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1、机电一体化论文-中央空调班级:10级机械设计制造及其自动化( 专升本)学号:201021703060姓名:孟祥坤授课教师：王志娟德州学院机电工程系2011年11月5日目录目录1前言2一、中央空调系统简介21、冷水机组32、冷却水塔33、外部热交换系统34、冷却风机3二、系统工作原理31、中央空调制冷原理32、中央空调系统原理3三、中央空调与家用空调对比分析41、普通家用空调基本工作原理44四、四通阀在中央空调中的应用5五、中央空调系统控制分析61、冷冻水循环系统的控制62、冷却水循环系统的控制6 3、末端送风机的变频控制74、应用方案的系统考虑9六、中央空调常见问题分析111、吸气温度过高11
2、 2、吸气温度过低113、排气温度不正常114、排气压力较高125、排气温度过低12七、结束语13参考文献13 前言 随着国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，中央空调系统已广泛应用于工业与民用建筑领域，在宾馆、酒店、写字楼、商场、住院部大楼、工业厂房的中央空调系统，其制冷压缩机组、冷媒循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量大多是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。在没有使用具备负载随动调节特性的控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，尽管有的系统采用了闸阀档板节流方式，但其能量的浪费仍是
3、显而易见的。 近年来由于电价的不断上涨，造成中央空调系统运行费用急剧上升，致使它在整个大厦营运电费成本中占据越来越大的比例，因此，电能费用的控制显然已经成为经营管理者所关注的问题所在。 据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，中央空调水泵的耗电量约占总空调系统耗电量的2040%，故节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。所以，随着负荷变化而自动调节变化的变流量变频中央空调水泵、风机系统和自适应智能负荷调节的主压缩机系统应运而生，并逐渐显示其巨大的性能优越性和经济性，得到了广泛的推广与应用。 采用变频调速技术不仅能提高系统自动化控制水平，
4、使中央空调系统达到更加理想的工作状态，而且，更重要的是能给用户带来良好的投资回报。在业已实施的项目中，各项目的节电率均高达30%以上，有的系统节电率高达60%。一、中央空调系统简介 中央空调系统的组成如图所示。 1.冷水机组 这是中央空调的“制冷源”，“心藏”，通往各个房间循环水由冷水机组进行“内部交换”，降温为“冷却水”。2.冷却水塔用于为冷水机组提供冷却水。3外部热交换系统由两个循环水系统组成（1）冷冻水循环系统由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷水机组流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，在个房间内进行热交换，带走房间内热量，是房间内的温度下降。（2）冷却水循环系统 由冷却泵及冷却水管道及冷
5、却塔组成。冷水机组进行热交换，是水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，是冷却水温度升高。冷却泵将升了温冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再降了温的冷却水，送回到冷水机组。如此不断循环，带走冷水机组释放的热量。4冷却风机安装于所需要降温的房间内，用于将由冷冻水冷却了的空气吹入房间，加速房间内的热交换。大、中型中央空调由3部分组成: (1) 制冷、制热站 (2) 空调水管网系统 (3) 空调末端装置(空调机组，风机盘管和新风机组等)二、系统工作原理 中央空调原理包括：1、中央空调制冷原理：有压缩式、吸收式等 2、中央空调系统原理：有风系统工作原理、水系统工作原
6、理、盘管系统工作原理等，简单介绍如下 （1）中央空的有风系统原理分析： 室外的新鲜空气受到风处理机的吸引进入风柜，并经过过滤降温除湿后由风道送入每个房间，这时的新风不能满足室内的热湿负荷，仅能满足室内所需的新风量，随着室内风机盘管处理室内空气热湿负荷的同时，多余出来的空气通过回风机按阀门的开启比例一部分排出室外，一部分返回到进风口处以便再次循环利用。如图：三、中央空调与家用空调对比分析1中央空调的工作原理图2为中央空调原理图。 中央空调的制冷剂循环与普通家用空调完全相同，即：制冷时机组的风冷换热器为冷凝器，机组的水冷换热器为蒸发器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在风冷换热器中冷凝放热
7、，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入水冷换热器蒸发吸热(此时载冷剂被冷却)，最后再回到压缩机进入下一循环。制热时机组的风冷换热器为蒸发器，机组的水冷换热器为冷凝器；制冷剂经压缩机压缩成为高温高压过热气体，在水冷换热器中冷凝放热(此时载冷剂被加热)，成为过冷液，再经节流装置阻力降压后成为低压低温两相流体进入风冷换热器蒸发吸热，最后再回到压缩机进入下一循环。 中央空调的制冷剂循环与普通家用空调和VRV形式的家用中央空调的不同在于：中央空调并没有直接将制冷剂作为输送介质送到用户的换热器中，而是通过水冷换热器将制冷剂的冷热量传给专门的输送介质载冷剂送到用户端。这种载冷剂通常为水
8、。中央空调的载冷剂循环为：从各用户换热器返回的高低温(供冷时为高温，供热时为低温)回水在集水器中混合，经空调水泵加压送入水冷换热器中换热成为低高温（供冷时为低温，供热时为高温)载冷剂进入分水器，再由分水器分流进入各空调空间的供水管路，供水在各房间的换热设备(譬如：风机盘管)中向空调空间释放冷热量后成为高低温回水由回水管路回到集水器中，进入下一循环。四、四通阀在中央空调中的应用工作原理： 四通阀不同于普通直动式电磁阀，它必须在一定压力下才能正常工作，四通阀由三个 部分组成：先导阀，主阀和电磁线圈， 电磁线圈可以拆卸，先导阀与主阀焊接成一体。当电磁阀线圈处于断电状态，如图一，先导滑阀在右侧压缩弹簧
9、驱动下左移，高压气体进入毛细管后进入右端活塞腔，另一方面，左端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀左移，使排气管(S管)与室外机接管（C管）相通，另两根接管相通，形成制冷循环。当电磁阀线圈处于通电状态，如图二，先导滑阀在电磁线圈产生的磁力作用下克服压缩弹簧的张力而右移，高压气体进入毛细管后进入左端活塞腔，另一方面，右端活塞腔的气体排出，由于活塞两端存在压差，活塞及主滑阀右移，使排气管(S管)与室内机接管（E管）相通，另两根接管相通，形成制热循环。结构： 中间位置，由四通阀结构不难发现，当主滑阀处于中间位置状态时，如上图所示，E、S、C三条接管相互通气，产生中间流量，此时，压缩机
10、高压管内的冷媒可以直接流回低压管。设计中间流量的目的是当主滑阀处在中间位置时，能起到卸压的作用，使系统免受高压破坏。 四通阀串气故障的形成: 四通换向的基本条件是活塞两端的压力差（F1F2）必须大于摩擦阻力f，否则，四通阀将不会换向。换向所需的最低动作压力差是靠系统流量来保证的（图三所示）。当左右活塞腔的压力差大于摩擦阻力f时，四通阀换向开始，当主滑阀运动到中间位置时，四通阀的E、S、C三条接管相互导通，压缩机排出的冷媒从四通阀D接管直接经E、C接管流向S接管（压缩机回气口），使压力差快速降低，形成瞬时串气状态（中间流量状态）。此时，若压缩机的排气流量远大于四通阀的中间流量，便可以建立足够大的
11、换向压力差而使四通阀换向到位；反过来，若压缩机的排气量小于四通阀的中间流量，则四通阀换向所需的最低动作压力差便不能建立，即F1-F2f，四通阀不能继续换向而停在中间位置，形成串气。五、中央空调系统控制分析 中央空调系统的外部热交换由2个循环水系统来完成。循环水系统的回水与进(出)水温度之差，反映了需要进行热交换的热量。因此，根据回水与进(出)水温度之差来控制循环水的流动速度，从而控制了热交换的速度，是比较合理的控制方法。1、 冷冻水循环系统的控制 由于冷冻水的出水温度是冷冻机组“冷冻”的结果，常常是比较稳定的。因此，单是回水温度的高低就足以反映房间内的温度。所以，冷冻泵变频调速系统，可以简单地
12、根据回水温度进行如下控制:回水温度高，说明房间温度高，应提高冷冻泵的循环速度，以节约能源。反之则反。总之，对于冷冻水循环系统，控制依据是回水温度，即通过变频调速，实现回水的恒温控制。原理图见图2。图2 冷冻水循环系统的控制原理图2、 冷却水循环系统的控制 由于冷却塔的水温是随环境温度而变的，其单测水温不能准确地反映冷冻机组内产生热量的多少。所以，对于冷却泵，以进水和回水间的温差作为控制依据，实现进水和回水间的恒温差控制是比较合理的。温差大，说明冷冻机组产生的热量大，应提高冷却泵的转速，增大冷却水的循环速度;温差小，说明冷冻机组产生的热量小，可以降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环速度，以节约能源
13、。冷却水循环系统的控制原理图见图3。图3 冷却水循环系统的控制原理图3、末端送风机的变频控制 随着生活水平的提高，人们已开始关注生活与工作环境的舒适性。大型公共建筑(如商场、宾馆、影剧院等)均设置有中央空调系统，而大多数中央空调的运行，绝大部分末端机采用开/关控制方式，难以满足人们对舒适感的要求。变频技术的飞速发展，成本进一步下降，使得这一要求成为现实。图4 手动调节控制终端（1）调节风量在中央空调系统中，冷、暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质(水)温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入室内的制冷(热)量，从而较方
14、便地调节室内温度。这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输出端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。（2） 控制方式的确立 a、在室内适当的位置，安装手动调节控制终端，如图4所示，调速电位器vr和运行开关kk置于控制终端盒内，变频器的集中供电由空气开关控制，需要送电时在配电控制室直接操作。调整频率设定电位器vr，可以改变变频器的输出频率，从而控制风机的送风量，关闭时断开kk即可，此方式成本低廉，随意性强。 b、当室外温度变化，或者冷/暖输送介质温度发生改变时，将可能造成室温
15、随之改变，对环境舒适要求较高的消费群体，则可以采用自动恒温运行方式，如图5所示图5 自动恒温运行方式选择内置pid软件模块的变频器。控制终端的方式同手动方式。电位器用来设定温度(而不是调整频率)。变频器通过采集来自反馈端vpf/ipf的温度测量值，与给定值作比较，送入pid模块运算事自动改变u、v、w端子的输出频率，调整送风量，达到自动恒温运行。 c、送风机的分布可能不是均匀的，对于稍大的室内空间，则可以采用“区域温度平均法”策略调节送风量，以满足特殊需要量场所。 d、为降低成本，个别的变频器可能没有内置pid软件模块，选用外加pid调节器即可。4、应用方案的系统考虑(1) 共振(动):选择末
16、端送风机时，应考虑测试其在全转速范围的共振转速点，应避免电机工作于这样的转速区，通过设定变频器的回避频率及其宽度值，则可以避免电机运行于该转速区域。(2) 节能:风机属于平方转矩负载，应用时，选择风机、泵类专用变频器(亦称为节能型变频器)较好，并将其转矩曲线(v/f)设定为“平方转矩”，这样可以达到较好的节能效果。(3) 安装:变频器应装于末端机的“隔离室”内，除保证良好的散热外，还应让其不置身于潮湿环境下。亦需考虑中央空调在制冷或制热时末端机自身的温度影响。(4) 频率限制:电机转速较低时，散热效果较差:转速过大，则会引起因风速过高而造成的不适当状态，如制冷时，可能因风速过大，致辞使冷凝水不
17、能被吸水盘完全接收，造成外漏。应选择适宜的上、下限频率，下限频率以不小于15hz为宜，上限频率不要超过60hz，根据最大风速确定。(5) 载波频率:将变频器的载波频率适当提高，则可以降低电机运行噪音，提高环境质量。(6) 多机并联运行时，若电机距离变频器较远，则需调整载波频率，以避免引起电机电流振荡。5 、机组台数控制(1) 某大厦基本工况:3台机组，一用两备，根据大厦的热负荷量自动控制机组运行台数，自动保持各机组运行时间基本一致，达到最低能耗，达到最低的主机折旧。(2) 解决方案 基本思路:根据回流量，供/回水温度来调节机组运行台数，负荷计算根据: q=cm|t1-t2|注:c常数;m回水流
18、量;t1回水温度;t2供水温度当负荷大于单台机组80%，则第2台机组备份;当负荷大于前2台机组的负荷总量的80%，则第3台机组运行(80%该数值可调)。 采用plc作为主控制器，采用摸拟量模块进行数据采集。原理图如图6所示。冷水机组系统PLC电路控制简图在管道中取压力信号采样和温差变送器，通过PID调节器进行优化计算，通过PLC控制变频器，以此控制3台水泵电机的运行，系统启动开始工作，当第1台电机运行至工频状态时，如管网压力不够，变频器控制第2台电机开始工作，若工作到工频状态时管网管压仍不够时，变频器自动切换至第3泵使其变频运行，第1、2台电机工频运行，直至管网所需管压。当外部需求降低，管网管
19、压提高时，第3台运行停止，变频器自动切换至第2泵，使其工作在变频状态下若还达不到要求，再切换至第1电机，如此周而复始，始终让系统工作在最优、最佳、最省的工作状态。五、 系统的设计和应用说明由于整个实验室正在逐步筹划和建设的过程中，许多设计还处于探讨之中，众多功能还未付诸实施。现在本文就系统改造实现情况作简单介绍：本文的系统调试应分为两步，设备电气控制系统调试和中心网络系统调试。我们就已完成的设备电气控制系统设计、调试及使用情况作一下说明：针对实验室的要求：要求电气系统运行稳定，感温精确度高，维护方便寿命长，并能联网进行管理。除此之外在实际使用中系统的故障报警部分设计还不够完善，许多功能还未开发
20、。本文经过对设备状况和同学们对中央空调学习认识的调研，本文认为可采用三菱公司的A系列PLC作为设备的控制系统核心。它不仅具备普通PLC可编程控制器的各种优点，而且能够利用以太网网络模块（B2/B5）组建MELSECNET网络，最终达到建成先进的分布式控制系统，既实现各种设备之间的联网，实现远程控制和管理。当然系统基本达到了设计的要求，它不仅具备基本逻辑控制功能，还具有联网通信功能和管理功能等。另外相对与老的控制系统，它工作稳定、故障率低，并能进行系统自动报警，操作及维护十分简便，维修综合成本（待机时间等）大大降低。在智能化中央空调冷冻系统中，采用PLC控制系统是切实可行的，中央空调冷冻系统用P
21、LC控制可以有效地保证其工作稳定、可*，便于维护，且性能价格比高。 同时以PLC为核心的高可靠的监控系统实现了对空调主机的控制及两台主机之间的协调控制，具有先进、可靠、经济、灵活等显著特点。六、中央空调常见的问题分析： 1、吸气温度过高主要是由于吸气过热度增大造成，注意吸气温度高不代表吸气压力高，因为吸气是过热蒸汽。正常情况下压缩机缸盖应是半边凉、半边热。若吸气温度过高则缸盖全部发热。如果吸气温度高于正常值，排气温度也会相应升高。吸气温度过高的原因主要有: (1)系统中制冷剂充注量不足，即使膨胀阀开到最大，供液量也不会有什么变化，这样制冷剂蒸汽在蒸发器中过热使吸气温度升高。 (2)膨胀阀开启度
22、过小，造成系统制冷剂的循环量不足，进人蒸发器的制冷剂量少，过热度大，从而吸气温度高。 (3)膨胀阀口滤网堵塞，蒸发器内的供液量不足，制冷剂液体量减少，蒸发器内有一部分被过热蒸汽所占据，因此吸气温度升高。 (4)其他原因引起吸气温度过高，如回气管道隔热不好或管道过长，都可引起吸气温度过高。2、吸气温度过低主要是蒸发器供液量偏大导致吸气过热度低造成的。 (1)制冷剂充注量太多，占据了冷凝器内部分容积而使冷凝压力增高，进入蒸发器的液体随之增多。蒸发器中液体不能完全气化，使压缩机吸人的气体中带有液体微滴。这样，回气管道的温度下降，但蒸发温度因压力未下降而未变化，过热度减小。即使关小膨胀阀也无显著改善。
23、 (2)膨胀阀开启度过大。由于感温元件绑扎过松、与回气管接触面积小，或者感温元件未用绝热材料包扎及其包扎位置错误等，致使感温元件所测温度不准确，接近环境温度，使膨胀阀动作的开启度增大，导致供液量过多。PS：压机结霜原因一：如上；原因二：制冷剂充注量不足，会从蒸发器一直结到压缩机上(注：需核实)；原因三：由于外部原因制冷剂在蒸发器蒸发不足甚至不蒸发，此时会严重结霜，甚至造成湿压缩。（如中央空调回风不足或者空调箱过滤网严重堵塞，冷水机组主机压机回气管会结霜，排气温度也很低）3、排气温度不正常影响因素：绝热指数、压缩比、吸气温度 压缩机排气温度可以从排气管路上的温度计读出。它与制冷剂的绝热指数、压缩
24、比(冷凝压力/蒸发压力)及吸气温度有关。吸气温度越高，压缩比越大，排气温度就越高，反之亦然。 吸气压力不变，排气压力升高时，排气温度上升;如果排气压力不变，吸气压力下降时，排气温度也要升高。这两种情况都是因为压缩比增大引起的。冷凝温度和排气温度过高对压缩机的运行都是不利的，应该防止。排气温度过高会使润滑油变稀甚至炭化结焦，从而使压缩机润滑条件恶化。排气温度的高低与压缩比(冷凝压力/蒸发压力)以及吸气温度成正比。如果吸气的过热温度高、压缩比大，则排气温度也就高。如果吸气压力和温度不变，当排气压力升高时，排气温度也升高。造成排气温度升高的主要原因有: （1）吸气温度较高，制冷剂蒸汽经压缩后排气温度
25、也就较高。 （2）冷凝温度升高，冷凝压力也就高，造成排气温度升高。 （3）排气阀片被击碎，高压蒸汽反复被压缩而温度上升，气缸与气缸盖烫手，排气管上的温度计指示值也升高。影响排气温度升高的实际因素有:中间冷却效率低，或者中冷器内水垢过多影响换热，则后面级的吸气温度必然偏高，排气温度也会升高。气阀漏气，活塞环漏气，不仅影响到排气温度升高，而且也会使级间压力变化，只要压缩比高于正常值就会使排气温度升高。此外，水冷式机器，缺水或水量不足均会使排气温度升高。冷凝压力不正常以及排气压力降低。4、排气压力较高主要是冷凝压力偏高造成，而不是压机自身原因。排气压力一般是与冷凝温度的高低相对应的。正常情况下，压缩
26、机的排气压力与冷凝压力很接近。 冷凝压力升高时，压缩机排气温度也升高。压缩机的压缩比增大，输气系数减小，从而使压缩机的制冷量降低。耗电量增加。如果排气温度过高，则增加了压缩机润滑油的消耗，使油变稀，影响润滑;当排气温度与压缩机油闪点接近时，还会使部分润滑油炭化并积聚在吸、排气阀口，影响阀门的密封性。 降低冷却介质的温度可使得冷凝温度下降，冷凝压力也随之下降，但这要受到环境条件的限制，难以人为选择。增加冷却介质流量可降低一点冷凝温度(多采用这种方法)。但不能片面地提高冷却水或空气的流量，因为这将增大冷却水泵或风扇及电机的功率，应全面综合考虑。排气压力偏高会使压缩功加大，输气系数降低，从而使制冷效
27、率下降。产生这种故障的主要原因: (1)冷却水(或空气)流量小，温度高; (2)系统内有空气，使冷凝压力升高; (3)制冷剂充注量过多，液体占据了有效冷凝面积; (4)冷凝器年久失修，传热面污垢严重，也能导致冷凝压力升高。水垢的 存在对冷凝压力影响也较大。5、排气压力过低主要是制冷系统管路制冷剂流量偏小甚至停止造成。排气压力过低，虽然其现象是表现在高压端，但原因多产生于低压端。其原因: (I)膨胀阀冰堵或脏堵，以及过滤器堵塞等，必然使吸、排气压力都下降; (2)制冷剂充注量不足; (3)膨胀阀孔堵塞，供液量减少甚至停止，此时吸、排气压力均降低。七、结束语目前，中央空调系统节能技术改造工程项目市
28、场分布不仅广泛，而且数量众多，这为进行节能改造市场化应用推广奠定了基础前提。根据不完全统计显示，在业已投入运行的中央空调系统中，至少有70%以上未进行过任何形式的节能优化改造，而且普遍具有很好的节能挖掘潜力空间（一般都有30%以上的可挖掘节能空间）。大力推广与实施应用中央空调系统节能改造技术，不仅具有很好的经济效益回报，而且也有力地推动了全社会对能源有效利用率认识的提高。它也将可能给风险资本投资运作在该类型节能改造工程项目上开辟出一条新的方向。参考文献1中央空调工程设计与施工，吴继红、李佐周编著，高等教育出版社2制冷空调自动控制，张子慧等编著，科学出版社13. 三菱公司，三菱微型可编程控制器编程手册，20004. 可编程控制器原理及应用，顾战松、陈铁年编著，国防工业出版社，19965. 肖海亮等编著，实现微机和PLC在以太网中的通信，电气自动化，2001.56. 宋伯生编著，可编程控制器配置、编程、联网，中国气象出版社，1995.5
