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制冷系统与空调器设计 2020年4月12日星期日 1 一 空调器的历史 1 我国利用天然冰制冷的最早为 诗经 中记载的 二之日凿冰冲冲 三之日纳于凌阴 凌阴即是冰窖 2 1748年英国人柯伦证明了当乙醚在真空下蒸发时可产生冷效应 3 1805年美国的爱文斯提出了一个压缩式制冷封闭循环 4 1834年 美国人铂金斯获得了乙醚在封闭循环中膨胀制冷的英国专利 并运转了一台铂金斯提出的压缩式制冷机制得了冰 5 1844年 美国人戈里在美国弗罗里达州发明了世界上第一台制冷和空气调节用的机器 并申请了专利6 1862年 英国人基尔克发明了封闭式循环的空气制冷机 也申请了专利 7 1872年英籍美国人波义尔发明了第一台氨压缩机 8 1874年德国人建造了第一台氨压缩式制冷系统 9 1929年美国人密其莱在美国通用电气公司的实验里首次发现了氟里昂R12 2 10 1858年 美国人尼斯取得了冷库设计第一个专利 这是商业上食品冷藏事业发展的开始11 1902年 美国人威利斯 开利 WillisH Carrier 博士发明了第一套空气处理系统 首次向世界证明了人类对环境温度 湿度 通风和空气品质的控制能力 12 1918年 美国工程师考不兰发明了第一台家用电冰箱 13 1985年 由南极科学考察和卫星照片 人们发现了南极上空的臭氧层空洞 14 1974年 Molina和Rowland首次提出了氟氯烃类物质 CFC 破坏臭氧层的理论 15 1983年 日本首台变频空调问世 16 1985年 在澳大利亚的Multistack工厂发明世界上第一个模块化冷水机组 17 1985年 国际社会签定了 保护臭氧层维也纳公约 18 1987年 26个国家在加拿大的蒙特利尔市签署了 破坏臭氧层物质管制的蒙特利尔议定书 限制CFC和哈龙类物质的使用 19 1988年 在多伦多召开的第一次世界气候大会提出 到2050年将全球二氧化碳的排放量减少50 3 20 1992年 中国远大研制出了中国第一台直接以燃料为能源的吸收式冷温水机 直燃机 21 1993年 中国首台变频空调问世 22 1997年 140多个国家签定的京都议定书提出六类温室气体的一揽子减排计划 卤代烃包括在其中 六类温室气体是 煤和石油等化石燃料的主要产物二氧化碳 它是导致温室效应的罪魁祸首 农业活动和垃圾产生的废气甲烷 汽车废气成分一氧化二氮 工业废气全氟化碳 氢氟化碳化合物和硫化物 2000年的二氧化碳排放大国中 美国以24 居第一 俄罗斯以6 居第三 日本以5 居第四 23 1998年 中国签署 京都议定书 2002年核准了这一议定书 24 2005年 京都议定书 正式生效 成为具有约束效力的国际法律 25 一台专门为家庭设计的燃气式空调2003年 月下旬在湖南长沙问世 4 二 制冷系统基本知识 制冷 从低于环境的物体中吸取热量 并将其转移给环境介质的过程 制冷机 完成制冷循环所必需的机器和设备的总称 制冷装置 将制冷机同使用冷量的设施结合在一起的装置 如冰箱 空调机等 制冷剂 除半导体制冷以外 制冷机都是依靠内部循环流动的工作介质来实现制冷过程 完成这种功能的工作介质 称为制冷剂 也称制冷工质 俗称雪种 1 定义 5 2 制冷的基本原理 由于热量只能自动地从高温物体传给低温物体 因此实现制冷必须包括消耗能量的补偿过程 制冷机的基本原理 利用某种工质的状态变化 从较低温度的热源吸取一定的热量Q0 通过一个消耗功W的补偿过程 向较高温度的热源放出热量Qk 在这一过程中 由能量守恒得Qk Q0 W 6 3 制冷的基本方法 为了实现能量转移 首先必须有使制冷剂能达到比低温环境介质更低的温度的过程 并连续不断地从被冷却物体吸取热量 在制冷技术的范围内 实现这一过程有下述几种基本方法 相变制冷 利用液体在低温下的蒸发过程或固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸取热量 普通空调器都是这种制冷方法 气体膨胀制冷 高压气体经绝热膨胀后可达到较低的温度 令低压气体复热即可制冷 气体涡流制冷 高压气体经过涡流管膨胀后即可分离为热 冷两股气流 利用冷气流的复热过程即可制冷 热电制冷 令直流电通过半导体热电堆 即可在一端产生冷效应 在另一端产生热效应 7 4 单级压缩蒸气制冷循环 蒸气压缩式制冷机是目前应用最广泛的一种制冷机 有单级 多级和复叠式之分 单级压缩蒸气制冷机是指将制冷剂经过一级压缩从蒸发压力压缩到冷凝压力的制冷机 单级制冷机一般可用来制取 40 以上的低温 普通的空调器都是利用单级压缩蒸气制冷机的原理制造的 单级压缩蒸气制冷机的由以下几个基本组成部份 压缩机冷凝器节流机构 毛细管 蒸发器制冷剂 8 单位制冷量 q0 h1 h6单位冷凝热量 qk h2 h5单位消耗功 w h2 h1 制冷系数 EER q0 w A 压缩机B 冷凝器C 节流机构D 蒸发器 单级压缩蒸气制冷机的流程图与lgP h图 9 压缩机 它的作用是将蒸发器中的低温低压制冷剂蒸气吸入 并压缩到高温高压的过热蒸气 然后排到冷凝器 常用的压缩机有活塞式 转子式 涡旋式 螺杆式和离心式等等 家用空调器中常用的压缩机有转子式 涡旋式与活塞式 压缩机有定速压缩机和变频压缩机 现在最新的有变容量的压缩机 例如谷轮 数码涡旋 压缩机可以在10 100 之间调节输出量 运用布里斯托的 TwinSingle 技术 当活塞正转时100 能量输出 当活塞反转时50 能量输出 切换时要等待3分钟 谷轮的EVI喷气增焓压缩机 相当于小汽车里的 涡轮增压 在排量不变的情况下 可以大幅提高空调器的制冷能力和低温下的制热能力 但主要是应用低温下提高制热量的功能 普通的家用空调器节流结束时大约有20 的制冷剂会闪发成气体 制冷剂没有蒸发就闪发成气体降低了空调器的性能 10 1 传统设计方法 选压缩机选冷凝器选蒸发器估算制冷剂充注量匹配制冷系统制冷系统设计规范 三 家用空调器的设计 11 2 计算机辅助设计方法 计算机CFD技术设计风机风道计算机CFD技术设计换热器的翅片计算机模拟换热器的流路设计 整机性能模拟计算机辅助设计带来的高效率与定性分析计算机辅助设计存在的问题 12 1 逆卡诺循环的制冷系数 逆向循环是一种消耗功的循环 所有的制冷机都是按逆向循环来工作的 当高温热源与低温热源的温度不变时 具有两个可逆的等温过程和两个等熵过程的逆向循环称为逆卡诺循环 四 高能效空调器的设计原理 13 如图所示的逆卡诺循环T s图 制冷剂放热时的温度与高温热源的温度均为T2 制冷剂吸热时的温度与低温热源的温度均为T1 放出的热量为 q2 T2 s1 s4 吸取的热量为 q1 T1 s1 s4 消耗功为 w q2 q1 T2 T1 s1 s4 制冷系数为 EER0 q1 w T1 T2 T1 结论 逆卡诺循环的制冷系数只与高温热源与低温热源的温度有关 T2降低与T1上升都会提高制冷系数 而T1提高对其影响更为显著 14 2 不可逆卡诺循环的制冷系数 如图所示的不可逆卡诺循环T s图 制冷剂放热时的温度为Tk 高温热源的温度为T2 制冷剂吸热时的温度为T0 低温热源的温度为T1 则制冷系数为 EER1 T0 Tk T0 T1 T2 T1 任何一个不可逆循环的制冷系数总是小于相同热源温度时的逆卡诺循环的制冷系数所有的实际的制冷循环都是不可逆循环 15 3 循环效率 热力完善度 循环效率是表示实际循环的完善性接近可逆卡诺循环的程度 定义为 EER1 EER0在两个热源温度不变的情况下 提高 或EER1的方法有 降低Tk温度升高T0温度同时降低Tk温度和升高T0温度 16 4 循环效率 热力完善度 曲线图 高温热源 35 低温热源 27 17 5 如何提高空调器的EER 从制冷系统上说 降低冷凝温度Tk和升高蒸发温度T0都可以使EER上升采用高效的压缩机适当加大冷凝器 加大室外机的风量 使Tk下降适当加大蒸发器 加大室内机的风量 使T0上升合理安排流路 提高换热效率 减少管路中的能量损失利用高效的换热器 例如 用内螺纹管代替光管用新型的高效内螺纹管代替普通的内螺纹管微通道换热器从整机上说采用高效的直流电机代替交流电机采用直流变频压缩机代替普通定速压缩机或交流变频压缩机冷媒充注量尽量少采用排量较大的变频压缩机代替排量较小的变频压缩机 以较低的频率来做额定制冷 制热的主频加大内外机风量的同时要考虑风机功率的增加 从整机上说 不一定是风量越大EER越高制冷系统要匹配到一个最佳状态 18 某压缩机在不同的冷凝温度与蒸发温度下的性能 可以看出蒸发温度不变 冷凝温度下降时压缩机的能效提高 压缩机电机的效率也提高冷凝温度不变 蒸发温度上升时压缩机的能效提高 压缩机电机的效率也提高冷凝温度下降 同时蒸发温度上升 更有利于压缩机的能效提高 19 20 6 高EER空调器的热交换器设计 铜管铝箔换热器长U管管径的影响内螺纹型式的影响采用新型的内螺纹铜管 能效比普遍提高4 以上 最高达12 不同流路的影响铝箔的影响其它型式的新型换热器微通道换热器 平行流换热器 全铝换热器 采用W110钣金 单排平行流冷凝器 宽16mm 室内机借用KFR 26G DUY Q2 EER可达3 7 全铜换热器 铜箔的亲水性有待研究 椭圆长U管换热器椭圆长U管可以有效的减小尾流的影响 可以比普通的圆型长U管提高换热系数 21 22 7 长U管管径的影响 不同的管径的长U管有不同的换热性能与阻力相同流量下 管径越小 换热系数越大 相同流量下 相同管径 内螺纹管换热系数比光管的大 不同齿型的内螺纹管换热系数也不一样相同流量下 管径越小 阻力越大 相同流量下 相同管径 内螺纹管阻力比光管的大 具体见下面的曲线图 23 24 25 26 27 8 不同流路的影响 在冷凝器设计中 应当分合适的流路 不同路的入口应当尽量靠近 出口也应当尽量靠近 进口与出口也应当尽量远离 以避免由于复热而损失部份换热量 避免流量分配不均匀 在实际设计中 若分路多于两路时 应当采用集中式分液器和集液器 尽量使不同流路之间流量均匀 不同流路的管程最好相同 而且应当均匀地流过迎风侧和背风侧使得换热均匀 不同流路的换热单体能力测试见下页 28 本实验所用的冷凝器是美的生产的 弧形冲缝片 片厚0 105mm 片距1 7mm 长U管直径9 52mm 29 可以看出 不同的流路有不同的换热系数 实际应用时还要考虑生产工艺的可行性 综合比较选择最优的 30 9 铝箔的影响 作为蒸发器的换热器 一般要求选择亲水铝箔 利于冷凝水的排除 不容易形成水桥 减小风通过换热器的阻力 普通铝箔的冷凝水成珠状 不容易流走 形成水桥 只作为冷凝器的可以选择普通铝箔 作为室内侧的换热器片距最小可以到1 3mm 作为室外侧的换热器的片距最小应不小于1 4mm 片距过小容易被灰尘堵塞 从作为冷凝器来说 冲缝片优于平片 从低温制热方面来考虑 外侧换热器用平片优于冲缝片 在相同片距下 平片可以减慢结霜速度 结霜也比较均匀 化霜速度也较快 容易化得干净 31 五 热泵化霜技术 普通家用热泵空调器在外测温度较低的时候制热运行时 室外侧换热器通常都会结霜 适时进入和退出化霜才能保证空调器的正常运行 室外温度低 湿度大的时候结霜会加快 一般来说家用热泵型空调器都有自动化霜功能 关键点是 判断什么时候进入化霜模式什么时候退出化霜模式 如果不能除去残留的霜而制热继续运行时 第一次除霜有少量的残留 第二次 第三次霜逐渐增加 最后结成冰 空调器就不能正常运行制热了 针对以上情况可以将除霜时间提前 但太快除霜次数增多会引起用户的不舒服 32 1 现在通行的化霜的控制方式 在分体机上 通过检测室内侧换热器上盘管温度与房间温度的差值 如果达到设定值则进入化霜 我们通称其为室内侧化霜 在柜机上 通过检测室外侧换热器盘管上温度变化 达到设定值后进入化霜 我们通常称之为室外侧化霜 一般而言 室外侧化霜较室内侧化霜可靠 室外侧化霜控制更能真实反映结霜的情况 普通能效的分体机与柜机在自动除霜工况下可以达到比较好的除霜效果 随着室外温度的降低 特别是在0度以下的工况中 慢慢就变成定时化霜 而此时空调器不一定结霜 严重影响了空调器的舒适性 高能效的分体机几乎都变成了定时化霜 因此要对化霜进行智能化 33 智能化霜项目新旧控制器低温制热量对比 34 六 高效空调 健康节能省电是空调器发展的一个主要方向 35 1 高效空调的现状 根据目前测试资料 在定速空调器领域里 所见到的样机中最高实测EER为3 5 3 7左右 达到这个EER的成本是目前空调器成本的两倍 片面增加两器减小压缩机来追求高EER是不科学的 这样的空调器冷媒充注量大 一般会超出压缩机的最大充注量 制冷出风温度过高 制冷速度慢 制热时出风温度低 标准制热工况下出风温度都会低于人体体温 制热速度慢 而且化霜困难 只有采用全直流变频压缩机和直流电机才能做到更高效的空冷式空调器 下表是2001年一些日本全直流变频样机的测试结果 以供参考 36 2 日本高效空调器 从上表可以看出 日本的高效机都是热冷比很大的 高达206 也只有变频机才能达到 37 38 39 40 七 空调器对室内气流组织的舒适性 空气调节技术的广泛应用使人们对空调环境提出了更高的要求 空调效果成了人们关心的重点 室内良好舒适的环境可以使人们精神愉快 提高工作效率 国外很早就开始了对这方面的研究 美国从1920s已经开始这方面的研究 现在已经有了ASHRAE热舒适标准和ISO7730热舒适标准 国内也有这方面的研究 但是起步较晚 还没有形成一个完整的评价标准 美国 吹风角度对热舒适有影响 但不显著 相对湿度较高时风速上限可提高 较低时风速上限下降 吊扇形成的紊动气流对热舒适有益 丹麦 紊动气流比均匀气流不舒服 波动频率0 5Hz时吹风感最强烈 得到用平均风速和温度表示吹风感的函数日本 研究空气速度周期性变化的效果 得到正弦气流可产生更多的冷感觉 LG曾采用这个思想来设计出 混沌 空调器 41 1 影响空调舒适性的参数 影响空调舒适性的参数 自Thermalcomfortvariables ThermalComfort DEA350 HumanFactors AmbientEnvironment 1 空气温度2 围护结构的辐射温度3 相对湿度4 空气速度5 人的活动6 衣着 42 2 外国标准 ISO7730热舒适标准 自ThermalComfort ISO7730 空气流动速度A 冬天时小于0 15米 秒B 夏天时小于0 25米 秒垂直空气的温度差 坐着时从0 1米到1 1米或站着时从0 1米到1 7米头和脚处的空气温度差不大于3 地板温度 19 29 43 3 有效温度图与舒适区 下页图是ASHRAE给出的等效温度图 图中斜画的虚线为等效温度线 它们的数值是为RH 50 的相对湿度线上标注的 例如通过t 25 RH 50 两线交点的虚线即为25 等效温度线 该线上各个点所表示的空气状态的实际干球温度均不相等 相对湿度也不相同 但各点空气状态给人的体的冷热感却相同 都相当于t 25 RH 50 时的感觉 这些等效温度线是室内空气流速为0 15米 秒时 通过对身着0 6clo clo为衣服的热阻单位 夏天时为0 6 冬天为1 0 的服装 静坐着的被试验人员实测所得的 图中另一个菱形区为美国堪萨斯州立大学通过实验所得到的 两个区域的试验条件不同 后者是身着0 8 1 0clo服装坐着但活动量稍大的人 两块重叠区是推荐的室内空气设计的条件 25 等将效温度线正好通过重叠区的中心 44 45 4 医学生理指标分析 人体平均皮温 不同环境温度下 人体皮肤温度不同 环境温度较低时 23 人体表层与最外层皮温有差异 如足皮温27 手皮温30 躯干32 额部33 34 环境温度较高时 32 及以上 各部位皮温的差异将变小 在使人体感到舒适的环境温度范围内 平均