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家用中央空调制冷系统匹配研究 摘要 目前我国家用中央空调普遍存在能耗大、初投资高、质量低和故障多等问题， 本文针对上述问题，结合家用中央空调设计的技术条件，进行了家用v r v 机组 制冷系统的匹配设计研究。 在设计中，本文对国内外家用中央空调的发展历史和现状进行了详细的调 研，参考了日本d a i k i n 工业株式会社的v r v 机组，并充分考虑到家用v r v 机组 的制冷剂充灌量、制冷剂管道联结、制造工艺和控制等因素，对5 h p 家用v r v 制冷系统进行了设计和选配。 以制冷运行为例，分析了家用v r v 机组所用制冷压缩机的变频运行性能和匹 配特性，综合运用窄点设计技术和最优化理论，实现了家用v r v 制冷系统最佳 匹配设计，给出了其匹配设计的一种思路和方法。此外，本文将灰色系统理论 运用于家用v r v 机组试验数据的处理和性能预测。 本匹配设计的结果经试验表明是可行的，对实际生产和推广应用有一定的指 导意义。 关键词：家用中央空调匹配设计逆变器优化窄点灰色系统理论 m a t c h i n g r e s e a r c ho nr e f r i g e r a “n gs y s t e mo f d o m e s t i cc e n t r a la i rc o n d i t i o n e r a b s t r a c t t h e r ca r em a n yp r o b l e m smo u rc o u n t r ya b o u td o m e s t i cc e n n a la l rc o n d l t l o n e r ( d c a c ) ，s u c ha s h i 曲e n e 唱yc o s t ，h i 曲f i r s ti n v e s t m e n t ，b a dq u a l i 劬p l e n t i 如1f h l t ， e t c i no r d e rt os 0 1 v et h e s ep r o b l e m s ，c o m b i n i n gw i t ht h ed e s i g nc o n d i t i o no f d c a c ， t i i st h e s i si n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fd o m e s t i cv r va i rc o n d i t i o n e r ( d v r v a c ) r e 衔g e m t i o ns y s t e mm a t c h i n g w ei r e s t i g a t e 血e d e v e l o p m e n th i s t o r y a n ds t a t u sd c a ca n d d e s i g n a5 h p d v r v a c r e m g e r a t i o ns y s t e m ，i ti so n t 1 1 eb a s i so f c o n s u l t i n gv r v u n i to fd a i k 工n o f j a p a l l e s e i nt h ed e s i g n ，w et a k ei n t oa c c o u l l to fm a n yf a c t o r si nt h ed e s i g n ，s u c h a st h e r e 髓g e r a n tc h a 昭e ，t h ec o r u l e c t i n gr e m g c r a n tp i p e s ，t h e m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ，血ec o n t r o l ，e t c b a s e do nt h ep e r f o r n l a 工1 c ea n dm a t c h i n gc h a r a c t c “s t j c so ft h ei n v e f t r e f r i g e r a n t c o m p r e s s o ri nc o o l i n gm o d e ，s y n t h e t i cu t i l i z i n gp i n c ht e c h n o l o g ya 1 1 do p t i m i z a t i o n t k o 睇、代d e s i g na n dm a k h ar e 掰g c f a t i o ns y s t e mo fd v r v a c ，b r i n gf o r w a r da w a y sa n dm e a n so fm a t c m n gr e s e a r c h i na d d i t i o n ，i ti sw o r k c do u tt h a ta p p l yt h e g r e ys y s t e mt h e o r yi np r o c e s s i n gt h ed a t ao fad v r v a c e x p e r i m e n ta 1 1 df o r e c a s t i n g t h ep e r f o m l a n c eo fu n i t f i n a i i y ，t e s t sv a i i d a t et h ef e a s i b i i i t yo ft h ed e s i g n ，i tw i i ld og o o dt ot h em a n u f 如t u r e o f t 1 ed v r v a c ，a n dt h ee x t e l l s i v ea p p i i c a t i o n k e yw o r d s ：d o m e s t i cc e n t r a la i rc o n d i t i o n e r ( d c a c ) m a t c h i n gd e s i g n i n v e n e r o p t i m i z i n g p i n c ht h e o r e ys y s t e m 血e o r y 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 导师： 掀歹节抛咿希肛翊名二 石船纵裳倒缝 缀竣 仑剐姒磐锨 7 乙 漶 口1j 氟勃铲昆 主 委 吁彩 广昔勿 “吲髟 搦 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导一r 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得金咄工业太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者擗夕嬲兹签字跚勿孵f 月伽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权j 生 肥丁业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乡彩饼导师签名： 签字日期：却钟年，f 月，妒日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：厶徊吕唧rj 营 通讯地址：房p 吕口蟓望，；叫弓锸 蒯 。年年“玛 幸b c o t ) 电话：2 9 。7 r 邮编：乡。一卵 致谢 本论文是在导师左承基教授和责任导师王铁军副教授的悉心指导下完成的。 恩师具有高深的学术造诣、高度的责任心和尽职敬业精神，在三年的硕士研究 生学习生涯中，对学生严格要求、认真指导，在学习和生活上给予无微不至的 关怀和帮助。 衷心感谢导师左承基教授，左老师自己虽然有很繁重的科研任务，但仍抽出 时间通过各种方式对作者进行详细指导，督促课题的进展。 衷心感谢导师王铁军副教授，王老师像兄长般关心作者，在学术上指点帮助 作者，提供专业方面最新发展的资料，联系调研和实验的诸项事宣。 衷心感谢老师吴宝志教授，正是吴老师的谆谆教诲和高尚师德使学生在求学 的途中不敢有丝毫的懈怠。 作者在研究生就读期间得到了刘向农老师的全力支持；在实验期间，倪宜华 老师以丰富的实践知识热情地帮助作者；制冷教研室各位老师们对作者给予了 大力支持与帮助。作者在此并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持我的老师、同学、朋友和亲人! 作者：唐景春 2 0 0 4 年9 月 1 1 前言 第一章绪论 1 9 0 2 年w i l l i sh a v i l a n dc a r r i e r 发明了一台湿度控制器从而开创了现代 空调的先河，我国第一台窗式空调器于1 9 6 5 年诞生在上海。我国空调器行业在 1 9 7 8 1 9 9 3 年进入起步阶段，1 9 9 4 2 0 0 1 年迎来投资高峰，进入了高速发展阶 段。由于空调器产业相对较高的利润和较低的进入壁垒，引致大量企业和外资 进入，截止到2 0 0 3 年底，具有家用空调器认证资格的企业有2 0 0 余家，以格力、 海尔、美的、科龙等为代表的空调器主导品牌的产量超过全国生产总量的5 0 。 日、美、韩在我国建立了近3 0 家空调器企业，产量约为总量的1 8 。海信、奥 克斯、澳柯玛、志高、长虹、新科、t c l 、格兰士等后期介入空调器生产的企业 成长迅速。从2 0 世纪9 0 年代初到现在，我国空调器的产量以年均4 0 的增长率 高速增长，据行业协会统计，2 0 0 3 年我国空调业完成工业产值2 0 0 0 亿元人民币 ( 日本1 6 2 8 、美国8 7 0 亿元) ，总产量接近4 0 0 0 万台，出口约1 0 0 0 1 2 0 0 万台， 中国空调行业创造了辉煌的发展业绩。国际空调行业出现的新技术、新潮流均 能及时在我国得到反映【2 l 。 家用空调行业的发展主要取决于一个国家的国民经济实力，而且直接与建 筑业的发展息息相关。近年来我国城镇楼宇建造速度惊人，大面积多居室的单 元房、复式住宅、别墅群、高档商住楼的大量建造，人们对空调的舒适性及空 气品质的要求越来越高，促使介于中央空调和房间空调器两领域之间的家用中 央空调应运而生，逐步形成了当前空调发展的一个重要分支。 家用中央空调又可称为户式中央空调，它的制冷量范围大致在7 8 0 k w ， 可供单元住房面积8 0 6 0 0m 2 或更大面积的别墅公寓、复式公寓、小型办公楼 等使用。多个家用中央空调系统的组合可供更大空调面积使用。家用中央空调 兼具中央空调和房间空调器两者的优点：室内机的形式多种多样；可任意 开停，实现智能化控制，控制精度高，使用方便；节能，运行成本低；可 设置新风系统，有效改进室内空气品质；噪声低，使用寿命长。家用中央空 调主要可分为三种形式：风管系统。冷热水机组，v r v 系统。 v r v 系统，即制冷剂容量可调( a b l er e m g e r a n tv o l u m e ) 的直接蒸发式 空调系统，2 0 世纪8 0 年代中期由日本大金( d a i k i n ) 工业株式会社研制推出， 2 0 世纪9 0 年代初引入我国，成为目前国内空调市场上一个重要的空调系统形 式。 家用v r v 机组由一台室外机和数台室内机组成，每一台室内机都具备根据 房间的要求进行独立的制冷或制热的运转能力，室外机由空气冷却，压缩机配 备变频控制器，可根据制冷或制热的负荷状况改变运转速度。与普通单元空调 器相比，v r v 系统大大延长了配管长度及高度，扩大了使用范围，具有以下特 点： l 、安装简单，不需集中机房。 2 、布置灵活。 3 、运转节能。 针对空调房间大部分时间处于部分负荷状态，家用v r v 系统采用变频微 电脑控制，实现节能运行，因此陔系统具有在部分负荷下运行效率高、平稳、 噪声低等优点。而且各房间独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的要求。 表1 1 是美国a 刚5 5 0 标准统计的空调建筑的负荷率。 表卜1 空调负荷率 l 负荷率 1 0 0 7 5 7 5 5 0 5 0 2 5 值是否和室温设定 ， 一 值接近? 图2 2 停止一个房间 艚黧? 择器? _ 回转式按其结构特点分为滚动转子式、滑片转子式、螺杆式、涡旋式等。 回转式由于运动件少、能效比高、体积小、重量轻，在小型空调机组中逐步取 代活塞压缩机，成为主流产品。回转式广泛在远东( 尤其是日本) 使用，装备 在变转速制冷系统上，如变频空调器。这是由于回转机的压比低，又比往复机 更适合于变速( 因无吸气阀) ，在变频空调器上可以在l 0 ：1 转速变化范围运行 0 ( 频率从l o 1 5 h z 到1 0 0 1 5 0 h z ) 。单缸滚动转子式压缩机存在很大的扭矩脉 动，低转速时会对电动机产生一种齿槽效应，为此许多公司采用两个气缸转子 以克服这种效应。另一种解决方法，则是逐步用涡旋式压缩机取代单缸滚动转 子式压缩机，因为它具有更好的变转速特性。滚动转子式压缩机当前研究与开 发的重点是降低振动与噪声，改善油处理和减小摩擦。 涡旋式压缩机是原理上十分先进的新型压缩机，复杂的型线和极高的精度 要求使得制造上比其它型式压缩机困难得多。涡旋机在技术上的特长在于：没 有气阀，可靠性大大提高；轴的扭矩更均匀，运转平稳；压力脉动小；振动和 噪声低。在给定吸气条件下，涡旋机的容积效率几乎与压力比无关，故不存在 余隙容积的影响，也就是说，真正做到了进入吸气腔的制冷剂压缩后几乎全部 由排气口排出，除非由于微小泄漏引起少量损失。这种相对于压比几乎恒定的 容积效率之优点，使涡旋机比之于往复机有以下三个主要长处：在制冷装置中， 能够用小排量压缩机提供很低蒸发温度( 或很高压力比) 时需要的制冷能力， 这使得压缩机能够用同一个电动机在很宽的工作范围内高效运转。在热泵装置 中，能够在低环境温度和高压比条件下，提供较大的加热能力，因而使热泵的 季节供热系数h s p f 提高。在空调装置中，通常设计上要求保证在相当高的环 境温度下提供足够的制冷量。当处于正常和低温度环境时，涡旋压缩机的制冷 能力曲线上升较为平缓，使超出能力减少。因而，减轻了热交换器的负荷，使 得整个系统的效率提高，郎季节能效比s e e r 提高。由于具有完备的力学性质， 使之易于容许吸气中含液体或污物丽不会损坏或造成明显的性能下降。轴承和 其它部件的磨损对压缩机的性能也几乎没有影响。当前对涡旋机的研究开发工 作集中在提高效率、改善油处理、扩展容量范围和容量变速方面的应用。以美 国谷轮公司为代表的全封闭式涡旋制冷压缩机，在输气量的调节方面采用了多 项专利的新技术，有效的解决了压缩机的可靠性、变工况的适应性及不同容量 的调节l 。例如：“柔性”涡旋压缩机；数码涡旋压缩机；两极容量可 调的压缩机；喷气增焓技术在涡旋压缩机的应用；变转速容量调节；双 涡旋制冷压缩机。 容积型制冷压缩机的理论容积输气量应为气缸工作容积与转速的乘积，即： g 。= 6 0 圪( 2 1 ) 式中 g 。一理论容积输气量，单位为m 3 ， ； h 一转速，单位为，m i n 。 容积型制冷压缩机的实际容积输气量为： g 。= 仉g 。( 2 2 ) 式中 g 。一实际容积输气量，单位为m 3 力： 玎，一容积效率。 对于全封闭压缩机，由于轴功率难以测量，只好测试电动机输入功率，而 把电动机损失作为常数处理。全封闭制冷压缩机的能效比或c o p 值计算中，用 到的就是电动机输入功率，并把它作为考查压缩机性能优劣的重要指标。总的 来说，压缩机的功率组成为： 电动机输入功率 轴功率 电动机损失功率 摩擦功率f 蒙豸霪蓁嚣茎 指示功率 绝热压缩理论功率 指示功率损失 泄漏损失 加热功率 吸排气压力损失 其它 而电动机输入功率为： = 如9 5 5 0 = 1 0 4 7 1 0 1 m h ：k w( 2 3 ) 式中：m 一压缩机轴的切向力扭矩，； 根据( 2 一1 ) 、( 2 3 ) 可知压缩机的制冷量与耗功均与其转速有关，为使 制冷压缩机在空调工况下运行时具有较高的c o p ，确定变频制冷压缩机的最佳转 速( 电机的最佳输入频率) 对家用中央空调制冷系统的匹配尤为重要，本文将 在后面章节对此进行详细分析。 2 3 家用中央空调冷凝器与蒸发器 冷凝器与蒸发器是家用中央空调制冷系统的主要换热设备，其运行特性直 接影响到装置的热力性能及经济性。正确设计或选用换热器是系统获得高效、 经济的重要因素。 按照工作原理分类，家用中央空调所用冷凝器与蒸发器应属间壁式，又称 表面式，在此类换热器中，热、冷介质在各自的流道中连续流动完成热量传递 的任务，彼此不接触、不渗混，而流体的黏性、热传导性和质量扩散性通称为 流体的分子传递性质“。因为从微观上来考察，这些性质分别是非均匀流场中 分子不规则运动时同一个过程所引起的动量、热量和质量传递的结果。摩擦力“ 的大小可由流体力学中的牛顿公式( 2 4 ) 表述；单位面积和单位时间的传热 量g 根据传热学中的傅立叶导热公式( 2 5 ) 求出；扩散速率可由斐克定律 ( 2 6 ) 表述。 ：一卢竽：一v 掣( 2 叫) 掣砂 式中：d 一速度： 一动力粘性系数3 v 一运动粘性系数； p 一流体密度； 。：一2 塑：竺丝：一a 皇型 ( 2 5 ) g 一五万一面一a 百 “ 曲c 。p 毋 c y 式中：7 1 一温度； 旯一导热系数： c 一一定压比热； 口一导温系数。 ：一d 箜 ( 2 6 ) 砂 式中：c 一浓度o d 一扩散系数。 2 3 1 冷凝器 冷凝器是将制冷系统中蒸发器的制冷量连同压缩机的压缩指示功一起传给 环境介质的换热设备。经压缩机排出的高压制冷剂蒸气在冷凝器中一般经历三 种放热过程：过热蒸气冷却成千蒸气；干蒸气冷凝成饱和液体；饱和液体进一 步冷却成过冷液体。这三个过程的共同点是冷凝压力保持不变，在第二阶段的 相变冷凝过程释放出大量的冷凝潜热，这一过程约占整个冷凝面积的9 0 。按冷 却方式分，冷凝器可分为风冷式、水冷式及蒸发冷却式。考虑到家用中央空调 仍属于中小型制冷设备，冷凝负荷不太大，由于风冷式冷凝器安装使用方便的 特点，使其在家用中央空调系统广泛的应用，更是热泵机组理想的室外侧换热 器。 结合本文所研究的对象，下面主要介绍翅片管式风冷冷凝器。 为了进一步提高传热效果，人们在片型上不断革新，在平片的基础上，先 后开发出波纹片、百叶窗形片、条逢形( 单面开逢和双面开逢) 片和球窝片等。 对几种肋片的传热数及风阻进行性能比较，在最窄截面风速为1 8 m s ( v 。， ( 5 5 m s 的范围内，双面条逢形片的平均表面放热系数比平片高1 1 5 9 5 ， 比波纹片高8 0 7 0 ，比单面条逢片高4 5 3 0 。而风阻比平片高7 0 b 5 ， 比波纹片高3 0 4 5 ，比单面条逢片高1 5 3 5 。从原理上看，换热系数的提 高由于破坏了肋片上边界层的增长和加强了气流的扰动所致。值得注意的是， 由于管壁厚度与肋片厚度相差许多，所以在换热器工作过程中受到热胀冷缩的 影响，管子和肋片的线膨胀率不尽相同，经过一段时间的工作之后，管与片之 间由胀管所造成的塑性变形内应力会随之下降，接触应力相应减少，从而引起 换热效率降低。风冷冷凝器的常用传热管、翅片规格尺寸见表2 1 。 翅片管式风冷冷凝器传热管中心距通常是传热管外径的2 5 倍，这样冷凝 器肋化系数b 一2 0 左右。为了进一步提高冷凝换热效果，常采用管内制成细微 螺纹的纯铜管。 表2 1 翅片管结构参数 纯铜内螺纹管规格翅片厚度 翅”节距 西7 0 4 2 o1 5 o2l8 22 西9 5 2 o 5 0 o 。1 5 o 21 8 2 2 扰2 7 o 8 00 2 0 32 2 3 西1 5 8 x 1 o 02 0 322 3 5 从制冷机组运行经济性等方面考虑，采用风冷冷凝器时，冷凝温度t 。与空 气进口温度t ：，之差约为1 5 左右，空气进出冷凝器温差约为8 l o 。在此条 件下，由于空气的比定压热容较小，在冷凝器中温升较大。为使空气在出口处 仍具有一定的传热温差，应使沿气流方向管排数不宜多，通常2 6 排，排数越 少，传热效果越好，这样对于冷凝负荷较大的风冷式冷凝器，其外形常布置成 图2 3 所示的v 、u 或口形，空气从四周进入冷凝器，然后由引风机向上排出。 2 3 2 蒸发器 圈2 3 风冷式冷凝器 经节流后的低温低压的制冷剂液体在蒸发器中沸腾蒸发，吸收被冷却介质 的热量，进而自身成为低压饱和( 通常有些过热) 蒸气，不断地被压缩机吸走。 蒸发器中制冷的工作过程可分为两个阶段：第一阶段是制冷剂液体吸热并逐步 气化，最后达到饱和蒸气状态；第二阶段是饱和状态的制冷剂蒸气继续吸热， 变成过热蒸气状态。蒸发器的负荷( 换热量) 是由空调负荷计算和制冷系统设 计给出的，按照被冷却介质的状态有液体和气体，家用中央空调中冷热水机组 系统是冷却载冷剂水的蒸发器，而风管式系统和v r v 系统则是直接冷却空气的 蒸发器。 套管式、干式与板式蒸发器 尽管满液式有较高的传热系数，但润滑油与卤代烃制冷剂互溶而使不易回 到压缩机，家用中央空调冷热水系统不使用满液式，而只用套管式、干式和板 式蒸发器。 套管式蒸发器的制冷剂在内管沸腾吸热，由液体变成气体的高速气流，足 以将混于其中的润滑油带回压缩机。冷水在套管间流动被冷却。 干式蒸发器与满液式蒸发器明显不同的是制冷剂在管内沸腾吸热，而载冷 剂在管外流动，制冷剂液体由端盖的下部进入，在管内走过偶数个流程，逐步 吸热气化后，呈饱和或过热蒸气从同端盖的上部排出。在整个吸热气化过程中， 制冷剂蒸气逐步增多，体积迅速增大，故后一流程的管数总比前一流程多，以 满足蒸气比体积逐步增大的需要，使流动阻力不致增加的太大。对于管外载冷 剂水，为了提高其流速，增强该侧表面传热系数而加装了许多块折流板，折流 扳的块数以使流体横向流过管簇时的流速在o 5 1 5 m s 为宜，且驳奇数，使 载冷剂水的进出口管道在壳体的同一侧。 近年来从国外引进的钎焊板式换热器，使其乘压和防渗漏能力大为提高， 它的高效紧凑，己在制冷空调行业具有良好的应用前景。冷热流体在流道内逆 流式换热态势，而板片表面制成的点支撑形、波纹形、人字形等各种形状，有 利于破坏流体的层流边界层，在低流速下产生众多旋涡，形成旺盛紊流，强化 了传热。在相同的换热负荷情况下，板式换热器的体积仅为壳管式的l 3 l 6 ， 重量只有壳管式的l 2 l 5 ，所需的制冷剂充注量约为l 7 。阿法拉伐公司推 荐的板式换热器传热系数为2 1 0 0 3 0 0 0 w ( m 2 k ) 。 a ) 成品外形b ) 传热板片组合情况c ) 板片型式 卜进出口接管2 一前外单板3 一传热板片4 一后外罩板 i 一点支撑形一水平平直波纹形【i i 一人字形 图2 4 板式换热器结构及板片型式 空气冷却器 空气冷却器的主体结构包括管内外介质、传热管及翅片，中小型空调装置 中蒸发器的翅片管结构参数见表4 2 。 表2 2 中小型空调装置中蒸发器的翅片管结构参数 管于翅 项目外径壁厚管距排列材片厚 节距排数n 材料 d 。m m 6 h s “方式 牡 6 7 j ，m m 单】l 式空调 7 1 6o3 i等边或0 l 0 1 3 纯铜2 0 3 8等腰的铝o 3 0 3 5l 6 房间空涌 1 005三角形0 2 00 j 湿空气流过翅片管式蒸发器时，空气中水蒸气的扩散方向与空气的热量传 递方向一致，空气与翅片管表面的对流换热是增强的。因此与空冷式冷凝相比 较，尽管r 2 2 在管内的冷凝或沸腾表面传热系数相当，但空气冷却器的传热系 数比空冷式冷凝器高，在迎面风速2 3 m s 时，k 值可达4 0 5 0 w ( i i l 2 k ) 。为进 一步强化传热，可对铝翅片表面作亲水处理，对管内表面作细微内肋处理。 2 4 节流元件与辅助设备 2 4 1 节流元件 家用中央空调的制冷系统中常用的几种节流元件有：毛细管、热力膨胀阀 和电子膨胀阀。毛细管虽然结构简单，但由于其具有对制冷剂流量的调节能力 较差、对制冷剂的充注量非常敏感、易阻塞和降温速度较慢等缺点，已很难适 应家用中央空调的发展。 热力膨胀阀根据蒸发器出口制冷剂气体的过热度，自动调节进入蒸发器的 制冷剂流量。其主要优点是可以根据空调制冷量的变化，自动调节制冷剂流量 的大小，使蒸发器出口带有3 8 的过热度，因此被压缩机吸入的气体不会带 液，同时蒸发器也充分利用传热面积。热力膨胀阀分为内、外平衡两种型式， 外平衡式克服了内平衡式不适用于管子阻力较大的蒸发器的缺点。热力膨胀阀 的不足之处是：信号反馈有较大滞后、控制精度低、调节范围有限。 电子膨胀阀是新一代的制冷节流装置，它适用于变频一拖多的家用中央空 调，具有其它膨胀阀无法比拟的优点。电子膨胀阀的流量控制范围大、动作迅 速、调节精细、动作稳定，可以使制冷剂往、返两个方向流动等。变频空调可 以根据设在膨胀阀进口、压缩机吸气管等处的温度传感器收集的信息来控制阀 门的开启程度，随时改变制冷剂的流量，主动配合变频压缩机能力的变化( 含 频率的变化) ，使变频压缩机始终有最佳的能效比，其优异性能可以得到充分的 发挥。电子膨胀阀由检测、控制、执行三部分构成，按驱动方式分，有电磁式 和电动式两类，目前使用最多的是四相步进电机驱动的电动式电子膨胀阀。市 场上销售的电子膨胀阀主要有同本鹭工d k v 型和美国艾柯的e x 2 型。 2 4 2 辅助设备 为了保证制冷剂的正常循环流动，制冷系统内必须保持清洁、干燥，因为 杂质容易阻塞节流元件、损坏润滑油道和机体：而制冷剂中含有过多的水分， 会使制冷系统产生冰堵，且水分与卤代烃产生反应生成腐蚀机体的盐酸，所以 制冷系统设置干燥过滤器是非常必要的。e k e k p 系列干燥过滤器的外壳为无缝 钢管，管内按一定比例放置分子筛和活性氧化铝，分别用于除水和除酸。干燥 过滤器通常安装在节流元件之前。 制冷系统运行过程中，由于工况的变化或对制冷量进行调整时，系统中的 制冷剂循环量将发生变化，通过设置储液器，可以利用储液器的储液能力，平 衡和稳定系统内的制冷剂循环量，使制冷装置处于正常运行状态。储液器般 设置在冷凝器与节流元件之间，安装位置应该低于冷凝器。 电磁换向阀又称电磁四通换向阀，通过其电磁线圈通电后，改变制冷工质 的流向，使家用中央空调机组实现制冷工况与热泵工况的相互转换。 2 5 制冷剂与润滑油 2 5 1 制冷剂 蒸气压缩式制冷系统中循环流动的工作介质叫制冷剂，它在系统的各个部 件间循环流动以实现能量的转换和传递。制冷剂的选用除应考虑其热力性能外， 还应根据环保要求，符合国际制冷剂替代总的框架和我国替代的国家方案，对 于出口产品还应符合使用国的规定。我国目前用于中小型空调领域的制冷剂主 要是r 2 2 和r 1 3 4 a ，由于我国空调生产的实际和我国r 2 2 的禁用期为2 0 4 0 年， 我国还没有r 2 2 替代的时间表，但有些欧洲国家在新制造的空调设备中已丌始 停用r 2 2 1 _ 1 1 l i ：i ! 。 r 2 2 替代物主要是以r 4 0 7 c 、r 4 1 0 a 为代表的h f c 制冷剂和以r 2 9 0 为代表的 天然制冷剂，目前倾向使用前者。采用r 4 0 7 c 替代r 2 2 技术难度较小，压缩机、 换热器和制冷配件容易购置或制造，对现有的生产线改动较小，惟一的主要变 动是用聚合酯类油代替r 2 2 用的矿物油，缺点是r 4 0 7 c 的非共沸性( 滑移温度 7 2 ) 和能效比稍低，现有生产公司主要是d up o n t ，a 1 i e d s i g n a l ，e 1 f a t o c h e m 和i c 。r 4 1 0 a 的优点是具有优良的传热性能和较高的临界压力( 4 9 2 5 k p a ，比r 2 2 高5 0 ，而r 4 0 7 c 为4 5 9 7 k p a ) ，可使空调小型化，节约材料成本和制造费用。 但正是r 4 l o a 的临界压力较高，导致开发技术难度较大。 许多公司担心采用混合工质会带来维修、保养中的麻烦，因为很难保证泄 漏和几经补充后系统中工质的成分能维持住。如在多蒸发器的机组中，当有一 个蒸发器不工作时，分馏现象严重，这些都是现在以及今后几十年的重要工作。 2 5 2 润滑油 制冷系统中使用的润滑油又称冷冻机油。润滑油润滑压缩机的运动部件， 起到减少摩擦磨损、冷却、密封、清洁、缓振等作用。其物理化学方面的重要 指标有黏度、与制冷剂的互溶性、流动点、絮状凝固点、水的溶解性、空气的 溶解性、挥发性、发泡性、摩擦面的油膜形成能力、热稳定性、化学稳定性、 混合物与添加剂的影响等。g b t 1 6 6 3 0 一1 9 9 6 规定了润滑油的主要质量指标，其 中黏度与凝固点是润滑油的两个重要指标。 c f c 、h c f c 、h c 类制冷剂大多选用矿物油，h f c 类制冷剂大多选用合成油， 如醇类润滑油( p a g ) 和酯类( p o e ) 。r 2 2 使用的矿物油与p a g 、p o e 的吸水性相 差很大。在温度为2 0 、相对湿度为5 5 3 时，三者的饱和吸水量分别为 0 0 4 9 几、i o 2 0 9 儿、2 3 9 几，由此可见矿物油在此方面的优越性。 制冷系统中润滑油的充灌量非常重要，过多会降低换热器的传热效果，减 少系统中制冷剂的循环量，致使制冷量下降；过少情况更严重，压缩机会由于 得不到良好的润滑而过热，使用寿命降低，甚至会烧毁其内置电机。充油量 y ( m l ) 和系统制冷剂量x ( g ) 的关系为： ，= ( 6 5 + o 0 5 x ) o 8 9 ( 2 7 ) 第三章家用中央空调制冷系统设计 本章以家用v r v 系列( 变频一拖多的方式) 为研究对象，它的额定制冷量 为1 4 5 k w ( 1 0 0 的容量负荷) ，可连接的室内机总容量为7 5 1 8 ，9 k w 。系统采 用的是2 2 0 v 、3 。a 的单相电源和直流变频技术，压缩机的电机功率为3 3 0 0 w ，制 冷剂型号为r 2 2 ，冷冻机油为s u n i s 04 g s d i ，室外机尺寸( 长【i m 宽哪高 m m ) 为8 8 0 x 3 2 0 1 3 5 0 。 虽然协作企业的机组在实验过程中某些性能指标很好( 例如e b r ) ，但也出 现了一些问题，究其主要原因在于制冷系统的零部件没有实现最佳匹配，所以 本文设计分析时把压缩机内置电机的输入频率作为一个重要影响因素加以考 虑，并作为选配制冷压缩机的基点。 3 1 变频制冷系统的运行工况和特性 变频空调运行工况与定转速空调不同，它们最大的区别是变频空调性能与 压缩机的转速密切相连，所以变频空调的性能曲线横坐标不是蒸发温度，而是 压缩机转速或变频器的输出频率。在变工况条件下运行时，变频空调的冷凝温 度、蒸发温度、转速、过冷度以及吸气压力都在不断变化，通过大量实验测试 可以得出如下的结论： 当冷凝温度和其他条件不变时，蒸发温度越低，变频空调的制冷量越小， 功耗越大，制冷系数越小。所以，为了节能，蒸发温度不希望调整得太低，一 般以达到舒适范围的上限为好。 当蒸发温度和其他条件不变时，冷凝温度越高，变频空调的制冷量越小， 功耗越大，制冷系数越小。所以室外机的安装位莺很重要，应具有良好的通风 空间。 当其他条件不变时，节流前制冷剂的过冷度对变频空调的性能影响特别 大。过冷度越大，制冷量越大，而压缩机的功耗几乎不变化。这样提高了制冷 系统的制冷系数和技术经济指标。 当其他条件不变时，吸气压力越高( 说明吸气温度越高) ，蒸发器内的制 冷剂气化潜热利用率越高，提高空调的制冷量，但也增大了压缩机的功耗，所 以空调的制冷系数变化不大。这种情况出现在室内温度很高，而电子膨胀阀已 开到最大，制冷剂蒸气的过热度非常大，所以吸气温度很高，吸气压力增大。 压缩机运行特性曲线给出了不同冷凝温度和蒸发温度时压缩机的制冷量g 和输入功率尸，此时有一个前提就是认为蒸发器、冷凝器以及节流元件能保证 压缩机在任意f ，、，的设定值下运行。但在空调装置中，出于受蒸发器、冷凝 器的结构、尺寸及工作条件( 如风温、风速) 等因素的制约，r 。和f 。并不能任 意设定。对于一台空调装置，当用于冷却冷凝器中制冷剂的流体入口温度，。及 蒸发器中被冷却流体的入口温度f 。已定时，冷凝温度和蒸发温度即被确定，此 时空调装置达到了运行平衡点1 13 】叫f 1 5 _ | 。空调装置的运行平衡点同时也是该装置 中压缩机的运行平衡点，该平衡点需用拙述压缩机、冷凝器和蒸发器的热力学 特性的一组公式联立求解确定，确定该平衡点的公式如下： 1 按热平衡计算的冷凝器排热量q ( 忽略压缩机散热) ： q = q + p ( 3 1 ) 式中：q 。一在冷凝温度，。、蒸发温度f 。时冷凝器的排热量，单位为w ； g 一在冷凝温度r 。、蒸发温度f 。时压缩机的制冷量，单位为w ； 只一在，。、t 时压缩机的指示功率，单位为w 。 2 压缩机的制冷量 q 。= z p 。，f 。) ( 3 2 ) 3 压缩机的指示功率 只= 【，。，。) ( 3 3 ) 4 按传热计算的冷凝器排热量q ， q 。= 足。w 彳。w p 。，。) ( 3 4 ) 式中：足。一冷凝器的传热系数，单位为沏2 k ) 一，一冷凝器的传热面积，单位为m2 ； 用于冷却制冷剂的流体入口温度，单位为 5 按传热计算的蒸发器制冷量q g = 世。4 。 p 。，f 。)( 3 5 ) 式中：世。一蒸发器的传热系数，单位为，( m 2 五) ； 爿。一蒸发器的传热面积，单位为m2 ； f h + 被冷却流体入口温度，单位为 式( 3 1 ) 至式( 3 5 ) 中共有十一个参数：q 、q 。、只、，。、，。、，。、，p k d 、k 。、爿。d 和4 。 ，因为已知k 。“、k 。w 、4 。“和爿。，所以未知量 有七个，若给定其中的两个，即可求出另外的五个。 3 2 制冷压缩机的匹配 环境保护、电子控制、节能与静音化是制冷空调业的发展方向，因此变频 一拖多系统受到热烈推崇。由于采用了变频压缩机，变频一拖多能够根据房间 负荷变化而进行频率调节，从而改变制冷剂流量和电子膨胀阀的开度，以使制 冷量与冷负荷达到最佳匹配。变频空调制冷系统的各部件如何匹配才能适应这 种宽流量调节而使整个系统性能好、工作可靠而又节能节材，以及在提高殴计 工况工作效率的同时，提升和改善家用中央空调变工况运行特性，这都是家用 中央空调设计者所关心的问题。 为使制冷压缩机具有较高的e e r 和容积效率q 。，本节在一台变频制冷压缩 机空调工况运行的实验数据基础上，对e e r 及q 。的拟合曲线进行了多目标规划， 从而确定所对应的最佳频率和压缩机的排量酬旧【】8 f 1 9 】1 2 0 】 2 l 】。 3 2 1 制冷压缩机的变频运行性能分析 变频制冷压缩机的输入频率发生变化直接影响着机器的转速，其感应电动 机的转速按式n = 1 2 0 f ( 卜s ) p 发生变化，式中n 为电动机转速( r m i n ) ，f 为频 率( h z ) ，s 为转差率，p 为感应电机的极数，目前空调用变频电动机的频率变 化范围已扩大到1 5 1 8 0 h z 。实验所用的r 2 2 空调用滚动转子式制冷压缩机的主 要结构尺寸如下表所示。 表3 1 滚动转于制冷压缩机主要参数 参数名称数量 气缸半径m2 7 活塞半径m m 2l 9 气缸高度m m 2 7 滑板厚度m 4 滑板槽高度m m3 5 吸气孔口角( 。)2 0 排气孔口角( 。) 1 5 相对余隙( )1 2 滑板端部半径m m5 径向问隙i n2 0 从图3 一l 和图3 2 可以看出，变频制冷压缩机在空调工况下运行时，随着 输入频率的增大，制冷量与指示功率基本上呈线性递增。转速过大使得压缩腔 内过压缩现象加剧，摩擦功和磨损均会增大，耗功相对增多；此外，润滑油的循 环量将随转速而增大，噪声电会随转速而提高。转速过小则使得机器的相对泄漏 和热损失加剧，涧滑油循环量减少，机组耗功也相对增加，机器的性能下降； 此外，还应避免低转速下的共振。 从图3 3 可以看出e e r 值在额定频率附近最大，并在较宽的频率范围内维 持较高值。如图3 4 所示，随着转速的增加，泄漏与相对余隙容积损失减小， 机器的容积效率增加；但是转速很大时，压缩机排气温度升高使得吸气过热现 象加剧，机器的容积效率又减少。 8 喜6 型。 嘉2 o j 【5j 弭辨 祥 抖一卜 05 01 0 0 频率巾z 图3 一t 制冷量随频率的变化 3 0 0 2 9 5 2 9 0 重2 、8 5 28 0 2 7 5 2 7 0 一_ 圳州一 班随 “爿+ 开 o 5 01 0 0 频率h z 图3 3e e r 随频率的变化 3 2 ，2 制冷压缩机的最佳工作频率确定 20 0 立l5 0 谆l0 0 雷05 0 o 0 0 05 0 1 0 0 频率h z 图3 2 功率随频率的变化 o9 5 甜o 9 0 萎0 8 5 饰0 8 0 07 5 o5 0 1 0 0 频率h z 图3 4 容积效率随频率的变化 按空调工况选配变频制冷压缩机时，总是期望所选制玲压缩机具有较高的 能效比和容积效率，而能效比e e r 及容积效率n 。均与电机输入频率有关。为满 足上述条件，对应一个确定最佳频率问题。滚动转子式制冷压缩机的理论容积 输气量应为气缸工作容积与转速的乘积，即： g 。= 6 0 吒 ( 3 6 ) 式中：g 。一理沦容积输气量，单位为m 5 h ； 疗一转速，单位为r m i n 。 由于滚动转子式制冷压缩机的实际容积输气量为： g m = 矸，g 。 ( 3 7 ) 式中：g 。一实际容积输气量，单位为一h ： 叩，一容积效率a 又由于在额定空调工况下制冷压缩机的制冷量为： q 。= g 坩g o 。( 3 6 1 0 6 ) ( 3 8 ) 式中：g 。，一制冷刻在额定空调工况下的单位容积制冷量，单位为j r n “。 所以，根据额定空调工况下的制冷量选配制冷压缩机时，必须先确定其额 定转速，然后再确定其理论排气量v 。，而其额定转速( 额定频率) 确定的前提 是使得制冷压缩机具有较高的容积效率和能效比，这实际上就是以下的双目标 最优化问题，其数学模型为： 眦) = f 搿 卅) m a x ，：( 爿) = 一o 0 0 0 l z2 + oo l x + o 5 8 9 2 ( g r 的最小二乘拟合曲线)( 3 一1 0 ) m a x ( j ) = 一o o 0 0 1 x2 + o 0 1 4 溉+ 2 5 7 9 5 ( 7 ，的最小二乘拟合曲绚 ( 3 11 ) g ，( r ) = 2 0 x so ( 3 1 2 ) 9 2 ( x ) = z 一1 8 0 s o ( 3 一1 3 ) 在多目标优化过程中，同时几个分目标都达到最优值一般说是很困难的。 它往往由一个分目标的最优化导致另外一个或几个分目标的劣化，也就是说这 时各分目标的求解过程是相互矛盾的，甚至有时是完全对立的。所以在求多目 标问题最优化过程中，往往需要在各目标函数之间进行协调之后才能求解。对 多目标问题求解，从1 9 5 1 年库恩一塔克( k u h n t u c k e r ) 提出至今，经几十年技 术人员的研究分析，通常将其问题大致分为两大类：一类是将多目标问题转化 为一个主要单目标或者是有前后顺序下的一系列单目标寻优来求解，另一类是 利用设计者的工作经验或者偏好的信息在多目标问题的非劣解中，选择结果 作为多目标问题的最优解。其中能够通过简单的比较被别的方案淘汰的解成为 劣解，不能通过简单的比较确认谁优谁劣的解称为非劣解。因此多目标最优化 问题只能是另种意义下的最优，即它是求多目标问题非劣解( 有效解) 的过 程。这里利用改进的分层序列法，即宽容序列法，通过m a t l a b 的优化工具箱求 解。现将宽容序列法描述如下： 设某二维二分目标函数优化问题，按其重要程度对寻优函数排序为一伍) 、 陋) ，约束集合为d ，宽容量为s ，求该问题的条件极值。其寻优数学模型为： m i n 删= 匕跚 爿d x = ( x i ，x 2 ) 7 对( ) 和厶似) 分别求条件极值点是z ”和爿。点。如果考虑到一) 的重要 程度以及允许的浮动值，确定宽容限值s ，则对 ) 求极值的约束集合为d l ， 故最后求出的条件极值点为z + 而不是7 或艋点。是既照顾到分目标函 数_ ，：伍) 的重要程度又兼有分目标函数厶) 的存在得到的多目标最优点。 这里通过该寻优方法得出最佳工作频率为7 3 h z ，可用其它系列型号的变频 滚子式压缩机多做几组空调工况下的实验，再利用实验数据进行寻优，最后得 到折中后的最佳工作频率，这样就可以按照不同的空调冷负荷确定变频空调制 冷系统所要选配的压缩机排量。该优化匹配方法同样适用于其它系列全封闭涡 旋式变频变频制冷压缩机的匹配设计。现小结如下： 1 ) 通过对变频制冷压缩机的实际运行特性的分析可知，压缩机的输入频率 提高到一定程度时，压缩腔内的压力上升加快，使得与余隙腔之间的流动阻力 损失相对变大。而且排气时，压缩腔压力继续大幅上升，使得过压缩损失增加， 这是导致压缩机指示功率提