空調(diào)器制冷基本原理及制冷系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

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一、制冷基本原理

　　定義

　　制冷的基本原理及基本方法

　　單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)

　　1、定義

　　制冷：從低于環(huán)境的物體中吸取熱量，并將其轉(zhuǎn)移給環(huán)境介質(zhì)的過程。

　　制冷機(jī)：完成制冷循環(huán)所必需的機(jī)器和設(shè)備的總稱。

　　制冷裝置：將制冷機(jī)同使用冷量的設(shè)施結(jié)合在一起的裝置。如冰箱，空調(diào)機(jī)等。

　　制冷劑：除半導(dǎo)體制冷以外，制冷機(jī)都是依靠?jī)?nèi)部循環(huán)流動(dòng)的工作介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)制冷過程，完成這種功能的工作介質(zhì)，稱為制冷劑，也稱制冷工質(zhì)，俗稱雪種。

　　2、制冷的基本原理

　　由于熱量只能自動(dòng)地從高溫物體傳給低溫物體，因此實(shí)現(xiàn)制冷必須包括消耗能量的補(bǔ)償過程。

　　制冷機(jī)的基本原理：利用某種工質(zhì)的狀態(tài)變化，從較低溫度的熱源吸取一定的熱量Q0，通過一個(gè)消耗功W的補(bǔ)償過程，向較高溫度的熱源放出熱量Qk,。在這一過程中，由能量守恒得Qk=Q0+W。

　　3、制冷的基本方法

　　相變制冷：利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程或固體在低溫下的熔化或升華過程向被冷卻物體吸取熱量。普通空調(diào)器都是這種制冷方法。

　　氣體膨脹制冷：高壓氣體經(jīng)絕熱膨脹后可達(dá)到較低的溫度，令低壓氣體復(fù)熱即可制冷。

　　氣體渦流制冷：高壓氣體經(jīng)過渦流管膨脹后即可分離為熱、冷兩股氣流，利用冷氣流的復(fù)熱過程即可制冷。

　　熱電制冷：令直流電通過半導(dǎo)體熱電堆，即可在一端產(chǎn)生冷效應(yīng)，在另一端產(chǎn)生熱效應(yīng)。

　　4、單級(jí)壓縮蒸氣制冷循環(huán)

　　蒸氣壓縮式制冷機(jī)是目前應(yīng)用最廣泛的一種制冷機(jī)，有單級(jí)、多級(jí)和復(fù)疊式之分。

　　單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)是指將制冷劑經(jīng)過一級(jí)壓縮從蒸發(fā)壓力壓縮到冷凝壓力的制冷機(jī)。單級(jí)制冷機(jī)一般可用來制取-40℃以上的低溫。

　　普通的空調(diào)器都是利用單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的原理制造的。

　　單級(jí)壓縮蒸氣制冷機(jī)的由以下幾個(gè)基本組成部份：

　　壓縮機(jī)

　　冷凝器

　　節(jié)流機(jī)構(gòu)（毛細(xì)管）

　　蒸發(fā)器

　　制冷劑

　　壓縮機(jī)：它的作用是將蒸發(fā)器中的低溫低壓制冷劑蒸氣吸入，并壓縮到高溫高壓的過熱蒸氣，然后排到冷凝器。

　　常用的壓縮機(jī)有活塞式、轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式和離心式等等。

　　壓縮機(jī)有定速壓縮機(jī)和變頻壓縮機(jī)?，F(xiàn)在最新的有變?nèi)萘康膲嚎s機(jī)，例如美的MDV用的谷輪“e-渦旋”壓縮機(jī)可以在10%-100%之間調(diào)節(jié)輸出量，運(yùn)用“TS”技術(shù)可以使壓縮機(jī)的能力輸出實(shí)現(xiàn)級(jí)量調(diào)節(jié)，在控制方面比變頻壓縮機(jī)簡(jiǎn)單、可靠，更接近空調(diào)器的實(shí)際負(fù)荷要求。

　　冷凝器：它的作用是將來自壓縮機(jī)的高溫高壓制冷劑蒸氣冷凝成過冷的液體，在冷凝過程中，制冷劑蒸氣放出熱量，故要用水或空氣來冷卻。

　　不同制冷劑有不同的冷凝壓力。普通家用空調(diào)器冷凝器里面的制冷劑（R22）壓力：標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下一般在18—19bar左右，過負(fù)荷工況下一般在22—24bar左右。

　　節(jié)流機(jī)構(gòu)：普通空調(diào)常用的是毛細(xì)管，高檔的空調(diào)器用電子膨脹閥。制冷劑經(jīng)過節(jié)流機(jī)構(gòu)時(shí)，壓力由冷凝壓力降到蒸發(fā)壓力，一部份制冷劑會(huì)在節(jié)流的過程中閃發(fā)成為氣體。

　　節(jié)流過程中制冷劑的焓值不變。

　　普通的家用空調(diào)器節(jié)流結(jié)束時(shí)大約有20%的制冷劑會(huì)閃發(fā)成氣體。制冷劑沒有蒸發(fā)就閃發(fā)成氣體降低了空調(diào)器的性能。

　　蒸發(fā)器：它的作用是使經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)后的制冷劑液體蒸發(fā)成蒸氣，以吸收被冷卻物體的熱量。蒸發(fā)器是對(duì)外輸出冷量的設(shè)備。

　　普通家用空調(diào)器蒸發(fā)器里的制冷劑（R22）的蒸發(fā)壓力在5.5-6.5bar左右。

　　系統(tǒng)匹配步驟：

　　選壓縮機(jī)

　　選冷凝器

　　選蒸發(fā)器

　　估算制冷劑充注量

　　匹配制冷系統(tǒng)

　　不合格項(xiàng)目的整改

　　二、系統(tǒng)匹配

　　一般來說，新匹配一臺(tái)空調(diào)器都有一個(gè)參考機(jī)型

　　新匹配機(jī)的性能指標(biāo)對(duì)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器的選擇有很大關(guān)系。

　　室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速-風(fēng)量-噪音是首先要摸底搞清楚的。

　　1、選壓縮機(jī)

　　根據(jù)實(shí)際情況選擇壓縮機(jī)型式：活塞式、轉(zhuǎn)子式、渦旋式及其電源規(guī)格

　　一般來說，家用空調(diào)器中活塞式用得比較少，T3型空調(diào)器一般會(huì)選擇活塞式壓縮機(jī)。

　　目前3P以下的家用空調(diào)器大多數(shù)都是轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)又分單轉(zhuǎn)子與雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。

　　3P以上的家用空調(diào)器一般會(huì)使用渦旋式壓縮機(jī)。

　　根據(jù)空調(diào)器的制冷量大小來選擇壓縮機(jī)的大小，一般來說按空調(diào)器的額定制冷量是壓縮機(jī)的單體能力的90%來選擇。

　　壓縮機(jī)每一個(gè)排量（1cc）的能力約為175W。

　　2、選冷凝器

　　長(zhǎng)U管管徑，內(nèi)螺紋管還是光管

　　在正常的范圍內(nèi)，管徑越小，換熱系數(shù)越大，耐壓也越大，但流動(dòng)阻力也越大。

　　內(nèi)螺紋管比光管換熱系數(shù)高，不同形式的內(nèi)螺紋管換熱系數(shù)也不一樣

　　小管徑冷凝器及新型的內(nèi)螺紋管的研究是一個(gè)重要的方向。

　　選擇非親水鋁箔（普通鋁箔）還是親水鋁箔，選擇片型是平片、沖縫片還是波紋片，選擇片距

　　選擇其它型式的冷凝器

　　高效的冷凝器有全鋁冷凝器、全銅冷凝器等等

　　3、選蒸發(fā)器

　　長(zhǎng)U管管徑，內(nèi)螺紋管還是光管

　　一般來說蒸發(fā)器的長(zhǎng)U管徑可以選擇小管徑的。

　　選擇親水鋁箔

　　一般選擇沖縫片，最小片距可達(dá)1.3mm。

　　4、估算制冷劑充注量

　　參考機(jī)型的制冷劑充注量

　　一臺(tái)空調(diào)正常狀態(tài)下約有60%的制冷劑會(huì)在室外側(cè)的冷凝器里，約40%的制冷劑在室內(nèi)側(cè)的蒸發(fā)器里。

　　以參考機(jī)型為基礎(chǔ)，算出冷凝器和蒸發(fā)器內(nèi)容積增大（或減少）的比例，估算出大概的制冷劑充注量。

　　比如說：參考機(jī)型充注量為1000g，內(nèi)機(jī)不變，室外機(jī)冷凝器由單排變?yōu)?.5排：側(cè)估算充注量為：

　　1000*0.6*1.5+1000*0.4=1300(g)

　　一般來說，估算的充注量要比最后的要稍多。這個(gè)只能靠經(jīng)驗(yàn)掌握。估算的只能提供一個(gè)大概。

　　5、匹配制冷系統(tǒng)

　　以下各點(diǎn)是對(duì)一般情況而言的，以下數(shù)據(jù)做一個(gè)參考。

　　*制冷工況匹配，以下對(duì)策中的“增加冷媒”僅作為最后的手段，此方法應(yīng)該盡量避免。

　　在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下匹配的目標(biāo)：

　　1）排氣溫度目標(biāo)值：85-90℃

　　高于目標(biāo)值，則應(yīng)該減短毛細(xì)管，加大室外機(jī)風(fēng)量或追加冷媒。

　　低于目標(biāo)值，則加長(zhǎng)毛細(xì)管，減少冷媒。

　　如果是特別匹配的高效制冷系統(tǒng)，排氣溫度較低，一般在70-80℃。

　　2）冷凝器中部溫度目標(biāo)值：45-50℃左右，過冷度目標(biāo)值在5-10℃左右

　　冷凝器出口最低在37-38℃，若過低則與環(huán)境35℃溫差太小，換熱量很少

　　冷凝器中部溫度高于目標(biāo)值，則應(yīng)該減短毛細(xì)管，加大室外機(jī)風(fēng)量或加大冷凝器。

　　冷凝器中部溫度低于目標(biāo)值，則應(yīng)該加長(zhǎng)毛細(xì)管，追加冷媒。

　　3）蒸發(fā)器中部溫度目標(biāo)值：8-12℃左右，過熱度目標(biāo)值在0-1℃左右

　　蒸發(fā)器中部溫度值高于目標(biāo)值則加長(zhǎng)毛細(xì)管。

　　蒸發(fā)器中部溫度值低于目標(biāo)值則減短毛細(xì)管，加大室內(nèi)機(jī)風(fēng)量或加大蒸發(fā)器。

　　蒸發(fā)器過熱度值高于目標(biāo)值則減短毛細(xì)管，增加冷媒。

　　蒸發(fā)器過熱度值低于目標(biāo)值則加長(zhǎng)毛細(xì)管，加大室內(nèi)機(jī)風(fēng)量，減少冷媒或加大蒸發(fā)器。

　　4）壓縮機(jī)回氣溫度比蒸發(fā)器出口溫度可高出1-2℃左右。

　　若回氣溫度高出出口溫度較大，比如出口為10℃，而壓縮機(jī)回氣有20℃，這個(gè)是壓縮機(jī)排氣溫度上升的原因，應(yīng)該減短毛細(xì)管或增加冷媒。

　　若回氣溫度低于出口溫度很多，比如出口為10℃，而壓縮機(jī)回氣有5℃，這個(gè)是壓縮機(jī)排氣溫度下降的原因，這時(shí)候冷媒在蒸發(fā)器中不能充分蒸發(fā)而導(dǎo)致能力不足，應(yīng)該加長(zhǎng)毛細(xì)管或減少冷媒。

　　5）制冷過負(fù)荷工況下。

　　若OLP動(dòng)作，則應(yīng)該加大外側(cè)風(fēng)量，冷媒增多壓縮機(jī)負(fù)荷加大，如果可能的話可減短毛細(xì)管，并減少冷媒，或加大冷凝器。

　　保證高壓側(cè)壓力不超過26.5bar，26.5bar對(duì)應(yīng)冷凝器中部溫度65℃左右。

　　壓縮機(jī)排氣溫度一般要在115℃以下，不要超過125℃，壓縮機(jī)電機(jī)的線圈溫度比排氣溫度高10℃左右，溫度過高的話可能燒線圈。排氣溫度過高時(shí)可減短毛細(xì)管或加大冷凝器或增加冷媒（注意減短毛細(xì)管時(shí)可能會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)工況下能力下降）

　　5）過載保護(hù)器OLP（OverLoadProtector）動(dòng)作

　　過載保護(hù)器是由電流與溫度共同控制的。

　　OLP曲線圖有兩種表示型式。如下圖，分三個(gè)區(qū)域或兩個(gè)區(qū)域。

　　如圖所示的OLP曲線，當(dāng)電流為I1時(shí)只要壓縮機(jī)溫度小于t1壓縮機(jī)的OLP是不會(huì)動(dòng)作的?；蛘?，當(dāng)壓縮機(jī)溫度是t1時(shí)，壓縮機(jī)的電流小于I1時(shí)，OLP不會(huì)動(dòng)作。

　　5）最小制冷工況下。

　　蒸發(fā)器溫度不能低于0℃，到0℃以下時(shí)，蒸發(fā)器上附著的除濕水份會(huì)開始凍結(jié)，不能制冷，當(dāng)冰成塊掉下來的時(shí)候會(huì)打壞風(fēng)輪。

　　空調(diào)器的防凍結(jié)功能，當(dāng)檢測(cè)到蒸發(fā)器的溫度T2連續(xù)一段時(shí)間低于某溫度值時(shí)，壓縮機(jī)停止工作，等到T2上升到某溫度時(shí)才開始工作。如美的分體機(jī)：T2連續(xù)5分鐘低于2℃則停壓縮機(jī)，內(nèi)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，T2上升到8℃后再開壓縮機(jī)。

　　確保壓縮機(jī)殼體底部溫度高于冷凝器中部溫度5℃以上。若不能保證，壓縮機(jī)油會(huì)被冷媒稀釋，潤(rùn)滑油會(huì)失去機(jī)能，這樣壓縮機(jī)滑動(dòng)部分開始磨損，最終造成不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　6）匹配性能時(shí)

　　調(diào)節(jié)毛細(xì)管和冷媒量的組合，可得出對(duì)應(yīng)的出風(fēng)溫度

　　選擇出風(fēng)溫度最低的毛細(xì)管和冷媒量的組合測(cè)試能力

　　針對(duì)測(cè)試結(jié)果作一些微調(diào)節(jié)，把空調(diào)各參數(shù)到匹配到一個(gè)最佳組合。

　　7）不合格項(xiàng)目微調(diào)與整改

　　能力不足：

　　壓縮機(jī)是否過小？

　　毛細(xì)管與冷媒量是否是最佳組合？

　　室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)風(fēng)量是否合理？

　　兩器大小是否合理？

　　功率過高與最大制冷跳停：

　　外側(cè)風(fēng)量是否合理？

　　冷凝器大小是否合理？冷凝器制作是否有問題（沒有脹緊、疊片、倒片、片距不對(duì)）

　　是否冷媒過多或者毛細(xì)管過長(zhǎng)？

　　冷凝器流路設(shè)計(jì)不合理造成嚴(yán)重復(fù)熱，或流路半堵，降低冷凝器性能？

　　凝露工況不合格

　　低風(fēng)風(fēng)速是否定得過低？（風(fēng)速過高會(huì)造成吹水）

　　室內(nèi)機(jī)是否漏風(fēng)？是否流路不均，嚴(yán)重偏流？

　　冷媒是否不足，造成缺液蒸發(fā)？

　　室外機(jī)有冷媒流動(dòng)聲

　　毛細(xì)管組件用防振膠包住

　　在兩個(gè)管徑變化大的地方加過渡管

　　在過渡管處包防振膠

　　異聲或噪音超標(biāo)

　　如果是風(fēng)道的異聲，則要改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、安裝位置或換風(fēng)輪

　　如果是制冷系統(tǒng)的異聲，則在固頻不合格處加配重塊或防振膠改變其固頻

　　在配管振動(dòng)大的地方貼防振膠

　　在壓縮機(jī)排氣管上加消聲器

　　壓縮機(jī)包隔音棉

　　鈑金件上貼隔音棉

　　三、影響EER、COP的主要因素

　　逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　具有傳熱溫差的外部不可逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　循環(huán)效率（熱力完善度）

　　空調(diào)器的EER、COP影響主要因素

　　1、逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　逆向循環(huán)是一種消耗功的循環(huán)，所有的制冷機(jī)都是按逆向循環(huán)來工作的。

　　當(dāng)高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩吹臏囟炔蛔儠r(shí)，具有兩個(gè)可逆的等溫過程和兩個(gè)等熵過程的逆向循環(huán)稱為逆卡諾循環(huán)。

　　2、不可逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　如圖所示的不可逆卡諾循環(huán)T-s圖，制冷劑放熱時(shí)的溫度為Tk，高溫?zé)嵩吹臏囟葹門2，制冷劑吸熱時(shí)的溫度為T0，低溫?zé)嵩吹臏囟葹門1。則制冷系數(shù)為：EER1=T0/(Tk-T0)

　　任何一個(gè)不可逆循環(huán)的制冷系數(shù)總是小于相同熱源溫度時(shí)的逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)

　　所有的實(shí)際的制冷循環(huán)都是不可逆循環(huán)。

　　3、循環(huán)效率（熱力完善度）

　　循環(huán)效率是表示實(shí)際循環(huán)的完善性接近可逆卡諾循環(huán)的程度，定義為：

　　η=EER1/EER0

　　在兩個(gè)熱源溫度不變的情況下，提高η或EER1的方法有：

　　降低Tk溫度

　　升高T0溫度

　　同時(shí)降低Tk溫度和升高T0溫度

　　4、如何提高空調(diào)器的EER

　　從制冷系統(tǒng)上說，降低冷凝溫度Tk和升高蒸發(fā)溫度T0都可以使EER上升

　　采用高效的壓縮機(jī)

　　適當(dāng)加大冷凝器、加大室外機(jī)的風(fēng)量，使Tk下降

　　適當(dāng)加大蒸發(fā)器、加大室內(nèi)機(jī)的風(fēng)量，使T0上升

　　利用高效的換熱器，例如用內(nèi)螺紋管代替光管、全鋁換熱器

　　從整機(jī)上說

　　采用高效的直流電機(jī)代替交流電機(jī)

　　采用直流變頻壓縮機(jī)代替普通定速壓縮機(jī)或交流變頻壓縮機(jī)

　　冷媒充注量盡量少

　　采用排量較大的變頻壓縮機(jī)代替排量較小的變頻壓縮機(jī)，以壓縮機(jī)的額定頻率來做制冷的主頻

　　加大內(nèi)外機(jī)風(fēng)量的同時(shí)要考慮風(fēng)機(jī)功率的增加，從整機(jī)上說，不一定是風(fēng)量越大EER越高

　　制冷系統(tǒng)要匹配到一個(gè)最佳狀態(tài)