空调原理与结构、制冷剂类型及相关先进技术

一、空调相关知识

1. 空调定义

空调是指利用各种技术和设备对某一空间内空气的温度、湿度、洁净度和流速进行调节，以满足人们对舒适性要求或不同工艺环境要求。

2. 基本原理

蒸发吸热、冷凝放热
压力越低沸点越低

3. 空调主要结构

空调主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等四大部分组成。

• 压缩机：将低压制冷剂压缩为高温高压气体。
• 冷凝器：将制冷剂由气体冷凝为液体，释放热量。
• 节流装置：将高压液体变成低压液体，常见的有毛细管和膨胀阀。制冷剂压力越低，沸点越低，节流装置的作用就是降低高压制冷剂的压力和沸点，使得在制冷时，其沸点低于室内温度（从室内吸热），在制热时，其沸点低于户外温度（从户外吸热）。
• 蒸发器：将制冷剂由液体蒸发为气体，吸收热量。
• 换向阀（四通阀）：空调制冷和制热模式下，制冷剂的流向相反，通过四通阀切换制冷剂流向。
• 贯通风扇：加快制冷剂与室外热交换过程。

4. 空调分类

可分为分体式空调、整体式空调和中央空调。

• 分体式空调把空调分为室内机和室外机两部分，室内机主要设备包括蒸发器（冷凝器）等，室外机主要设备包括压缩机、冷凝器（蒸发器）、节流装置等，分体空调常见有壁挂式、立柜式、吊顶式。
• 整体式空调把空调四大部分整合在一期，放在一个机箱内。空调主要产生噪音的设备是压缩机，分体式空调压缩机在室外，在噪音控制方面要比整体式空调更优。
• 中央空调除了具有分体式空调的整套系统外，还有一套室内热循环系统，常见的有水循环、氟循环和风循环。以制冷为例，三种循环系统都通过室外压缩机运转产生冷源，不同点在于：水循环通过将水降温后通过水管循环到室内各房间，房间内的风机通过冷水将空气冷却并吹出凉风；氟循环直接将制冷剂循环到室内各房间，各房间通过蒸发器和风机循环实现室内制冷；风管系统则是室内有一个总室内机，将空气制冷后通过风管分送到各个房间。

二、制冷剂类型

1. 制冷剂分类

根据制冷剂的分子结构可分为无机化合物和有机化合物。根据制冷剂的组成可分为单一制冷剂和混合制冷剂。

根据制冷剂的标准沸点可分为高温（低压）、中温（中压）、低温（高压）制冷剂。

2. 制冷剂的命名

无机化合物用序号700表示，化合物分子量加上700就得出制冷剂编号，如氨分子量为17，其编号为R717，二氧化碳和水的编号为R744和R718。

卤代烃（氟利昂）类的化学式为$C_m{H}_n{F}_{p}C{l}_{q}B{r}_r$，其原子数m、n、p、q、r之间的关系满足$2m+2=n+p+q+r$。制冷剂的命名规则为：$R\left(m-1\right)\left(n+1\right)pBr$。如$C{F}_{2}C{l}_2$为R12, $C_2{H}_2{F}_4$为R134，$C{F}_{3}Br$为R13B1。

环状衍生物制冷剂的编号规则与上相同，只在字母R后加字母C，如$C_4{F}_8$为RC318。

同分异构体相同编号，但随着结构变得越来越不对称，附加小写字母a、b、c等，如$C{H}_{2}FC{H}_{2}F$为R152，它的同分异构体分子式为$C{\mathrm{HF}}_{2}C{H}_3$，编号为R152a。

近年来，常常根据制冷剂的化学组成表示制冷剂的种类。不含氢的卤代烃称为氯氟化碳，写成CFC；含氢的卤代烃称为氢氯氟化碳，写成HCFC；不含氯的卤代烃称为氢氟化碳，写成HFC；碳氢化合物写成HC。CFC、HCFC、HFC、HC等后接数字或字母的编制方法同国家标准GB7778-87规定一致。如R12属氯氟化碳化合物，表示成CFC-12，R22、R134a、R170分别表示成HCFC-22、HFC-134a、HC-170。

CFC（氯氟烃）性能稳定，可进入平流层，但受到紫外线照射会分解出氯离子，对臭氧层破坏作用大。HCFC（氢氯氟烃）相对不稳定，到达平流层前已经分解，对臭氧层破坏作用小。

3. 什么是好的制冷剂

• 蒸发压力高：若冷媒蒸发压力低于大气压力，则空气易侵入系统，因此希望冷媒在低温蒸发时蒸发压力高于大气压力。
• 蒸发潜热大：冷媒的液气态转换时吸收或释放的热量大，从而可使用较少的冷媒实现热量转移。
• 临界温度高：冷媒凝结温度高，则可用常温空气或水来冷却冷媒，从而达到冷凝的作用。
• 冷凝压力低：用较低压力可将冷媒液化，可降低压缩机压缩比，节省压缩机马力。
• 凝固温度低：冷媒凝固点低，否则冷媒在蒸发器内容易冻结，从而无法循环。
• 气态冷媒比容小：比容指单位质量物质所占有的容积（密度的倒数），比容越小密度越大，则压缩机的容积可以进一步缩小，吸气管和排气管可用较小管道。
• 液态冷媒密度大：密度高则可用较小配管。
• 可溶于冷冻油：压缩式制冷机中，制冷剂都要与压缩机的润滑油相接触。若溶油性差，因为氟利昂本身比油重，发生分层时，下部为贫油层，上部为油层，油会处于蒸发器上部，造成机器回油困难，且影响下部制冷剂蒸发，需要单独安装油分离器。若制冷剂可溶于冷冻油，系统可不单独安装油分离器。在更新制冷剂的研究中，冷冻油也要同步研究更新。
• 无毒无害不可燃无腐蚀。

3. 混合制冷剂与温度滑差

通过混合不同制冷剂，可调节沸点。分为两类：一类是共沸工质，混合后沸点高于或低于各组沸点；非共沸工质：混合沸点在各组分之间。

共沸制冷剂在一定压力下蒸发时有固定的蒸发温度，且比单组分低，单位容积制冷量比单一组份制冷量大，可使压缩机排气温度降低，化学稳定性比单组份好，且泄露时组份比例不变。

非共沸制冷剂在一定压力下蒸发或冷凝时温度是变化的，能适应于变温热源。较少量的高沸点组份与较多量的低沸点组份混合，与低沸点组份相比，可提高制冷效率（COP，制热/制冷量与输入功率之比），但降低制冷量；反之则降低COP，增加制冷量。

温度滑差是针对非共沸制冷剂而言。在蒸发器或冷凝器中，制冷剂相变开始到结束时的温差即为温度滑差。例如R407c由R32(标准沸点-52℃)、R125(标准沸点-49℃)和R134a(标准沸点-26℃)组成，当R407c沸腾时（即蒸发过程），R32最先沸腾，剩下液体各组份的比例会发生变化，使得平均沸点将会不同，此过程称为分馏。分馏过程中平均沸点的变化值就是温度滑差。

4. 蒸发器类型

蒸发器主要有两种类型：干式（也叫直膨式）和满液式。干式蒸发器的制冷剂走管内，水或空气走管外。满液式蒸发器的制冷剂走壳程，水走管内。

干式蒸发器：

满液式蒸发器：

干式蒸发器比满液式蒸发器更能适应非共沸制冷剂的温度滑差，但其制冷效率较低。在干式蒸发器中，制冷剂流过热膨胀装置，雾化成细小的液滴进入蒸发器管内。细小的液滴表面积很大，从管外的冷冻水或空气中吸收热量。有温度滑差的非共沸制冷剂在管道内分馏，沸点低的组份先蒸发，接着是其它组份。由于管外温度大于制冷剂的沸点，可确保制冷剂所有组份都能蒸发成气体，制冷剂各组份比例保持不变。

满液式蒸发器将换热管浸泡在壳程的制冷剂液体中，管内冷冻水的热量使得制冷剂蒸发。压缩机吸气口抽出壳体上部排出的制冷剂气体。其原理类似火炉上水壶被烧开。非共沸制冷剂在满液式蒸发器中存在的问题是：低沸点组份将最先蒸发并被压缩机吸走，使得制冷剂各组份比例无法维持。

非共沸制冷剂发生泄漏，很难确定各组份的泄漏比例。维修时，可将剩余制冷剂全部释放，并重新灌注正确比例的制冷剂。如果泄漏量较小，可直接田姐正确比例的制冷剂，对系统性能影响不大。

5. 蒙特利尔议定书

该议定书签订于1987年，明确CFC到2000年减产50%。议定书的附件1适用于发达国家，附件2适用于发展中国家，区分了不同的淘汰时限。

1990年伦敦修正案：到2000年要求CFC全部停产。

1992年哥本哈根修正案：CFC提前到1996年全部停产，并以1996年HCFC消费量作为限量，并在随后几年不可逆转地淘汰，2004年降低到限量的65%，2010年降低到限量的35%，2020年降低到限量的0.5%。

1997年蒙特利尔修正案：HCFC从2020年到2030年生产量只能用于原有设备的维修。

1999年北京修正案：HCFC的生产仅限于处理针对发展中国家的贸易问题。

我国1991年成为蒙特利尔议定书的参加国。国家方案规定，2002年完全淘汰CFC11在工商制冷设备的使用，CFC12淘汰时间为2006年，从2003年停止生产CFC11和CFC12。维修可延长到2010年。

我们目前所使用的制冷剂全部是氟利昂制品，非氟利昂制品目前还没有研发出来根据蒙特利尔议定书及其修正案，发达国家到2030年全面禁用HCFC，发展中国家到2040年全面禁用HCFC。在行业大环境下，我国将修正案中规定的过渡物质（HCFC22/R22）作为实施淘汰进程中的重要替代物质。鉴于淘汰R22的成熟产品并未明朗化，国家方案中没有涉及淘汰R22的内容。

R22属于HCFC，R22替代物相对性能：

三. 空调创新技术

• 变频技术：通过变频器改变电源频率，从而改变压缩机运转速度，使之始终处于最佳的转速状态，使得空调的自适应负荷能力强，制冷和制热速度更快，温度控制更精准，提高能效比。
• 新型制冷剂：目前大部分空调仍然使用R22制冷剂，对臭氧层有破坏。在变频空调中，已有采用R410a制冷剂，但制冷剂的物理特性使得空调在环境温度低于5度时，换热能力大幅下降。寻找物理特性更优异的制冷剂是空调乃至整个制冷行业需要解决的问题。
• 压缩机：空调压缩机主要有螺旋式、涡旋式、活塞式等。日本以第一种技术为主，美国以第二种技术为主，它们都具有效率高、噪音小、可靠性好等特点，缺点时加工精度要求高。而活塞式压缩机是最原始的机型，适用于大型机组，缺点是效率低、噪音大。解决压缩机振动噪音、提高效率也是空调着重研究的新技术。
• 控制技术：为了提高空调对温度的控制精度，模糊控制理论、自适应PID控制理论等先进技术也被逐渐应用于空调控制中。
• 新风技术：提供调温的同时，还能置换新空气。
• 物联网和智能化：空调已逐步开发出联网和智能功能，可配合智能家居自适应调节温度、湿度和洁净度。