒。

　　低于目標值，則加長毛細管，減少冷媒。

　　如果是特別匹配的高效制冷系統(tǒng)，排氣溫度較低，一般在70-80℃。

　　2）冷凝器中部溫度目標值：45-50℃左右，過冷度目標值在5-10℃左右

　　冷凝器出口最低在37-38℃，若過低則與環(huán)境35℃溫差太小，換熱量很少

　　冷凝器中部溫度高于目標值，則應該減短毛細管，加大室外機風量或加大冷凝器。

　　冷凝器中部溫度低于目標值，則應該加長毛細管，追加冷媒。

　　3）蒸發(fā)器中部溫度目標值：8-12℃左右，過熱度目標值在0-1℃左右

　　蒸發(fā)器中部溫度值高于目標值則加長毛細管。

　　蒸發(fā)器中部溫度值低于目標值則減短毛細管，加大室內機風量或加大蒸發(fā)器。

　　蒸發(fā)器過熱度值高于目標值則減短毛細管，增加冷媒。

　　蒸發(fā)器過熱度值低于目標值則加長毛細管，加大室內機風量，減少冷媒或加大蒸發(fā)器。

　　4）壓縮機回氣溫度比蒸發(fā)器出口溫度可高出1-2℃左右。

　　若回氣溫度高出出口溫度較大，比如出口為10℃，而壓縮機回氣有20℃，這個是壓縮機排氣溫度上升的原因，應該減短毛細管或增加冷媒。

　　若回氣溫度低于出口溫度很多，比如出口為10℃，而壓縮機回氣有5℃，這個是壓縮機排氣溫度下降的原因，這時候冷媒在蒸發(fā)器中不能充分蒸發(fā)而導致能力不足，應該加長毛細管或減少冷媒。

　　5）制冷過負荷工況下。

　　若OLP動作，則應該加大外側風量，冷媒增多壓縮機負荷加大，如果可能的話可減短毛細管，并減少冷媒，或加大冷凝器。

　　保證高壓側壓力不超過26.5bar，26.5bar對應冷凝器中部溫度65℃左右。

　　壓縮機排氣溫度一般要在115℃以下，不要超過125℃，壓縮機電機的線圈溫度比排氣溫度高10℃左右，溫度過高的話可能燒線圈。排氣溫度過高時可減短毛細管或加大冷凝器或增加冷媒（注意減短毛細管時可能會使標準工況下能力下降）

　　5）過載保護器OLP（OverLoadProtector）動作

　　過載保護器是由電流與溫度共同控制的。

　　OLP曲線圖有兩種表示型式。如下圖，分三個區(qū)域或兩個區(qū)域。

　　如圖所示的OLP曲線，當電流為I1時只要壓縮機溫度小于t1壓縮機的OLP是不會動作的?；蛘?，當壓縮機溫度是t1時，壓縮機的電流小于I1時，OLP不會動作。

　　5）最小制冷工況下。

　　蒸發(fā)器溫度不能低于0℃，到0℃以下時，蒸發(fā)器上附著的除濕水份會開始凍結，不能制冷，當冰成塊掉下來的時候會打壞風輪。

　　空調器的防凍結功能，當檢測到蒸發(fā)器的溫度T2連續(xù)一段時間低于某溫度值時，壓縮機停止工作，等到T2上升到某溫度時才開始工作。如美的分體機：T2連續(xù)5分鐘低于2℃則停壓縮機，內風機轉速不變，T2上升到8℃后再開壓縮機。

　　確保壓縮機殼體底部溫度高于冷凝器中部溫度5℃以上。若不能保證，壓縮機油會被冷媒稀釋，潤滑油會失去機能，這樣壓縮機滑動部分開始磨損，最終造成不能運轉。

　　6）匹配性能時

　　調節(jié)毛細管和冷媒量的組合，可得出對應的出風溫度

　　選擇出風溫度最低的毛細管和冷媒量的組合測試能力

　　針對測試結果作一些微調節(jié)，把空調各參數(shù)到匹配到一個最佳組合。

　　7）不合格項目微調與整改

　　能力不足：

　　壓縮機是否過小？

　　毛細管與冷媒量是否是最佳組合？

　　室內側與室外側風量是否合理？

　　兩器大小是否合理？

　　功率過高與最大制冷跳停：

　　外側風量是否合理？

　　冷凝器大小是否合理？冷凝器制作是否有問題（沒有脹緊、疊片、倒片、片距不對）

　　是否冷媒過多或者毛細管過長？

　　冷凝器流路設計不合理造成嚴重復熱，或流路半堵，降低冷凝器性能？

　　凝露工況不合格

　　低風風速是否定得過低？（風速過高會造成吹水）

　　室內機是否漏風？是否流路不均，嚴重偏流？

　　冷媒是否不足，造成缺液蒸發(fā)？

　　室外機有冷媒流動聲

　　毛細管組件用防振膠包住

　　在兩個管徑變化大的地方加過渡管

　　在過渡管處包防振膠

　　異聲或噪音超標

　　如果是風道的異聲，則要改變風輪轉速、安裝位置或換風輪

　　如果是制冷系統(tǒng)的異聲，則在固頻不合格處加配重塊或防振膠改變其固頻

　　在配管振動大的地方貼防振膠

　　在壓縮機排氣管上加消聲器

　　壓縮機包隔音棉

　　鈑金件上貼隔音棉

　　三、影響EER、COP的主要因素

　　逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　具有傳熱溫差的外部不可逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　循環(huán)效率（熱力完善度）

　　空調器的EER、COP影響主要因素

　　1、逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　逆向循環(huán)是一種消耗功的循環(huán)，所有的制冷機都是按逆向循環(huán)來工作的。

　　當高溫熱源與低溫熱源的溫度不變時，具有兩個可逆的等溫過程和兩個等熵過程的逆向循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)。

　　2、不可逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　如圖所示的不可逆卡諾循環(huán)T-s圖，制冷劑放熱時的溫度為Tk，高溫熱源的溫度為T2，制冷劑吸熱時的溫度為T0，低溫熱源的溫度為T1。則制冷系數(shù)為：EER1=T0/(Tk-T0)

　　任何一個不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)總是小于相同熱源溫度時的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　所有的實際的制冷循環(huán)都是不可逆循環(huán)。

　　3、循環(huán)效率（熱力完善度）

　　循環(huán)效率是表示實際循環(huán)的完善性接近可逆卡諾循環(huán)的程度，定義為：

　　η=EER1/EER0

　　在兩個熱源溫度不變的情況下，提高η或EER1的方法有：

　　降低Tk溫度

　　升高T0溫度

　　同時降低Tk溫度和升高T0溫度

　　4、如何提高空調器的EER

　　從制冷系統(tǒng)上說，降低冷凝溫度Tk和升高蒸發(fā)溫度T0都可以使EER上升

　　采用高效的壓縮機

　　適當加大冷凝器、加大室外機的風量，使Tk下降

　　適當加大蒸發(fā)器、加大室內機的風量，使T0上升

　　利用高效的換熱器，例如用內螺紋管代替光管、全鋁換熱器

　　從整機上說

　　采用高效的直流電機代替交流電機

　　采用直流變頻壓縮機代替普通定速壓縮機或交流變頻壓縮機

　　冷媒充注量盡量少

　　采用排量較大的變頻壓縮機代替排量較小的變頻壓縮機，以壓縮機的額定頻率來做制冷的主頻

　　加大內外機風量的同時要考慮風機功率的增加，從整機上說，不一定是風量越大EER越高

　　制冷系統(tǒng)要匹配到一個最佳狀態(tài)