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机房空调的制冷原理
添加时间:2017-06-21
1、制冷系统的主要组成和工作原理
        制冷系统是一个完整的密封循环系统,组成这个系统的主要部件是制冷压缩机、冷凝器、节流装置(底阀或毛细管)和蒸发器,各个部件之间用管道连接起来,形成一个封闭的循环系统,在系统中加入一定量的氟利昂制冷剂来实现制冷降温。
        空调器制冷降温是把一个完整的制冷系统装在空调器中,再配上风机和一些控制器来实现的。
        制冷的基本原理:按照制冷循环系统的组成部件和它的作用,分别由四个过程来实现。
1.压缩过程
        从压缩机开始,制冷剂气体在低温低压状态下进入压缩机,在压缩机中被压缩,提高气体的压力和温度后,排入冷凝器中。
2.冷凝过程
        从压缩机中排出来的高温高压气体,进入冷凝器中,将热量传递给外界空气或冷却水后,凝结成液体制冷剂,流向节流装置。
3.节流过程
        节流过程又称膨胀过程,冷凝器中流出来的制冷剂液体在高压下流向节流装置,进行节流减压。
4.蒸发过程
        从节流装置流出来的低压制冷剂液体流向蒸发器中,吸收外界(空气或水)的热量而蒸发成为气体,从而使外界(空气或水)的温度降低,蒸发后的低温低压气体又被压缩机吸回,进行再压缩,冷凝、节流和蒸发,依次不断地循环和制冷。
 
2、制冷系统中的两种压力
        在制冷循环系统中,制冷的过程,实质上就是从低于环境温度的物体中取出热量,然后传递给温度较高的工质的过程。但实践证明,热量总是可以自动地从温度较高的物体流向温度较低的物体,热量不可能自动地不付代价从低温物体传递到高温物体,即不可能直接传递,就像水只能由高处流向低处,而不可能自动地由低处流向高处一样,这就是热力学第二定律所揭示的自然界存在不可逆过程的客观规律。第二定律指出,它可以借助某种机器,消耗一定的能量,才能使热量间接地从低温物体传递到高温物体。例如,制冷压缩机就是通过一定量的能量消耗,将低温物体的热量传递到高温物体,从而使低温物体的温度下降的,如空调房间内空气温度的下降、食品的冷冻与冷藏、水的结冰等。
        在空调器的制冷系统中,在压缩机的作用下,使整个系统中形成了两种压力,从压缩机的出口至节流装置的入口,为高压侧,也为放热边:从节流装置出口至压缩机入口,为低压侧,也为吸热边,这两种压力的形成,实现了空调房间的制冷降温。
        在空调的制冷系统中,高压压力为15~20 kgf/c㎡,低压压力为4-5.8 kgf/c㎡。

3、制冷系统中的制冷剂
        制冷剂又称制冷工质,在南方一些地区俗称雪种。它是在制冷系统中不断循环并通过其本身的状态变化以实现制冷的工作物质。制冷剂在蒸发器内被冷却介质(水或空气等)吸收热量而汽化,在冷凝器中将热量传递给周围空气或水而冷凝。
        制冷剂的种类很多,目前有七八十种,性质各异。空调器中使用的制冷剂也有很多种。用户熟悉制冷剂的性能,对使用和维护好制冷机的工作很有帮助,对其发生的故障原因就容易判断和排除,采取必要措施,并可使用户懂得在装置或装修制冷机及冲灌制冷剂时,应注意哪些方面的问题。
        当前,在通信运营商的机房机柜空调器中,制冷系统中使用较多的制冷剂是氟利昂,不同的氟利晶物质在热力性质上各不相同,能适应不同制冷温度和容量的要求。1987年在加拿大蒙特利尔签约生效的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(以下简称《蒙特利尔议定书》),目前已经有188个国家和地区的政府签字同意执行这份旨在保护地球臭氧层的国际环境公约。我国政府在1991年6月签署该协定书后,有关部门便制定了氟利品制冷剂加速淘法计划。下面介绍三种对吴氧具有不同破坏作用的氟利昂产品。
(1)氯氟烃类产品(CFC):主要包括R11、R12、R113、R114、R115、R502等,由于对臭氧层的破坏作用最大,被《蒙特利尔议定书》列为一类受控物质,我国自2010年1月1日起已完全停止该类产品的生产和消费。
(2)氢氯氟烃类产品(HCFC):主要包括R22、R123、R141b、R142b等,由于其对臭氧层的破坏系数仅仅是R11的百分之几,因此,目前HCFC类物质被视为CFC类物质的最重要的过渡性替代物质。在《蒙特利尔议定书》中R22被限定2020年淘汰,R123被限定2030年淘汰。
(3)氢氟烃类产品(HFC)主要包括R134a、R125、R32、R407C、R410A等,其对臭氧层的破坏系数为0,但是气候变暖潜能值很高。在《蒙特利尔议定书》中没有规定其使用期限,在《联合国气候变化框架公约》京都议定书中定性为温室气体。
        我国政府明令禁止使用的是氯氟烃类产品。对于氢氯氟烃类产品和氢氟烃类制冷剂,暂时还要允许使用一段时间。
        值得注意的是,与空调器和冷藏制冷关系最密切的是RI1、R12和R22三种制冷剂。前两者已被淘汰,常用的替代物有R123和R134a等。
        目前,空调器中使用的几种制冷剂,它们的物理化学性能简介如下。
(1)R22的主要性能:①不燃烧、不爆炸、轻微毒;②蒸发热大,每千克R22蒸发时吸收234.7kJ热量;③常压下,沸点温度为-40、8℃
(2)R134a的主要性能:①不燃烧、不爆炸、无毒;②常压下,沸点温度为-26.5℃;③蒸发潜热比R12大;④对大气臭氧层无破坏。
(3)R123的主要性能:①标准蒸发温度为27.9℃,属于高温制冷剂;②适用于离心式压缩机;③有一定毒性。
(4)R410A的主要性能:①由质量各50%的R32和R125组成;②常压下,沸点温度为-51.5℃;③系统压力为R22的1.5~1.6倍,制冷量大40%~50%。
(5)R407C的主要性能:①由质量各23%的R32、25%的R125和52%的R134a组成;②常压下,沸点温度为-43.7℃;③蒸发温度比R22高10%,制冷量略低。
        对于制冷剂,很多使用者所关心的还是环保问题,对大气环境是否存在污染,是关系到人类健康和生存的大事。目前主要关注两个指标,分别为大气臭氧层损耗潜值(ODP)和温室效应造成的全球变暖潜值(GWP)。

4、制冷系中的载冷剂和冷冻油
1.载冷剂
        在盐水制冰、冰蓄冷系统、集中空调等需要采用间接冷却方法的生产过程中,需要应用载冷剂来传送冷量。载冷剂在制冷系统的蒸发器中被冷却后,用来冷却被冷却物质,然后返回蒸发器,将热量传递给制冷剂。载冷剂起到了运载冷量的作用,故又称为冷媒。这样既可减少制冷剂的充注量,降低泄漏的可能性,又易于解决冷量的控制和分配问题。
        对载冷剂的要求是比热容大、导热系数大、黏度小、凝固点低、腐蚀性小、不易燃烧、无毒、化学稳定性好且价格低,容易购买。常用的载冷剂有空气、水,盐水及有机溶液。
(1)空气。它作为载冷剂在冷库及空调器中多有采用。空气的比热容较小,所需传热面积较大。
(2)水。它作为载冷剂只适用于载冷温度在0℃以上的场合,空调系统中多有采用。水在蒸发器中得到冷却,然后送入风机盘管内或直接喷入空气,对空气进行温、湿度调节。
(3)盐水溶液。它有较低的凝固温度,适用于中、低温制冷装置中运载冷量。通常采用氯化钠((NaCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)水溶液。盐水的凝固温度取决于盐的种类和配置的浓度。
(4)有机物载冷剂。种类有乙醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇、二氯甲烷及三氯乙烯等。它们都具有较低的凝固温度。例如,乙醇的凝固点为-117℃,二氯甲烷的凝固点为-97℃,适用于更低的载冷温度。丙三醇(甘油)是极稳定的化合物,其水溶液无腐蚀性、无毒,可以和食品直接接触。乙醇具有可燃性,使用时应予以注意,并采取防火措施。乙二醇常用在冰蓄冷系统中作为载冷剂使用。
由于有机物载冷剂的沸点均较低,因此一般都采用封闭式循环。考虑到温度变化时有机载冷剂体积有变化,系统中往往设有膨胀节或膨胀容器。
2.冷冻油
        冷冻油即冷冻机使用的润滑油。其基本性能:①将润滑部分的摩擦降到最小,防止机构部件磨损;②持制冷循环内高低压部分给定的气体压差,即油的密封性;③通过机壳或散热片将热量放出。
        在选择冷冻油时,还必须注意压机内部冷冻油所处的状态(排气温度、压力、电动机温度等),概括起来,要注意以下几点。
(1)即使溶于制冷剂时,也要有能保持一定油膜的黏度。
(2)与制冷剂、有机材料和金属等高温或低温下接触不应起反应,其热力及化学性能稳定。
(3)在制冷循环的最低温度部分不应有结品状的石蜡分离、析出或凝固,从而保持较 低的流动点。
(4)含水量极少。
(5)在压缩机排气阀附近的高温部分不产生积炭、氧化,具有较高的热稳定性。
(6)不使电动机线圈、接线柱等的绝缘性能降低,而且有较高的耐绝缘性。
        注:不同的冷冻油所使用的场合是不一样的,如谷轮柔性涡旋压缩机通常使用常规的白油(Sontex200LT)。白油属于矿物油,可以和3GS油互溶,在某些情况下(如管道较长),现场需要加油,可以使用3GS油。R407C/R410A采用合成类 POE (Polyolyaltha  Olfin)油,POE是一种极性分子,它与HFC制冷剂可相溶,其不同于矿物油。因此,在安装过程中,对系统的各方面性能需求都要认真考虑,这样系统才能正常运行。
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