空调系统.doc

空调系统过去的50年里，空调有了很快的发展，从开始的奢侈品到现在可用于大多数建筑的比较正规的系统。美国1970时，30%的住房都是全空气调节或者用房间来做制冷；到1977年，已经达到了77%，那年的第一次调查，美国的住房一半以上都装了空调（人口调查局，1999）。1998年，83%的新房子装了空调（人口调查局，1999）。空调在商业建筑中也有了好快的发展，1970至1995年，装了空调的商业大厦从54%升到了73%（捷克森和詹森，1978）。 一般是用机械设备或热交换器给建筑物中的空气进行调节，为了维持舒适要求建筑物中的空调必须既能冷却又能除湿，其他地方也有用空调系统的，例如汽车、卡车、飞机、船和工业机器，在这章中，只说明了在商业大厦和住房中的空调应用。商业建筑有很大很多层的办公大楼有街角的小商店，占地的面积和种类都大不一样，所以这些建筑中的设备类型比较多，对大型的建筑物，系统设计的一部分是空调设计。空气分配系统设计和冷却房设计等。一个有能力的工程师才能正确的设计出这些系统。住房被分成单独的家庭，或者共用公寓，这些建筑物里德空调一般是标准的组装，是空调厂设计和安装的。本章先简单的说了压缩制冷循环，然后介绍制冷剂以及选择，最后介绍冷水机器组。1.1 蒸汽压缩循环空调系统在建筑物中的应用有相对大的尺度以及多样性，大部分的系统使用蒸汽的压缩和循环来获得冷气量以及除湿，这个也用来制冷和冰冻食物和汽车的空调，在1834年，在伦敦一个叫帕金斯的人得到了机械制作冷气的系统的第一项专利权，1857年时，詹姆士和赛博做出第一个有活力的商业系统，除了冷气的压缩循环，在建筑中还有两种不常用的制冷方法：吸收式循环和蒸发式循环制冷，这些会在后面讲到。蒸汽压缩循环，有一种工作液体叫做制冷剂，它的冷凝和蒸发可以在工艺设备设计压力下进行。制冷压缩蒸汽系统有四大部件，蒸发器、节流装置、压缩和冷凝器。为了冷却冷凝器中的介质压缩机会升高制冷剂的压力从而让制冷剂达到饱和温度来完成，系统的设备决定的了压缩机的类型，离心式的压缩机来控制相对大些的冷却设备，漩涡压缩机或设备使用的往复应用于小的住宅中。冷凝器中的液体制冷剂离开之后，会在澎湃发中达到一个更低的压力。澎湃发是一个节流机器，好比一个活动的装置或毛细管还有短管有孔的，好比电子膨胀或热力膨胀阀，它的作用是将制冷剂风流方便它达到压缩物的口的时候，制冷剂是热的。在膨胀阀的出口处，制冷剂的温度比水和空气的还要低，接着它就会经过蒸发器和交换器，通过蒸发器的水和空气被它吸收，要是蒸发器在经过空气时流通，这就是直接膨胀的系统，要是水经过的时候它在流通，那么它就是冷却设备了，无论是什么情况，经蒸发器的口水和空气都不会直接和他接触的，制冷剂可以在蒸发器中冲一个低的品位的两相液体转变成为正常的工艺条件下的过热的蒸汽。足够的速度被压缩机排除的维持蒸发器中低压和保持循环的进行就可以产生蒸汽了。进过冷凝器可以将生产中的机械冷却的时候产生的热量给散发掉，通过很多的例子可以看出，在冷凝器里着个热量可以被间接地散发到一个冷却让中的水中或者被间接地散发在环境的空气中的。这些废热是可以向建筑物提供热量的，这是可以达到的。利用65度的废热可以减少建筑物采暖的钱。2.1 制冷剂的使用和选择到20世纪的80年代的中间时期，悬着制冷剂对于大部分的建筑物中的空调设备不成什么问题，因为对于制冷剂的使用并每一同意的标准，以前的时候，氟氯碳氰化物还有氟氯碳化物是最为常用的制冷剂，制冷剂通常是不可燃和无毒的。但是在近段时间里，据美国联邦的标准还有国际的协议对氟氯碳氰化物还有氟氯碳化物的使用以及制造进行了限制，现在它们任然会在一些场合使用，通过制对制冷剂的了解，可以帮助工程师或者建筑物的主人更容易的了解关于将要安装的设备的选择制冷剂，这里讲将和大家讨论下关于不同的制冷剂所决定的不同的制冷设备和标准。美国提供的暖气，制冷和空调工程师学会（ashrae）有标准的限制，用于分出制冷剂，大多数流行的氟氯碳化物，氟氯碳氰化物和负率碳化物的制冷剂是乙烷和甲烷的制冷剂系列中，由于卤素的存在碳化的卤化氢和碳化卤。azeotropes和zeotropes两种混合或更多的制冷剂，zeotropes的混合物可以改变饱和的温度使它可以再不变的压力下冷凝（或蒸发）。此现象被称作温度的转移，在大气压下，r-407 的沸腾（沸点）是-44（-47f）和一个冷凝点（露点）是-37（-35f），产生的7的温度移动（12f），azeotropic的混合物的性能可以单独的成分来进行制冷，它可以再不改变的压力下冷凝或蒸发它的饱和的温度不会有什么变化。r-410有微小的足够的温度滑动，可以认为已经接近了azeotropic混合的制冷剂。ashrae组的制冷剂，可以根据他们的易燃性和毒性划分。a1组是没有毒性和不燃烧的，而b3组的有毒和易燃，空气作为媒介的时候，它的安全限制是有毒性，在少于400%时的制冷剂是没有毒性的，它就是a级的制冷剂，反之则是有毒性的，这样的话这个物质被称为b级的制冷剂，这几个级别能够用来表示这制冷剂的易燃性的。表4.2.1的最后一栏都是些有毒性的和易燃的毒性的等级。因为他们是不燃烧的是无毒的。通常都会用a1组的制冷剂因为他们是理想的制冷剂能够基本满足舒适性空调的要求。在建筑空调方面通常都是用a1组的制冷剂，有r-12,r-22,r-134a，r123和r-11,r-410a。r134a和r-123,r-12在冷却设备和离心式中用得最普片的制冷剂，r-123,hcfc,都有高容积低压特性的，是最理想的用在离心式压缩机的制冷剂。在氟氯碳化物被禁止生产和使用之前，r-12和r-11已经是首选做为冷却设备的制冷剂，在现有的维护系统中，这是两种已经被限制的制冷剂，现在r-134a和r-123在新的冷却设备中都被广泛使用。虽然r-134a的效率比r-123要低但是安全级别却比较低，着就意味着r-134a废的毒性比r-123的要低，要是在一幢建筑物中使用r-123冷却设备，假如是用这些或者其他的易燃或有毒性的制冷剂的时候，标准15（ashrae.1992）提供安全预防的指导针。制冷剂22，属于hcfc，很多设备中都使用它。还是大多数的冷却设备和小型商业大厦和住房和螺旋式冷却的计重设备中的首选的制冷剂，在一个高压的条件下它可以运行，r-12和r-13中的任何一个都无法和它相比。hcfcs将会在2004年被受限制制造。r-22也将会在2010年不能再新的空调设备中使用。环保局还规定r-22在2020年之后也不能使用和生产。r-410a和r-407两种混合成hfcs，两者都能作为r-22的替代品，r-22将很快被|r-470c所替换，它在的蒸发和冷凝压力在空调设备中和r-22是很接近（表格4.2.3）.只是，拿r-407c来代替r-22这要设备的制造商商量之后才能进行，膨胀装置和润滑油是肯定要换的。在美国的1998年第一个使用r-410a的空调设备出现了，利用r-410a的空调系统运作使用中，压力比r-22大约高50%（表4.2.3）因此，r-22速冻制冷剂不能被r-410a代替。通过特定的膨胀阀热交器和压缩机就可以利用r-410a做制冷剂。在工业上氨被广泛的运用在冷却设备和安睡吸收式制冷中，它的份毒性等级为b且易燃，因此它不能再商业大厦中使用且被限制，假如冷却设备安置在建筑的外部是可以适当使用的，如果用氨做制冷剂有很多良好的品质，例如，它的导热率和比热都是比较高的，相比于普遍运用的卤化碳的蒸发焓，它还要高6到8倍，并且氨和卤化碳香柏它不仅拥有更高的热交换量且还可以应用于离心式压缩机和往复式压缩机。天然制冷剂的使用，好比碳化氢和二氧化碳在这冷系统和空调中的使用还处于研究的阶段，与hcfcs或hfcs相比二氧化碳能在更高的压力下工作和在超零界点的空填设备中工作。碳化氢的易燃性通常被人们认为是比较危险的，但在一些工业设备和传统的压缩机中都有使用，丙烷，r-290的工作压力和r-22很相近，并被推荐为r-22的代替品（kramer,1991）.在美国目前在商业系统中是没有利用可燃和二氧化碳作为制冷剂的建筑部门。3.1冷水机组 在美国的1995年，在4%的商业大厦中都是应用冷水机组的。并且，制冷机组一般都是在比较大的建筑中用的，在同一年里，多于28%的建筑地板空间都是用制冷机组冷却的，有五中型式的制冷机组在商业大厦中被普遍使用：吸收式、螺杆式、往复式、螺旋式和离心式。往复式、螺杆式、旋涡式和离心式都是利用蒸汽压缩循环制作冷冻水的。他们的主要区别在于他们是利用不同压缩机的种类的。吸收式的制冷剂可以在吸收循环中利用热能（典型的是来自燃料燃烧或蒸汽）并利用水-锂溴化物或氨-水制得冷冻水。3.2总的系统大约的制冷机弄用在多台制冷机系统中（tozzi和bitondo，1999）。在冰冻水的系统中每个蒸发器会通过建筑物的回水，在蒸发器里，会将回水冷却的一定的适合的温度（一般的为47）（3945f）。然后，通过各种设备冷冻水会传送到水-空气的换热器中，空气被加湿和冰冻水冷却。在此过程，冷水的温度会越来越高，接着它就会被传送会蒸发器中。冷水机组是制冷机组。每个机组中都会有谁通过冷凝器循环，在冷凝器里，水会会将来自高压制冷剂的热量。接着水泵会被打到冷却塔中，水会通过蒸发降低温度，这个将会在后一部分讲述，空冷系的冷凝器也可以。来自高压制冷剂的热量会被冷凝器应是制冷剂-空气热交换器所吸收。制冷量为3018000kw（85100tons）是制冷机组的名义，美国出售的大多数制冷机组都是用电的，冷冻水是可以通过蒸汽压缩制冷机而产生。设计中，这些系统中的压缩机有旋涡式、离心式、往复式、和螺杆式。有一些离心式制冷机是不用电的，而是用蒸汽和内燃机代替。根据应用场所来确定建筑中的制冷机组的类型。离心式制冷机组可以用于办公室或同时为多个建筑物服务。当制冷量的需求小于1000kw（280tons）时，使用螺杆式或往复式制冷机组比较好些，旋涡式和往复式一般用于小于100kw（30tons）的场所。3.3蒸汽压缩式制冷机制冷量范围的不同可以将四种启动蒸汽机的名义，以使用的压缩机类型来给制冷机组命名。各种系统的小制从最的种制冷旋涡式（30kw，8tons）缩机的效离心式（18000kw，5000tons）。使用制hcfcs（r22，r123）或hfcs（r134a）制冷剂。制冷率通常冷机最可用输入功（用kw表示）与制冷大压量的（用tons表示）的比表示的。1tons的制冷量值等于3.52kw或1200btuh。衡用这而往复式种方法效率量效率，其数值越小越好。离心式的效制冷率最高。是这四种类型的。最表中率得供满负效根据ashrae standard30（ashrae，1995）定在设备却稳中低塔所提状态荷下测时效是效率增率的，这些中不包括辅助能耗的，比如泵，些冷的风机设，这而备可以加机的0.060.31kw/ton 最大部分时候制冷机组都是在部分负荷下运行的。组才只有达到高热建筑负荷时候制冷机组的，制冷机会能共在制冷量额定运行附近。知道在部分负荷下运行的变化控制离心式制时怎么样的，这是很重要的。图4.2.3给、旋涡式、螺杆式、带叶片、复式的冷机组、压缩机频繁启动的出了制冷机组在满负荷时的百分比下效率增加的效率相应（用kw/ton表示）。在占满负荷较小的百分比运行时的，。相反地，带叶片控制的往复式制冷机的效率在负荷为额定负荷的离心式60以后是基本不变的,它的kw/ton百分数的值随减小而增加到荷时满负的两倍. 1998年，一个新的项目在空调制冷学会被提出，划归用来在负荷下部分制冷机组的情况运行。综合部分负荷值（iplv），iplv在数简单值上和图4.2.3相似分别。用50%，100%，75%，25%时的度量值效率负荷来这个的效率。在这些负荷下的为计算综合0.12，0.01，0.45， 0.42。iplv计算的公式为 iplv=1/（0.01/a+0.42/b+0.45/c+0.12/d） 其中a100%负荷时的效率 b75%负荷时的效率 c50%负荷时的效率 d25 %负荷时的效率大多数的iplv由的满负荷75，50% %时的决定效率的，根据要求，部分负的效率制荷时造商，值提供还会vipl。 以下对蒸汽使用在压缩式制冷机组制冷机压缩中的四种做简要的讲述。和螺杆式离心式压缩机应用主要在上。整体旋涡式和往复式机应用在式和压缩机热泵中空调。3.4往复式压缩机往复式压缩机是有排量的压缩机。在压缩活塞的进气冲程时，的气体被吸进气缸。一种在冲程时，使用确定气体被压缩直到排气阀打开。较高一定量在被压缩的同有数量等于的体积。在制冷机中使用的每个压缩机根据压缩机制冷能力不个气缸的。冷机组往复式压缩机的制冷剂往复式制冲程具有较和相对的压力。不同气体气缸使用在建筑上的目前小体积大多采用r22。现在高缩机所的压力比大约为9。变压力压缩机是可以具有固定容积可的机器往复式凝器。从图4.2.4所示的往复式最粗的（16个气缸）看出：制冷机内容积流量发生限制较小的变化，基本上压缩机的排气压力一条线会发生各种变化。结果在一些中的冷的运行情况循环制冷剂空调与所需周围环境有关。流量比如，在制冷时，通过冷却塔后，表示了会降低。当负荷降低时，左下角的会减少，这种负荷特性用实线冷凝压力，从右上角指向速压。 系统压力所需的流量必须和压缩机相匹配。在任何水平时往复式压缩机会让机器排气的压力达到压缩机额定的压力比。很多不一样的制冷能力的需求能通过卸载几个气缸来满足它的需求。这种卸载不仅可以用自动开启或阻止手动的排气阀和吸气阀门来实现。制冷能力还可以使用多速或变速电动机来操控。当压缩机的制冷能力控制好了，在其他负荷时也应考虑其他影响因素，例如（a）卸载装置运行时的噪声和压缩机震动的影响；（b）较好的回油用于较低的制冷流速；（c）膨胀装置正确的使用是在较低制冷能力时。很多往复式压缩机在正常运行的时候，油从压缩机被打到制冷系统中，油能回到压缩机曲轴箱必须由系统仔细设计，避免了对热交换器表面的污染，也方便了连续润滑。 轻载启动的一般是往复式压缩机，通常的转矩电动机也可以使用与启动。如果蒸汽机启动时是用于往复式，必须认真考虑压缩机需要的蒸汽机和转矩的匹配问题。3.5螺杆式压缩机螺杆式压缩机第一次被提出是在1958年，这种压缩机是有固定容积的。较小的离心式压缩机和其范围与部分往复式压缩机一致，也就是说它的制冷能力是可变的。在制冷机中使用的都有单螺杆和双螺杆这两种.螺旋式压缩机也有双螺杆制冷压缩机。它有两个螺杆，一个叫子阴转，用另一个叫阳转子。 通过高压的选装运动螺旋杆的提起来完成压缩，在机的转子的，一侧不打开坑时的时候就会多于一个渐低压减少，地直到移向排气口压缩制冷剂开始系统。旋转速度一旦达到预定的体积比压缩，排气口每分钟压缩被排到的侧气体。在3600rpm的下，螺杆式机有14000的形成排量（ashrae，1996）。 压缩过程是通过螺杆的旋转运动减少制冷剂的体积来完成的。在压缩机的低压一侧，当转子开始不啮合时，形成一个空间。低压气体进入转子间的这个空间。随着转子继续旋转，气体被逐渐地压缩直到移向排气口。在螺杆压缩子式中，容积用吸气口、来代气口压缩使用替在往空间复式压缩的阀门转子。它有一个内间排机体积比-间的排液前啮合体制冷的体积和排气口第一次打转-指在开始气压力和排气的之比螺杆式。内比容积压力与由力相匹剂被压缩定机上的开时比相联系的。最转子压缩机力能打开以达到在大于20：1的比下运行（ashrae，1996）。假如时间够的压配时特性而系统的口压，可高的效率的。压力当大部小于就会有害产排气压力时，失能生的，但这没对损量的内压缩机于或处。制冷量吸气制冷量靠旁的通管或延迟吸气口现。连的关闭来控制减少被压缩的制冷在一些的调变化机的提被接滑板阀门有各供体积制冷量是最普遍的。但是适用器阶梯式的行剂的种时的运制控制机在一些节来制造商的实器中也。各种形状的排气口中的，可变用来续内控容积比。可解决时水转子间宽大的间隙、冷却机器、排油润气压滑的缩和机需装口充一个油分当制冷量控制不会对力的行造成样上液体。在器的运杆式机油上在压缩离器，安制压缩冷剂中的油，这系统中的热交换不利的影响，而且能高回流到以分压机中。离心风机离心风机（由于看起来像仓鼠轮，别名鼠笼式风扇，）是移动空气或气体的的一种机械装置。在一个枢纽上，由一个风扇轮形成若干风扇叶片，或肋骨组合而成。如图1所示，穿过风扇住房的中心是驱动轴，从侧面的风扇方向盘九十度的位置是气体进入的地方，由于离心力加快了风扇叶片和出口风扇住房的气体流动。气流由于离心式风机产生的压力而上升。因此，它们对于工业加工和空气污染控制系统有很强的适应性。同时它们还常运用于中央供暖/冷却系统。 图11.风机组件风扇住房，风扇轮，驱动机制，进、出口闸是典型离心式风机主要的组成部分。 2驱动机制类型 风扇轮（叶轮）以及在何种程度上风扇驱动器决定的的速度可以多种多样。其中有三种基本类型的风机驱动器。2.1直接驱动 由一个马达直接连接的风扇轮。这说明，电机的转速即是风扇轮的转速。此类风机驱动机制，除非是可调的电机转速，否则风扇转速不能改变，。 2.1.1带传动图2 ：使用皮带驱动风扇的离心风机drivebelt安装在电机轴和风扇轮轴是多重皮带旋转的一套滑轮。图2画的正是此类型的驱动机制。电机风扇的机械能是靠皮带传递的。比例的直径，电机带轮的直径风扇轮，和该方程都可以决定风扇轮速： 1 其中： 范轮速，每分钟的革命rpmfan电机铭牌速度，每分钟的革命rpmmotor直径风扇轮轮dfan直径电机轮dmotor 除非带滑,不然皮带驱动风扇的范车轮速度是固定的，。若想降低风扇轮速几百革命每分钟（每分钟转速）可以使用带滑移的。 图22.2.变频驱动器 使控制风扇轮速独立的电机转速的是，磁性联轴器（范之间轮轴与电机轴）或可变液压驱动风扇。自动化系统经常采用该风扇转速控制，使风扇的理想转速得以维持。电机驱动风扇使用电子变速驱动器的速度控制可以替代的方法不同的风扇速度。降低机械联轴器速度比的同时，整体能源使用效率又得到的提升。2.3范减震器用来控制气体流量流出和流入的离心式风机叫范减震器。入口旁或出口一侧的风扇一般会有，也有可能进出口两处都安装。用于控制气流阻尼器会在出口方面实行流动阻力，。为了控制气体流量和改变气体进入风机轮的方向会在进口安装阻尼器。 因为范进闸是有能力影响气流模式的风扇，因此它们能够减少能源使用量。 3.向后弯曲叶片如图3（ b ） ，刀片是后向弯曲的，风扇轮的自转是由于使用该叶片的曲线方向。落后的曲率提供良好的运行效率和相对经济的施工技术是因为模仿的翼型截面。天然气流与低到中等颗粒负荷由此类型的风机轮毂中使用的风扇设计来处理的。抗磨损保护可以很容易地安装，某些刀片曲率的固体建设也相对简单些。 具备高速度向后弯曲的叶片也用于具体的高速应用中-高压力，用作介质流。比起径向叶片风扇向后弯曲的叶片更能源效率，所以，比起成本更低径向叶片风扇，对于大功率的应用也许它更加适合。 4.径向直叶片如图3 （ c ）项所示，扩大直接从枢纽的径向风扇叶片。由于径向叶片是最敏感的固体建立的叶片（径向叶片风扇车轮上经常使用的颗粒拉丹天然气流），但更大的噪声输出却是它的