第四章-动车组制冷系统解析

第四章动车组制冷系统 压缩制冷原理 制冷即需要吸热 水在1个标准大气压下沸点很高 它只能吸收温度大于100 的热 因此需要找沸点低的物质 如R12二氟二氯甲烷 HF2Cl2 它在1个大气压下的沸点是 29 8 气化热为167 3k kg R22二氟一氯甲烷 HF2Cl 在1大气压下沸点是 40 8 气化热为233 8k kg 我们将装有R12或R22液体的钢瓶 放在室内打开盖 则其会蒸发 每气化1kgR22可产生233 8KJ的冷量 由于其气化温度为 40 8 它会继续吸热 显然会产生制冷作用 通过管路将热量带到室外即可实现对室内制冷 液态R12 气态R12 室内 制冷物质如何循环使用 1 一个热力学概念 物质相变温度随压力升高而升高 1个大气压下 R22相变温度是 40 8 如果我们升高气体压力 如到1 94MPa则其相变温度为50 这时不但可以用常温的水吸热将R22冷却成液体 即使是35 的空气也可以使R22从气态变成液态而放出冷凝热 制冷需要一台 压缩机 2 需要制冷剂发生气化吸热的装置R22沸腾吸热的器皿 称 蒸发器 3 还需要制冷剂发生冷凝放热的装置把R22从蒸气放热变成液体的装置称为 冷凝器 第四章动车组制冷系统 4 为了循环使用 还需要降低制冷剂的压力物理上降压的方法是膨胀 即将高压的液体通过膨胀缸膨胀降压 获得低压 如1个大气压的液体 在膨胀的同时 推动活塞向外做功W 回收 这样通过膨胀缸 进入蒸发器的制冷凝剂压力只有一个大气压 就可以蒸发器中沸腾吸热了 因此制冷机原理中将R22降压采用 膨胀缸 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 压缩机 冷凝器 膨胀缸 蒸发器 制冷机原理 外界做功升压 气化吸热 冷凝放热 降压对外做功 讨论 膨胀缸的可行性 理论上 膨胀缸可以起到膨胀降压的作用 而且还可以回收功W 但在工艺上是难以实现的 因为进入膨胀缸是液态制冷凝 液体是不可压缩的 如果想把液体的体积压缩一点 其压力会急剧上升 反之 体积稍微膨胀一些 其压力就急剧下降 膨胀缸勾贝推出很少距离 其液体压力已下降很多 因此回收的功很有限 膨胀缸在实际上无法实施 没有回收功的作用 工业实际用膨胀阀代替膨胀缸 从而用膨胀阀的节流降压代替膨胀阀的膨胀降压 膨胀阀节流降压原理与过程 1 小孔节流原理与过程当流体通过小孔时 由于涡流以及流线变化 使得小孔左右的压力变化即产生压力降 P2 P1 压力降的大小取决于孔径 流量和流体性质 2 节流过程的 闪发气化 现象当流体通过小孔时 压力下降使液体饱和温度下降 于是液体要吸热沸腾 由于节流过程很快 液体来不及从外界吸热 于是有一部分液体吸收其它液体的热量直接气化称做 闪发气化 第四章动车组制冷系统 3 膨胀阀节流降压闪发气化的作用使放热液体的温度降低了 从而使冷凝器出来的高温高压液体通过小孔节流变成了低温低压的湿蒸气 膨胀阀采用节流降压实现了将冷凝器中高温高压液体变成了的蒸发器需要的低温低压的湿蒸气 第四章动车组制冷系统 蒸气压缩制冷机组成与制冷剂状态 1 蒸气压缩制冷机的组成压缩机 冷凝器 膨胀阀 蒸发器 2 各部件作用及制冷剂状态压缩机 绝热等熵压缩 输出高温高压蒸气冷凝器 等压冷却冷凝 输出高温高压液体膨胀阀 节流降压 闪发气化 输出低温低压湿蒸气蒸发器 等温等压气化 输出低温低压蒸气 3 制冷循环与制冷剂制冷剂在制冷系统中经过压缩 冷却与冷凝 节流 蒸发四个状态 实现制冷的目的 即将低温物体的热量不断传递给高温物体 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 冷凝器 膨胀阀 蒸发器 蒸气压缩制冷机组成与制冷剂状态 外界做功升压 低温低压蒸气 冷凝放热 节流降压 高温高压蒸气 高温高压液体 气化吸热 压缩机 低温低压湿蒸气 第四章动车组制冷系统 第一节制冷压缩机的类型制冷压缩机是蒸气压缩式制冷装置的一个重要部件 起着压缩和输送制冷剂蒸气的作用 它是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力 因此 制冷压缩机被称为蒸气压缩式制冷装置的主机 蒸气压缩式制冷机主要有压缩机 冷凝器 节流装置和蒸发器四部分组成 并用管道连接成一个封闭的循环系统 如图所示 其工作过程如下 图1 5蒸气压缩式制冷机原理图 第四章动车组制冷系统 制冷压缩机按工作原理不同可分为容积型和速度型两大类 容积型压缩机是通过改变工作容积来完成气体的压缩和输送的 在容积型压缩机中 低压气体直接受到压缩 体积被强制缩小 从而达到提高压力的目的 第四章动车组制冷系统 容积型压缩机主要有活塞式 螺杆式和旋转式 又称滚动转子式 压缩机 其中活塞式压缩机是通过活塞在气缸内作往复运动来改变工作容积 而螺杆式和旋转式压缩机是通过螺杆或转子在气缸内作旋转运动来改变工作容积 第四章动车组制冷系统 速度型压缩机是使气体在高速转动的叶轮中提高速度 而后通过导向器使气体的动能转化为压力能 进而完成气体的压缩和输送任务 主要型式有离心式和轴流式两种 目前常采用的速度型压缩机是离心式压缩机 第四章动车组制冷系统 制冷压缩机按标准工况下制冷量的大小分为小型 中型和大型三种类型 标准工况制冷量小于58kW为小型 标准工况制冷量在58 580kW范围内为中型 标准工况制冷量大于580kW为大型 第四章动车组制冷系统 活塞式制冷压缩机是应用曲轴连杆机构 带动活塞在气缸内作往复运动而进行压缩气体的 它具有使用温度范围广 技术成熟可靠 有良好的使用性能和能量指标 所以应用较广 它热效率高 单位耗电相对较少 加工比较容易 造价比较低廉 因此适用于中 小型制冷装置 活塞式制冷压缩机将逐渐被结构简单 性能优越的其它型式压缩机所替代 第四章动车组制冷系统 螺杆式压缩机与活塞式制冷压缩机相比 由于用螺杆的回转运动替代了活塞的往复运动 因此体积小 重量轻 振动小 易损件少 运行可靠 操作 维修简单 但是 用螺杆式压缩机的制冷系统需要配备效率较高的油分离器 变工况的适用性差 运转时噪音比较大 而且螺杆加工要求精度高 加工也比较困难 影响了螺杆式制冷压缩机的广泛应用 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 旋转式压缩机与活塞式压缩机相比 有结构简单 体积小 重量轻 容积效率高 运行平稳 噪音和振动小 可靠性高等优点 但旋转式压缩机也存在一些不利因素 如主要零件加工精度要求高 电动机绝缘等级高 起动转矩较大等 图4 10开启式旋转式压缩机结构1 油面指示器2 浮球阀3 吸入管4 密封条5 圆柱导向器6 气缸体7 滑片8 排气阀门9 气缸10 排出管11 转子12 弹性套筒 第四章动车组制冷系统 离心式压缩机具有结构紧凑 运转平稳 振动小 噪音低等特点 由于其转速高 工质在叶轮中的流速很大 叶轮尺寸又受到加工工艺的限制不能做得太小 因而一般输气量很大 适用于大型制冷装置 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第二节活塞式制冷压缩机的基本构成及工作原理一 活塞式制冷压缩机的基本构成1 活塞式制冷压缩机的分类 1 按使用的制冷剂分类 分为氨压缩机 氟利昂压缩机 异丁烷压缩机等 2 按气缸布置方式分类 分为卧式 直立式和角度式三种 3 按压缩机的密封方式分类 分为开启式和封闭式两大类 后者又分为半封闭式和全封闭式两种结构类型 4 按制冷量的大小分类 小型 中型和大型 第四章动车组制冷系统 2 活塞式制冷压缩机的结构形式活塞式制冷压缩机按压缩机与电动机的组合方式不同分为开启式与封闭式两种 而封闭式又有半封闭式和全封闭式之分 开启式压缩机是指压缩机和电机分开 压缩机的曲轴一端伸出机体 并通过传动机构与电动机相连 半封闭式压缩机是指压缩机与电机共同组装在一个可拆的密封机壳内 压缩机的曲轴和电动机的转子轴是一根整体轴 压缩机没有伸出体外的转动部件 全封闭式压缩机是将压缩机和电机共同组装在一个封闭的机壳内 图4 1气缸的不同布置型式 a 卧式 b 直立式 c d e 角度式 第四章动车组制冷系统 3 活塞式制冷压缩机的基本构成活塞式制冷压缩机的结构形式有很多种 但其基本组成 参见图4 2 主要包括以下几部分 1 由机体和各种盖板组成的机体组件 2 由气缸 活塞和吸 排气阀片等构成容积可变的工作空间 3 由曲轴 连杆等构成的传动机构 4 由油泵 轴封等构成的润滑和密封设施 小型压缩机没有油泵 封闭式压缩机没有轴封 图4 2压缩机的基本构成及实际工作过程图 a 压缩 b 排气 c 膨胀 d 吸气1 排气阀片 2 吸气阀片 3 气缸 4 活塞 5 连杆 6 曲轴 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 压缩机的工作是靠压缩机电机输入功率后 电机的轴带动压缩机的曲轴转动 曲轴通过连杆带动活塞在气缸中作往复运动 同时气缸顶部的吸排气阀片配合输送作用 曲轴每旋转一周 活塞就作一次往复运动 压缩机就完成一次工作循环 第四章动车组制冷系统 二 活塞式制冷压缩机的工作原理压缩机在理想工作过程中每完成一个工作循环 要经历吸气 压缩和排气三个过程 4 1表示吸气过程 1 2表示绝热压缩过程 2 3表示排气过程 图4 3活塞式制冷压缩机理想工作过程P V图 第四章动车组制冷系统 2 活塞式压缩机的实际工作过程压缩机的实际工作过程由于存在余隙容积 吸排气阀压力损失 气缸壁与制冷剂之间热交换以及漏气损失等因素的影响 与理想工作过程有很大不同 一是比理想工作过程多了一个膨胀过程 如图4 4中3 4 二是吸气过程4 1 压缩过程1 2 排气过程2 3 也与理想过程有所不同 图4 4活塞式制冷压缩机实际工作过程的p V图 第四章动车组制冷系统 这样 压缩机在实际工作过程中 每完成一个工作循环要经历四个过程 参见图4 2 即 当活塞由上止点移动到下止点时 完成膨胀 吸气两个过程 而由下止点移动到上止点时 完成压缩 排气两个过程 3 JH514YZ型压缩机JH514YZ型压缩机的结构示意图如图4 5所示 它主要由机壳 机体 电动机 曲轴 连杆 活塞 气缸 气阀以及排气消音器等组成 图4 5JH514YZ压缩机结构图1 电动机壳 2 吊具 3 端子箱 4 上弹簧 5 定子线圈 6 转子 7 吸气管 8 排气消音器 9 下壳体 10 曲轴 11 曲轴箱 12 下弹簧 13 下轴承 14 支承架 15 活塞连杆 16 气缸盖 17 高压室 18 横弹簧 19 上壳体 20 排气管 第四章动车组制冷系统 三 活塞式制冷压缩机的特点它具有使用温度范围广 技术成熟可靠 有良好的使用性能和能量指标 所以应用较广 但由于振动的存在和结构的复杂性 限制了它的转速及制冷量的扩大 使用领域也逐渐被结构简单 性能优越的其它型式压缩机所替代 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第三节旋转式制冷压缩机的基本构成及工作原理一 旋转式制冷压缩机的基本工作原理旋转式制冷压缩机又称为滚动活塞式压缩机 滚动转子式压缩机 旋转式压缩机是利用气缸工作容积的变化来实现吸气 压缩和排气过程的 气缸工作容积的变化 是依靠一个偏心装置的圆筒形转子在气缸内的滚动来实现的 图4 7旋转式压缩机结构示意图1 气缸2 转子3 排气孔4 排气阀5 滑片6 弹簧7 吸气孔 第四章动车组制冷系统 二 旋转式制冷压缩机的基本构成旋转式制冷压缩机一般多做成全封闭型 有立式和卧式之分 在图4 8所示的立式旋转式制冷压缩机中 压缩机及电动机垂直安装在一钢制壳体内 电动机在上部 压缩机在下方 图4 8立式旋转式压缩机结构1 排气管2 平衡块3 上机体4 电动机转子5 电动机定子6 曲轴7 主轴承8 下机壳9 副轴承10 壳罩11 上油片12 排气阀片13 弹簧14 气液分离器14 隔板16 吸气管17 接线柱18 气缸19 转子20 滑片 第四章动车组制冷系统 在图4 9所示的卧式旋转式压缩机中 压缩机及电动机水平安装在一封闭壳体内 从蒸发器来的制冷剂蒸气由吸气管吸入机壳内 冷却电动机后进入压缩机气缸 而排气则通过排气消声器后直接排出机壳 旋转式压缩机的主要缺点是滑片与气缸壁面之间的泄漏 摩擦和磨损较大 限制了它的工作寿命及效率的提高 图4 9卧式旋转式压缩机结构1 滑片2 滚动活塞3 曲轴4 机壳5 平衡块6 电机转子7 电机定子8 平衡块9 主轴承端板10 气缸11 副轴承端板12 机壳13 排气消声器14 吸气管15 橡胶圈16 弹簧 图4 10开启式旋转式压缩机结构1 油面指示器2 浮球阀3 吸入管4 密封条5 圆柱导向器6 气缸体7 滑片8 排气阀门9 气缸10 排出管11 转子12 弹性套筒 第四章动车组制冷系统 三 旋转式制冷压缩机的特点旋转式压缩机与活塞式压缩机相比 具有下列特点 1 零部件少 结构简单 2 易损零件少 运行可靠 3 没有吸气阀片 余隙容积小 输气系数较高 4 在相同的冷量环境下 压缩机体积小 重量轻 运转平衡 5 加工精度要求较高 6 密封线较长 密封性能较差 泄漏损失较大 综上所述 大 中型旋转式压缩机适用于冷库 小型旋转式压缩机多用于冰箱和家用空调器中 第四章动车组制冷系统 第四节涡旋式制冷压缩机的基本构成及工作原理一 涡旋式制冷压缩机的基本构成涡旋式压缩机的结构如图4 11所示 它由运转涡旋盘 动盘 固定涡旋盘 静盘 机体 防自转环 偏心轴等零部件组成 动盘1和静盘2的涡线呈渐开线形状 安装时使两者中心线距离一个回转半径e 相位差180 这样 两盘啮合时 与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积 图4 11涡旋式压缩机的结构1 动盘2 静盘3 机体4 防自转环5 偏心轴6 进气口7 排气口 第四章动车组制冷系统 二 涡旋式制冷压缩机的工作原理涡旋压缩机的工作过程仅有进气 压缩 排气三个过程 而且是在主轴旋转一周内同时进行的 外侧空间与吸气口相通 始终处于吸气过程 内侧空间与排气口相通 始终处于排气过程 而上述两个空间之间的月牙形封闭空间内 则一直处于压缩过程 因而可以认为吸气和排气过程都是连续的 图4 12涡旋式压缩机工作原理示意图a 0 位置b 90 位置c 180 位置d 270 位置1 压缩室2 进气口3 动盘4 静盘4 排气口6 吸气室7 排气室8 压缩室 图4 13涡旋式制冷压缩机结构总图1 曲轴2 4 轴承3 密封5 15 背压腔6 防自转环7 排气管8 吸气腔9 吸气管10 排气口11 机壳12 排气腔13 静盘14 动盘16 机架17 电动机18 润滑油 第四章动车组制冷系统 三 涡旋式制冷压缩机的特点涡旋式制冷压缩机有如下特点 1 相邻两室的压差小 气体的泄漏量少 2 由于吸气 压缩 排气过程是同时连续地进行 压力上升速度较慢 因此转矩变化幅度小 振动小 3 没有余隙容积 故不存在引起输气系数下降的膨胀过程 4 无吸 排气阀 效率高 可靠性高 噪声低 第四章动车组制冷系统 5 由于采用气体支承机构 故允许带液压缩 一旦压缩腔内压力过高 可使动盘与静盘端面脱离 压力立即得到释放 6 机壳内腔为排气室 减小了吸气预热 提高了压缩机的输气系数 7 涡线体型线加工精度非常高 必须采用专用的精密加工设备 8 密封要求高 密封机构复杂 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第四章动车组制冷系统 第五节换热器及其他辅助设备一 换热器在制冷设备中 除有起主导作用的压缩机外 还必须包括起换热作用的换热器 蒸发器和冷凝器 一 冷凝器冷凝器是制冷机的主要热交换设备 其作用是使从压缩机出来的高温高压制冷剂蒸气在其中向冷却介质 水或空气放热 冷却 冷凝成高温高压的过冷液体 第四章动车组制冷系统 冷凝器按冷却介质和冷却方式的不同分为三种类型 水冷式冷凝器 用水作为冷却介质 空气冷却式冷凝器 亦称风冷式冷凝器 用空气作为冷却介质 蒸发式冷凝器 用水和空气作为冷却介质 主要是靠水蒸气把热量带走 图4 14上进下出式冷凝器1 分配集管2 冷凝蛇管3 集液器 图4 15横进横出式冷凝器 第四章动车组制冷系统 二 蒸发器蒸发器是制冷机的另一主要热交换设备 在蒸发器中 制冷剂液体在较低温度下蒸发 沸腾 而转变为蒸气 利用制冷剂的蒸发潜热 吸收被冷却介质的热量而使被冷却介质的温度降低 所以 蒸发器是制冷系统中产生和输出冷量的设备 第四章动车组制冷系统 蒸发器按冷却介质的不同分为冷却液体 水 盐水等 的蒸发器和冷却空气的蒸发器两种 冷却液体的蒸发器有壳管卧式蒸发器 干式蒸发器和沉浸式蒸发器 冷却空气的蒸发器有冷却排管和直接蒸发式空气冷却器两种 直接蒸发式空气冷却器也称冷风机 它适用于各种空调机组 冷藏库及低温试验箱中 它的特点是制冷剂在蛇管内吸热蒸发 管外空气在风机作用下强迫流动 由于空气是强迫流动 所以传热系数比冷却排管高 车辆制冷系统中 采用的蒸发器均为直接蒸发式空气冷却器 图4 16直接蒸发式空气冷却器及其安装位置示意图 a 横向垂直 b 水平 c 倾斜 1 膨胀阀 2 分液器 3 分液管 4 汇集管 4 回气管 6 感温包 第四章动车组制冷系统 二 辅助设备在实际的制冷系统中 为改善制冷装置的工作条件 提高运行的经济性和安全可靠性 还必须设一些辅助设备 如贮液器 气液分离器 干燥过滤器等 一 干燥过滤器在客车空调装置制冷系统节流装置前的输液管上 都装有干燥过滤器 它是制冷系统的净化设备 其作用是消除制冷剂中的水分和机械杂质 干燥过滤器