空调传热系统结构设计的优化研究

摘要:随着社会经济的快速发展,人们的生活水平有了很大的提高,空调等各类家用电器开始走进了千家万户?但随着空调安装数量的与日俱增,其消耗的电能也日趋加大?如何提高空调的传热效率以节约能源,一直以来就是空调设计和制造行业研究的重点?本文通过对现阶段空调传热系统存在的不足,提出了一些空调传热系统的强化方法?
空调虽小,却“五脏俱全”,内部包含着各种类型的子系统,这些子系统相当程度上影响着空调的整体性能?尤其是作为空调结构核心的传热系统,更是决定其性能高低的关键因素?因此,优化空调传热系统结构设计是提高空调性能的有效途径?
1.优化空调传热系统结构设计的意义
我国空调安装的总数非常庞大,同时增长速度也特别快,如此众多的空调每年消耗数十亿度电?据估计,倘若将空调的传热效率提高百分之一,就能节约上亿度电能,这相当于新建几座水电站,相当于上千万吨标准煤的发电量?将节约的电能用作工业生产,就可以创造更多的社会财富?而且,2010年以后,我国提出了“绿色GDP”的概念,着力建立节约型社会,而优化空调传热系统不仅符合了这一时代的潮流,而且也体现了“低碳生活”,同时也是可是续发展的要求?
2.现阶段空调传热系统结构设计中存在的不足
作为一种常用的家用电器,其技术水准并不是很高,普通用户对其的性能要求也并不苛刻?因此,部分空调设计和生产厂商往往就轻视了对新技术的开发和利用,空调传热系统一直采用多年前的结构设计,这种固步自封的思维模式使得现阶段的空调问题多多?
2.1结构复杂
一般来说,家用空调主要由制冷系统?热交换系统(也即传热系统)?散热系统和控制系统等构成,而传热系统是整个空调的核心?空调传热系统的工作原理是:在压缩泵内将液氨等制冷剂压缩成液体,进入循环泵中,这时液氨汽化吸热,将循环泵中的热空气制冷后送入室内,同时汽化氨气再次进入压缩泵中被压缩,如此循环下去达到调节温度的目的?根据空调的工作原理,我们可以分析出这个结论——空调调节温度能力的大小就在于液氨制冷空气能力的高低(也就是传热能力)!但是,受限于科技条件和设计人员的设计能力,这部分结构往往涉及的比较复杂,各类管?泵密布,集成化程度低,传热效果差,达到相同的温度调节效果就需要消耗更多的电能?
2.2.传热系统设计中存在缺陷
空调的传热效率除了和传热系统结构有关外,还与制冷剂的制冷能力?压缩泵的压缩能力?换热板的导热系数密切相关?目前一些空调设计与成产厂商在制造空调时,为了压缩成本,所使用的传热系统部件性能往往较低,具体来说,就是压缩泵的工作能力并不能将制冷剂有效压缩,自身的可靠性也不高;制冷剂成分不纯,制冷效果不佳,有的甚至用劣质(或者根本不适合做制冷剂的气体)制冷剂代替专用制冷剂;同时,换热板性能也很低,传热系数低,且材料质量差,耐腐蚀性和抗压性能不强,或者换热板设计过厚,表面加工不平整等等,作为空调调温功能所依赖的核心部件存在这些严重缺陷,不可避免的会大幅降低空调的传热
2.3.控制手段落后
也许大家都曾见到过比较老式的空调(目前仍在大量使用),一定会对那种旋钮式的控制系统有很深刻的印象,其实,这种旋钮开关就是传热系统的控制器:当想要调低温度时,可以通过旋转旋钮将制冷剂的循环频率调高,想调高温度时则可以将其循环频率调低?虽然这种控制方式简单实用,对传热系统的结构设计却并不是一件好事,其原因就在于旋钮控制器传递调控信息的速度很慢,而且结构体积大,在传热系统设计时就不得不将复杂的联动装置也设计在其中,这就增大了传热系统的复杂性,降低了其传热效能,同时也给用户带来诸多不便(尤其是对“懒人”来说)?
3.空调传热系统结构设计的优化方法
近几年来,一些著名的空调制造商也逐渐将注意力转移到了空调传热系统的优化设计上,并摸索出了一些可行的方法,也取得了不错的使用效果?下文就对空调传热系统结构设计优化方案作简要探讨?
3.1使用新型制冷剂(换热剂)
目前为止,我国空调生产使用的制冷剂主要包括含氢氯氟烃?氟利昂以及哈龙等,其中尤以氟利昂为主?氟利昂是氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称,以二氯二氟甲烷为主,常温下为无色无味液体,熔点为-158℃,沸点为-29.8℃,因其低毒?不易燃烧?不易发生爆炸反应且不易分解而非常适合作制冷剂,主要类型包括有R12?R22?R502?R123?R134a等?虽然这种制冷剂的制冷效果比较好,但已经没有进一步开发的空间,也就无法作为优化空调系统传热结构设计的突破口?况且,它又是导致臭氧空洞的罪魁祸首,其大量使用和排放会对环境产生难以估量的危害,国家已经出台相关法律开始逐步停用这一类制冷剂?但这种制冷剂停止使用,就必须开发出相应的替代产品?可喜的是,我国在这方面已经取得了阶段性成果,一种全新的制冷剂已经问世——丙烷?丙烷,无色无味气体,熔点为为-187.6℃,沸点为为-42.1℃,相对温差为145.5℃,大于氟利昂的相对温差128.2℃?也就是说,在同等条件下,丙烷的制冷效果要好于氟利昂?若采用这种制冷剂,就可以有效缩小空调传热系统的体积,简化传热结构,从而大幅优化空调传热系统的结构设计?而且,它温室效应值几乎为0,也不会破坏臭氧层,属于环境友好型制冷剂?目前,相关技术已经达到了实用化标准,我国已经建立了丙烷型空调生产线,并在数年内逐步取代含氟空调?
3.2使用换热效率高的换热板
仅仅针对换热板个体来说,它的换热效率一般与其厚度?均匀度?导热系数有关?目前普遍使用的换热板是金属合金?由于受合金自身性质的限制,若提高换热效果,就必须减小厚度,但是厚度减小又无法抵抗制冷剂的强大压力,这种犹如“二十二条军规”的矛盾的存在使得通过改善合金性能而优化空调传热结构设计的空间大幅缩小,基本失去了科研价值?这时候,就需要把目光投向合成材料上?选择合适的合成材料不仅可以增大换热板传热系数,而且还具有硬度高,韧性好,重量轻的优点,从而极大地优化空调传热系统的结构设计?
3.3采用信息化控制模式
目前,国际上先进的空调信息化控制模式有两种,其一是温度感应变频技术,这种控制技术的工作原理是:以将空调设定为20℃的恒温调控条件下为例,当室内温度高于或者低于20℃时,空调内部的温度监测探头首先感知到温度变化,并将收到的温度变化信息迅速的传递到空调的“大脑”——计算机信息控制中心,控制中心以极快的速度分析收到的信息,并快速发出相应的指令,从而调节制冷剂的循环频率,以恢复设定温度,全程不需要人的参与,信息化程度极高;其二是红外遥控变频技术,这种控制技术只能称为半信息化变频技术,其控制原理是:同样以上述条件为例,当温度偏离设定值时,空调利用自身的警报系统发出警报声,提醒使用者温度已经改变,并将温度变化的信息发生送到使用者手中的遥控装置中,使用者根据收到的信息利用遥控装置发出的红外信号手动的改变空调运行频率,从而达到控制目的?这两种控制技术具有共同的优点,也即信息化程度较高,控制系统灵敏度高,器件体积小等,因此,将这种信息化的控制技术引入到空调设计中,可以有效地简化传热系统的结构设计,减轻系统重量,从而提高传热效率?
4.结语
空调传热系统结构设计的优化已经被越来越多的设计师所关注,也为之付出了努力和汗水,当然也获得了累累硕果?相信随着科学技术的进步,未来的空调传热系统结构设计肯定能够被优化到更加完美的水平,从而为节约型和环境友好型社会的建设添砖加瓦?