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空调制冷循环理论详解

[内容摘要]本文通过对家用空调制冷循环理论的详细解析,结合设计的具体参数，在工况条件下空调的状态表现，理论指导实践，更好地为维修技术的提高提供帮助.
　　 [关键字]制冷循环 冷凝 蒸发 节流膨胀
　　
　　 空调制冷的原理：利用一种在常温常压下沸点很低的化学物质做为工作介质，在一个工作系统内进行吸热和放热的物理变化，且在一个相对的空间对空气进行冷却。简言之，空调制冷时就是把室内的热量搬到室外，制热时则相反。而热力学定律说明了能量是守恒的且在自然条件下，热量只能从高温物体传向低温物体，而不能由低温传向高温，要使热传递方式倒转只能依赖消耗能量或做功来实现，搬运过程就是用电能的消耗来达到的。
　　 空调制冷循环共有四个过程，分别是压缩、冷凝、节流膨胀和蒸发过程。
　　 一.压缩过程
　　 压缩机是输送气体和提高气体压力及温度的一种装置，是空调制冷系统的心脏。从低压管吸入低温低压的制冷剂气体，通过压缩机运转对气体进行压缩后，向高压管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝→膨胀→蒸发的制冷循环。
　　 为什么要压缩？因为制冷剂要回收再利用,若不压缩，直接排入冷凝器，制冷剂常温已高于此时的沸点温度，无法冷凝成液体。只有通过提高制冷剂的压力，使制冷剂的凝结点(沸点）高于室外温度，才能让制冷剂向室外散热，温度降低，制冷剂凝结成液体。基本道理是[压力越高，沸点越高；压力越低，沸点越低],生活常识可知: 将酒精擦到皮肤上，会感到凉爽，说明通过蒸发能制冷。把水抹到皮肤上，会有凉意，可没有酒精明显。因为酒精比水更容易蒸发，说明蒸发越快制冷越好；洗晒的衣服，夏天比冬天容易干，这是因为夏天温度高，蒸发得快，说明温度越高蒸发越快。在青藏高原烧水，90度就沸腾蒸发了,因为青藏高原地势高，压力低，可见压力越低蒸发越快。
　　

　　 家里用的液化气罐，里面大都是液体，就是液化气被压缩而成为液体。还有一种方法就是冷却，只要将气体冷却，就能把气体变成液体，而且温度越低越容易变成液体。比如锅里烧水，锅盖上有水珠，这是锅里的水蒸气遇到较冷的锅盖凝结而成的。
　　 二.冷凝过程
　　 热交换器又叫换热器，在空调器中使制冷剂在流经其铜管过程中与空气进行热交换。热交换器根据所处的位置分为室内侧热交换器和室外侧热交换器,简称内热交和外热交。
　　 空调器在制冷运行时，室内侧热交换器叫做蒸发器；室外侧热交换器叫做冷凝器；在制热运行时，即室内侧热交换器起冷凝器的作用，室外侧热交换器起蒸发器的作用。
　　 冷凝器是将制冷剂冷凝为液态的装置，并在液化过程逐渐将热量散发给室外空气，是空调器中的散热器件，属于高压部件。
　　 利用制冷剂的沸点与压力成正比的特性，经压缩机压缩为高压高温的气态制冷剂，直接排入冷凝器，通过空气的对流，将热量散发到周围空气中，制冷剂温度逐渐下降至冷凝点而凝结成为液态。
　　
　　 上图所示制冷剂的冷凝过程。在高温高压气态制冷剂进入冷凝器放热的初始阶段，制冷剂温度下降至冷凝温度，制冷剂成为干饱和蒸气，这个过程中占用冷凝器的一小部分传热面积；干饱和蒸气在冷凝器的管道继续流动，继续逐渐放热而冷凝成饱和液体，整个过程中压力PK和温度TK保持不变。这是冷凝器中的主要放热过程，它占用冷凝器的大部分传热面积。此过程中的制冷剂为气、液两相并存；在冷凝器的末端，饱和液体进一步被冷却，成为过冷液体，压力保持不变，温度低于TK。该过程也占冷凝器的小部分传热面积。过冷液体对制冷系统有重要意义，可以使制冷剂在节流之前不产生蒸气，节流后喷入蒸发器内更利于吸热，提高制冷（热）效果。
　　 三.节流膨胀过程
　　 毛细管是膨胀阀的一种,是指管径很细的管道，主要起节流和降压作用。根据流体力学原理，任何一种流体，当它流过细而长的管子时，由于要克服管内的摩擦力，其出口压力就要降低，管径越细、管道越长，其流动的阻力越大，压力降低越大、流量越小。高压液体经节流装置毛细管时截面突然收缩，液体流速加快（就像是平时洗车时从水龙头上接出来一根软管儿，用手捏紧水管，水流就会变快）喷射出来变成低温低压的液体。
　　 在制冷系统中，毛细管装接在冷凝器与蒸发器之间，从冷凝器中流出的液态制冷剂，流入细小的毛细管时，流量将减少，从而限制了进入蒸发器的流量，使冷凝器中保持较稳定的压力，毛细管两端的压力差也保持稳定。
　　 当有一定过冷度的液体制冷剂进入毛细管后，会沿着流动方向发生压力状态变化，过冷液体随压力逐渐降低而变为相应压力的饱和液体，称为液相段，其压力不大且呈线性变化。从毛细管中出现第一个气泡至毛细管末端，称为气流共存段，其饱和蒸气的含量沿流动方向逐步增加而压力呈非线性变化。越到毛细管末端，单位长度的压力越大。当压力降到低于其相应的饱和压力时，就要产生闪发现象，使制冷剂液体自身蒸发降温，也就是说，随着压力的降低制冷剂的温度相应降低。制冷剂通过毛细管的流量随入口压力的增加而增加，同时随蒸发器压力的降低而增加，在达到极限值时，其流量不再随压力的变化而增大。
　　 通过改变毛细管的长度或内径，可以调整空调器的蒸发温度，提高蒸发温度，可以缩短毛细管的长度或增大内径，反之，如果要降低蒸发温度，可加长毛细管或减小其内径。在特定的工况下，毛细管与制冷剂充注量匹配，使制冷装置的工作状态达到最佳。且当压缩机停机后，系统内高低压力能通过毛细管达到平衡，有利于压缩机的再次启动。
　　 四.蒸发过程
　　 蒸发器是使制冷剂蒸发气化的器件，是制冷系统中的吸热装置，又称冷源，是产生制冷量的换热器。利用制冷剂的沸点与所处环境温度成正比例的特性，在制冷系统中，经毛细管（或膨胀阀）节流后的制冷剂液体喷入蒸发器，由于管道十倍以上增宽，制冷剂的压力骤降，对应的沸点也很低，而蒸发器所处的环境温度肯定高于此沸点温度，使得制冷剂吸热气化，变成低压的饱和蒸气。
　　
　　 如上图所示制冷剂在蒸发器中的蒸发过程。在蒸发器入口，制冷剂中的大部分是饱和液体，少部分是饱和蒸气。制冷剂在蒸发器管路向前流动，不断地吸热汽化，最终全部变成饱和蒸气。然后，饱和蒸气继续吸热，变成过热蒸气后由出口排出。
　　 蒸发器温度变低，周围空气里的水蒸气就会凝结在蒸发器上（和冷饮瓶外表凝结很多露珠一样的道理）。空气湿度越大，凝结水就会越多，所以需要一个托盘收集凝结水，然后排到室外去，这就是空调水（此是观察蒸发吸热的依据之一）。
　　 蒸发器中制冷剂的热力变化分成两个区域，前面是饱和状态区，温度To和压力Po保持不变，它占用蒸发器的大部分传热面积；后面是过热区，在蒸发器的出口端，只占少量传热面积。蒸气的过热，有利于压缩机吸气时避免“液击”。
　　 由上述可知，蒸发器是制冷剂每个循环周期的最后流通环节，设计要求制冷剂在流经尾端时完全蒸发汽化，以保证蒸发器整体变凉，使制冷剂最大效率换热，空调器达到额定制冷（热）效果。如制冷剂提前很多就蒸发完毕，可以理解为制冷剂不足，势必造成制冷（热）差。因此，有经验的维修人员能通过摸蒸发器的温度、听制冷剂在蒸发器的流动声就能准确地判断出制冷剂量的合适与否、管道的畅通情况等。
　　 由于蒸发器的翅片间会不断产生冷凝水，阻碍空气的流动，所以蒸发器的片距比起冷凝器要大些，此外蒸发器翅片的表面还要进行亲水处理（亲水铝箔），以降低冷凝水的表面张力，使空气流通截面积增大。
　　 五.具体参数
　　 制冷学中蒸发是指沸腾，因此蒸发温度就是沸点，冷凝是指一定压力下的制冷剂在饱和状态下气变液的过程，所以冷凝温度也是沸点。制冷剂在不同压力下对应不同的沸点，如附表1所示为制冷剂R22的蒸发压力和蒸发温度的一一对应关系。
　　 空调制冷设计的工况条件是：室外环温35℃，室内温度27度，蒸发温度+5℃，蒸发压力0.48Mpa（相对压力=绝对压力-大气压力）。所以空调标准制冷低压力为0.48Mpa(附表1中蓝椭圆所示)。
　　 空调制冷管路设计相对压力（表压力）制冷状态下低压压力是平衡压力的一半。所以平衡压力为0.96MPa。为达到理想的散热效果，家用空调制冷设计采用空气冷凝，冷凝标准温差选取15℃，所以在室外35℃条件下冷凝温度为50℃，50℃对应的压力值为1.83MPa(附表1中红椭圆所示),所以空调高压压力为1.83MPa。
　　 压力的测量都是在室外机气阀的工艺口上，制冷运转时为低压压力，制热运转时为高压压力，不工作时为平衡压力。由于空调工作环境通常满足不了工况条件，以及制冷剂在气液之间循环变化的，伴随着吸热和放热，外界环境的温度有明显的影响，一般情况下，环境温度高，压力值变大，环境温度低，压力值变小。所以夏季制冷状态下三个压力值大约为：低压压力显0.48 MPa或4.8公斤；高压压力为1.8 MPa或18公斤；平衡压力为0.96MPa或9.6公斤。
　　 空调在冬季制热环境，和制冷工况相差太大，外环境温度又低，所以三个压力会有较大的变化，以空调使用环境下限温度5℃作为研究分析的参考。为达到理想的蒸发吸热效果，制冷设计空气作为载冷物质时，蒸发标准温差选取10℃，所以蒸发温度应为-5℃，对应压力为0.32 MPa(附表1中黑椭圆所示)。由于室外机环境为5℃，其最佳蒸发温度为-5℃，而外机盘管化霜一般在-6℃左右，所以冬季越冷制热效果越差，为了最大限度在低温下吸收热量，通过制热辅助毛细管降低蒸发压力，从而降低蒸发温度，因此，制冷状态下的低压不再是平衡压力的一般了，而是偏小一点，所以制热平衡压力大约0.7MPa。空调制热时室内为冷凝器，冷凝温度受风速和室内温度的影响，空调设计低于28℃防冷风吹出保护，高于56℃过热保护或降频，所以室内最佳的冷凝温度选取设计值也是50℃，对应的压力为1.83 MPa.所以空调制热三个压力大约为：低压压力为0.32 MPa或3.2公斤；高压压力为1.8 MPa或18公斤；平衡压力为0.7MPa或7公斤。
　　 从以上分析看出，空调低压压力和平衡压力随环境温度变化而变化较大，但高压基本不变，在实际操作过程中，以上压力值可作为参考。
　　 一般制冷系统中的蒸发温度是测不出来的，只能用对应的蒸发压力来推导。
　　 六.状态表现（空调制冷时）
　　 A.压缩机温度一般在 90℃左右。
　　 B.冷凝器的表面温度。正常使用情况下，冷凝器的温度可达 80 度左右，冷凝管壁温度一般在 50℃左右，所以在空调制冷时室外机吹风会是上层很烫，中间层热，而下层是温的。
　　 C.蒸发器的表面温度。工作正常的空调器蒸发器各处的温度应该是相同的，其表面是发凉的，一般在 15℃左右，裸露在外的铜管有凝露水且均匀分布，这也是缺制冷剂后加液的主要依据，而不能根据铭牌中的电流和压力来判定加液多少的程度，道理十分简单，各地的环境不同，而铭牌上的数据是理想状态下测定的。
　　 D.低压回气管表面温度。正常时，吸气管冷，排气管热。手摸应感到凉，如果环境温度较低，低压回气管表面还会有凝露水，如果回气管不结露，而高压排气管比较烫，压缩机外壳也很热，很可能就是制冷剂不足，如果压缩机的回气管上全部结露，并结到压缩机外壳的一半或全部，说明制冷剂过多。
　　 E.高压排气管温度。手摸应感到比较热，夏天时还烫手。
　　 F.室内出风口温度。手应感觉出风有些凉意，手停留的时间长就感到有些冷。额定工况下，出风口的温度10℃以下，进风口与出风口的温度相差12℃以上。
　　 七.制冷过程在压焓图中的表示
　　
　　 上图所示为制冷过程在压焓图中的表示，可以清晰地看出制冷过程中各个环节的工作情况，1-2是绝热压缩过程，2-3是等压冷凝过程，3-4是绝热膨胀过程，4-5是等压蒸发过程。在图中标出了空调额定工况下的温度和压力。制冷状态与压焓图详见附图。
　　
　　 参考文献
　　 [1]《格力空调维修培训指南》 名牌空调编委会编著 国防工业出版社 2015年8月
　　 [2]《定频空调器维修入门到精通》 孙立群编著 人民邮电出版社出版 2018年1月
　　 [3] https://www.jdwx.info/thread-108933-1-1.html 手把手教你修空调——系列培训课件
　　 [4] http://www.gzweix.com/article/sort0250/sort0624/info-278095_11.html 新手篇—看图学习维修空调器（上）
　　 [5]《空调器快修巧修技术实战》 肖凤明编著 中国电力出版社 2017年2月
　　
　　

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