直流变频分体式空调简易设计24571.pdf

pood 直流变频分体式空调简易设计 张其明、高亚南、张风琴、郑枫 （山东职业学院土木工程系暖通专业 山东济南 250104）摘 要 变频空调器是一种新型节能机种，它的出现主要依赖于电脑控制技术、电子变频技术和双转子式压缩机。变频空调器的微电脑随时收集室内环境的有关信号与内部的设定值进行比较、经运算后输出控制信号，改变压缩机的电源频率（在约 20120Hz 之间变化）控制压缩机转速的快慢，从而改变制冷剂的循环量，以达到调节制冷（制热）能力的目的。本文对变频空调器的基本原理、性能优点及能量调节进行了阐述，分析了变频空调器热力循环的计算，并对新型绿色制冷剂的使用、空调器附件的选择及发展进行了深入的探讨。关键词 空调器；分体式；热泵型；直流变频 1 引言 变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。它的基本结构和制冷原理和普通空调完全相同。变频空调的主机是自动进行无级变速的，它可以根据房间情况自动提供所需的冷（热）量；当室内温度达到期望值后，空凋主机则以能够准确保持这一温度的恒定速度运转，实现“不停机运转”，从而保证环境温度的稳定。空气调节顾名思义是对空气的参数进行调节，以便使环境更适合我们的要求。随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活环境的条件要求也在逐步的提高。所以空气调节在日常生活中占有很重要的位置。2 直流变频基本原理及结构 直流变频空调的变频模块按照 SPWM 调制方法，通过三极管判断，给压缩机三相线圈同时通电，压缩机为一三相交流压机。直流变频空调的变频模块每次导通二个三极管（A+、A-不能同时导通，B+、-不能同时导通，C+、-不能同时导通），两相线圈通直流电，驱动转子运转，另一相线圈不通电，但有感应电压，根据感应电压的大小可判断出转子的位置，进而控制绕组通电顺序。直流变频想相比交流变频多一位置检测电路。从主机（室内机）发送信号到室外机是在收到室外机状态信号处理 50 毫秒之后进行，副机同样等收到主机（室内机）发送信号处理完 50 毫秒之后进 图 1 SPWM调制方法 pood 行，通讯以室内机为主，正常情况主机发送完之后等待接收，如 500 毫秒仍未接收到信号则再发送当前的命令，如果 1 分钟（直流变频为 1 分钟，交流变频为 2 分钟）内未收到对方的应答（或应答错误），则出错报警；同时发送信息命令给室外，以室外机为副机，室外机未收到室内机的信号时，则一直等待，不发送信号。直流变频压缩机调速原理 直流变频压缩机采用的是直流电动机，其转速方程为：N=OeEogFTKU 式中：n电动机实际转速 U电动机电柜电压，即端电压 EogK电动机等效反电势常数 Te电动机额定电磁转矩 F0零阻抗电源电动机阻系数 由此可见，直流变频压缩机可以直接通过改变直流电动机的端电压即能获得理想调速，转速并实行闭环控制。对于直流变频压缩机调速，CPU 对 IPM 功率模块发送的调制信号，可采用 PAM 脉冲幅值调节控制，或采用 PWM 等间隔脉冲占空比调节控制。3 变频空调的性能优点 变频空调的舒适性：由于定频压缩机运转速度固定，当室内温度达到设定温度后，压缩机必须靠停机保持温度不再下降；但变频压缩机的运转速度可以根据室内温度的高低合理调节，当室内温度与设定温度相差较大时，压缩机可以高速运行，使室内温度尽快下降，当室内温度接近设定温度时，压缩机运行速度开始逐渐下降，使室内温度保持恒定。定频空调压缩机的频繁开停，室内温度波动较大，而变频压缩机由于可以改变转速，开停次数大幅度降低，室内温度基本保持恒定，恒温的变频空调舒适性更好。变频空调的节能性：一方面变频空调不像定频一样频繁启动，不会产生一次次的瞬间大电流；同时直流压缩机运转频率越低、空调的能效比越高。据统计全直流变频空调（直流压缩机、直流风机）比定频空调（交流压缩机、交流风机）的能效比提高 50%左右，普通直流变频空调（直流压缩机、交流风机）比定频空调的能效比提高 40%左右。变频空调快速制冷、制热能力强：变频空调压缩机像陀螺一样的高速运转能力越强，室内的温度变化速度越快，快速制冷与制热能力越强。特别在炎热的夏季或者寒冷的冬季，快速制冷、制热非常必要。变频 1.5 匹的制冷能力，如果高速运行范围够广，开机甚至可以达到定频 2 匹的效果，就像汽车涡轮增压技术的 1.8T 比普通 2.0 排量的加速性能更好一样。4 变频空调能量调节原理 pood 一定工况下，制冷量与制冷剂质量流量成正比，即：Q=g.m 式中：Q制冷量 g制冷剂单位质量制冷量 m制冷剂质量流量 一定工况范围内，制冷剂质量流量又与压缩机转速具有正比函数关系，即：m=f（N）式中：N压缩机转速 由此可见，通过调节后压缩机的转速就能实现制冷量的调节，这正是变频空调调节制冷能量的原理。5 变频空调的发展前景 据权威数据调查，目前在日本和欧美等国变频空调已经成为空调行业的技术平台，98%左右的空调均为变频空调。随着我国经济技术的不断发展变频也已经走进了平常百姓家，以目前的国家宏观调控以及空调厂商等方面看来，今后中国的变频空调必然成为一种趋势。根据目前的变频技术的发展主要表现在以下两个方面：（1）机的驱动方式从交流变频到直流调速；（2）制技术VVVF 变频技术，PWM 脉宽调速控制技术，矢量控制技术。变频技术的优点：（1）或制热速度快 （2）较好的舒适性。（3）变频空调启动时对电路没有大、的电流冲击。直流变频：采用直流数字变转速压缩机，只经过一次电压转换，相对于交流变频能节省 18-40%的电能，从而体现出直流变频技术的优越性。6 典型的环保冷媒及主要部件的选择 R410a 不含任何破坏臭氧层的物质，其 ODP 值为零。与 R22 相比，R410a 的制冷量显著提高，所以典型的 R22 压缩机不可使用 R410a 制冷剂。压缩机生产商通常建议使用多元醇冷冻机油。因此为设计更小更紧凑的空调设备提供了可能。并且由于 R410a 具有近共沸的物性，在整个运行范围内，制冷剂温度滑移小于 0.2，R410a 在制冷空调系统中不会发生显著的分离，即不会由于泄漏而改变制冷剂的成分因此在售后维修再补充过程中，无需排放掉系统中剩余的制冷剂。R410a 是目前世界上公认的家用空调 R22 制冷剂的中长期替代品。以郑州气象参数为例：设压缩机以一级压缩循环。选用三洋压缩机代号为 808 906 80 型的压缩机，功率为 900W，制冷量为 5933W,输入功pood 率为 1478W。冷凝温度为 43，蒸发温度为 4.4，过冷温度为 8.3，吸气温度为 35。各状态点参数：ct=7.2 cp=0.998MPa kt=54.4 kp=3.385MPa 1t=18.3 1h=437.23KJ/1v=28.13310m/2t=85.14 2h=471.63 KJ/4t=34.58 4h=256.36 KJ/（1）单位质量制冷量 0p1h4h =437.23-256.36 =153.87（KJ/）（2）单位容积制冷量 vq=10vq31019.3187.180=5799 KJ/3m（3）单位理论功：120hhw =471.64-437.23 =34.4（KJ/）（4）单位冷凝热：kp2h4h =471.63256.36 =215.27（KJ/）（5）制冷系数：26.54.3487.180000wq（6）卡诺循环制冷系数：OKcTTT0 pood 4.4434.415.273 =7.19(7)热力完善度 73.019.726.50c 冷凝器热负荷计算及风机选型 冷凝器采用强制的对流风冷冷凝器。外套整体式铝片。（1）冷凝器热负荷的确定：KQ=32hhqm 1122hhhhi 又有09.4378.009.43763.471 =480.265（KJ/）其中：2h-压缩机实际排气焓值，即制冷剂进入冷凝器的焓值。由于制冷剂在冷凝器内的过冷温度为 5，所以冷凝器出口制冷剂的温度：54.543T=49.4 3h=295.25（KJ/）所以KQ=37.64（480.265-295.25）=6.96 Kw（2）冷凝器进、出风口空气参数 冷凝器进风温度等于室外干球温度，即1nt=35，取进风口、出风口温差1012nntt 冷凝器出风温度为452nt（3）风量及风机选择 定性温度：40221aamttt 查取此状态下的空气的状态参数：平均密度：128.1m/3m pood 比热容：)/(005.1kkgWcm 运动粘度：smvm/1096.1626 热导率：)/(0276.01kmW V=)(21aaPKttCPQ 风量=10005.1128.196.6=0.61393m/s =22103m/h 选择轴流风机，该风机风量 28803m/h，功率 120W，转速 1410r/min 蒸发器的选型 在进行空调器制冷量测定时，不考虑新风量，因此设计计算中可以假定进入蒸发器的空气状态即为室内空气状态。（1）蒸发器进出口空气状态参数：蒸发器进出口处空气干球温度gt1=27，湿球温度gt1=19.5 查空气的 h-d 图，得出蒸发器进出口处湿空气的 比焓值=55.8KJ/，含湿量1d=11.1g/相对湿度%501（2）风量及风机的选择 在空气调节装置中，空气冷却器风量选择，可按冷风比（即冷量、风量比，单位3m、W）计算：)25.018.0(86.00QV V=0.86hmQ/112222.0593386.022.030 选择国恩单边风轮，其叶轮直径为 450mm，高度为 195mm，叶片数 36 个，轴孔 38mm.制冷装置的节流结构 本系统采用电子膨胀阀：空调用电子膨胀阀是有电脉冲控制的节流组件，主要应用于变频空调各级系统中，它响应快，流量调节范围宽，可以按预设的各种调节规律动作，实现制冷剂流量的自动调节，从而使空调系统始终保持在最佳的工况运行，具有节能效果好，温度控制精度等特点。pood 吸气过热度控制系统由电子膨胀阀。压力传感器、温度传感器、控制器组成，工作时，压力传感器将蒸发器出口压力、温度传感器将压缩机吸气过热传给控制器，控制器将信号处理后，随后输出指令作用于电子膨胀阀的步进电机，将阀开到需要的位置。以保持蒸发器需要的供液量。电子膨胀阀的步进电机是根据蒸发器的出口压力变化。压缩机吸气过热度变化实时输出变化的动力，这个实时输出变化的动力能及时克服各种负荷情况下主膨胀阀变化的弹簧力，使阀的开度满足蒸发器供液量的需求，进而蒸发器的供液量能实时与蒸发负荷相匹配，即电子膨胀阀可通过控制器人为设定。5 结论 与普通空调相比，变频空调自动以低频维持室温基本恒定，避免压缩机频繁开启，比常规空调省电 30%左右。变频空调低温下以高频运转，制热量是常规空调的 3、4 倍。变频空调每当发生保护时均以适当的降频运转予以缓冲，可实现不停机保护，不影响用户的使用。由于定频压缩机运转速度固定，当室内温度达到设定温度后，压缩机必须靠停机保持温度不再下降；但变频压缩机的运转速度可以根据室内温度的高低合理调节，当室内温度与设定温度相差较大时，压缩机可以高速运行，使室内温度尽快下降，当室内温度接近设定温度时，压缩机运行速度开始逐渐下降，使室内温度保持恒定。定频空调压缩机的频繁开停，室内温度波动较大，而变频压缩机由于可以改变转速，开停次数大幅度降低，室内温度基本保持恒定，恒温的变频空调舒适性更好。参考文献 1 吴业正.小型制冷装置设计指导.北京：机械工业出版社，2001 3 贺俊杰，徐向荣，等.北京：机械出版社，2008.8 4 沈维道，蒋智敏，等.工程热力学.北京：高等教育出版社，2001 5 刘鹤年.流体力学（2）版。北京：中国建筑出版社，2004 6 综论变频空调器.热点关注之“变频技术”专栏，童杏文，2004.10 7 刘东等，变频技术与空调节能.节能技术，2001.11 8 何明山，海信空调器安装、使用与维修，北京：人民邮电出版社，2001 图 2 电子膨胀阀的内部结构