空调制冷系统的设计分析

空调制冷系统的设计分析

对于舒适性和工业空调大多数都是用蒸气压缩式制冷循环，研究这种循环用得最多的就是制冷剂压焓图，如下图，它反映了制冷循环的各个状态点，而这些

点可以方便我们理解和计算整个循环。

一个制冷系统主要是由四个关键部件：压缩机，蒸发器，冷凝器，节流机构，这些部件都运行在制冷剂压焓图的相应位置上。此外，制冷系统还有为了使制冷系统正常运行必须的一些保护元器件如：干燥过滤器，气液分离器，高低压保护器等，还有为了实现一些特殊功能而使用的部件：热泵为了实现制冷制热切换而使用的四通换向阀，为了分液更加均匀而使用专门的分液头等，当然不能少的是把这些零部件连接起来的管路，而且这些管路的设计选择对系统的正常运行也有很重要的作用（请参考另外专述的文章）。

对于一个制冷系统，虽然会运行在不同的工况条件下，但在设计时，总是以一个保证制冷设备主要功能的条件作为设计基准，所以，设计工作最关键的是让所设计的制冷系统运行时的制冷剂参数在相应的工况下运行在各部件要求的工作范围内，如果超出，系统可能会效率低下，甚至发生故障，如压缩机吸气温度过高，会使压缩机过热或排气温度过高而损坏压缩机内部绝缘。所以，制冷系统各部件的选型，设计及计算都基于特定工况运行时制冷剂的一定温度和压力及流量。在制冷系统中，制冷剂的温度和压力是工程应用中比较容易直接获得的参数，而在各种图表中，无论是压焓图还是温熵图，只要知道了温度和压力，也就确定了制冷剂在制冷系统中的状态，同时也就可以知道制冷剂的其他参数，如焓值，比容等，从而可以计算出制冷系统的其他参数，如流量。所以制冷系统的设计一个很重要的工作就是确定制冷剂在运行时各个位置的温度和压力。

下面先介绍制冷系统设计时需要知道的一些基本条件：

换热方式：

现在制冷系统常用的换热方式，对于冷凝器有：风冷，水冷和蒸发式冷却；对于蒸发器有：冷风，冷水（自来水或盐水等溶液）。对于一个完整的制冷系统，家用和商用常见的搭配有：

风冷冷风方式，如家用空调，管道机，屋顶式空调；

水冷冷风方式，如水冷柜机，水源热泵；

风冷冷水方式，如风冷冷水机，风冷热泵；

水冷冷水方式，如水冷冷水机

不同的换热方式用在不同的场合，主要是根据应用场合，换热效率，生产和维护成本等方面的综合考虑。如家用机是免维护型的，所以内外侧都是用风冷；在大空间如超市，车间可用冷风方式，如果想减少维护可用风冷，如果想节能可用水冷；因为冷却场所分散而且数量庞大，而且安装面积较小，可以使用水冷冷水方式，如果有足够安装面积而且想减少维护，可以用风冷冷水。

制冷剂的选择：

现在国内广泛使用的还是R22，R134a只用在大型中央空调

机组，汽车空调中及冰箱中。对于R407C，因为之前欧州提倡

过一段时间，国内就生产了一段时间，但因为温度滑移的缺陷

明显而慢慢被淘汰。出口产品中，特别是出口欧美的产品，都

是使用R410A，国内也有部分使用产品使用R410A，估计都是

看中它环保以及高能效比潜力。有提出用R290和CO2的，但

因为技术上的原因目前只用于小冷量的冷藏设备中。国内卧式

冷柜多用R600a。

R410a有一个突出问题是临界温度比较低，只有70C，也就

是冷凝温度比较高时，如40C时，换热温差14C，那么距离临

界点只有16C，冷凝效率比较低，所以在设计冷凝器时要注意这点。此外它的优点还是比较突出的，如对压力损失不敏感，容易做出高能效比。虽然因为压力比R22高，因此所有系统的相关部件都要重新设计，经过几年的发展，在现有技术条件下还是比较容易实现，所以也就成为一个趋势。

碳氢制冷剂虽然优点也不少，但是其可燃性确实是一个大问题，在国内安装条件恶劣和国外安全要求严格的条件下，只能在小型制冷产品中使用。

运行工况：

对于制冷系统，不同的环境，系统中各点的状态是不一样的，所以制定了标准的空调工况，见下表：风冷室外进风室内冷风回风恒温恒湿空调

干球温度 C 35 干球温度 C 27 23

湿球温度C 30 湿球温度 C 19 17

水冷冷水

进水温度 C 30 出水温度 C 7

出水温度 C 35 进水温度 C 12

GB/T 17758-2010，GB/T 18430-2008，GB/T 7725-2004

系统状态点

对应上面的工况，制冷系统中各状态点参考值：

R22 R410A R134a 状态点风冷水冷风冷水冷风冷水冷

排气温度C 85-95 75-85 85-95 75-85 65-80 60-75

冷凝温度C 48-54 45-50 48-54 45-50 48-54 45-50

冷凝压力bar 18-20 15-16 26-32 23-26 13-15 11-13

过冷度C 5-8 5-8 5-8 5-8 5-8 5-8

液体温度C 43-47 32-40 43-47 32-40 43-47 32-40

冷风冷水冷风冷水冷风冷水

蒸发温度C 5-8 2-3 5-8 2-3 5-8 2-3

2.0-2.3

蒸发压力bar

5-8 2-4 8-9 7-8 2.5-3

过热度C 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10 5-10

吸气温度C 12-20 10-15 12-20 10-15 12-20 10-15

表中压力为表压

以上工况的室内参数主要针对舒适性空调，工艺性空调则根据实际应用有不同的要求，但对于保证系统正常运行的而不会影响工艺要求参数，也可参考上表。

下面对上面所提的温度和压力进行分析：

排气温度和压力：排气温度反映的是压缩机对制冷剂做的功，对于空调压缩机来说，在名义工况下（下表一），都会有一个对应的排气量（下表二），这个排量的变化就反应了系统其他参数的变化，制冷量也

因此而产生变化。对于R22的风冷系统来说，要使冷凝温度保持在54.4C，

1.那么根据压缩机吸气温度为18.3C，然后等熵压缩，达到高于54.4C

时的冷凝压力时（因为有排气阀片阻力和管路阻力，排气压力一般

稍高于冷凝压力），从右图可见，这时的温度高于90C，但因为制冷

剂气体会和压缩机缸体有热交换，所以并不是一个理想循环，而这

也使制冷剂气体比理论值稍高一些，可达到95C。排气温度也反应

了压缩机内的温度水平，如果太高，对压缩机冷冻油，压缩机电机

绝缘产生不良影响，从而导致压缩机故障。排气压力过高，也会减

小有余隙容积的压缩机的排气量，因为这种压缩机的气缸要降到一

定压力才能吸气，排气压力越高，那行程越大才能降到吸气压力以

下，所以一定要控制在合理水平。排气压力是就是气缸压缩气体打

开排气阀片后的压力（阀片后还有背压，开机时是系统静止压力，

开机后是冷凝压力），因此，气缸内气体要排出，必须大于背阀片压

力和背压，而没有阀片的压缩机，排气压力也必须要大于管路压力才能排出，否则只能管路气体膨胀到压缩机气缸中，然后再由压缩机把制冷剂气体挤出去气缸（欠压缩），这使压缩机工作不太稳