關(guān)秋佳　邵偉平

摘 要 在地鐵車輛空調(diào)機(jī)組中，其制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及節(jié)流裝置基本組成，在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)的制冷工質(zhì)為制冷劑。制冷系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇合理，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的制冷效果，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞 車輛空調(diào) 制冷系統(tǒng) 節(jié)能

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.01.069

1 制冷劑的選擇

對(duì)于空調(diào)所使用的制冷劑，一般要滿足以下要求：

（1）臨界溫度要高，凝固溫度要低。這是對(duì)制冷劑性質(zhì)的基本要求。臨界溫度高，便于用一般的冷卻水或空氣進(jìn)行冷凝；凝固溫度低，以免其在蒸發(fā)溫度下凝固，滿足較低溫度的制冷要求。

（2）在大氣壓力下的蒸發(fā)溫度要低。這是低溫制冷的一個(gè)必要條件。

（3）壓力要適中。蒸發(fā)壓力最好與大氣壓相近并稍高于大氣壓力，以防空氣滲入制冷系統(tǒng)中，從而降低制冷能力。冷凝壓力不宜過(guò)高，以減少制冷設(shè)備承受的壓力，以免壓縮功耗過(guò)大并可降低高壓系統(tǒng)滲漏的可能性。

（4）單位容積制冷量要大。這樣在制冷量一定時(shí)，可以減少制冷劑的循環(huán)量，縮小壓縮機(jī)的尺寸。

（5）導(dǎo)熱系數(shù)要高，粘度和密度要小。以提高各換熱器的傳熱系數(shù)，降低其在系統(tǒng)中的流動(dòng)阻力損失。

2 冷凝器及參數(shù)選擇

冷凝器是制冷系統(tǒng)中重要的換熱設(shè)備，其作用是將從壓縮機(jī)出來(lái)的高溫高壓的制冷劑蒸氣的熱量傳遞給冷卻介質(zhì)——水或空氣，而形成高穩(wěn)高壓的過(guò)冷液體。冷凝器的選擇主要有兩個(gè)方面：形式和參數(shù)。

采用不同形式的冷凝器直接影響其冷凝溫度，也直接影響到其運(yùn)行的耗能量。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)證明，若采用蒸發(fā)式冷凝器，其壓縮機(jī)耗功是最小的，可以比空冷式冷凝器節(jié)省30%，比水冷式節(jié)省10%。然而，對(duì)于每天運(yùn)行在鋼軌上的軌道車輛，受其運(yùn)行條件的限制，只能采用空氣冷卻式冷凝器。

對(duì)冷凝器而言，其主要參數(shù)是冷凝溫度和冷凝壓力。而冷凝溫度是制冷循環(huán)中主要運(yùn)行參數(shù)之一，其設(shè)定合理與否直接影響到制冷裝置的制冷效果、安全可靠性和能耗水平。從壓焓圖分析可以知道，冷凝溫度與冷凝壓力相對(duì)應(yīng)，冷凝溫度升高時(shí)，冷凝壓力也升高，則直接導(dǎo)致壓縮比增大。其結(jié)果是引起兩個(gè)不良效應(yīng)：一是壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)降低，功耗增大，制冷系數(shù)下降；二是使壓縮機(jī)排氣溫度升高，壓縮機(jī)的故障率增加，運(yùn)行安全可靠性降低。因此，從理論分析看，應(yīng)盡可能使制冷系統(tǒng)在較低的冷凝溫度下運(yùn)行。然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，冷凝溫度過(guò)低將產(chǎn)生更加不利的效果。在地鐵車輛運(yùn)行時(shí)，實(shí)際的冷凝溫度是變化的，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)計(jì)的冷凝溫度時(shí)，將使實(shí)際的熱負(fù)荷增大，冷凝器不能滿足要求，實(shí)際的冷凝溫度將升高，能耗增大，制冷裝置效率也將下降。

因此，在設(shè)計(jì)冷凝器的冷凝溫度時(shí)，要充分考慮各種不利的因素，選擇適當(dāng)?shù)睦淠郎囟?，保證制冷裝置在高效率下節(jié)能運(yùn)行。

3 蒸發(fā)器及參數(shù)選擇

冷卻液體的蒸發(fā)器有殼管臥式蒸發(fā)器、干式蒸發(fā)器和沉浸式蒸發(fā)器；冷卻空氣式蒸發(fā)器有冷卻排管和直接蒸發(fā)式空氣冷卻器兩種。由于地鐵車輛的特點(diǎn)，蒸發(fā)器采用冷卻空氣式。其中冷卻排管多用于冷庫(kù)和冷藏箱中，特點(diǎn)是制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，空氣在管外自然對(duì)流，傳熱系數(shù)較小；而直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器適用于各種空調(diào)機(jī)組、冷藏庫(kù)和低溫試驗(yàn)箱，其特點(diǎn)是制冷劑在蛇形管內(nèi)蒸發(fā)，管外空氣在通風(fēng)機(jī)的作用下強(qiáng)迫流動(dòng)，傳熱系數(shù)比冷卻排管高。因此，在地鐵車輛空調(diào)中，宜采用直接蒸發(fā)式空氣冷卻器。

蒸發(fā)溫度是制冷裝置運(yùn)行的重要參數(shù)。從壓焓圖分析可知，若蒸發(fā)溫度過(guò)高，則滿足不了被冷卻對(duì)象的低溫要求，無(wú)法滿足要求室內(nèi)空氣指標(biāo)。若蒸發(fā)溫度過(guò)低，則相應(yīng)的蒸發(fā)壓力也降低，使壓縮比增大，壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)降低；同時(shí)單位容積制冷量急劇下降，單位壓縮功明顯增加，運(yùn)行效率，能耗增大，壓縮機(jī)的工作條件也隨之惡化。因此，蒸發(fā)溫度在確定時(shí)，應(yīng)在滿足冷卻性能前提下，盡可能采用較高的溫度數(shù)值。

4 壓縮機(jī)及電動(dòng)機(jī)的選擇

根據(jù)相關(guān)部門(mén)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，制冷壓縮機(jī)的耗電量占制冷裝置總耗電的60%以上，因此，在地鐵車輛空調(diào)壓縮式制冷裝置中，壓縮機(jī)的節(jié)能尤為重要。

壓縮機(jī)的種類很多，常見(jiàn)有活塞式、離心式、螺桿式、旋轉(zhuǎn)式、渦旋式等形式。

活塞式壓縮機(jī)具有高速、多缸、能量可調(diào)、熱效率高、適應(yīng)于多種制冷劑等優(yōu)點(diǎn)；其確定是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多、檢修周期短、對(duì)濕行程敏感、有脈沖振動(dòng)及運(yùn)行平穩(wěn)性差。

螺桿式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、體積小、重量輕、單機(jī)壓縮比大、對(duì)濕行程不敏感、振動(dòng)小、對(duì)基礎(chǔ)要求低、輸氣系數(shù)高、排氣溫度低及熱效率高、制冷量可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是噪聲較高，耗油量大，油路系統(tǒng)和輔助設(shè)備比較復(fù)雜。新型螺桿式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性和壽命等均已超過(guò)活塞壓縮機(jī)。

離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、制冷量大、機(jī)械磨損小、易損件少、維護(hù)簡(jiǎn)單、持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、振動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)基礎(chǔ)要求低、制冷量可調(diào)。其缺點(diǎn)是制冷量不能太小、每級(jí)的壓縮比較小、效率低于活塞式、對(duì)制冷劑有一定要求，操作不當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生喘振。

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的中心軸式葉片交遞旋轉(zhuǎn)圓形結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)的排量大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)合理。旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)充實(shí)的功能部件與保護(hù)裝置，噪音低、安全可靠。為保護(hù)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)不致?lián)p壞，旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)采用延時(shí)型防爆固態(tài)繼電器和過(guò)載保護(hù)及熱保護(hù)器件，為了防止靜電所帶來(lái)的危害，對(duì)旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)內(nèi)腔噴涂導(dǎo)電漆消除靜電效應(yīng)，使用更安全。

全封閉渦旋式壓縮機(jī)是當(dāng)前最先進(jìn)的制冷壓縮機(jī)，在抗振動(dòng)、抗液擊以及頻繁起停等方面具有優(yōu)異的性能，特別適合于沖擊和終動(dòng)大的運(yùn)輸工具上。與其它型式的壓縮機(jī)相比，具有噪聲低、振動(dòng)小、效率高，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，壓縮機(jī)壽命大于50000小時(shí)。

通過(guò)上述分析和比較，并結(jié)合制冷劑R407C的使用，建議使用新型的全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī)，可以獲得更好的節(jié)能效果。渦旋式制冷壓縮機(jī)作為鐵道車輛及城軌交通車輛上新型制冷設(shè)備，在國(guó)外已有成功的使用經(jīng)驗(yàn)，并取得了良好的效果。

根據(jù)車內(nèi)最大制冷量的要求，可以確定壓縮機(jī)的容量。然而，在實(shí)際車輛運(yùn)行中，車內(nèi)的熱負(fù)荷是隨著外界條件變化而變化的，因此，有必要對(duì)壓縮機(jī)制冷量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

壓縮機(jī)采用能量進(jìn)行調(diào)節(jié)后，可以取得以下效果：車輛空調(diào)實(shí)際制冷量與熱負(fù)荷平衡，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；減小蒸發(fā)溫度的波動(dòng)，相應(yīng)地減小被冷卻對(duì)象的溫度波動(dòng)，減少壓縮機(jī)啟動(dòng)次數(shù)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命；保證壓縮機(jī)空載或輕載啟動(dòng)。由于車輛在運(yùn)行時(shí)，制冷裝置在部分負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)間占很大比例。壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)采用能量調(diào)節(jié)對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能具有重要意義。

地鐵車輛空調(diào)壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)可以采用以下方案：在制冷系統(tǒng)高低壓區(qū)之間設(shè)置一個(gè)旁通路，這樣根據(jù)蒸發(fā)器的實(shí)際充氣量調(diào)整壓縮機(jī)容量。

將旁路閥安裝在制冷系統(tǒng)的高壓線和低壓線之間，旨在通過(guò)向蒸發(fā)器旋管和恒溫膨脹閥之間的管線注入熱氣，根據(jù)蒸發(fā)器的充氣量來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)容量。通過(guò)外部控制管線實(shí)現(xiàn)的與抽風(fēng)管線的直接連接可以調(diào)節(jié)熱氣的注入，與蒸發(fā)器旋管中的壓力損失無(wú)關(guān)。該動(dòng)作可通過(guò)主通風(fēng)口、控制進(jìn)口和出口的壓力。這樣，閥門(mén)的開(kāi)度直接根據(jù)壓縮機(jī)的抽風(fēng)壓力而定。

在車輛空調(diào)系統(tǒng)中還有冷凝風(fēng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)電機(jī)。這些電動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中，其能耗也不容忽視，因此在設(shè)計(jì)和選擇上必須加以考慮。對(duì)于通風(fēng)機(jī)而言，在一車的兩套空調(diào)系統(tǒng)中，可以設(shè)置四臺(tái)通風(fēng)機(jī)，這樣一來(lái)便可以根據(jù)車內(nèi)實(shí)際熱負(fù)荷的變化，依托所在的獨(dú)立制冷系統(tǒng)，分別進(jìn)行0臺(tái)、2臺(tái)、4臺(tái)同時(shí)工作，進(jìn)行合理的能源消耗；每套機(jī)組中可以設(shè)置一套冷凝風(fēng)機(jī)，為了適應(yīng)制冷量的變化，冷凝風(fēng)機(jī)可以采用調(diào)速電機(jī)，設(shè)兩級(jí)調(diào)速，分別對(duì)應(yīng)車輛半冷和全冷下的功率，從而實(shí)現(xiàn)能源的合理使用。