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高效洁净空调机的研究 摘要 随着国民经济的发展，人民生活水平日益提高，对健康生活的要求也越来 越高。普通的空调机尚能满足一般的空气调节要求，但是应用在对空气有特殊 要求的场合，特别是手术部等场合就不能满足要求，容易导致二次污染和交叉 感染的发生，对人民群众的身体健康产生了潜在的危害。因此，洁净空调机将 成为空调机发展的方向。 洁净空调机是为各级洁净手术室特别设计的，其风量、冷热量、洁净度等 参数及控制符合医院洁净手术部建设标准和医院洁净手术不建筑技术规 范的要求，能有效的防止二次污染和交叉感染。 本文主要介绍了洁净空调机的系统结构布置和制冷原理，空调机采用紧凑 整体式结构，压缩式制冷原理。阐述了冷凝器和蒸发器的设计和选型方法，压 缩机和风机的选择和匹配方式。校核了冷凝器放热量和蒸发器的制冷量是否与 实际负荷匹配。 本文还分析了为了实现洁净室内恒温恒湿，洁净空调机的降温除湿过程。 采用一次回风、冷却降温除湿、再热处理过程。 通过反复试验研究了使洁净室内的空气洁净度达到国标要求的除尘和杀菌 方法。采用国内比较先进的仪器，测定粉尘含量和细菌含量，从而设计了系统 的除尘和除菌装置。 在设计过程中考虑了系统的安全性和灵活性，在安全性方面分别设计了压 缩机高低压保护，系统的漏电保护以及电绝缘性保护。对于灵活性主要是考虑 系统的维修和控制。 最后，通过试验数据检验了洁净空调机的性能，结果进步验证了洁净空 调机能够达到最初的设计目的。 关键词：温度风量洁净空调机高效过滤含湿量冷负荷手术室 除尘杀菌污染 s t u d y o nt h ee f f i c i e n t l yc l e a na i r c o n d i t i o n e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，s c i e n c e ，t e c h n o l o g y ，s o c i e t ya n dt h e i m p r o v e m e n t o ft h e p e o p l e s l i v e s ，t h er e q u i r e m e n t o fh e a l t h l i v i n g i s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ec o m m o n a i rc o n d i t i o n e rc a no n l y s a t i s f i e st b er e q u e s t so fg e n e r a la i re n v i r o n m e n t b u ta p p l y i n gt ot h es p a c e t h a th a v es p e c i a lr e q u e s to fa i r ，s p e c i a l l ya p p l y i n gt ot h eo p e r a t i n gr o o mi t c a l ln o ts a t i s f i e st h e r e q u e s t s i te a s i l y c a u s e st h es e c o n d a r yp o i l u f i o na n d c r o s si n f e c t i o n i ta l s op r o d u c e st h el a t e n th a r mt oh e a l t ho fp e o p l esb o d y s o ， c l e a na i rc o n d i t i o n e rb e c o m e st h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h ea i r c o n d i t i o n e r t h ec l e a na i rc o n d i t i o n e ri ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rt h ea l lt h el e v e l sc l e a n o p e r a t i n gr o o m ，i t sp a r a m e t e r s s u c ha sa i r q u a n t i t y ，c o l dc a l o r i e s ，c l e a n d e g r e e e t ca n dc o n t r o lc a nm a t c ht h er e q u e s t so f t h es t a n d a r do fc l e a n o p e r a t i n g r o o m sc o n s t r u c t i o ni n h o s p i t a l a n d t h e n o r mo fb u i l d i n g t e c h n i q u ea b o u tt h e c l e a no p e r a t i o nr o o mi n h o s p i t a l ) ) i t c a ne f f e c t i v e l y p r e v e n t t h es e c o n d a r yp o l l u t i o na n dc r o s si n f e c t i o n i tp r i m a r i l yi n t r o d u c e dt h es y s t e mc o n s t r u c t i o na n dc o l dp r i n c i p l eo ft h e c l e a na i rc o n d i t i o n e ri n t h i s p a p e r a i r c o n d i t i o n e r a d o p t st i g h t w h o l e c o n s t r u c t i o na n dc o m p r e s s e dc o o l i n gm e t h o d 。i ti l l u m i n a t e st h ed e s i g na n d c h o o s em e t h o d o f c o n d e n s e ra n de v a p o r a t o r ，i ta l s oi l l u m i n a t e st h ec h o o s e a n dm a t c h i n gw a yo f c o m p r e s s o ra n d f a nm a c h i n e i t a n a l y s e st h ef a l l i n gt e m p e r a t u r ea n de l i m i n a t i n gh u m i d i t yp r o c e s si n o r d e rt or e a l i z et h ea i mo fc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n du n v a r y i n gh u m i d i t y i t a d o p t so n c eb a c k w i n d ，c o o l i n g ，f a l l i n gt e m p e r a t u r ea n de l i m i n a t i n gh u m i d i t y ， r e h e a t i n gp r o c e s s i ts t u d i e st h ee l i m i n a t i n gd u s ta n ds t e r i l i z a t i o nm e t h o dt h a tc a nm a k e i n d o o rc l e a nd e g r e et om e e tw i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r di nt h ep a p e r i ta d o p t s t h ea d v a n c e di n s t r u m e n t si nd o m e s t i ct om e a s u r et h eq u a n t i t yo fd u s ta n d b a c t e r i a ，s ot h ed e v i c e sa r ed e s i g n e d c o n s i d e r e dt h es a f e t ya n df l e x i b i l i t yo ft h es y s t e mi nt h ed e s i g np r o c e s s d e s i g n e d t h e h i g h a n d l o w p r e s s u r ep r o t e c t i o n o fc o m p r e s s o ri n s a f e t y ， e l e c t r i c i t yl e a k a g ep r o t e c t i o n a n d e l e c t r i c i t y i n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c p r 。t e c t i o n 。fs y s t e m c o n s i d e r e dc 。n t r 。1 ，m a i n t e n a n c ea n d 。p a i 。f s y s t 。m i nf l e x i b i l i t y f i n a l l ye x p e r i m e n t a t i 。nw a s m a d et 。p r 。v et h ep e r f o r m a n c e 。f 。l 。a n8 i 。 c o n d j t i o n t h er e s u l t sv e r i f yt h a tt h ea i r c o n d i t i o n e rc a na c h i e v et h ep r i m 8 1 d e s i g np u r p o s e k e yw 。r d s ：t e m p e r a t u r e ，a i r f l o wr a t e ，c l e a n ，a i rc o n d i t i o n e r ，e f f i o i 。n t l y f i l t r a t e h u m i d i t y ，c o o l i n g l o a d ，o p e r a t i n g r o o m ，e l i m i n a t i n g d u 8 t ， s t e r i l i z a t i o n ，p o l l u t i o n 独创性声明 本人声l 圳所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 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，也不包含为获得盒胆些盎堂 或其他教育机构的学位或证二鞲而使用过的材 荆。与我一同t 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 总。 学位论文作者签字：杏秉礁签字日期：。伽缸年。；月j 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金匿王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 行问国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅或借阅“本人授权盒 照l 丝厶堂一可以将学位论文的全部或部分沧文内粹编入有关数据库进行检索，可以采用影 | = 、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一) 姚繇秣硷名：劣坼敬 签字日划：孤也年口多月；日签字曰期：o 叶年3 月。e l 学位论文作者毕业后去向 j 作单位： 逝m 地址： 电话 邮编 致谢 本文是在导师赵韩老师的悉心指导下完成的，在三年的硕士研究生课程学 习和撰写学位论文的过程中，赵韩老师给予了我不少的生活上的关心和专业上 的引导，这对于我在校期间的发展起到了至关重要的作用。赵韩老师广博的学 识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受 益，并激励我勇往直前。在此特地向赵韩老师表示我最衷心的感谢! 在作毕、世课题期间，合肥环境控制技术有限公司总经理史敏老师，在学业 指导及各方面给予我很大的关心，她的工作精神深深鼓舞了我，而且从她的言 传身教中学到的为人品质和道德情操，1 4 - 成为我以后的人生航标，在此向史敏 老师表示诚挚的感谢! 同时，真诚感谢机械与汽车工程学院的全体老师和合肥通用机械研究所的 领导和同事，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条 件和学习机会 十八年寒窗，凝结了我奋进的汗水，更印照者背后默默注视着我的目光。 多年外地求学生涯，得到了父母双亲的大力支持和亲切关怀，正是由于他们的 理解和支持，才使得我能安心完成学业。我将用一生来回报! 谨以此篇献给所有关注着我的老师、亲人和朋友! 作者：李素玲 2 0 0 4 年3 月8 日 第一章概述 l开发洁净空调机的目的意义和国内外的发展概况 随着国民经济的发展，人民生活水平同益提高，对健康生活的要求也越来 越高。普通的空澜机尚能满足一般的空气调节要求，但是应用在对空气有特殊 要求的场合，特别是医院手术部等场合就不能满足要求，容易导致j 次污染和 交义感染的发生，对人民群众的身体健康产生了潜在的危害。 为了顺应时代的要求和形势的发展，洁净空调机成为将来空调机发展的趋 势。洁净空凋机是新产品，集单元式空渊机、空调处理机的特点于一体，具有 结构紧凑、i u 靠一p l - 高、性能优异等特点。 洁净空涮机除了符合医院的功能要求外，还从设计上考虑了如何彻底消除 机组的：次污染，即从根本上消除滋菌的两个基本条件：除去尘粒、防止积尘： 控制水的产生、飞扬、积存和排除，避免产生高湿度。在设计上采取的措施有 二：是从机组的功能段的编制上避免了滋菌的可能性，从设计、制作上消除 滋菌隐患；二是在机组内积尘和局部形成高湿度隐患，在室内实现湿度优先控 制。 空气调节的目的在于“使空气达到所要求的状态”或“使空气处于正常状 态”。据此，一个内部受到控制的空气环境，一般是指在某特定空削( 或房r h j ) 内，对空气温度、湿度、空气流动速度及洁净度进行人工调节。以满足人体舒 适和 ：岂生产过程的要求。现代空调技术发展有时还要求对空气的压力、成分、 气昧、噪声等进行调节与控制。由此可见，采用技术手段创造并保持满足一定 要求的卒气环境，乃是空气调节的任务。 众所周知，一定空间内的空气环境一般要受到两个方面的干扰：一是来自 空问内部生产过程、设备及人体等所产生的热、湿和其他有害物的干扰；另一 是来自空间外部气候变化、太阳辐射及外部空气中的有害物的干扰。这些干扰 因素有些是稳定的，有些是不稳定的，有些是随季节而变化的。在保证内部空 气环境( i 9 有关参数( 温度、湿度、风速及洁净度) 处于限定的变化范围内时， 有f 1 9 二：扰因素在一定条件下会成为有力因素，如太阳辐射在冬季一般是有利的； 而划内部环境造成不利影响的热、湿及其他有害物等干扰因素就需要采取技术 手段；来克1 | j | 蔓它们的影响。所谓的技术手段主要是：采用换气的方法保证| = j 部 环境的空气新鲜：采用热、湿交换的方法保证内部环境的温湿度，以及采用净 化的方法保证空气的洁净度。因此，定空i 削的空气调节，并非是封闭的空气 阿造过程，哪主要是置换和热质交换过程。 洁净空气机对国民经济各部门的发展和对人民物质文化生活水平的提高具 有煎叟意义。这小仅意味着受控的空气月i 境对工业生产过程的稳定操作和保证 产6 质量有重要作用，而且对提高劳动生产率、保证安全操作、保证人体健康、 创造舒适的l 作和生活环境有重要意义。凶此，洁净空气调节不是一种奢侈手 段，而是现代化生活和社会生活中不可缺少的保证条件。 说柬也难以胃信，洁净空凋的诞i - 与t 饯争有关。洁净空调中最关键的高效 过滤器，是在第一次世界大战期间为了去除原子弹制造过程中释放出来的放射 性微粒m 研制的。洁净空调现在广泛应用于各类洁净室中。 】9 4 0 年美国创建了世界上第一座洁净室，1 9 6 3 年1 2 月制定了洁净室标准 洁净室与洁净一r 。作台的环境控制要求( 即美国联邦标准2 0 9 ) 。而人们对洁 净卒调的认识，也是随着科学技术尤其是显微科学、细菌学等精密学科的不断 发展而深化的。目前，洁净技术作为一门新兴技术，在电子、航天、医药、精 密机械、冶金、化工、轻工业、食品等各个部门得到了j 一泛应用。 我酬洁净技术的起始基本与世界同步，1 9 6 4 年制作出第一台高效过滤器， 仉是此后发展一肖较慢，近几年来随着改革开放的深入和国民经济的不断发展， 国外先进技术大量引进，洁净技术也迅速发展起来。1 9 8 5 年我国颁布实施了洁 净一房设计规范g b j 7 3 8 , 4 ，标志着我嗣工业洁净技术和生物洁净技术发展到 。个新阶段。h 前国家正着手对洁净厂房设计规范g b j 7 3 8 4 进行修订，使 之与围际接轨。 但是作为最蘑要的医疗设施一一洁净手术部一直都没有明确的国家标准， 往往采剧德国、同本或是军队的标准，严重阻碍了洁净手术部的建设。为了改 变这种状况，吲家与2 0 0 0 年1 0 月颁布了医院洁净手术部建设标准，随后又 颁却了医院手术部建筑技术规范，制定了洁净手术部建筑的新规范，对洁净 手术部的建设提出了严格和明确的要求。规范中对净化空调也提出了一些严格 的限制。 为了配合新规范的推广，合肥通用机械研究所，合肥通用环境控制有限公 i ：d 提出了丌发适合要求的洁净宅调机的项目，并获得了合肥市科委攻关计划支 持。 高效洁净空调机是根据我国目前对 些有特别洁净需求的场合进行研究和 改训的，司用f 医院、军用医疗、制药及其它需要净化和除湿要求的场合。 2 洁净空调机要解决的关键问题 沾净空调机被要求能对一定空间的温度、湿度、洁净度、尘埃粒子数、细 菌含量利风量同时精确控制，使得一定空间内的空气达到舒适性的要求，同时 还能防x l ：细菌的滋生和二次污染的发生。因此洁净空调机的设计难度很大，需 要解决以下关键问题： 1 ) 、增加空调系统的功能，满足对空气的温度、湿度、洁净度和风量的同 i t , i 。精确控制。改变传统的采用温度优先的控制方案，对湿度进行有效的控制。 防止含湿量超出g = 4 0 6 0 的范围，超出该范围都使微生物生长。 2 ) 、消除二：次污染，有效控制机组内部的积尘和湿度，因为机组积尘和长 期高湿度导致细菌大量的定值、繁殖，产生大量有害的代谢物，传播到所控制 的室内，污染环境，危害健康，产生二次污染，甚至引起交叉感染。 3 ) 、洁净空调机在提高热湿效率的同时，避免滋菌引起的二次污染。 第二章洁净空调机开发设计基本原理 2 1洁净空调机制冷原理 制冷是指用人工的方法将物体冷却，使其温度降低到环境 持这个温度。制冷的方法虽然很多，但是其基本原理都是相同 专门的装置，消耗定的外加能量，使热量从温度低的物体传 体，从而获得所需要的低温。外加的能量有两类：一类是机械 类是热能。压缩式制冷和热电制冷需消耗机械能或电能；吸收 能。洁净空渊机是采用压缩式制冷。 最简单的压缩式制冷系统如图2 1 所示。制冷剂( 工质) 外界( 被冷却物) 的热量，蒸发成气体后进入压缩机。气体被 度升高。从压缩机排出的气体进入冷凝器，被冷却介质冷却， 冷凝器的制冷剂液体流经节流元件时，降 度以下，并保 ，即应用一种 温度较高的物 j 或电能；另一 浠0 冷则消耗热 蒸发器中吸收 ：缩机压缩，温 。为液体。离开 4 7 图2 l 压缩式制冷系统 1 一压缩机2 一冷凝器3 一节流阉 4 一蒸发器 低压力和温度，成为由气体和液体组成的两相混合物，再进入发器，吸收蒸 发器的周围物体的热量，使它的温度降低。制冷剂在蒸发器中酗鱼和温度t 。称 为蒸发温度，其数值与蒸发压力p 。有关；制冷剂在冷凝器中 饱和温度称为 冷凝温度t 。，它与冷凝压力p 。有关。制冷剂在蒸发器中的蒸。温度和在冷凝 器中的冷凝温度都不是恒定的，只是在假定工质为纯工质或共；混合工质，且 不考虑制冷剂在蒸发器和冷凝器中的压力损失时，即假定蒸发；和冷凝器中制 冷剂的压力不变时，蒸发温度和冷凝温度才是不变的。饱和压：随饱和温度的 增加而增加。不同制冷剂的饱和压力和饱和温度的关系曲线虽j 类似的形状， 却有不同的数值。制冷系统中的有关参数和性能如下： 2 1 1 制冷量和制冷系数 输入压缩机的功率p c ；单位时间制冷剂在蒸发器中吸收的热量q 0 ，简称 制冷量；单位时间内制冷剂在冷凝器中放出的热量为q k ，简称：争凝器热负荷； 制冷量q o 与实际输入压缩机的功率p c 的比值称为实际制冷系数，简称制冷系 数，用符号( 或c o p ，e e r ) 表示 4 占：鱼( 2 一1 ) p c 对于大、中型开启式压缩机，压缩机的实际输入功率即轴功率p 。；对于 全封闭、半封闭和小型开启式压缩机，压缩机的实际输入功率即电功率p 。，。 e 愈大，单位输入功率产生的制冷量愈多，制冷机的经济性愈高。 在稳定工况下，对于制冷机的每一个部件，热力学第一定律的表达式为： q + p = q 。( h 2 + u 2 2 1 0 。3 + g z 2 x 1 0 3 ) 2 f 2 - 2 、 1 、7 q 。( h 】+ 去u 1 2x 1 0 3 + g z lx 1 0 3 ) 上 式中 q 一一单位时间传递给制冷剂的热量，单位为k w ； p 一一单位时间对制冷剂所作的功，单位为k w ； h 1 1 z - 一制冷剂进入该部件前的比焓、速度和离地面的高度、单 位分别为k j k g 、m s 、m ： h z u z z 2 一一制冷剂离开该部件前的比焓、速度和离地面的高度、单 位分别为k j k g 、m s 、1 i l ： q 一一制冷剂的质量流量，单位为k g s ； g 一一重力加速度，单位为m s2。 由于制冷机中不同部件的作用不同，式( 2 - 2 ) 中的有些项并不存在。例如： 在蒸发器、冷凝器和节流元件中；由于制冷剂流经各部件时动能和位能的变化 很小，所以式( 2 - 2 ) 中的有关项可以忽略不计。 取制冷剂吸收的热量和吸收的功为 “正”时，热力学第一定律应用于每 个部件中时，它的表达式为： 1 、 压缩机的热力学第一定律表达式为： 制冷剂入口状态为1 ，出口状态为2 。此时 p = p ： ) = q o 式中p 一一压缩机指示功率，单位为k w ： q 。一一单位时间制冷剂向外界的放热量 热力学第一定律的表达式为 p q 。= q 。( h 2 - h ，) 压缩机单位理论压缩功为： 昂= 自：一 2 、 凝器的热力学第一定律表达式为： 制冷剂的入e l 状态为2 ，出口状态为3 。由于 p = 0 单位为k w 。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) q = 因而 o * 一q 。( h 2 - h 3 ) ( 2 5 ) 3 、 流元件的热力学第定律表达式为： 制冷剂入口状态为3 ，出口状态为4 。因制冷剂流经节流元件时，既不向外 做功，也不从外界吸收功，因而p = o 。因此，制冷剂流经节流元件时，热力学 第一定律的表达式为 p 2 q 。( h 4 - h 3 ) 2 0 或 1 1 。功： ( 2 - 6 ) 4 、 蒸发器的热力学第一定律表达式为： 制冷剂入口状态为4 ，出口状态为1 。此时 p = 0 q q ( ， 按式( 22 ) 单位质量制冷量为 q 。= 岛一啊 ( 2 - 7 ) 总制冷量为 q o = ( 啊一) ( 2 - 8 ) 5 、 整台制冷机的热力学第一定律表达式为： 制冷循环的热力学第一定律表达式为 q 0 十号= q + q( 2 - 9 ) 制冷量0 。等于质量流量q 。和比焓差( h l - h 。) 的乘积。质量流量q 。与压缩机 的结构、尺寸以及转速有关；比焓差( h l - h 。) 与制冷剂的热力学性质以及制冷 机的运转工况有关，因为它表示单位质量( 如：l k g ) 制冷剂的吸热量，所以又 称为单位质量制冷量，n - q 。 单位为k j k g ) 表示。因而 蜴= g 。q o ( 2 一1 0 ) 质量流量q 。与体积流量q ，( 单位为m 3 s ) 及制冷剂比体积v 有关， q 。2q 。v 参数q 。在设计压缩机时有特别重要的意义。它影响压缩机的体积和重量。 因压缩机吸入口处制冷剂的状态为1 ，故 q “= 吼，1 1( 2 一) 以此代入式( 2 - 8 ) 中，得到 9 0 ：吼。坠型( 2 1 2 ) 令 9 1 1 = 盟塑 1 ， 得到 包= 吼i 吼 ( 2 一1 3 ) q ，( 单位为k j m 3 ) 为压缩机吸入单位体积制冷剂时的制冷量，称为单位体 积制冷量。 2 1 2 压缩机输入功 高转速眶缩机的质量流量大且传热时间短， 式( 23 ) 转变为 p = q m ( 如一矗) 比值q ：q 。可以忽略不计。此时 输入压缩机的轴功率等于指示功率与压缩机的机械效率之比 d j p = 土 强。 式中p 。一一轴功率，单位为k w ； n 。一一机械效率。 输入压缩机的电功率等于轴功率与电动机效率之比 p p l = 上 1 7 , 0 式中p 。，一一电功率，单位为k w ； r l 。一一电动机效率。 ( 2 1 4 ) 2 1 3蒸发温度和冷凝温度对制冷机性能的影响 压缩式制冷机的性能随蒸发温度和冷凝温度的变化而变化。其中蒸发温度 的变化对性能的影响更大 1 、蒸发温度变化的影响 一 分析蒸发温度变化的影响时，假定冷凝温度不变。为了便于分析，取压缩 过程为等熵过程。由此得到的结论对非等熵过程也是适用的。按图2 2 ，蒸发 温度从t 。，降到t 。时，循环卜2 3 4 1 转变成1 一2 一3 4 一1 ，并产生下列影 响： 1 ) 、单位质量制冷量下降。 蒸发温度为t 。，时，单位质量制冷量为q 。，q 产h 一h 。当蒸发温度降低到 t 。时，单位质量制冷量为q 。，q 。，= h 。一h 。由图2 2 可知q 。 ( h 2 一h 。) 。，且v 7 v i 。若焓差 ( h ：一h ) 。的变化程度超过了比体积v ，的变化程度， 则w w “若两者的变化程度相等，w ，。= w “若焓差( h 2 一h ，) 。的变化程 度小于比体积v 。的变化程度，则w 。 t ：。 过高的制冷剂蒸汽温度将破坏润滑油的润滑性能，并使气阀通道及阀片上 结碳，使压缩机无法正常运转：过高的制冷剂蒸发温度还可能引起制冷剂与油 以及水之间的化学作用，破坏电动机线圈的绝缘。 2 、冷凝温度变化时的影响。 分析冷凝温度变化的影响时，假定蒸发温度不变。分析时针对的循环如图 2 3 所示。图中的压缩过程也是等熵过程。当冷凝温度从t * 提高到t “时，除 冷凝压力的升高外，还产生下列影响： 1 ) 、单位质量制冷量下降。 冷凝温度升高后，单位质量制冷量由q 。降低到q o 7。 图2 3 冷凝温度变化的影响 2 ) 、单位体积制冷量下降。 因为q 。下降而v 不变，所以冷凝温度提高后单位体积制冷量q ，下降。这就 意味着压缩机的制冷量随冷凝温度的升高而降低。换言之，当冷凝温度升高日、j ， 要想保持压缩机的制冷量不变，就必须采用一台输气量更大的压缩机。 3 ) 、单位质量压缩功增加。 冷凝温度上升后，等熵压缩的单位质量压缩功从w 。提高到w 。 一4 ) 、单位体积压缩功增加。 由于w 匕升而v 不变，所以冷凝温度上升后，等熵压缩的单位体积压缩 功增加。 5 ) 、制冷系数下降。 冷凝温度上升时，因( h 。h 。) 减少，( h ：h 。) ；增加，故制冷系数e 。下 降。 6 ) 、压缩终点的温度升高。 因冷凝压力p 。提高，由压力一比焓图可以看到，压缩终点的气体状态2 位于2 的右上方，故t 。7 t ：。 冷凝温度t “升高和蒸发温度t 。降低时，由以上的分析可知，蒸发温度的降 低和冷凝温度的爿高对制冷机的性能是不利的，因而在设计和使用制冷机时， 应尽量降低冷凝温度，提高蒸发温度。为此需要降低蒸发器和冷凝器的传热温 差。增加蒸发器和冷凝器的传热面积虽然能够减少传热温差，但同时会引起两 器材料消耗量和体积的增加。采用强化传热管是降低传热温差的一条重要途径 已经得到日益广泛的应用。 2 1 4 液体过冷 在理论制冷循环中冷凝后的液体处于饱和状态，而在实际循环中，为了防 止制冷剂在节流过程前气化，冷凝后的液体是过冷液体，此时状态3 位于饱和 状态线的左侧，见图2 4 。液体过冷后，单位质量制冷量为( h ，一h 。) ，它大于 比焓差( h 一h 。) 。两者的差别与制冷剂液体的过冷程度有关。液体过冷使单位 质量制冷量增加了( h ，。一h 。) 。其比焓差比值( h ，。一h 。) ( h 。一h ，。) 表示液体过 冷引起的单位质量制冷量的相对增量，它与制冷剂汽化热及液体的比热容有关。 单位体积制冷量也将凼液体过冷而增加。因为图2 4 所示循环的单位质量压缩 功不变，所以制冷系数也因液体过冷而增加。 制冷剂液体的过冷度取决于冷凝器的设计、制冷剂的种类以及冷却介质与 制冷剂之间的温度差。制冷剂与冷却介质进行逆流换热时，两者的温度变化如 图25 所示。图中制冷剂的温度从t ：降至t 。，再降低到t 。冷却介质的温度从 t 。，上升到t ，。如果冷却介质的流量极大，t ，几乎等于t 。此时传热温差最大， 但消耗于冷却介质能量也很大，这是不恰当的。通常取冷却水温度的升高为4 6 ，冷却空气的温升为8 l o 制冷剂的实际冷却过程并不像图2 - 5 所示的那样明显的区分为过热阶段、 饱和阶段和过热阶段。当换热器的壁面温度低于t 。时，即使进入换热器的制冷 剂为过热蒸汽，它也会在壁面上部分的冷凝下来。若水流量很小，使t 。：高于 t 、，1 水的温度升高如图虚线所示时，过热蒸汽进入换热器后便不可能立刻在 壁面上部分凝结。通常取( h 。一h ，：) 为2 3 。 要使液体过冷，必氛在远离气一液相平衡的界面处冷却液体。若在相界面 处或相界面附近冷却液体，只能使冷凝器内的压力下降，而不能产生液体的过 冷。 r3 一广7 7 。 j 圈2 4 液体过冷 h 0 t 图2 5 制冷剂及冷却介质的温度变化 ，彳、| ， f - i l 2 1 5 蒸汽过热 l，717，。p。；，：)，i|乒 图2 6 蒸汽过热 为了使进入压缩机的制冷剂不含液滴，状态1 应位于过热蒸汽区，如图2 6 所示。若制冷剂从饱和状态加热到状态1 时吸收的热量全部用于制冷，则制冷 机的单位制冷量增加，增加量为( h 。一h 。) 。由于过热，使比体积v 增加，所以 单位体积制冷量( h 一h ，) v ，可能增加，也可能减少。对常用的制冷剂，经过 点g e 的等熵线一般的较经过点1 的等熵线陡，表明蒸汽过热后，等熵压缩时单 位质量制冷量和等熵压缩时的单位质量压缩功均随蒸汽过热而增加，等熵压缩 制冷系数也有增加或减少的两种可能性。 从被冷却空间的出口至压缩机入口，制冷剂在管道中吸热，这相当于减少 了制冷机的部分制冷能力，但为了防止压缩机液击，少量的吸气过热也是必需 的。 凶此在制冷产品的设计中，一般要求为：液体过冷，气体过热，蒸发温度 和冷凝温度适当。 2 2压缩机性能及原理 空调用压缩机一般为全封闭制冷压缩机，全封闭制冷压缩机的压缩机和电 动机全部被密封在一个钢制外壳内，电动机在气态制冷剂中运行，结构紧凑， 体积小，噪声低，多用于家用制冷空调设备和小型商用制冷机械中。 全封闭制冷压缩机根据其结构型式主要可分为往复式、滚动转子式和涡旋 式等三大类。 涡旋式压缩机是一种很有发展前途的压缩机，它可以提高压缩机效率、降 低能耗、使压缩机向小型化、轻型化发展。图2 7 示出日本日立公司的研究结 果，它比较了涡旋式、往复式和滚动转子式的绝热效率比，图中把往复式的绝 热效率视为l0 0 。由图可见，涡旋式的绝热效率比比往复式的约高1 0 。由图 还可以看出，容量在1 1 k w 以下的压缩机可用滚动转子式取代；容量在1 o 1 5 k w 范围内，涡旋式效率最高。因此，洁净空调机采用涡旋式压缩机。 冀 u 阱 柽 i 鼎 2 0 1 0 0 0 9 0 厂 。卜_ 0 涡旋式 51 0 制冷量k w 图27 各种压绢机绝热效翠比 2 2 1 涡旋式压缩机的工作原理 涡旋式压缩机主要由两个涡旋盘相错1 8 0 对置而成，其中一个是固定涡旋 盘，而另一个则是运动涡旋盘，它们在几点上接触并形成一系列月牙形容积。 运动涡旋盘一方面为了与固定涡旋盘啮合而保持给定的旋转半径，另一方面 作不自转的旋转运动，这是靠安装在动、静涡旋盘之间的十字滑环来保证。吸 气口在涡旋盘的外表面，随着曲面的顺时针转动，气体由边缘吸入，进入月牙 形容积，并在顺时针向中心运动的同时，使月牙形容积逐渐缩小而压缩气体。 2 2 2 涡旋式压缩机的特点 1 、效率高 涡旋式压缩机吸气、压缩、排气连续单向地进行，因而吸入气体有害过热 小；气体脉动很小；没有余隙容积中气体地膨胀过程；同时，两相邻压缩腔中 的压差很小，气体的泄漏少，因而其输气系数高。还有旋转涡旋上的所有点， 都以很小半径作同步转动，因此摩擦速度小，摩擦损失也小；没有吸、排气阀 流动损失，因而效率高。同往复式压缩机比较，其效率高1 0 左右。 2 、力矩变化小、振动小、噪声低 涡旋式压缩机压缩过程较慢，并可同时进行两、三个压缩过程，这使得机 器运转平稳，而且曲轴转动力矩变化小，仅为往复式或滚动转予式的1 l o ，这 样有利于提高电机效率。其次，因气体基本上是连续流动，吸入与排出压力脉 动小，使接管中气流产生振动的能量小。由于惯性力几乎平衡，故压缩机的振 动、噪声均较小，平均比往复式降低约5 d b 。 3 、结果简单、零部件少、体积小、重量轻、可靠性好 涡旋式压缩机结果简单，运动零部件少，特别是易损件少，没有进排气阀， 运转可靠性高，同往复式相比，其体积小4 0 ，重量减轻1 5 。 1 2 4 、对液击不敏感 可允许进气中有少量液体进入气缸，故可采用喷液循环。 5 、转速可以提高 这有利于实现变频控制地方式调节制冷量。同时，最大滑动速度较小，只 有往复式地1 3 ，因而特别适用于高速，这对用作热泵机组很理想。它在8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m in 下仍有较高地效率，最高转速阿= 可达1 3 0 0 0 r m i n 。 6 、采用一种背压可自动调节地可控推力机构 由于压缩腔气体压力地作用，将动涡旋盘沿轴向推动，使其产生脱离静涡 旋盘地趋势；同时作用于涡旋侧面地径向力产生引起倾斜地力矩。要对抗这些 力和力矩，减少涡旋盘地磨损，并防止涡旋盘脱离，通常把具有重剑压力地气 体( 压缩过程中气体) 通过设置在涡旋盘上地气孔导入其背后，从而产生背后 合力与力矩。这种机构地主要的优点是：可不靠配合公差而能维持涡旋地轴向 l 司隙为最小，维持了轴向密封；作用在涡旋盘背面地气体压力可随转子的运动 使压力变化，而形成自动调节，使之在广泛的运转、压力范围内、能维持极小 的机械损失；在启动和静止时，可确保安全，在因制冷剂液体和油等非压缩性 液体压缩而造成异常压缩时，具有使涡旋盘自动脱离，从而防止异常高压的功 能。 7 、便于采用气体注入循环 采用气体注入循环是涡旋式压缩机的一个特点。其循环原理是：冷凝后的 液体制冷剂经第一次节流膨胀到中间压力，然后经气液分离器，再分两路，一 路是液体制冷剂经第二次节流膨胀并通过室内热交换器后进入压缩机；另一路 是气态制冷剂经注入回路被压缩机吸入。这样可提高压缩机制冷或供暖能力 1o 1 5 ，而且还可以根据负荷变化启闭注入回路进行能量调节，从而可提高 萝史效果，同时又可减少压缩机开、停频率，减少室温变化，实现舒适空调。 8 、制造需要高精度的加工设备及方法，以及精确的调心装配技术，并且成本也 较高。 2 3 蒸发器类型选择 2 3 1 蒸发器的作用和工作过程 蒸发器实际上一种伴随有蒸发( 沸腾) 相变的热交换器，制冷剂液体通过 蒸发器吸收被冷却介质( 通常是水或空气) 的热量蒸发( 沸腾) 为蒸汽。它在 制冷系统中的作用是对外输出冷量，冷却被冷却介质。 经过节流后的低压制冷剂进入蒸发器时处于湿蒸汽状态，其中蒸汽的质量 分数一般占l o 左右，其余均为液体。随着湿蒸汽在蒸发器内流动、吸热，液 体逐步蒸发( 沸腾) 为蒸汽，含气率不断增加。制冷剂在管内沸腾，制冷剂离 开蒸发器时为过热蒸汽。在蒸发器出口保持制冷剂蒸汽有一定的过热度可以避 免压缩机产生液击，保证制冷系统有最大的制冷效应，但是通常过热度均不大。 从流体流向布置而言，许多传热学教科书均指出逆流布置时有更加的传热性能， 但是考虑到制冷剂在蒸发器中因压降引起蒸发温度的降低，故顺流布置时冷热 流体间更易保持均匀的温差。 2 3 2蒸发器的选择和设计 1 、蒸发器的选择 洁净空调机中使用的是翅片管簇式蒸发器，制冷剂在管内直接蒸发，用风 机强制通风，使管外空气降温除湿。 2 、蒸发器的设计 1 ) 、蒸发器的结构参数确定 选定冷却管紫铜管的管型，紫铜管外径瓯，紫铜管内径z ，铝套片翅片厚 度j ，翅片间距s ，管束按正三角形叉排排列，垂直于流动方向管间距s ，排 间距s ，沿流动方向管排数”，迎面风速嘶，铝片热导率数 ，沿气流方向管 排数n ，风机的风量g ，。 2 ) 、计算几何参数 每米管长翅片表面积 每米管长翅片表面积 ( s 马一手乩2 ) 2 a ，= _ 一 ( 2 1 8j 7 s ， 每米管长翅片间基管外表面积 a ：9)hndo(sj-,萝)(2-1 = 一 ，j s 一 每米管长总外表面积 a 。r = 盯r 十a b ( 2 - 2 0 ) 每米管长内表面积 a = 丌d( 2 - 2 1 ) 肋化系数 口 口= 盟( 2 - 2 2 ) q 肋通系数 肋通系数是指每排肋管外表面积与迎风面积之比，即 。：鱼：堕 n 丸。s 、 ( 2 2 3 ) 净面比 净面比是指最窄流通截面积与迎风面积之比，即 f 堕二盟垒二盟 s 1 s f 3 ) 、结构设计：传热面积、管长及外形尺寸 展小截面流速为 q = l 迎风面积 爿。= 盟 “f 总传热面积 如= a y a n 所需管长 三：生 d 0 ， 蒸发器高为 h = ”，s 蒸发器长 上：生 h 蒸发器宽 b = 懈、 4 ) 、传热温差 既。箍 f 2 z f 0 式中：。- s 一一进口空气干球温度，； 吐s 一一出口空气干球温度，； o 一一管内制冷剂的蒸发温度，。 5 ) 、传热计算所需要的传热面积 a o = 篙 式中：k 一一蒸发器传热系数，w ( m 2 世) 。 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 22 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 2 4 冷凝器类型选择及设计 2 4 1冷凝器的作用和工作过程 冷凝器实际上一种伴随有凝结相变的热交换器，制冷剂液体通过冷凝器吸 收冷左介质( 通常是水或空气) 的冷量凝结为液体。它在制冷系统中的作用是 对外输出热量，冷却冷却介质。 高压制冷剂进入冷凝时处于蒸汽状态。随着蒸汽在冷凝器内流动、放热， 蒸汽逐步冷凝为液体，含液率不断增加。制冷剂在管内冷凝，制冷剂离开冷凝 器时为过冷液体。在冷凝器出口保持制冷剂液体有一定的过冷度可以使系统的 制冷量增加，保证制冷系统有最大的制冷效应，但是通常过冷度均不大。从流 体流向布置而言，为了使冷凝器有更加的传热性能，采用逆流布置。 2 4 2 冷凝器的选择和设计 1 、冷凝器的选择 洁净空调机中使用的是卧式壳管式冷凝器，冷却水在管内流动，制冷剂在 管外流动。 2 、卧式壳管式冷凝器的设计要求 在设计制冷装置用冷凝器时，有关冷凝器的结构型式、材料选择、技术条 件、工艺要求等必须遵循或参照相应的规定和标准，如制冷装置用压力容器 ( 5 u t 6 9 17 9 3 ) 、钢制壳管式换热器( g b l5 1 ) 、制冷设备用技术规范 ( g b 9 2 3 7 ) 、以及单元式空气调节机组用冷凝器型式与基本参数( 5 b t 5 4 4 4 9 1 ) 等。 冷凝器的设计在满足传热需要和保证安全的前提下，应尽量减少传热面积， 减少材料消耗量，降低设各费用、减少安装面积及减小占用空间，同时，冷凝 器的结构应保证已冷凝下来的制冷剂液体能迅速排出。 一 3 、氟里昂卧式壳管式冷凝器的结构及设计 1 ) 、卧式冷壳管式冷凝器的整体结构 图2 8 为氟里昂卧式壳管式冷凝器的整体结构图，卧式壳管式冷凝器的外 壳为圆筒形，在壳体两端各焊接一块管板。小型制冷装置用卧式壳管式冷凝器 的管板直径一般与筒体外径相同，因此，在管板的周边应均匀分布6 个或8 个 螺纹孔( 不通