《车辆构造》第6章-空调系统

城市轨道交通车辆构造连苏宁主编第六章空调系统【问题导入】城市轨道交通车辆空调系统能为乘客提供舒适的乘车环境。那么空调系统如何工作，各零部件的特点及在系统中的作用是什么，国内比较典型的城轨车辆空调系统有什么特点，我们这一章就是要解决这些问题。【学习目标】1.能掌握湿空气的基本概念，湿空气的四个基本物理参数和热量的概念、特点。2.能掌握常见的制冷方法的原理和特点。3.能掌握城市轨道交通车辆空调制冷装置的基本工作原理。4.能掌握城市轨道交通车辆客室内空气参数的要求，客室内空调方案的确定及热负荷计算。5.能掌握制冷剂的概念、分类及性能，常用制冷剂的特点及应用，冷冻油的性能要求及选用原则。6.能掌握活塞式、螺杆式制冷压缩机的结构特点和工作过程。7.能掌握空调制冷装置中的换热器、辅助设备和自控元件的特点。8.能掌握上海地铁和南京地铁空调系统的特点。【教学建议】1.教学场地：在教室、互联网多媒体教室及空调实训室中进行，课后可实地参观。2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，或能放视频投影的设备及课件。3.课时要求：课堂讲授6课时；实际操作4课时。一、压力1.饱和空气2.未饱和空气二、温度(1)热力学温标又称开尔文温标或绝对温标，符号为T，单位为K；热力学温标是在一个标准大气压下定义纯水的冰点温度为273.16K，沸点温度为373.16K，其间分为100等份，每等份称为热力学温度1度(1K)。(2)摄氏温标又叫国际温标，符号为t，单位为℃；在一个标准大气压下，把纯水的冰点温度定为0℃，沸点温度定为100℃，其间分成100等份，每一等份就叫1℃。第一节热力学理论知识(3)华氏温标其符号本书用θ表示，单位为℉。(4)三种温标的换算关系三、湿度和露点1.绝对湿度2.相对湿度第一节热力学理论知识图6-1湿球温度测试图6-2水的潜热与显热的关系3.含湿量与露点四、热量五、焓第一节热力学理论知识第二节制冷与空调的基本原理一、制冷方法1.相变制冷(1)蒸气压缩制冷循环将蒸发器出来的蒸气冷却加压后，重新冷凝为液体，然后再蒸发，如此不断循环，这就是蒸气压缩制冷循环。(2)吸收式制冷循环吸收式制冷循环利用热源所提供的热能，使工质产生循环，其工作原理如图6-4所示。图6-3蒸气压缩制冷循环原理第二节制冷与空调的基本原理2.节流制冷3.膨胀制冷二、城轨车辆空调制冷装置的基本工作原理1.制冷循环过程第二节制冷与空调的基本原理图6-5蒸气压缩制冷循环系统图第二节制冷与空调的基本原理(1)蒸发过程蒸发过程是在蒸发器中进行的。(2)压缩过程压缩过程在压缩机中进行，这是一个升压升温过程。(3)冷凝过程冷凝过程在冷凝器中进行，它是一个恒压放热过程。(4)节流过程电冰箱的节流阀是又细又长的毛细管。2.制冷剂液体过冷和吸气过热对制冷循环的影响第二节制冷与空调的基本原理(1)制冷剂液体过冷的影响制冷剂在冷凝器中被冷凝成液体后，如果液体制冷剂继续向外放热，换句话说液体制冷剂继续被冷凝，就会使制冷剂液体的温度低于饱和温度(这是指对应于冷凝压力的冷凝温度)而成为过冷液体。(2)吸气过热的影响在理论循环中，假定由蒸发器流出和被压缩机吸入的制冷剂都是饱和蒸气，从蒸发器出口至压缩机吸入口之间的管路不存在热交换。(3)回热制冷循环为了限制节流汽化，从冷凝器出来的液态制冷剂应进一步降温，使其过冷。第二节制冷与空调的基本原理图6-6回热制冷循环第二节制冷与空调的基本原理三、空调装置的基本工作原理1.制冷工况(1)制冷循环空调采用蒸气压缩制冷循环方式，它包括压缩、冷凝、节流和蒸发四个热力过程，制冷剂经节流降压后，在室内侧的蒸发器中等压蒸发，吸收汽化热，变成低温低压的蒸气，然后经过压缩机压缩，变成高温高压的蒸气，最后在室外侧的冷凝器中冷凝成液体，放出液化热。(2)空气循环空气循环是利用机内电风扇强迫车厢内外空气按一定路线对流，以提高换热器的热交换效率。第二节制冷与空调的基本原理2.制热工况图6-7热泵型空调器运行原理a)制冷工况b)制热工况第二节制冷与空调的基本原理第三节城轨车辆客室内空气参数的确定一、客室内空气参数的要求1)客室内的空气温度。2)人体周围空气的流动速度。3)客室内空气的洁净度。表6-1地铁车辆客室内夏季的空调参数(上海)表6-1地铁车辆客室内夏季的空调参数(上海)二、外气参数的确定(以上海为例)三、热负荷计算第四节制冷剂与冷冻油一、制冷剂1.制冷剂的概念2.制冷剂的分类(1)低温高压制冷剂冷凝压力大于2MPa，正常汽化温度低于70℃，主要有R13、R14和R503等，适用于低温制冷装置及复叠式制冷的低温部分。(2)中温中压制冷剂冷凝压力在0.3～2MPa之间，正常汽化温度介于0～70℃之间，主要有R12、R22和R502等，适用于电冰箱及中、小型空调器、城轨车辆空调。(3)高温低压制冷剂冷凝压力在0.2～0.3MPa之间，正常汽化温度大于0℃，主要有R11、R21、R113和R114等，多用于空调系统的离心式压缩机(大宾馆的中央空调)。3.制冷剂的性能第四节制冷剂与冷冻油(1)物理性能临界温度比环境温度高，在常温或普通低温下可冷凝成液体，因为制冷循环的冷凝温度如果接近临界温度，节流损失就很大，制冷循环的经济性能势必不好；在制冷温度范围内，制冷剂的饱和蒸发压力应稍高于大气压，以免空气漏入制冷系统；冷凝压力不能过高，一般不超过1.5～2.2MPa，以免设备过于笨重，压缩机功耗太大；同时，冷凝压力与蒸发压力之比也不能过大，以免压缩机排气温度过高；凝固温度尽可能低，以便获得更低的蒸发温度；单位容积制冷量要大，以提高压缩机的能效比，减少设备的体积；第四节制冷剂与冷冻油热导率要高，以提高热交换器的效率；粘度和密度要小，以减少制冷剂在流动过程中的能量损耗；能与润滑油互溶或混合，而且不影响润滑油的润滑性能和电气性能，也不降低制冷剂本身的热力学性能。(2)化学性能化学稳定性好，在高温下不分解；对金属和其他材料无腐蚀作用；与冷冻油不发生化学反应。(3)安全性能在一般条件下，不燃烧、不爆炸，无毒、无臭、无味，不污染环境。(4)经济性能价格低廉，易于购买、储运。二、常用制冷剂第四节制冷剂与冷冻油1.R12(CHCl2F2，二氟二氯甲烷)2.R22(CHCLF2，二氟一氯甲烷)3.R5024.新型制冷剂代替剂(1)R12的替代物比较成熟的有两类：一类是氢氟烃，以R134a为代表；另一类是丙烷和丁烷形成的烃。(2)R22的替代物氢氟烃类物质不破坏臭氧层。三、冷冻油1.冷冻油的性能与要求(1)粘度适当粘度是表示流体粘滞性大小的物理量。第四节制冷剂与冷冻油(2)浊点低于蒸发温度冷冻油中残留有微量的石蜡，当温度降到某个值时，石蜡就开始析出，这时的温度称为浊点。(3)凝固点足够低冷冻油失去流动性时的温度称为凝固点，其凝固点总比浊点低。(4)闪点足够高冷冻油蒸气与火焰接触时发生闪火的最低温度，叫做冷冻油的闪点。(5)化学稳定性好冷冻油在与制冷剂、金属共存的系统中，若温度比较高，则会在金属的催化作用下，发生分解、聚合、氧化等化学反应，生成具有腐蚀作用的酸。第四节制冷剂与冷冻油(6)杂质含量低制冷剂、冷冻油溶液中若混入微量水分，则会加速该溶液的酸化作用，使制冷系统出现有害的镀铜现象，并使压缩机的电动机绝缘性能降低。(7)绝缘性能好封闭式压缩机的电动机绕组及其接线柱与冷冻油直接接触，因此，要求冷冻油有良好的绝缘性能。2.冷冻油的选用(1)牌号选择目前，我国生产的冷冻油主要有五种，其牌号按运动粘度来标定，粘度越大，标号越高。(2)质量判断从冷冻油外观可以初步判断其质量的优劣第四节制冷剂与冷冻油一、活塞式制冷压缩机的工作过程二、活塞式制冷压缩机的结构1)开启式压缩机是压缩机和电动机分开，压缩机的曲轴有一端伸出机体，并通过联轴节与电动机相连。2)半封闭式压缩机是压缩机与电动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，压缩机没有伸出机体之外的转动部件。3)全封闭式压缩机是将压缩机与电动机共同组装在一个封闭的机壳内，机壳的接缝用焊接的方法焊死。图6-8全封闭压缩机示意图1—连杆2—电动机绕组3—电动机定子铁心4—转子铁心5—偏心轴(主轴)6—吸气包7—排气管8—吸气管9—气缸体10—气缸盖11—活塞12—过滤器13—稳压室14—罩壳第五节制冷压缩机三、螺杆式制冷压缩机图6-9全封闭螺杆式制冷压缩机的结构第五节制冷压缩机第六节换热器和辅助设备一、冷凝器1.空气冷却式冷凝器2.水冷式冷凝器3.水和空气混合冷却式冷凝器二、蒸发器1)在冷却液体的蒸发器中，有水箱式(沉浸式)蒸发器(包括立管式、螺旋管式、蛇形式)、板式蒸发器、螺旋板式蒸发器、壳管式蒸发器(包括卧式蒸发器、干式蒸发器)等。2)在冷却空气蒸发器中，有空调用翅片蒸发器、冷冻冷藏用空气冷却器及冷却排管等。三、辅助设备1.油分离器2.汽液分离器3.贮液器4.排液桶5.低压循环桶第六节换热器和辅助设备1)自动监视：自动记录出某些参数随时间的变化情况。2)自动显示：用发光二极管或声响来预示某一参数已达到规定数值。3)自动保护：当某一参数达到危险的数值时，使机器停止工作。4)自动控制：使系统中各元件按规定的顺序起动及停止运转。5)自动调节：使某些参数保持给定的数值或按规定的规律来变动。1)被冷却对象温度工况的自动控制。2)制冷剂供液量的自动调节。第七节制冷自动化元件3)自动保护装置。4)压缩机制冷量的自动调节。一、热力膨胀阀1.热力膨胀阀的结构与原理第七节制冷自动化元件图6-11内平衡式热力膨胀阀结构图1—密封室座2—阀体3—出管锁母4—座孔体5—阀针6—调节阀7—密封填料8—螺母9—调节杆10—填料压母11—感温包12—滤网13—进管锁母14—毛细管第七节制冷自动化元件2.热力膨胀阀的基本调节特性(1)关闭过热度及可变过热度根据以上所述，当出口蒸气的过热度减小时，阀孔的开度也减小，而当过热度减小到某一数值时，阀门便关闭，这时的过热度称为关闭过热度(即前面所述的给定过热度)。(2)过热度与蒸发温度的关系热力膨胀阀所控制的过热度，是随蒸发温度而变的。3.外平衡式热力膨胀阀二、热气旁路阀第七节制冷自动化元件图6-13外平衡式热力膨胀阀工作示意图1—弹性金属膜片2—阀针3—弹簧4—调节杆5—感温包6—平衡管-(感温包内的压力)—弹簧力第七节制冷自动化元件图6-14热气旁路阀1—阀杆2—阀帽3—进气管第七节制冷自动化元件图6-15上海地铁直流传动车辆空调制冷循环流程图1—贮液器2—压缩机3—冷凝器4—蒸发器5—过滤干燥器6—视液镜7—截止阀8—单向阀9—电磁阀10—膨胀阀11—热气旁路阀12—软管13—压力表14—低压表15—高压表16—限压阀17—进给阀一、概述第八节上海地铁车辆空调制冷系统图6-16上海地铁交流传动车辆空调制冷循环流程图第八节上海地铁车辆空调制冷系统二、单个空调单元的外形尺寸及技术参数表6-2上海地铁单个空调单元的外形尺寸及技术参数三、客室气流组织第八节上海地铁车辆空调制冷系统图6-17客室气流流程图第八节上海地铁车辆空调制冷系统第九节南京地铁车辆空调通风系统简介一、客室空调1.系统概述(1)总体信息每节车有两个独立的单元式机组、两个送风道，每节车厢共用一个客室空调控制盘。1)两个完全相同的车顶单元式空调机组：制冷量为44kW，分别安装在车辆的端部。2)一个控制盘：控制空调系统的运行。3)一个紧急逆变器：110VDC/400VAC，在紧急通风模式下运行时为空调机组通风机供电。(2)主要技术参数南京地铁车辆客室空调外形尺寸及技术参数见表6-3。表6-3南京地铁车辆客室空调外形尺寸及技术参数2.主要部件及工作原理(1)单元式空调机组主要部件1)压缩机：为全密封螺杆类型，具有2级调节。第九节南京地铁车辆空调通风系统简介2)冷凝器：每个冷凝器由铜管和铝翅片组成。3)冷凝风机：吸入外界空气吹入冷凝器管路，并通过机组两侧的上盖排出。4)干燥过滤器：干燥过滤器安装在液管上冷凝器的出口处，其滤芯是100%分子筛，可除去制冷剂中的水分和杂质，防