系统的流路设计原则.doc

第一节 系统的流路设计原则 刘阳两器分流实际就是两个问题：一是分多少路，二是如何分。一、分流路数当制冷剂流经冷凝器时因磨擦而产生的压降会降低压缩机制冷量，因为压缩机排气压力会相应提高，而容积效率会相应降低。由于低于0.3kg的压降对冷凝温度影响不大，故而对系统制冷量的影响甚微。然而，由于压缩机排气压力提高会使压缩机的功耗上升，因而考虑到最佳的操作经济性，应避免在排气管及冷凝器内出现过高的压降。在蒸发器内因流动磨擦阻力产生的压降会造成蒸发器出口处压力低于进口处压力。对于一定的负荷和盘管，所要求的平均制冷剂温度是固定的。压降越大，则蒸发器内制冷剂平均压力与蒸发器出口处制冷剂压力差就越大。当离开蒸发器的吸气压力下降时，回到压缩机的气体比容增大，从而压缩机输送的制冷剂质量减少。因此，蒸发器内的压降会导致系统制冷量的下降，在设计蒸发器时就应该避免出现压降异常偏高的情况。综上所述，若仅从压降考虑,两器分流路数越多，单路流程越短，阻力损失越小对系统能力的提高有好处，但这也不是绝对的，原因主要有两个：1）若两器较大，流路多导致单路流量小，流速慢，管内侧换热系数下降，同时在蒸发器内也因流速慢带来一个回油难的问题，若回油不好，油积附在管壁形成油膜会导致换热系数下降。2）流路过多导致各路分流很难均匀，能力反而下降。所以具体要分多少路对一个系统来说是有一个最优的选择，是依据两器的实际大小、压机的排气量、选用的冷媒来确定的。二、如何分评价分流效果的指标有两个：一要均匀，二要要保证工艺性。分得均匀，工艺性差，生产不出来也不行。是否均匀可根据各路出口的温度来判断，一般对蒸发器来说只有在各路出口已过热的情况下对温度点进行对比才有意义，因为若仍未蒸发完因沿程阻力冷媒仍有一个继续蒸发降温的过程，在出口的比较就不准确了，所以蒸发器是否均匀要在各路过热的情况下进行判断，同样对冷凝器的分流判断也存在一个过冷的因素，但因为过冷后是液体相对蒸发器来说温度变化没那么大，所以要想准确判断，最好的办法就是沿着冷媒流向多布点。但对实际的系统匹配来说，考虑到工艺性，只要性能达到要求就可认为分流已满足要求。具体的分法，主要是依据换热器各部位的换热状况来定，方法有以下几种，一是各路均分，流程一样长，但通过调整各路在换热好坏区域的比例来保证换热均匀，举例说就是若A路差，B路好，就把B路换热好的一个U与A路换热差的一个U互换，以达均衡，常用的办法就是移位、跳管，但工艺性较差；二是调各路流程长度，其原则就是换热好的区域走短一些，换热差的区域走长一些，这种方法的工艺性强但很难分均匀；三是在过去柜机内机中用的办法，用毛细管调，简单准确，但会造成室内节流声。现在随着冷凝器系统的精调，为保证制热量，冷凝器制冷各路出口上也加上了制热分流毛细管，即可在制冷时平衡各路阻力，又可在制热时调整各路的流量；四是在液态分流时调整各路导管的管径，其原理与用毛细管相同，但调节量很小。我们注意到不管是蒸发器或冷凝器，制冷剂在其中都是一个相变的过程，具有单相-两相-单相的特性，而由液相到气相体积是一个巨变的过程，考虑到制冷剂的流速及流阻的影响，目前有较多的系统采用一进两出的分法，液相走单路，气相走双路，既保证了液态时有较高的流速，又避免了气化后的流阻过大，同时工艺性也较强。总之，对于系统的分流可在强化换热的理论指导下通过试验找出最佳的方案，但在分流中要注意以下几点：1 结合风道系统及其它结构件充分考虑风阻对换热器性能的影响。2 用一些可强化换热的走法，如逆流布置、换热器内高低温区分开等。3 要考虑重力对液体流动的影响。4 要考虑到工艺性、经济性，在保证效果的前提下用最简单的走法、最普通的配件，只求综合效果最佳，不要过分追求分流效果。第二节 系统状态分析及对策 刘阳 本节介绍系统调试中的一些案例。空调系统设计的目的是依据设计输入（如技术任务书中的成本、结构、市场定位等）要求，确保产品性能在满足标准（国标或企标）的前提下，在空调的各项性能指标（主要为：能力、可靠性、舒适性）中寻求最佳的平衡。具体来说开发每一款新的空调在它的市场定位下对其性能指标都有明确的要求，高效机追求能效比高，可忽视成本的限制，但其舒适性又相对较差，它的噪音高，制热的出风温度低；低档机控制的中心是成本，其首先要保证的是产品的可靠性，其次才到能力，舒适性放到最后；当然我们若要追求一个在目前技术水平下的完美性能组合做一款高档机，也必然因外观结构因素而限制其性能指标的提高，所以空调的系统设计就是在空调的各项性能指标中寻求平衡，而最基本的性能要求就是产品的可靠性，我们设计的空调系统首先要保证它在夏天能制冷，冬天能制热，在我们的设计寿命内、承诺的使用温度范围内，空调要能可靠的工作，这是设计一套空调系统最基本的要求。科龙一匹小箱体是针对格力风蝶系列而设计的，要求外形小巧精致，成本低，是为2003年价格战而准备的战斗机，低成本是其设计要点，产品设计也依此为出发点，下面先简要介绍其系统参数的确定过程。我们知道一款全新机型首先要确定它的外形尺寸，而外形尺寸主要受蒸发器及冷凝器尺寸限制，两器尺寸受能力限制，所以根据一匹机的能力，并参照相关的成熟机型可很快确认两器的尺寸，再通过制作手板样机验证性能，基本就可确认空调的外形尺寸，当然也可通过理论计算换热面积来确认两器尺寸，但由于计算公式中很多系数的选取是依据经验，不确定因素多，计算出的结果与实际相差较大，最终仍需实验确认，所以要想通过理论计算确定两器的前提是积累大量的实验数据，并在此基础上总结出相应的经验公式才能达到。同时外形尺寸的确定也要考虑室内外风量、噪音，其中最主要的因素是两器的迎风面积和风扇的尺寸，风扇一般考虑的是选用现成的成熟风扇，综合上述因素就可最终确认空调器的外形尺寸。外形确定后接下来就要依据噪音及性能指标确定选用的风扇、风扇电机的转速、两器的分流、冷媒量及毛细管长度。下面将就一匹小箱体的开发谈空调系统设计中应注意的一些问题。一、小箱体的结构特点及其对系统的影响小箱体的室外机为追求小巧，不带室外屏蔽板，压机完全裸露在室外风扇下，带来的问题主要有以下三点：一是安全问题，空调运行时风扇高速旋转，在室外狭小的空间内，铜管与电线必须完全避开，而且要考虑运输后的状态，另外在下雨时风扇会将水甩到电器件上，室外的带电部件必须做防水处理；二是振动、噪音问题，室外空间小，管路的布置就必须合理，否则就无法解决配管振动问题，另外没有隔板，压机声会传出，而压机声音质极差，必须用风声盖住；三是压机本体及排、回气管裸露在室外风扇下，这导致了系统运行时各项参数与普通机不同，制冷时压机本体及排气管被冷却是有利的，回气管被加热是有害的，制热时压机本体及排气管被冷却是有害的，导致制热量偏小。二、小箱体系统设计中的主要问题及其处理1压机的排、回气参数与普通机比较相对异常。小箱体名义制冷时排气为90左右，回气为18左右，名义制热排气在62-70，回气在1左右。压机的排、回气参数是我们系统匹配中最常用的参数，但是应如何判断其是否正常？有人认为制冷时排气温度在80-88，回气在10-15为最佳，其实最佳排、回气温度不是固定的，它因空调系统的不同而变化。比如对高效机而言，由于两器大，风量大，换热好，所以蒸发温度高，冷凝温度低，其性能最佳时的排气可能在60以下，回气则在20以上，而对一些压机大两器小的系统，因其冷凝压力高，蒸发压力低，表现出的可能是排气高（90左右），回气低（10以下），所以排、回参数要根据实际的系统来定，原则上制冷时排气上限温度是以在确保通过最大运行制冷的基础上放一定的余量，但并不是说排气温度低大冷就一定好过，因为一般压机的保护设置是按电流与温度的对应关系来确定的，当系统冷媒量多时，运行电流大，其对应的保护温度低，即使这时的排气温度不高，压机依然会保护跳停；回气温度则主要通过考虑蒸发器的过热情况来定。同样在制热时也不存在所谓最佳的排、回气温度，其更多考虑的是排气温度与冷媒流量的关系，在两器确定的情况下，加长毛细管可提高排气温度，但同时阻力的增加也减少系统冷媒流量，制热量是否得到提高取决二者的综合效果，当然在加长毛细管的同时增加冷媒量是可以达到提高制热能力的目的，但这样会造成制冷功率的提高。名义制热排气温度最高如何确定，如何才算合适，也没有什么明确的限定，因为在高温制热时空调系统一般都有卸荷保护，通过停室外风扇来减少蒸发负荷，降低蒸发压力，减少系统循环量，进而降低冷凝压力，所以只要名义制热时不出现卸荷，最大运行制热时不出现过热跳机，名义制热排气温度高的产品也是符合标准的，当然对这样的系统若用户在较高的环境温度下使用，比如室外13，就可能达不到理想的制热效果，因为不停地卸荷导致系统的输出能力下降，达不到设定温度就会导致用户投诉，但从另一方面说其在低温时的制热效果反而会较为理想。至于制热回气温度，同样是根据制热时的蒸发器效果来确定，也没有什么具体的值。小箱体制冷排、回气温度高，是因为压机回气管被室外箱体内热风加热导致的，同样制热时排气温度低是因为压机本体及排气被冷风冷却导致的，这样的参数是正常的，整机表现出的各项性能指标也是良好的，所以在系统设计时判断某个参数是否正常要依据整机的系统情况来进行。2 制冷功率与制热能力的协调。当大家做了一定的系统匹配实验后，基本都可得到这样一个经验，在一定范围内提高系统能力最便捷的方法是加冷媒同时加长毛细管，这个过程中牺牲的是系统的功耗，这个办法在制冷或制热时都有效，但对于一个冷暧机系统，必须先确定一个工况（一般是制冷）参数，再调另一个工况，所以这个方法只能用一次。同时这种办法也仅是在一定的范围内可以使用，超出这个范围就会导致严重后果。在2000年的一款70柜机中，压机为LG的涡旋机，能力相对偏小，当时采取的对策是长毛细管多雪种量，制冷毛细管为双根2.7X1.4X450mm,R22量达2.9kg，小批通过，但在批量时大冷基本都通不过，功率高达4900W,当时分析其原因认为主要有以下两点：1）是R22量过多，毛细管太长导致功率高；2）采用1.4X450的毛细管选择不当，因长度太短，毛细管冲口的形状造成的局部阻力对系统影响太大，导致系统不稳定。整改的措施也很简单，将雪种放到2.3kg，毛细管改为2.7X1.7X900mm，虽然制冷、制热能力与原来相比略有下降，但仍能满足国标，并且在恶劣工况下的性能得到根本性的改善，也就空调产品的可靠性得到保证，产品的综合质量提高了。在小箱体的系统匹配中也遇到同样的问题，前面已提过因为压机本体及排气管的裸露造成制热量很难达标，在对比实验中，有无隔板制热能力相差近100W，最好的解决办法当然是用隔音棉将压机包起来，即解决能力问题又减少压机噪音的传出，但这个方案因室外下雨时会将隔音棉打湿，若此时制热，有可能将整个压机冻结，另外隔音棉打湿后容易腐蚀破损，所以方案不可行。在这种情况下若盲目通过加雪种加长毛细管进行调整必然产生上例所说的后果。在毛细管及雪种量无法调整时，则必须考虑到调整两器及风量参数,在两器外形尺寸已确定的情况下，两器的调整主要为：片型（波纹改冲缝）、片距调整、铝箔材料（普通改预涂）、铜管材料（光管改螺纹）、分流；而风量的调整为在可接受的噪音指标内提高风机转速、更改风道或另选风扇。在一个全新的系统开发中，上述的这些改动是一件很简单的事情，因为不存在原型机的借用关系，而对一款派生机型来说这样的改动就要相当慎重，因为要考虑借用关系，太多的专用件必然影响生产的柔性，这时候就要对各项的性能指标做出权衡。小箱体最终采用的方案是提高室外电机转速及更改了冷凝器的分流，后果当然是小箱体外机噪音偏高，这也是小箱体项目中的一个缺陷。 作为一名系统设计人员，调毛细管及雪种量仅是最基本的一项技能，其对性能的调节作用并不大，系统设计的关键在于前期的两器设计及风量选取，系统设计人员要在匹配初期就考虑到两器、风量、特殊的性能要求（如长连管）、特殊的结构形式（如无隔板）可能会对系统参数造成的影响，例如蒸发器偏大会对参数有何影响？会对毛细管的调节有何影响？所有处理这些问题的经验都要在试验中积累，这是一个渐进的过程。 3名义制热结霜及其处理。 名义制热结霜在小箱体的匹配过程中并没有出现，开发前期仅出现过制热时室外蒸发器分流严重不匀，仅想就此介绍一下。名义制热结霜，根本原因是蒸发温度低造成盘管温度低，而毛细管选择不当，冷凝器换热能力不足、分流不均，压缩机能力过大等都可能导致蒸发温度低而造成结霜。对此应针对具体试验情况进行分析。一般来说，制热毛细管过长或堵塞造成的结霜较好判断，因为通过采集冷凝器进出口的温度就可容易确认，因为进口温度低，出口已严重过热，分流不均也是容易发现，也是简单的判断各路进出口温度就可以确认，最让人头痛的是当冷凝器换热能力不足或压机能力过大造成蒸发温度低而产生的结霜，冷凝器换热能力不足一般出现在已量产的机型，前一批量或小批未出问题，但当使用的的冷凝器材料发生变化时，因原设计余量就不大（降成本考虑），换热能力一波动就发现结霜，它造成结霜的原因与压机能力过大是一样的，就是因为蒸发温度低，现象一般是制热运行1-2小时后因冷凝器上开始凝水，换热能力下降，蒸发压力降低，开始结霜，扩展后恶化。美国谷轮公司就其内部的试验总结出：在名义制热工况下，若压机回气压力保持在3.4bar（表压）以上，系统一般就不会产生结霜。所以处理制热结霜最主要的采集参数是回气压力，因为其更准确的反映了换热器状况，但制热时的回气压力是无法通过工艺嘴采集的，需要另外焊接压力表。对于这类结霜，只要确认了产生原因就很容易处理，因为只要提高蒸发压力，问题就可以解决，而提高蒸发压力的办法一般有以下几种：1）加大蒸发器换热量，以提高蒸发压力。具体措施有：加大室外风量、改变冷凝器材料，如改用预涂铝箔或用内螺纹铜管等，要针对具体原因相应增大铜管内侧或外侧换热系数。2）更改冷凝器分流，通过减少冷媒流动的沿程阻力损失来提高蒸发压力，具体的说就是增加冷凝器分路。3）增加雪种量或减短毛细管长度甚至于取消制热毛细管，但这种做法会造成制冷功率高及制热量不足的后果。4两器分流的简单介绍。对于小箱体来说，可以举两个例子，一是前面提到的制热分流不均，其产生的原因及解决的办法都很简单，见图6.1AB所示；另一个是制冷时冷凝器出口温差大，解决的办法是采用跳管，见图6.1BC所示。图6.15 统验证的重要性。我们匹配的一套系统，不管多简单，若得不到有效可靠的验证，而由各种原因批量或试制，往往会发生我们意想不到的事情，例如，2000年我司的一款70冷暧柜机，样试时发现与匹配能力相差近2000w，用匹配时的内机与样试外机相配又是合格的，最后查明是蒸发器三路中一路半堵，导致在当时的分路下异常均匀，性能相当好，但样试时焊接完好，分流反而变差，能力不合格，最后重新匹配，延误开发进度；二是2003年的分体33室内机，由原两进两出改为一进两出，最初的更改是在一匹26小内机上进行的，这是参照格力风蝶的分路，在26内机与格力风蝶上做出的效果不错，推广到33分体机样机上，分流较果好，能力提高，但在33分体小批时完全变样，反而比原来差了很多，因为33分体批量生产日期已定，配管已采购，造成大批辅助管道积压，后查明原因是由于26及33手板室内机均比开模件的风量要大50-60方，整个蒸发器的换热变了，做出的是两种完全不同的效果。所以对系统开发人员来说，设计验证工作一定要做好，这不仅是指通过样试或小批验证，最重要还是我们要将匹配过程中各个环节的样机状况把握好，要对冷媒量、毛细管、真空度、两器及配管的焊接进行验证，这样我们匹配质量才有保证，从而开发进度才能保证。