壁挂式单冷家用空调的设计

李进垚          

摘要：根据空调系统的初步设计，其内容主要有：确定采用的空调系统形式，进行空调系统划分；确定室内、外设计参数；计算夏季空调负荷；送风量与送风状态参数的确定，气流风布校核计算；风机的选择或校核；制冷系统设计等。

关键词：空调  压缩机  冷凝器  蒸发器  节流

引言：

壁挂式单冷家用空调是适用于办公室、包厢、小客厅等场所。要安在距屋顶十公分或离地面1.8米以上没有遮挡物，不会形成气流短路的地方，且内、外机连接管不宜超过7米。

根据空调系统的初步设计，其内容主要有：确定采用的空调系统形式，进行空调系统划分；确定室内、外设计参数；计算夏季空调负荷；送风量与送风状态参数的确定，气流风布校核计算；风机的选择或校核；制冷系统设计等。

1.空调的工作原理：

接通电源，室内机、室外机开始工作。进行制冷运行时，来自室内机热交换器(蒸发器和冷凝器的统称)的低温、低压制冷剂(氟立昂)蒸汽被压缩机吸入，压缩成高温高压汽体，然后排入室外机热交换器，通过轴流风扇的作用，与室外空气进行热交换而成为制冷剂液体，再经过毛细管节流、降压、降温后进入室内换热器，在室内机离心风扇的作用下，与室内空气进行热交换而成为低压制冷剂汽体，如此周而复始地不断循环而达到制冷的目的。当进行制热运行时，电磁四通换向阀动作，使制冷剂按制冷过程的逆过程进行循环，制冷剂在室内机换热器中放出热量，在室外机换热器吸收热量，进行热泵制热循环，从而达到制热的目的。(

2．制冷循环形式的确定

对于蒸气压缩制冷循环，有单级压缩循环、双级压缩循环和复叠式循环之分。空调中的制冷机组大多采用单级压缩制冷循环。

2．1 壁挂式单冷家用空调采用的是无回热单级压缩制冷循环。

   在这个循环中液体制冷剂在节流前按不过冷考虑；过热过程是制冷剂饱和蒸气从蒸发器至压缩机的回气管道中吸收周围空气中的热量而升温的过程。一般采用氨制冷剂的制冷系统应为无回热循环。

3．制冷剂的选择

   制冷剂是制冷系统中完成制冷循环的工作介质，制冷剂的性能直接影响制冷循环的技术经济指标。

3．1 壁挂式单冷家用空调采用的是R22制冷剂。

制冷剂的种类很多。其中作为空调用的制冷剂物质主要有R123、R11、R12、R22、R500、R152、R717、R718等。由于CFC对大气臭氧层的破坏作用，联合国环境规划署制定了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，并于1900年伦敦会议作出修订。中国政府于1993年1月12日批准的《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案》中制定了2010年完全淘汰消耗臭氧层物质的实施方案。制冷剂在润滑油中的可溶性；制冷剂的导热系数、放热系数高；制冷剂的密度、粘度低；制冷剂对金属和其他材料无腐蚀和侵蚀作用；制冷剂在高温下不分解，不燃烧、不爆炸。(其他)：制冷剂对人的生命和健康无危害，不具有毒性、窒息性和刺激性；制冷剂应易于购买，且价廉。目前使用的制冷剂或多或少存在一些缺点。

4．蒸汽压缩式制冷实际循环的热力计算

   在选定制冷工质和循环形式之后即可进行热力计算。热力计算的目的主要是根据实际制冷循环的工作条件，算出实际循环的性能指标、制冷压缩机的容量、功率及蒸发器、冷凝器等热交换器的热负荷，为制冷系统的选择计算提供原始数据。实际循环：压缩过程是熵值增加的多变过程。节流过程有吸热，焓值也略有增加。制冷剂在管道、热交换器和压缩机中流动时存在阻力损失和热交换。

      热力计算：

      (1)单位制冷量  q。＝ h_l—h₅     kJ／kg  如吸气管中吸热可忽略不计，则5-1过程全在蒸发器中进行。

           (2)单位容积制冷量 q_v = q₀/v₁    kJ／kg 

      (3)等熵压缩单位理论功  w₀ = h₂ - h₁   kJ／kg

           (4)理论制冷系数  

                      ε = q_0/w₀= h1-h5/h2'-h1   

      (5)制冷剂的质量流量

         G = Q₀／q₀

           = Q₀／(h₁一h₅) kg/s

      (6)压缩机容积流量(按吸气状态容积计算)

              V_s = G · v₁

            = Q₀ · v₁/q₀ = Q₀/q₀                                     

  (7)压缩机的理论流量

        VT = Vs/λ = Q0/(λ ·qv)     m³/s

  (8)压缩机的理论功率

           P_T＝G·w₀     kW

  (9)压缩机的指示功率

           Pi= G·wi 

              = G·w0/ηi= PT/ηi    kW

  (10)压缩机的轴功率

       p = pi/ηm

              = pT/(ηm·ηi ) = pT/η  kW

  (11)单位轴功率制冷量

                 Ke=Q₀/P=ε ·η

(12)冷凝器的热负荷

Q_k=Q₀+p_i   kW

5．制冷压缩机的选型

本台壁挂式单冷家用空调使用转子式制冷压缩机。

5.1压缩机在系统中的作用

　　吸入从蒸发器返回的低压制冷剂气体，进行压缩，形成了高温高压的制冷剂蒸气。对于压缩机来说，空调器制冷或制热，压缩机的作用及运行状态没有太大的变化，只不过运行工况有些改变，制热时运行压力相对较高。

5.2需保持系统的回油状态

　　冷冻机油在压缩机内起润滑作用，能有效地防止机械部品的磨耗。且其油封作用能维持高、低压间的压差。另外由于冷冻机油的不断循环，还能及时带走摩擦面间产生的热量。

　　压缩机内的冷冻机油一部分随制冷剂排出到系统中。被排出的油在冷凝器中溶解在液体制冷剂中；进入蒸发器，就逐渐与制冷剂分离，传递到管壁、或者成为雾状，与气体一起返回压缩机。但是如冷冻机油排出压缩机后不能顺利返回，则会造成润滑不良，最终使摩擦面过度磨耗。

6．冷凝器的设计

 冷凝器的功能是把由压缩机排出的高温高压制冷剂气体冷凝成液体，把制冷剂在蒸发器中吸收的热量（即制冷量）与压缩机耗功率相当的热量之和排入周围环境中。因此，冷凝器是制冷装置的放热设备，其传热能力将直接影响到整台制冷设备的性能和运行的经济性。冷凝器按其冷却介质可分为水冷式、空冷式和水/空气混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其适合于缺水地区，在小型制冷装置（特别是家用空调）中得到广泛应用。空冷式冷凝器可分为强制对流式和自然对流式两种。

强制对流空气冷却式冷凝器都采用铜管穿整体铝片的结构（因此又称管翅式冷凝器）。其结构组成主要为——U形弯传热管、翅片、小弯头、分叉管、进（出）口管以及端板等。

6．1 U形弯传热管

U形弯传热管俗称大U弯，其材料一般为紫铜。为了减少金属材料消耗量及减少冷凝器重量，在强度允许的条件下，应尽量避免使用厚壁铜管。

 U形弯传热管有光管和内螺纹管两种。由于内螺纹管重量轻、成本不高，并且其内表面传热系数较光管要增加2~3倍。因此，现在光管已基本上被内螺纹管代替了。

6．2  翅片

除非客户特别要求，否则翅片的材料一般为铝。它有平片、波纹片和冲缝片三种形式，并且这三种形式的表面传热系数也相差较大。对使用波纹片和冲缝片的管簇，其空气侧表面传热系数目前尚无简单准确的计算式。实践表明，采用波纹片和冲缝片时，空气侧表面传热系数较一般平翅片分

别大20%和60%以上。由于空气通过叉排管簇时的扰动程度大于顺排，空气通过叉排管簇时的表面传热系数较顺排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排为好。为了使弯头的规格统一，一般管簇都按等边三角形排列。为了使翅片有较高的翅片效率，保证弯头的加工工艺要求，管中心矩应是传热管外径的2.5倍。按等边三角形叉排布置的翅片管簇，对每根而言，其翅片相当于正六角形。

 为了有效利用空冷式冷凝器的传热面积，并且保证焊接工艺要求，沿空气流动方向的管排数一般为1~4排。

为了增加铜管与翅片的接触面积，进而增加整个冷凝器的换热面积，一般将翅片孔外沿翻边。翅片的翻边保证了翅片的间距，同时也保证了胀管工艺。

为了提高换热器的传热效果，必须避免或减小翅片与管面之间的接触热阻，使翅片与管面间保证良好接触，因此一般会采用机械胀管方法，其胀紧量一般为0.08~0.15㎜。

7．蒸发器的设计

蒸发器主体为加热室和分离室，蒸发器的主要结构尺寸包括：加热室和分离室的直径及高度；加热管的规格、长度及在花板上的排列方式、连接管的尺寸。这些尺寸的确定取决于工艺计算结果，主要是传热面积。

8．节流结构

节流的工作原理是制冷工质流过阀门时流动截面突然收缩，流体流速加快，压力下降，压力下降的大小取决于流动截面收缩的比例。节流机构的作用：

8．1 节流降压

当常温高压的制冷剂饱和液体流过节流阀，变成低温低压的制冷剂液体并产生少许闪发气体。进而实现向外界吸热的目的。

8．2 调节流量

节流阀通过感温包感受蒸发器出口处制冷剂过热度的变化来控制阀的开度，调节进入蒸发器的制冷剂流量，使其流量与蒸发器的热负荷相匹配。当蒸发器热负荷增加时阀开度也增大，制冷剂流量随之增加，反之，制冷剂流量减少。

8．3 控制过热度

节流机构具有控制蒸发器出口制冷剂过热度的功能，既保持蒸发器传热面积的充分利用，又防止吸气带液损坏压缩机的事故发生。

8．4 控制蒸发液位

带液位控制的节流机构具有控制蒸发器液位的功能，既保持蒸发器传热面积的充分利用，又防止吸气带液降低吸气过热度。

若节流机构向蒸发器的供液量与蒸发负荷相比过大，部分液态制冷剂一起进入压缩机，引起湿压缩或冲缸事故。相反若供液量与蒸发器负荷相比太少，则蒸发器部分传热面积未能充分发挥其效能，甚至会造成蒸发压力降低，而且使制冷系统的制冷量降低，制冷系数减小，制冷装置能耗增大。节流机构流量的调节对制冷装置节能降耗起着非常重要的作用。大型中央空调冷水机组常用的节流机构有手动节流阀、孔板、热力膨胀阀、浮球+主节流阀。

9．辅助设备

9．1 油分离器

从压缩机来的制冷剂和油的混合物进入油分离器的进口，混合物流过一个过滤器和档板装置，使油的细粒聚集并跌落到油分离器的底部，制冷剂气体通过出口过滤器将残余的油粒分离，并在“无油”状态下进入冷凝器。制冷剂的油聚集在油分离器的底部，在该处的一个由浮球操作的针型阀开启，让油回到压缩机中。由于油分离器中的压力比曲轴箱的压力要高，因此油很快地返回到压缩机中。当油位下降，针型阀将关闭以防止制冷气体返回到压缩机。

9．2 储液器

制冷系统中的高压储液器（也称储液筒）是装在冷凝器和膨胀阀之间的，它的功能可归纳为以几个方面
9.2.1储存冷凝器的凝液
    避免凝液在冷凝器中积存过多而使传热面积变小，影响冷凝器的传热效果。
9.2.2适应蒸发器的负荷变动对供应量的需求
    在蒸发负荷增大时，供应量也增大，由储液器的存液补给；负荷变小时，需要液量也变小，多余的液体储存在储液罐里。
9.2.3作为系统中高低压侧之间的液封
    因为出液管是插在液面下，故可防止高压侧的蒸汽和不凝性的气体进入低压侧。
同时，储液器也起到过滤和消音的作用。

 储液器的形式有多种，有单向和双向之分；有一出口和两出口之分；有立式和卧式之分。

9．3 过滤器