（制冷及低温工程专业论文）基于并联技术的汽车空调太阳能辅助系统研究.pdf

基于并联技术的汽车空调太阳能辅助系统研究 摘要 汽车空调是汽车中非常重要的部件，在提高汽车的舒适性和安全性方面有 着非常重要的作用。但是汽车在停车状态下传统的汽车空调不能对汽车内部进 行空气调节，这就造成了在烈日照射下的汽车车内温度过高，严重影响乘员的 舒适性和健康。随着太阳能电池技术的发展，光电转化效率提高，利用太阳能 制冷得到很大发展。 本文在研究基础上，设计了一款利用并联压缩机实现汽车停止状态下制冷 的汽车空调辅助系统，对系统的原理与结构进行分析研究，计算铺设了太阳能 板的汽车车内冷负荷，对压缩机并联系统的影响因素与解决办法进行研究。文 章对贴膜、遮光板、半导体制冷对车内空气温度影响进行试验，在试验数据基 础上进行分析，得出结论，贴膜、遮光板均能降低车内空气温度，但只有5 6 ，半导体制冷短时间内可以维持车内空气温度，但制冷量小且时间短，3 0 分 钟之后无法继续维持。在实验基础上证明并联压缩机设计的可行性，风扇加上 并联的压缩机总功率为9 6 3 6 w ，制冷量达到1 7 6 7 4 8 w ，实现制冷目的。太阳能 板一小时发电量o 2 2 5 k w h ，两小时发电量足以使辅助系统工作半个小时，完 全满足辅助系统的要求。 关键词：并联技术；汽车空调；太阳能辅助系统；冷负荷 s o l a r - a s s i s t e ds y s t e ms t u d yo fa u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e r b a s e do np a r a l l e lt e c h n o l o g y a b s t r a c t a i rc o n d i t i o n e ri sav e r yi m p o r t a n tc o m p e n to ft h e a u t o m o b i l e ，p l a y i n ga s i n g n i f i c a n tp a r ti ni n c r e a s i n gt h ec o m f o r ta n ds a l t y w h e nt h ea u t o m o b i l ee n g i n ei s o f f , t h et r a n d i t i o n a la i rc o n d i t i o n e rc a nn o tw o r ks ot h a tt h ei n d o o rt e m p e r a t u r eo f t h ea u t o m o b i l ew i l li n c r e a s et o oh i g hf o r t h ep a s s a n g e r st os t a y a st h ed e v e l o p m e n t o ft h es o l a rb a t t e r yt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e m e n to ft h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , t h es o l a re n e r g yi sw i d e l yu s e df o rr e f r i g e r a t i o n b a s eo nt h er e s e a r c h ，as o l a r a s s i t e d s y s t e m o fs t o p p e da u t o m o b i l ea i r c o n d i t i o n e ra c c o m p l i s h e db yp a r a l l e lc o m p r e s s o r si sd e s i g n e d t h i sp a p e rs t u d yt h e p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m ，c a l c u l a t et h ec o o l i n gl o a da n df i g u r eo u tt h e i m p a c tf a c o r sa n dr e s o l u t i o nm e t h o d sf o rt h ep a r a l l e lc o m p r e s s o r s s y s t e m t h e i n f l u e n c eo ft h ep a s t i n g f i l m ，o c c l u d e ra n ds e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o no nt h e a u t o m o t i v ei n d o o rt e m p e r a t u r ei st e s t e dr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t d a t a ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ev a l i dd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei sj u s t5 - 6 。ca n dt h e v a l i ds e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o nt i m et ok e e pt h ei n d o o rt e m p e r a t u r ei sn om o r e t h a n3 0m i n u t e s t h ep a r a l l e lc o m p r e s s o rd e s i g ni sv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t t h ew h o l ep o w e ro ft h ef a n sa n dt h ec o m p r e s s o r si s9 6 3 6w a n dt h er e f r i g e r a t i o n c a p a c i t yi s17 6 7 4 8w t h es o l a rp a n e lc a ng e n e r a t e s0 2 2 5 k we l e c t r i c i t yp e rh o u r t w oh o u r so fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yc a p a c i t yc a nm a k et h es o l a r a s s i t e d s y s t e m w o r kf o rh a l fa nh o u r , m e e t i n gt h en e e d so ft h es y s t e me n t i r e l y k e y w o r d s ：p a r a l l e lt e c h n o l o g y ；a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n e r ；s o l a r a s s i s t e ds y s t e m ； c o o l i n gl o a d 致谢 本论文是在导师左承基教授的悉心指导下完成的，在论文的选题，课题研 究，实验，论文撰写，修改过程中导师付出极大的心血，导师在科学研究中的 严谨，求实，民主的治学态度，渊博的知识，创造性的思维方法，使学生受益 匪浅，他的敬业精神以及在学习，生活上给与的关心和帮助让学生深受教育和 感动。两年多以来，作者的每一个进步和科研成果都与导师的谆谆教诲分不开， 在此，致以深深的谢意及崇高的敬意。 同时论文的完成过程中，倪宜华老师在实验装备的安装，调试以及最后实 验中给与作者极大的帮助，在此表示衷心感谢，唐景春老师在论文全过程中一 直给与作者帮助，谢谢您。感谢制冷实验室的兄弟姐妹们，你们的团结友爱， 勤奋睿智让我不会忘记研究生的生活是那么美好与充实。 感谢我的父母，你们辛勤劳作供我上学，使我的求学之路一路顺利走到现 在，我会在以后的工作和学习中加倍努力，不辜负你们对我的期望。 作者：赵灿 2 0 1 2 年4 月2 0 日 插图清单 图2 1 车内预冷系统示意图8 图2 2 装备双压缩机空调系统图9 图2 3 两台压缩机并联均油系统1 6 图2 - 4 带油分离器的多压缩机并联均油系统1 6 图2 5 平衡式两并联的回气管分配方式l 7 图2 - 6 两台压缩机并联的动态均油系统1 8 图2 7 多台制冷压缩机均油自动控制装置原理图1 9 图2 8 改进型气液分离器2 0 图3 1 制冷循环p h 图2 6 图3 2 并联压缩机图2 7 图3 3 翅片管结构2 8 图3 - 4 散热板及翅片与百叶窗尺寸示意图3 6 图4 一l 车内温度变化4 2 图4 2 太阳膜对汽车车内空气温度的影响4 3 图4 3 遮光板对于车内温度的影响一4 4 图4 _ 4 无太阳膜和遮光板时半导体制冷效果4 5 图4 5 有太阳膜和遮光板时开启半导体制冷系统温度变化规律4 6 图5 1 并联系统装置图4 8 图5 2 三通阀4 9 表格清单 表l l我国各地日照时数和总辐射。l 表3 1 我国几个城市8 月1 0 日的辐射强度( w m 2 ) 一2 2 表3 2 围护结构各方向的温度一2 3 表3 - 3 透过单层玻璃的太阳辐射强度q 6 = z g 乇+ b i s 一2 4 表3 - 4 透过玻璃传入的热量2 4 表3 5 不同停车方向时的总传入热量( w ) 2 5 表3 - 6 制冷循环过程各点热力状态参数一2 6 表5 1实验装置主要配置4 8 表5 2 双压缩机制冷系统实验数据5 0 第1 章绪论 1 1 太阳能汽车辅助空调研究背景 1 1 1 太阳能资源 太阳能是地球上所有能源的主要来源，每年通过辐射到达地球的太阳辐射 能折合成煤炭的话相当于1 9 0 万亿吨标准煤，当然被人们利用起来的仅仅是其 中极小的一部分，太阳的寿命是极长的，对于我们来说是无尽的，太阳能取之 不尽用之不竭，而且太阳能是清洁能源，不产生任何污染物。 安全，清洁，不需开采运输，是利用太阳能的好处，但是也有不利的方面， 太阳能总量是庞大的，但是分布太广，能源密度较低，受天气和昼夜条件影响 极大，其不稳定性和间断性一直是利用太阳能不可绕过的问题。 我国的太阳能资源十分丰富，尤其是华北和西北地区，日照时间长，是利 用太阳能的极佳地区。据统计每年我国陆地接收的太阳辐射总量大约相当于 2 4 0 0 0 亿吨的标准煤，全国总面积2 3 的地区年日照时间超2 0 0 0 小时( 如图1 ) ， 如果加以利用，可产生可观的效益。 表1 - 1 我国各地日照时数和总辐射 1 1 2 太阳能制冷应用现状 利用太阳能制冷是太阳能发展应用的一个重要方面，人们已经在这一方面 进行了大量的研究。目前利用太阳能的主要方式有光伏发电、光热利用、光化 学转换三种方式，应用于工程上的主要是光伏发电。 目前来说实现太阳能制冷主要通过以下方式： 先实现光与电的转换，将光能转化为电能，再利用太阳能电池来驱动压缩 机工作，实现制冷： 太阳能吸收式制冷：太阳能吸收式制冷是利用溶液浓度的变化来获取冷量 的装置，即制冷剂在一定压力下蒸发吸热。再利用吸收剂吸收制冷剂蒸汽。自 蒸发器出来的低压蒸汽进入吸收器并被吸收剂强烈吸收，吸收过程中放出的热 量被冷却水带走，形成的浓溶液由泵送入发生器中被热源加热后蒸发产生高压 蒸汽进入冷凝器冷却，而稀溶液减压回流到吸收器完成一个循环。 蒸发冷却技术：在典型的干热气候条件下，可直接把蒸发冷却器作为空调 使用，将空气加湿降温至比较舒适的范围，实现对干燥环境的温湿度调节，被 称为“沙漠空调”。 太阳能蒸汽喷射式制冷：通过太阳能集热器加热使低沸点工质变为高压蒸 汽，通过喷管时因流出速度高、压力低，于是在吸入室周围吸引蒸发器内生成 的低压蒸汽进入混合室。此混合气流经扩压后速度降低、压力增加而流入冷凝 器被冷凝。冷凝后的低沸点工质一部分经膨胀阀进入蒸发器，在蒸发器中气化 并吸收冷冻水的热量而达到制冷目的。 太阳能固体吸附式制冷：利用吸附制冷原理，以太阳能为热源，采用的工 质对通常为活性碳一甲醇、分子筛一水、硅胶一水及氯化钙一氨等，可利用太 阳能集热器将吸附床加热后用于脱附制冷剂，通过加热脱附一冷凝一吸附一蒸 发等几个环节实现制冷。 太阳能半导体制冷：利用半导体的热电制冷效应，通过太阳能光伏电池发 出的直流电驱动半导体制冷装置，适合于野外作业、郊游等缺电条件下小集 体的食品饮料保鲜等。 本文采用的是第一种方式，在车顶铺设太阳能板，转化光能，带动压缩机 工作实现制冷。 汽车空调能创造舒适的车内环境，对于汽车来说是很重要的。但是由于我 国汽车数量的快速增长，汽车停车位一直处于一种紧缺的状态。在炎热的夏天， 汽车露天停靠处于太阳的暴晒下，当车主打开车门，一股热流扑面而来，车内 温度往往超过5 0 c ，启动汽车空调后车内温度也需要一段时间才能降下来。 同时，汽车乘室内的高级装饰品和存放于汽车车内的电子产品如音响、机 器仪表等，都会因为高温而影响其性能和使用的寿命，另外，处于高温之下， 车内的一些装饰品如塑胶制品常常会发出极难闻的气味，这些会极大地危害驾 驶员和乘客们的身体健康。根据中国室内装饰协会曾经对数辆汽车进行的检测 发现，若是以室内的空气质量为参考标准的话，将近9 0 的汽车都存在车内空 气甲醛或苯含量超标的问题，在夏天，这一数值甚至会达到甚至超过平时的2 0 倍。 不开空调，汽车内的高温会让人非常难熬，开了空调，又要大大的增加汽 油的消耗量。随着汽油价格的节节攀升，离开汽车后不停汽车发动机是非常不 2 经济的，也是不现实的。本文提出的这种太阳能车内空气预冷系统，可以让乘 员在进入汽车前5 1 0 分钟时通过遥控器开启，使车内空气达到人体舒适的温度 之后再进入。 在寻求解决这个问题的诸多方法之中，利用太阳能带动汽车空调无疑是最 清洁环保与节能的。然而，由于汽车可铺设太阳能板的面积有限，以及太阳能 转化为电能效率的低下，想要带动几千瓦功率的汽车压缩机工作几乎是不可能 的，目前来说也是不现实的，本文提出以并联一个压缩机带动汽车空调制冷系 统工作，达到制冷的目的。 1 2 压缩机并联技术研究背景 压缩机并联系统今年来在国内发展起来的一个新型产品，将两台或多台压 缩机并联在同一个系统之中，共享冷凝器、蒸发器、储液器、毛细管等等制冷 部件，压缩机可同时工作，也可以单独工作，这样可以在系统冷负荷的匹配上 达到更好的效果。整个系统可以集中控制，方便操作。 在国外压缩机并联技术发展的较为成熟，特别是在一些发达国家，该技术 已经成为一项重要的制冷技术，在商用制冷市场占有重要地位。压缩机并联系 统目前主要应用于比较大型的制冷系统当中，在我国，大型冷库、大型商场、 低温物流配送中心均有此类系统的应用，并且渐渐成为主流趋势。 压缩机并联制冷系统高效节能、性能稳定、而且成本较一般系统低2 0 左 右，所以渐渐被人们认识和接受，成为大型商场、超市的主要选择，尤其是人 口比较密集的商业场所以及外资企业冷冻项目上，压缩机并联制冷系统已经逐 渐取代原有的单机制冷系统。 双压缩机并联系统或多压缩机并联系统多用于商用空调和大型中央空调 上，以其低成本，高效率逐渐普遍起来，随着家用空调的普及和人们对家用空 调器性能要求的不断提高，多压缩机并联系统正渐渐被用于家用空调器之中， 美的公司生产的双压缩机豪华柜机可以说是国内多压缩机系统的一个代表。然 而由于成本及效益比等原因，双压缩机并联系统目前在小型家用空调当中的比 例并不高，成熟的产品并不多。 在2 0 0 7 年，处于家电市场占主导地位的l g 电子推出了令人注目的“双芯 节能系统 双压缩机空调。其工作原理在目前变频压缩机技术的基础上有所突 破，解决了目前存在于变频空调中的多种弊端。在双压缩机并联系统应用于小 型家用空调的道路上迈出了坚实的步伐。美的也不甘其后，推出双压缩机豪华 柜机。值得一提的是涡轮压缩机以其无可比拟的优势，在多压缩机并联系统之 中得到越来越广泛的应用。 但是，由于国内采用多压缩机并联系统时间比较短，还没有制定出并联压 缩机系统的行业标准，使得多压缩机并联系统的设计应用不是那么一帆风顺。 尽管并联压缩机制冷系统已经成为了当前大型超级市场的主流产品，几乎所有 的的超级市场都在使用这项技术。但是由于设计单位与工程单位不能很好地协 调工作等多种原因使得国内并联压缩制冷系统还不够成熟。 与一般的空调系统相比，多压缩机并联空调系统的进一步发展与以下几个 方面关键技术密切相关： 1 ) 压缩机容量控制技术； 2 ) 冷媒分流的研究； 3 ) 系统润滑油平衡和低压回气平衡的研究。 其中，回油问题一直是制约着多机并联制冷系统发展的关键因素之一。因 为在同一个制冷系统当中使用多台压缩机并联，存在着润滑油能否顺利返回各 台压缩机的问题。 1 3 论文相关方面的研究现状 1 3 1 太阳能应用于汽车空调领域的研究现状 国内外制冷工作者在车用空调这一领域的研究已经做了大量工作，清华大 学的马国远对太阳能辅助电动汽车热泵空调系统进行了研究，介绍研制的电动 汽车热泵空调系统及其配用的双工作腔滑片压缩机的性能，依据测试样机的试 验结果分析了转速对该空调系统制冷量、输入功率及c o p 等性能的影响。指出 由太阳能辅助电动汽车空调可以使空调系统的制冷量增加8 左右，同时还能降 低汽车空调冷负荷的峰值。 海南大学机电工程学院的王高平对汽车太阳能制冷空调系统进行了应用研 究，其研究的汽车太阳能空调主要由硅型太阳能电池、半导体制冷片、测量控 制电路和散热器等等器件组成，具有结构紧凑、质量轻、安全性能好、无环境 污染等特点。介绍了汽车太阳能半导体制冷空调的工作原理和基本结构，对太 阳能半导体制冷空调系统进行了优化。 北京联合大学的张慧姝，王婧菁等从节能环保的方面对太阳能应用于汽车 上进行论证，得出肯定的结论。中南林业科技大学的钟吉湘提出利用余热与太 阳能驱动汽车空调系统，从原理、构造和自动控制三个方面上详细阐述了利用 发动机余热和太阳能驱动的汽车新型空调系统。 向军对汽车太阳能空调的原理与构造进行深入探析，叙述了汽车太阳能空 调的组成，各组成部分的作用，以及太阳能空调的优点。 厦门大学的连加椿、葛晓宏对太阳能在汽车辅助系统中的应用作了非常详 细的分析，他们认为汽车的太阳能空调具有运行费用低，无运动部件，寿命长， 无噪声等等有利方面。既节约了能源，还不用破坏大气层的氟里昂等有害物质， 是名副其实的绿色空调。随着光电转化效率的进一步提高，太阳能电池价格的 逐年下降，汽车太阳能空调研究的更深人研究，太阳能空调在汽车上的应用会 4 更加广泛和成熟。 香港理工大学研发出了以太阳能供电的汽车空调系统，采用双电源模式， 使汽车空调系统在汽车停止时仍能工作，减少有害气体的排放。 美国橡树岭实验室的m e iv c ，c h e nf c 等人对太阳能应用于汽车空调冷却 技术的可行性进行了研究，建立数学模型，对t e 空调器性能和电力消耗进行 了理论分析。得出结论，车停在阳光下，假设覆盖车顶面积紧凑，只能产生大 约2 2 5 w 的电量，这对于维持车内空气流通的风扇来说是足够的，从而大大降 低了高峰冷负荷。 韩国学者ghl e e ，jyy o o 就由层叠式蒸发器、斜盘式压缩机、平行流 式冷凝器、储液干燥器和外平衡式热力膨胀阀组成的汽车空调系统进行了性能 分析和仿真，研究分别分析了在不同压缩机转速下冷量和c o p 随制冷剂充注量 和冷凝器尺寸的影响。 以色列的e l a z a r i a m i 对太阳能空调系统进行研究，对其原理进行了阐述。 韩国学者d o n g s o oj u n g ，b o n g j i np a r k ，h y u n c h u ll e e 对汽车空调使用的制 冷剂进行了分析研究。另外，h m e t i ne r t u n c ，p a t c h a r i ns a e c h a n ，p e g ah r n j a k 等学者都从不同侧面对换热器进行了专门的研究。 1 3 2 压缩机并联技术研究现状 1 9 7 4 年丹麦学者pvn i l s e n 首次将计算流体力学c f d 技术用于计算室内 空气流动。数值模拟技术开始应用于暖通空调( h v a c ) t 程领域，相比较传统的 模型实验和经验公式预测流体的流动和传热而言，c f d 技术具有成本低、速度 快、资料完备等优点，因而逐渐获得越来越广泛的应用。 讨论到回油问题，两个显著的问题必须得到关注。第一就是润滑油与制冷 剂的兼容性必须达到最佳，以确保润滑油流过冷凝器，膨胀阀和蒸发器能顺利 返回压缩机。出于对环境的关注，新型替代制冷剂的研究进行的如火如荼，研 究的焦点集中在制冷剂一润滑油混合物的热物性以及混合物对制冷剂的影响。 第二个需要关注的问题是制冷系统中制冷剂气体的速率和管路的结构。多机并 联系统中压缩机与压缩机之间的相互影响。部分负荷下，系统则需要作适当的 修改以确保回油和回气的正常进行。 1 9 9 6 年，j l r e y e s g a v i i a n 对运用r 1 3 4 a 制冷剂的家用空调系统中应用两 种不同的润滑油( n a p h t e n i ca n dp o l y o le s t e ro i l ) 作了分析比较，对制冷剂的流动 作了分析研究。并与之前s q u n d a r e s a n 等对热泵系统中r 2 2 与矿物油的流动 作了理论比较。同年s g s u n d a r e s a n 对开式热泵系统中回油特性作了研究。这 些研究支持在小容量制冷系统中应用p o e 油和氟利昂制冷剂。 2 0 0 0 年s a m ic e mk e s i m 等对上升直管中回油速度进行了研究，研究发现 设计中制冷剂气体的流动速度必须满足大干最小带油流动速度。1 9 9 9 年 s d e v o t t a 等对密封压缩机与润滑油和替代制冷剂的兼容性作了测试； 1 9 9 8 年a s h r a eh a n d b o o k 中提到在吸气管上升立管上建立回油弯，对制 冷系统来说是个不小的进展，多余的润滑油可以储存在油弯里，当系统缺油时， 润滑油可以依靠气流速度带进压缩机。 2 0 0 3 年e r i cl w i n a n d y 等对两台抠缩机部分负荷下回油情况进行了实验研 究。作者在两台压缩机之间的正常油位处安装了一根同时控制油平衡和压力平 衡的管路。并存管路中间设置窥油镜。对两台压缩机全开、只开一台、一台正 常运行另一台间断运行的情况进行了实验研究。两台压缩机均开启的情况下， 两台压缩机的油位并不在同一高度，一台比另一台相差2 c m ，作者的解释是可 能吸气管道存在压降等造成了进入两台压缩机的油量不等，亦或两台压缩机存 在微小的不协调从而导致两台压缩机存在压力梯度。 国内的研究中1 9 9 9 年张关荣对常用的几种多压缩机并联回油方法如曲轴 箱上加装均压管和均油管等方法进行了分析比较，并指出对于三台或三台以上 压缩机并联的制冷系统要设置集管。 2 0 0 0 年黄东，袁秀玲对并联压缩机系统的动态回油方法进行了研究，设置 不对称的回气分配管，从而建立了并联压缩机的曲轴箱压力梯度，从总管到各 支管的压降各不相同，并且有拦截回油的作用，该管路配置可以实现均油，但 同时指出，对于三台以上的情况，压缩机的开启是有顺序的，而且在富油或缺 油的情况下均易造成压缩机故障。 2 0 0 1 年清华大学邵双全等对多压缩机并联空调系统回油进行了实验研究， 作者在两台压缩机并联空调系统实验研究中发现，该系统能在定速与变频几种 组合情况下长时问安伞工作。但主要适用于中、大型变容量系统。 2 0 0 3 年梁彩华，张小松等提出了运用改进型气液分离器实现回油回气平 衡，该方法是在u 型管气液分离器的基础上，加装与压缩机数量相等的u 型管， 利用自身特殊结构，通过回油孔实现回油，通过初步理论分析，证明了该方法 是一种值得深究的均油方式。 2 0 0 5 年孙振、李连生等运用平衡技术对多压缩机并联压缩机回油管路配置 进行了分析，各压缩机之间的曲轴箱气压和油位高低是通过连通管( 油气平衡管) 来实现的。所有管路的直径是均等的。利用自身结构实现回油，并提出了混合 配置管路的方法。 1 4 课题来源及本文主要工作 课题来源： 由现实需求自行命题，夏天在汽车停止时，汽车空调不工作的情况下，车 内温度会急剧升高，带来许多对人体健康不利的问题，目前还没有可以直接解 决这个问题的方法，作者试图通过研究找出一种可行的办法来解决这个问题。 本文主要工作： 6 ( 1 ) 对汽车空调太阳能辅助系统的原理及结构进行研究，根据文献分析研 究并联压缩机的均油方法； ( 2 ) 对铺设太阳能板的汽车进行车内冷负荷计算，分析汽车温度的影响因 素，并对蒸发器冷凝器进行优化设计； ( 3 ) 实验分析贴膜、遮光板、半导体制冷系统对汽车车内温度温度的影响， 分析其优缺点； ( 4 ) 对试验样机进行了验证试验，以及数据处理。 7 第2 章辅助系统原理与结构研究 汽车的内部空问有限，所以限制了加装各利，部件的数量，人小。压缩机并 联系统不仅节省了大量的汽车内部空问，而且可以在汽车停止时对汽车进行制 冷工作，对于并联压缩机来说，影响其工作时问的主要是太阳能电池所蓄存的 电量，天气因素比较重要。 2 1 太阳能辅助系统组成与工作原理 太阳能汽车辅助系统组成如图2 1 所示，m 太阳能电池板收集能量，储存 在蓄电池中，作为本文太阳能汽车辅助系统的全部动力来源。采用压缩机并联 的方法，利用双位三通电磁阀将本文电动压缩机与汽车原有制冷系统中的压缩 机并联。冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、风机均采用原有制冷系统部件。 7 1 - 汽车空调系统原有压缩机2 一电动压缩机3 逆变控制器4 一蓄电池5 一太冈1 能板6 一平行流 冷凝器7 一轴流风机8 一热力膨胀阀9 一离心风机1 0 一平行流蒸发器1 1 - 二通阀 图2 1 车内预冷系统示意图 整个太阳能汽车辅助系统由汽车空调系统原有压缩机、电动压缩机、逆 变控制器、蓄电池、太阳能板、平行流冷凝器、轴流风机、热力膨胀阀、离心 风机、平行流蒸发器、三通阀组成。 工作原理：在汽j 停止状态下，汽车空调系统原有压缩机是不工作的，经 遥控器启动电动压缩机、离心风机、轴流风机，制冷剂从压缩机出发，流经蒸 发器，热力膨胀阀，冷凝器再回到压缩机，完成一次制冷循环。 百 2 2 多压缩机并联系统均油方法研究 相比较单台压缩机制冷系统，多压缩机并联制冷系统不仅可以获得更大的 制冷量，降低压缩机的设备费用，更主要的是多压缩机并联制冷系统在不是负 荷的状态下可以实现功率的多级调节，从而实现最大的能效比，节能的效果十 分显著。但是，润滑油从压缩机离开后能否均匀的回到各台压缩机一直是制约 着多压缩机并联系统发展的关键性问题，本章节对目前研究中几种常用的均油 方式进行描述，重点讲述新型均油装置一一改进型气液分离器。 2 2 1 多压缩机并联制冷系统理论研究 1 一压缩机；2 一单向阀：3 一压缩机；4 一单向阀； 5 一四通阀；6 一冷凝器；7 一外机温度传感 器；8 节流机构；9 内机回风温度传感器；1 0 蒸发器：1 1 内机蒸发温度传感器； 1 2 一 特殊结构的储液器 图2 2 装备双压缩机空调系统图 如图2 2 ，是目前某厂家生产的双压缩机豪华机柜的空调系统图，这项技 术已经接近成熟，用于生产生活之中。 图示空调系统工作过程：压缩机出来的高温高压的气体先流过单向阀，流 经四通阀后进入冷凝器，在冷凝器之中冷凝成高压液体，放出热量，经节流结 构之后成为低温低压的液体进入蒸发器，蒸发器内的制冷剂蒸发，吸收热量， 变成低温低压的气体，再流经四通阀和储液器，进一步过滤未蒸发的液体，制 冷剂经吸气管进入压缩机压缩，完成一个制冷循环。 当外界环境需要的负荷较小时，可以关闭其中的一台压缩机，另一个压缩 机单机工作，这样一来就可以节省能源。系统中两个压缩机的容量并不相同， 一台大一台小，在负荷产生变化时，可根据室内冷负荷的大小自动开停任意一 台或两台压缩机，这样就可以实现冷量的控制。 9 当然如果其中一台压缩机就能满足室内冷量的需要，则尽量不要开启另一 台压缩机，因为频繁的开启和关停压缩机会增加对电网的冲击。外机温度传感 器的作用则是当室外温度处于比较高的情况下，一旦传感器测出的温度超过我 们的设定值时，停开其中一台压缩机，另一台继续运行，而普通空调在该情况 下均会停止工作，这也是双压缩机空调系统相对于普通空调系统的优势所在。 不过如果继续测量还是超过设定值，则需将两台压缩机全部关闭。双压缩机空 调系统在单压缩机运转的情况下，系统能效比有显著提高，比系统在满负荷条 件下运转至少省电三分之一。 对传统型的变频式多联机系统的结构和运行控制作出进一步的改造和完善 是目前多压缩机并联系统研发的主导思想，研究以追求系统运行能效比的最大 化为目标。目前存在的多压缩机并联系统主要有两种：一种是一台变频式压缩 机可以实现变转速的变容调节，另外的压缩机均为定频、定转速、不可变容型； 另外一种则是并联组合运行的全是变频式压缩机。所以当前适应负荷变化的调 节方式只有变频式压缩机转速调节与定频转速压缩机相结合共同作用来达到效 果。 例如一个三机并联的制冷系统，一台变频式压缩机搭配两台定频式的压缩 机，每台压缩机的容量均为5 h p ，三台压缩机的总容量为1 5 h p ，当负荷在l h p 5 h p 的范围内变化时，只需开启一台变频压缩机，这台压缩机的容量满足需求，容 量可以实现从10 到1o o 的范围内的调节；当冷负荷超过5 h p ，如8 5 h p 时， 变频压缩机即使以最高频率和最高转速运行也不能达到要求，控制器便自动控 制，让第l 台定频压缩机启动，从而增加了5 h p 的容量，变频压缩机则自动动 降低频率和转速，只需满足3 5 h p 的容量即可满足要求，借助于变频压缩机不 断从低频率到高频率的渐变调节和从最大容量到最小容量的转换运行，以及定 频式压缩机的依次启动，可实现从l h p 一1 5 h p 的调节，变频压缩机始终处于运行 状态，变频压缩机才是整个多联机空调系统的核心。而全是变频式压缩机组成 的多压缩机并联系统，则是可以实现任何一台压缩机均可作为制冷系统的核心， 不过变频压缩机的价格相对较高，出于对经济实用方面的考虑，一般很少有全 是变频式压缩机组成的多压缩机并联系统。 多压缩机并联制冷系统有以下几个优点： 可以根据实际需要实现变冷量输出，不会造成能源浪费； 多压缩机并联系统的使用实际上可获得更大的制冷量，还可以在负荷比较 小的季节里停运其中一台或几台压缩机，实现机组多级能量调节并提高部分负 荷的能效比； 部分负荷下运转时系统相较于普通空调系统具有较高的能效比。 目前在国内外市场中，匹数在3 匹及3 匹以上的压缩机当功率以倍数增长 时，价格是则以指数形式增长。因此，无论是定速压缩机并联系统还是变频压 1 0 缩机为核心的制冷系统，多压缩机并联系统在大匹数制冷系统中具有很大大的 成本优势，以1 5 h p 压缩机为例，并联系统的压缩机价格较整机价格低2 5 左 右，这也是目前国内外大型商场，超市以及大型冷库中多压缩机并联系统越来 越普及的重要推动因素。 有研究人员分别对单台压缩机制冷系统和两台相同功率压缩机并联系统在 相同条件下进行了对比实验研究。实验结果发现，在标准工况下，单台压缩机 制冷系统制冷量为1 0 0 4 k w 而并联系统则是9 8 2 1 k w ，第二次单台压缩机制冷系 统制冷量为1 0 3 1 k w 而并联系统则是1 0 2 5 5 k w 。 并联机系统相对于单机系统制来说制冷量和能效比都有所降低，但是并联 系统的机组具有的多级能量调节优势是常规机组无法比拟的，特别是在负荷小 于额定功率时并联系统运行节能效果十分显著。作者对并联系统进行了部分负 荷运行下的实验研究，发现在部分负荷工况下运行时，并联系统机组的能效比 提高了近7 ，而且压缩机的压缩比、排气温度都有所降低，从而使压缩机能 在更好的条件下运行。 有实验人员对变频压缩机与定速压缩机并联的空调机组与单台变频压缩机 的空调机组能耗情况作了对比研究，他们分析了两个指标：两个空调机组的能 效比e e r 和部分负荷性能系数i p l v 。 实验对象为两个3 6 8 k w ( 5 匹) 的空调机组，其中第一个机组的室外机是 由一台变频压缩机和一台定速压缩机并联组成，两台压缩机的功率相等，都是 2 5 匹，称为双压缩机并联系统；另外一台空调机组除了室外压缩机是由一台 功率为3 6 8 k w 的变频压缩机代替上述的两台并联的压缩机以外，其他均不变， 为方便描述，以下简称为单压缩机空调机组。 部分负荷额定性能工况，为室内环境干球温度2 7 o ，湿球温度1 9 0 ， 室外环境干球温度2 7 o 的条件下，为比较双压缩机和单压缩机系统在各种负 荷下的能效比，将两种空调机组的负荷需求从l k w 至1 5 k w 分1 5 个级别。实验 结果表明：双压缩机并联系统的能效比总是大于单压缩机系统：在1 5 种负荷需 求情况下，双压缩机的平均e e r 是3 6 w w ，单压缩机空调机组的则是3 1 w w ，前者比后者提高了l6 。由此可以认为：在机组功率相同的情况下，变 频机组中的定速压缩机的台数越多，空调机组的高能效比范围越广。而实验数 据计算得到的情况如下：双压缩机空调机组的i p l v 为3 6 7 ，单压缩机空调机 组的i p l v 为3 2 l ，双压缩机比单压缩机的i p l v 提高了1 4 1 5 。由此可见， 在部分负荷下，用双压缩机替代单压缩机的多联式空调机组，节能效果显著， 这个研究表明，定频压缩机是能有效提高能效比e e r 和部分负荷性能系数i p l v 的，在情况允许时，并联定频压缩机是必要地。 在文献试验研究中，研究人员对单、双压缩机的季节能效比s e e r 进行了 实验研究，根据实验结果比较分析得出全年耗电晕及节电罱。与使用定频压缩 机的空调器相比，采用双压缩机的空调机组节能效果是明显的。研究人员对基 本覆盖我国各地气候的六个城市的s e e r 值和耗电量进行记录分析比较，六个 城市的平均综合节能率为2 2 1 2 。通过经济性分析，得出六个城市的综合年 度成本平均节约率为6 2 9 ，虽然这不是一个非常高的数据，但是我们应该看 到随着科技进步，未来这个经济效益会进一步提高的。 有研究发现变频式压缩机在3 0 h z 一一8 0 h z 区间运行时，c o p 较其他频率 段偏高，因此如果能够让变频式压缩机始终保持在这一区间运行，可获得非常 不错的节能效果。研究同时指出在两台相同的单级压缩机并联运行时，一旦制 冷系统的负荷超过了主压缩机的制冷量，另外一台压缩机就必须启动运行来增 大制冷量，满足制冷要求。因此如何最佳地分配两台压缩机的负荷，成为一个 研究内容，总负荷的大小、压缩机的类型和容量都会对系统的运行效率以及能 效比产生很大影响。两台相同的螺杆压缩机并联运行时，两台压缩机负荷比不 同是系统运行效果也不相同。当部分负荷率低于0 6 时，两台压缩机负荷相同， 系统能获得最佳运行效果：高于0 6 时，两台压缩机按一定的负荷比运行，能 效比则较好。 2 2 2 润滑油对制冷系统性能的影响 润滑油是制冷系统中一个不可忽略的元素，它对压缩机的正常工作有着十 分重要的意义。因此，对润滑油在制冷系统各部件的影响要有一定程度的了解， 在现在环保新型制冷剂空调系统的开发过程中，压缩机所使用的润滑油是进行 开发研究是关键的课题之一。因为在压缩机的开发设计过程中，不仅要考虑到 润滑油是否能够满足压缩机的性能要求，还要充分考虑润滑油对整个制冷系统 的适应程度。 l 润滑油对制冷系统的影响 制冷系统各部分对润滑油的要求各不相同，一般来说压缩机对润滑油的要 求是最高也是最多的，良好的润滑性，抗泡沫性是压缩机对润滑油的最基本要 求，同时要求润滑油与制冷剂共存时有较高的化学稳定性和互溶性，几方面都 满足的润滑油才可以使用；蒸发器和冷凝器则是要求制冷剂要与润滑油有很好 的互溶性，这样才能顺利工作，同时蒸发器还对润滑油提出有优良的低温流动 特性，不亲水等性质的要求；节流部件对润滑油的要求则是无腊状物絮状分离 特性和不亲水的性质，以保证不被堵塞。 2 润滑油对压缩机的影响 对压缩机相互摩擦的部位起到润滑作用就是润滑油的最基本作用，尽量减 少各运动部件之间相对运动产生的摩擦损耗。压缩机的润滑油系统具有润滑、 冷却、密封等作用，润滑油不仅要保证压缩机润滑的有效性，而且应使得压缩 机的工作性能较为理想，所以说润滑油的性能制约着压缩机性能的进一步提高。 随着压缩机制造技术的发展，产品的优化设计和参数的合理匹配是压缩机设计 1 2 的研究方向之一。这节主要讨论含油量对压缩机性能的影响。 据文献记载，当压缩机的润滑油含油量小于7 时，随着含油量的增加压 缩机的容积效率会明显升高，这是由于在含油景较低时，随着含油最的增加， 压缩机密封性能得到提高，气阀处流动阻力增加，实际吸气眶力降低，吸气比 容增加，使得容积效率提高；而当压缩机润滑油的含油量超过9 1 时，随着 含油量的增加，压缩机容积效率会有较大程度的减少，原因为当含油量过大时， 润滑油会占有一定的工作容积，减少了压缩机有效的吸气容积。同时润滑油和 制冷剂的混合物粘度增加造成排气流动的阻力损失以及运动部件间的摩擦损失 变大，耗功就会增加，导致容积效率降低。由此得出结论，压缩机想要获得较 佳的工作性能，必须保证压缩机润滑油的含油量在7 一一9 1 之间。 压缩机的含油量对轴功率有不小的影响，压缩机的轴功率随着含油量的增 加会出现先减小后迅速上升的情况。当含油量低于6 时，影响容积效率和压 缩机轴功率的主要因素是泄漏，由于润滑油不足，压缩机密封性能较差，部分 制冷剂会由高压端泄漏到低压端；当含油量大于1 0 7 时，由于含油量过大， 润滑油占有一定工作容积并溶解了部分制冷剂，减小了有效的吸气容积，同时 排气流动阻力增加使得耗功增加，由排气流动损失和相对运动部件间摩擦造成 功率损失的增加。 含油量对排气温度也有影响。压缩机的排气温度几乎和含油量成线性变化， 随着含油量的增加，压缩机的排气温度下降。因为含油量的增加意味着制冷剂 量的减少，降低了压缩效果，同时压缩腔内的润滑油的冷却作用使排气温度降 低。 3 润滑油对蒸发器和冷凝器的影响 对润滑油对制冷系统的影响进行研究后发现，蒸发器受到润滑油的影响是 最大的。s t e v e n 和t h o m a s 等研究水平管内r 13 4 a 含酯类油的蒸发过程时发现， 当r 1 3 4 a 所含润滑油量低于4 3 时，蒸发传热明显增大。而含油量较多时， 由于蒸发器中的气体几乎都是制冷剂气体，润滑油气化很少，蒸发过程进行下 去，液体中的含油量会进一步增加，在换热器内表面形成油膜，换热效果会随 着换热系数的降低、增大的传热温差而降低，蒸发传热量减小。同时蒸发器出 口处的液体中润滑油溶解部分制冷剂，这部分制冷剂无法相变，导致制冷量减 小，制冷效果降低。 当制冷剂的含油量达到5 时，与无润滑油时相比，压降增大一倍，压降 的增大，有利有弊，一方面压缩机吸气压力会减小，造成压缩机压缩效率的降 低，制冷量减小：另一方面，压降增大润滑油中溶解的制冷剂容易释出，导致 蒸发器的换热效果提高，增大制冷量。在蒸发器末端，由于润滑油的粘度比制 冷剂的粘度要大很多倍，随着制冷剂的蒸发，以及温度升高所造成的制冷剂在 润滑油中溶解度的降低，导致混合物中润滑油含量越来越高，混合物的粘度逐 渐增大，导致蒸发器的换热系数会减小而压降增加。 由l o t t i n a 的实验结果可知，冷凝器内换热系数达到最大值时制冷剂中含油 量极小，润滑油含量增加会降低冷凝器的换热系数，同时由于润滑油与制冷剂 部分或全部互溶，温度降低，制冷剂粘度增大，从而导致压降增大。就总影响 来说，润滑油的存在导致冷凝器传热温差增大，冷凝压力升高，减小制冷剂在 冷凝器中的换热。 4 润滑油对毛细管的影响 制冷剂含油量影响毛细管流量中起主要作用的是润滑油，影响通过粘度和 张力来实现，二者引起毛细管流量的变化呈相反趋势。润滑油的粘度比制冷剂 的粘度要大很多倍，制冷剂中即使含少量油，也会导致混合物粘度的大幅度增 加，流动阻力增加，减小毛细管流量；润滑油的表面张力远远高于制冷剂的表 面张力，制冷剂中含油会使混合物的表面张力增大，从而阻碍制冷剂蒸发，使 汽化欠压增大，延缓制冷剂的蒸发，从而增加毛细管的流量。 由s a m u e i 的实验结果可以得知，当毛