制冷系统与空调器设计

制冷系统与空调器设计2020年2月25日星期二一、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；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%；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３月下旬在湖南长沙问世二、制冷系统基本知识1.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。2.制冷机：完成制冷循环所必需的机器和设备的总称。3.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。4.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。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：1.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。2.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。3.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。4.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。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/wA：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•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。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•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。T1272728T2353435EER037.542.85743.02、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。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：η=EER1/EER0•在两个热源温度不变的情况下，提高η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4、循环效率（热力完善度）曲线图141618202224262830323436384042354045505560冷凝温度（℃）热力完善度（%）161412108蒸发温度（℃）高温热源：35℃，低温热源：27℃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•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。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。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。项目ABCD风量（m3/h）15961667157116731576163316101673换热量(W)43244455478550024563471541564271制冷剂流量(kg/h)78.981.387.391.383.386.075.877.9换热系数(W/m2.K)38.1038.7649.3150.7343.7644.3435.1936.21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。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。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