特種空調的壓縮機選型

摘 要：通過對特種空調制冷系統進行空調工況、高溫工況下的熱力計算，同時對比選用不同制冷劑，根據壓縮機最大軸功，完成相適應的制冷劑和壓縮機選擇。

關鍵詞：特種空調；壓縮機；熱力計算；選型

Abstract：Through heating calculation of air conditioner chamber、high temperature air conditioner chamber for special air conditioner， complete the selection of special air conditioner compressor ，according to comparative analysis the maximum work of compressor.

Key words：special air conditioner；compressor；heating calculation；type selection

1 概述

在小型特種空調的使用中，由于環境較為惡劣，因此壓縮機的選型尤為重要，選擇適用的壓縮機，將會使空調適應使用環境，提高空調的可靠性。

小型特種空調的使用環境溫度一般均在20至55℃之間，個別設備的使用環境高達65℃。同時適用場合亦較為多樣，有向工作人員提供舒適性處理空氣的，亦有專為電子設備降溫的。

在這種空調的設計中，由于使用方對空間結構要求苛刻，設備要求體積小，重量不能過重，同時用電量不能超出電源能力，因此選用壓縮機尤為重要。很多在使用過程中出現的故障均是由于壓縮機選用不當，造成空調無法使用。比如：無法在高溫環境下制冷工作；空調使用壽命短，使用12年就出現壓縮機燒毀故障等。這些現象很多原因均是由于壓縮機選用時只考慮了空調的性能保障，忽視了高溫或及超高溫環境下空調工作時，壓縮機耗電的巨大變化，使壓縮機電機長時間在超載狀態下工作，致使電機燒毀。

目前大多數空調通過制冷系統的改進設計，使用各種電磁閥旁通制冷劑或使用變頻壓縮機進行制冷系統的匹配，對上述問題進行改善。但由于加入大量電子元器件和電子設備，繁復的空調控制邏輯，降低了空調的可靠性，在復雜環境下，特別是惡劣的電磁環境，使空調故障率反而加大。

2 選型思路

2.1 設計要求

以下為使用方提出空調的性能要求和使用環境溫度要求，同時要求采用分體結構形式。

1）制冷量：2800W；2）電源：～220V/50Hz；3）制冷劑分別為：R22、R134a、R407C；

4）制冷工作溫度：+15oC～+50oC； 5）儲存環境溫度：45oC～+70oC。

壓縮機在SL232系列壓縮機或同類規格型號中選用。空調在使用R22制冷劑制冷量3.2kW的特種空調設備基礎上改型設計。

2.2 理論計算

由于特種空調生產量小，因此采用T1類工況的全封閉滾動轉子式制冷壓縮機，進行空調的設計。壓縮機為滾動轉子式壓縮機，理論排量23.2cc/min，壓縮機使用單相電，額定消耗功率1230W。

使用Coolpack軟件進行理論計算，制冷工質分別為R134a和R22 、R407C，制冷系統熱力循環如圖1，計算結果見表1、2、3、4、5、6等數據，壓縮機選型公式為：

通過公式計算得出各種工況下壓縮機理論功耗，選擇理論排氣量相等或相近的壓縮機，通過各種壓縮機規格書中相應壓縮機的制冷量及輸入功率與理論計算得出的制冷量及最大功耗對比 ，選擇制冷量滿足空調使用要求、規格書中壓縮機輸入功率與理論計算壓縮機最大功耗相近的一款壓縮機，作為空調備選壓縮機。在同一臺空調上，通過壓縮機與制冷系統聯機試驗，最終確定壓縮機選型。

由制冷系統熱力計算，可以得出，選用該型號系列壓縮機，使用R134a制冷劑時，壓縮機的軸功能夠滿足空調在要求的溫度環境內正常工作，制冷系統無需增加卸載、旁通等輔助制冷器件，以保證制冷裝置在極限溫度環境下正常工作，減少制冷裝置器件使用數量，提高設備可靠性，簡化了制冷系統和控制邏輯的設計。

3 試驗驗證

空調首先使用制冷劑R22，按照要求，進行性能試驗。驗證試驗工況按表7中額定制冷、高溫，超高溫為設計保證。在完成使用制冷劑R22的實驗后，更換使用制冷劑R134a和R407c壓縮機進行匹配試驗，完成空調的試驗考核，確定壓縮機的選型。

在空調的設計中，采用分體結構形式，冷凝器使用銅管翅片形式，紫銅管規格為φ9.52×0.35，使用軸流風扇進行強制散熱。蒸發器使用銅管翅片形式，紫銅管規格為φ6.35×0.35，使用貫流風扇進行強制散熱，節流器使用毛細管。

在空調原系統上使用R22進行了額定制冷量、高溫、電源適應性試驗，相關數據詳見表8。

在原制冷系統上更換使用R134a制冷劑的壓縮機，進行匹配試驗，充灌R134a制冷劑550g；更換加長長度的毛細管進行額定制冷量的試驗，相關數據詳見表9。

由此得出結論：使用直徑為φ12.7的銅管作為連接管，使系統的性能有一定的提高，因此在使用連接管時可使用φ12.7的回氣連接管代替原系統選擇的φ9.52的回氣連接管用以提高系統的性能。

根據前期進行的各種匹配試驗，最終確定制冷系統充灌R134a制冷劑。制冷系統的最終狀態：R134a的充灌量為1600g，毛細管使用3.0×900，回氣連接管使用直徑為φ12.7的銅管，以此狀態進行了高溫試驗考核，相關數據詳見表11：

使用R134a制冷劑，所選用的全封閉壓縮機能夠滿足空調的使用要求。高溫性能良好。

用R22制冷系統充灌R407C制冷劑時制冷系統的最終狀態：R407C的充灌量為1800g，毛細管使用3.0×900，回氣連接管使用直徑為φ12.7的銅管，以此狀態進行了空調工況制冷性能測試，隨后按高溫工況進行高溫試驗，在高溫試驗中，考慮到在熱力計算中，制冷系統會出現冷凝壓力超限現象，故采用逐步升高冷凝側進風溫度，同時檢測壓縮機排氣壓力，保證試驗順利進行。性能試驗數據詳見表12，高溫試驗數據見表13：

當冷凝側進風溫度升高至45℃時，壓縮機耗電出現急劇升高現象，隨后，壓縮機停機。

4 數據分析

通過理論計算以及驗證試驗，對獲得的數據進行分析，可以得出：

1）對于定頻定排量的全封閉制冷壓縮機，由于其內置電機規格固定，電機輸出功率無法完全適用特種空調在其要求的全部環境內穩定工作，當空調在高溫或超高溫環境下工作時，由于室外溫度非常高，造成制冷系統冷凝壓力急劇升高，使壓縮機耗電隨之升高，當超出電機極限時，壓縮機熱保護，致使空調無法正常工作，影響使用。雖然通過制冷系統優化設計，增加使用變頻、熱路旁通、卸載等措施，可以改善制冷系統的環境適應性，但隨之帶來的是制冷系統、控制邏輯設計復雜，大量使用輔助器件，造成空調可靠性下降，在使用中，出現故障的概率較簡單的制冷空調大大增加。影響用戶使用。

通過制冷系統熱力計算，特別是增加高溫環境的熱力計算，同時加入制冷劑的選擇，可以選擇滿足使用要求的壓縮機，為制冷系統設計提供有力的理論依據。由圖2 可以看到，R134a制冷劑，具有良好的高溫性能。同時選用R134a的壓縮機，其電機的耗電，亦能滿足特種空調各個環境工況下的消耗功率使用要求。

2）對空調使用R22制冷劑進行匹配試驗，通過圖3分析可以看出，在冷凝溫度75℃以下時，壓縮機電機的消耗功率增長不大，隨著冷凝溫度的繼續上升，壓縮機消耗功率會超過壓縮機電機的設計值，空調將會出現熱保護停機。同時，制冷系統的冷凝壓力亦會升高，并超過制冷系統安全設計壓力3MPa，帶來安全隱患。

3）通過圖4 可以分析得出，使用制冷劑R134a，壓縮機電機在冷凝溫度升高的過程中，消耗功率升高的程度并未超過壓縮機電機的設計值，空調的制冷量亦不會有大的變化，制冷系統可以在實際要求的各種工況下穩定工作，同時，制冷系統未使用變頻、熱路旁通、卸載等措施，簡化了制冷系統的設計，空調的控制邏輯亦隨之簡單。

4） 通過圖5 可以分析得出，制冷劑R407C是不能滿足特種空調使用要求的。當冷凝側的進風溫度升至45℃時，制冷系統冷凝壓力就升高超過3MPa，同時，壓縮機電機的消耗功率急劇升高，電機出現堵轉現象。

5 結論

通過試驗數據與理論計算的結果對比分析，兩者誤差相差不大，因此按上述設計思路進行特種空調制冷系統壓縮機選型是可行的。在R22制冷系統中改型設計使用R134a制冷劑的制冷壓縮機，制冷劑的充灌量增加約17%，額定制冷量損失約13%，系統的額定制冷消耗功率會降低約25%，同時系統的高溫性能有所改善。

特種空調在高溫環境下是不能使用R407C制冷劑。

參考文獻：

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[2]丁國良，張春路，趙力.制冷空調新工質熱物理性質的計算方法與實用圖表.上海交通大學出版社，2003.

[3]GJB1913A—2006軍用方艙空調設備.

[4]吳業正.制冷原理與設備.北京：機械工業出版社，1995.

作者簡介：李潤宸（2004），女，現就讀于天津市天津二中高二（四）班。