張星 王宏宇 徐楊非
摘要:本文主要介紹了軌道空調(diào)機(jī)組的制冷原理和系統(tǒng)構(gòu)成,以及各主要器件的作用;同時(shí)也介紹了未來可在軌道空調(diào)上得到廣泛應(yīng)用的變頻技術(shù)、微通道換熱器、空氣凈化技術(shù)等。
關(guān)鍵詞:軌道車輛空調(diào);制冷原理;變頻技術(shù);微通道換熱器;空氣凈化
隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,城市人口的增多,緩解城市擁堵最好的辦法之一是建設(shè)城市軌道交通,這已成為共識(shí);而軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)是城市軌道交通中的重要設(shè)備之一,主要擔(dān)負(fù)著對(duì)城市軌道車輛內(nèi)部空間的空氣溫度、濕度、微風(fēng)速等舒適性指標(biāo)進(jìn)行控制,并參與車內(nèi)空氣品質(zhì)控制的任務(wù)。
1.空調(diào)機(jī)組運(yùn)行的原理
制冷原理;壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓蒸氣,排到室外側(cè)換熱器(做冷凝器用),在軸流風(fēng)機(jī)作用下,室外空氣流經(jīng)室外側(cè)換熱器將制冷劑放出的熱量排走,使高壓蒸氣冷凝成高壓液態(tài)制冷劑,經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流降壓后,進(jìn)入室內(nèi)側(cè)換熱器(做蒸發(fā)器用)蒸發(fā)吸收室內(nèi)空氣熱量,在離心風(fēng)機(jī)作用下,將低溫空氣吹入室內(nèi)。然后氣態(tài)制冷劑又被吸入壓縮機(jī),不斷重復(fù)上述過程進(jìn)行制冷循環(huán)。
熱泵制熱原理;通過四通閥改變制冷劑的流向,從壓縮機(jī)排出的制冷劑先流向室內(nèi)側(cè)熱交換器(做冷凝器用),再經(jīng)節(jié)流裝置節(jié)流后后進(jìn)入室外側(cè)熱交換器(做蒸發(fā)器用),最后經(jīng)吸氣管返回壓縮機(jī)。如此循環(huán),室內(nèi)不斷吸收熱量達(dá)到升溫目的。
2.城市軌道空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)特點(diǎn)及構(gòu)成
軌道交通空調(diào)具備小型輕量化、可靠性高、免維護(hù)程度高等特點(diǎn),系統(tǒng)構(gòu)成及器件選擇需要充分考慮這幾方面的因素。
以某一款熱泵空調(diào)為例,整個(gè)空調(diào)機(jī)組布置兩個(gè)獨(dú)立的制冷系統(tǒng),兩個(gè)系統(tǒng)的壓縮機(jī)和室外側(cè)換熱器分開,室內(nèi)側(cè)換熱器在一個(gè)換熱器上交錯(cuò)布置,通過四通換向閥來切換制冷、制熱狀態(tài),一個(gè)系統(tǒng)故障另外一個(gè)系統(tǒng)可正常運(yùn)行。系統(tǒng)除壓縮機(jī)、換熱器、節(jié)流裝置、四通閥、風(fēng)機(jī)等主要部件外,還需增加一些增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性的部件,如氣液分離器、干燥過濾器、壓力開關(guān)、液管電磁閥、止逆閥、檢修閥等。
2.1.壓縮機(jī)
壓縮機(jī)從吸氣管吸入低溫低壓的制冷劑氣體,利用電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)內(nèi)部容積的改變,來實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷劑氣體壓縮,向排氣管排出高溫高壓的制冷劑氣體,為制冷循環(huán)提供動(dòng)力。因軌道交通對(duì)零部件可靠性要求高、空調(diào)機(jī)組制冷量需求較大等因素,現(xiàn)在軌道空調(diào)上應(yīng)用最多的為全封閉渦旋壓縮機(jī)。
2.2.換熱器
換熱器是空調(diào)機(jī)組用來使制冷劑與空氣進(jìn)行熱交換的裝置,換熱器是將肋片串在紫銅管上脹緊而成。增加換熱面積可增加換熱量,若肋片碰扁或氧化、臟時(shí),將增大風(fēng)阻減小換熱面積,所以生產(chǎn)中應(yīng)保證肋片清潔平整。肋片材料為鋁箔、銅箔,其形狀有平片、波紋片和沖縫片;采用親水膜涂層的鋁箔或銅箔作翅片,使空氣中水分在換熱器表面冷凝成水膜狀流下,不會(huì)形成“水橋”,從而加大循環(huán)風(fēng)量,并有較好的抗腐蝕性能;換熱器銅管采用內(nèi)螺紋管加大內(nèi)表面面積,強(qiáng)化傳熱效果。
2.3.節(jié)流裝置
節(jié)流裝置的作用是降低液體制冷劑的壓力和溫度,調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量。在特定的工況下,節(jié)流裝置與制冷系統(tǒng)匹配,使空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)達(dá)到最佳。常用的節(jié)流裝置有毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等;毛細(xì)管對(duì)制冷系統(tǒng)工況變化適應(yīng)性差,不容易使各種工作狀態(tài)都處于最佳;熱力膨脹閥有一定的自我調(diào)節(jié)能力,但是調(diào)節(jié)范圍較窄,反應(yīng)速度慢;電子膨脹閥有調(diào)節(jié)范圍寬,反應(yīng)快等特點(diǎn),但是成本較高,控制較復(fù)雜;根據(jù)空調(diào)機(jī)組的不同使用情況,現(xiàn)在三種節(jié)流裝置在軌道空調(diào)上都有較多的應(yīng)用。
2.4.四通閥
四通閥的作用是在空調(diào)系統(tǒng)從制冷轉(zhuǎn)化到制熱狀態(tài)時(shí)改變制冷劑流向。當(dāng)電磁閥線圈處于通電狀態(tài),先導(dǎo)滑閥在電磁線圈產(chǎn)生的磁力作用下克服壓縮彈簧的張力而移動(dòng),高壓氣體進(jìn)入毛細(xì)管后進(jìn)入左端活塞腔,另一方面,右端活塞腔的氣體排出,由于活塞兩端存在壓差,活塞及主滑閥右移,使排氣管與室換熱器接管相通,使制冷劑直接接入室內(nèi)換熱器,形成制熱循環(huán)。
2.5.氣液分離器
軌道車輛空調(diào)用氣液分離器一般是通過重力沉降的原理,將在蒸發(fā)后殘余的制冷劑小液滴從氣態(tài)制冷劑中分離并貯存起來,待其吸熱后自然蒸發(fā)成氣態(tài)再進(jìn)入壓縮機(jī)的裝置。主要作用是將氣體和液體分離,確保進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑全部為氣體,能有效避免制冷劑以液態(tài)形式進(jìn)入壓縮機(jī)造成“液擊”損壞壓縮機(jī)。
2.6.干燥過濾器
干燥過濾器的內(nèi)部含有分子篩,可以濾除空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部的水分、酸、固體雜質(zhì)等,在這些污染物被清除后,系統(tǒng)就比較安全,不會(huì)發(fā)生節(jié)流裝置堵塞、有害的化學(xué)反應(yīng)、也不會(huì)存在有損害的磨損性物質(zhì)等。
2.7.電磁閥
在空調(diào)機(jī)組的冷凝器出口的液管上布置一個(gè)常閉的電磁閥,避免停機(jī)較長時(shí)間后液態(tài)制冷劑遷移到蒸發(fā)器內(nèi),重新開機(jī)時(shí)大量液體進(jìn)入壓縮機(jī)造成液擊,引起壓縮機(jī)損壞等故障。
3.軌道空調(diào)發(fā)展方向及新技術(shù)
隨著節(jié)能減排要求的提高,整車對(duì)各部件的重量要求越來越嚴(yán)格,降低空調(diào)機(jī)組的重量以及提高空調(diào)機(jī)組的能效是急需解決的問題;同時(shí)隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高,人們對(duì)對(duì)車輛內(nèi)的空氣質(zhì)量的要求也越來越高,概括來說,軌道車輛空調(diào)機(jī)組未來的發(fā)展方向是:節(jié)能、高效、舒適、可靠。
3.1變頻技術(shù)的應(yīng)用
變頻技術(shù)歷經(jīng)30多年的發(fā)展,已日趨成熟,工業(yè)變頻器應(yīng)用廣泛,變頻空調(diào)機(jī)組具有以下特點(diǎn):①節(jié)能;高頻降溫,低頻連續(xù)運(yùn)行維持溫度恒定,減少了多次開關(guān)造成的開關(guān)損耗,從而達(dá)到節(jié)能的目的;②高效;變頻壓縮機(jī)配合電子膨脹閥、高效制冷劑(如R410a),使空調(diào)機(jī)組在額定工況下的能效遠(yuǎn)高于其他型式時(shí)的能效,同時(shí)當(dāng)壓縮機(jī)低頻運(yùn)行時(shí),能效比更高,更節(jié)能。③舒適度高;溫差較大時(shí)可高頻運(yùn)行快速降溫(升溫),通過壓縮機(jī)變頻運(yùn)行,可將車內(nèi)溫度控制在設(shè)定溫度±1℃。
綜合以上特點(diǎn),變頻空調(diào)機(jī)組將是后續(xù)城市軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組的主流型式,同時(shí)在變頻空調(diào)機(jī)組上應(yīng)用的全變頻技術(shù)(壓縮機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)均變頻)、智慧型控制技術(shù)(通過多個(gè)采集點(diǎn)得到的溫度、濕度、壓力、CO2濃度等數(shù)據(jù)對(duì)空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行適時(shí)檢測(cè),并根據(jù)積累得到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)處理和推薦措施處理,提高了空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行能力、自主檢測(cè)能力、故障處理能力),將會(huì)使空調(diào)機(jī)組更節(jié)能、更可靠、運(yùn)行智能化。
3.2微通道換熱器的應(yīng)用
微通道換熱器,就是通道當(dāng)量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的微通道扁管內(nèi)有數(shù)十條細(xì)微流道,在微通道扁管的兩端與圓形集管相聯(lián)。集管內(nèi)設(shè)置隔板,將換熱器流道分隔成數(shù)個(gè)流程,與常規(guī)管翅式換熱器相比,微通道換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn):①風(fēng)阻小、換熱系數(shù)高、有效換熱面積大;②結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,材料成本低,價(jià)格便宜;③內(nèi)部容積小,整機(jī)所需制冷劑充注量少;④所用材質(zhì)均為鋁,回收無需分解;⑤扁管和翅片的焊接工藝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、長期運(yùn)行性能變化小;且其焊接方式?jīng)Q定了扁管和翅片的接觸熱阻好,換熱器換熱系數(shù)大。
微通道換熱器現(xiàn)已在汽車空調(diào)上得到廣泛的應(yīng)用,隨著我國在釬焊領(lǐng)域的投入,統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成,微通道換熱器在軌道空調(diào)上作為室外側(cè)換熱器將得到更廣泛的使用,這樣既節(jié)約成本,又響應(yīng)國家節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的號(hào)召。
我公司曾在某一地鐵空調(diào)機(jī)組上將室外側(cè)換熱器用微通道換熱器代替,和原來使用翅片管式冷凝器相比,在其他參數(shù)和試驗(yàn)工況一致的前提下,制冷量、能效比顯著提高,充注量、質(zhì)量、厚度、成本顯著降低,優(yōu)勢(shì)巨大,具有較高的研究和推廣意義。
3.3空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用
以前人們更多的關(guān)注大氣污染,卻容易忽略地鐵空氣潛在的危害;地鐵多建在地下深處,車站之間通過復(fù)雜的隧道系統(tǒng)連接,是一個(gè)相對(duì)封閉的空間。地鐵車站與外界的空氣交換只能通過車站出入口和有限的隧道風(fēng)井來進(jìn)行,現(xiàn)在乘客對(duì)車內(nèi)空氣質(zhì)量要求不斷提高。為保證車廂內(nèi)良好的空氣清潔度,目前國內(nèi)外很多地鐵車輛都安裝了空氣凈化裝置,光等離子殺菌、光觸媒殺菌、紫外線殺菌等空氣凈化技術(shù)在軌道空調(diào)上均有較多的應(yīng)用。
4.結(jié)束語
軌道交通車輛空調(diào)機(jī)組與普通空調(diào)制冷、制熱原理相同,但是因?yàn)檐壍揽照{(diào)的特殊性,在普通空調(diào)機(jī)組上增加了更多的保護(hù)裝置;同時(shí)隨著軌道交通不斷的發(fā)展,節(jié)能減排、車內(nèi)空氣質(zhì)量的要求日益提高,節(jié)能、高效、舒適將是軌道車輛空調(diào)未來的發(fā)展方向,而變頻技術(shù)、微通道換熱器作為室外側(cè)換熱器、空氣凈化技術(shù)未來在軌道空調(diào)一定會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。
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