城轨车辆空调装置自动化控制的分析与研究论文.docx
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城轨车辆空调装置自动化控制的分析与研究论文
城轨车辆空调装置自动化控制的分析与研究
摘要
考虑到城轨车辆实际运行区域的气候条件，有些设置了专门的加热系统。
有新风口引入的新鲜空气及车内循环空气，被机组的通风机吸入并在电加热器前混合，通过电加热器加热，温度升高，再有通风机送入车内风道各格栅，向车内送热风，使温度徐徐上升，并有温度调节器自动调节车内空气温度，维持车内的一定温度。
目录
摘要
引言
一关于车辆的类型-----------------------------------------------------------1
二空调的基础知识-----------------------------------------------------------1
三空调的制冷方式-------------------------------------------------------3
（一）制冷方式
四制冷压缩机-------------------------------------------------------------6
（一）活塞式制冷压缩机-----------------------------------------------7
（二）螺杆式制冷压缩机----------------------------------------------9
（三）涡旋压缩机特点-------------------------------------------------10
五换热器和辅助设备-----------------------------------------------------11
（一）换热器------------------------------------------------------------11
（二）制冷装置的辅助设备------------------------------------------14
六节流元件和阀门-------------------------------------------------------15
（一）膨胀机构---------------------------------------------------------15
（二）阀门---------------------------------------------------------------17
七制冷装置的自动化-----------------------------------------------------19
（一）蒸发器液量的自动调节----------------------------------------20
（二）制冷机的压力保护器件----------------------------------------20
（三）热气旁通能量调节---------------------------------------------21
节流元件和阀门-------------------------------------------------------15
（一）膨胀机构---------------------------------------------------------15
（二）阀门---------------------------------------------------------------17
七制冷装置的自动化-----------------------------------------------------19
（一）蒸发器液量的自动调节----------------------------------------20
（二）制冷机的压力保护器件----------------------------------------20
（四）温度的自动调节-----------------------------------------------22
八车辆空气调节-----------------------------------------------------------23
九城市轨道交通车辆空调系统-----------------------------------------25
结论
致谢
参考文献
引言
用一定的方法使物体或空间的温度低于周围环境介质的温度，并且使其维持在某一范围内，这个过程称作空调制冷制冷的方式大致有五种：
1蒸汽压缩式制冷;2半导体是制冷；3吸收式制冷；4蒸汽喷射式制冷；5涡流管制冷。
一般城轨车辆都采用蒸汽压缩式制冷，这主要从其使用方法的方便性，安全性经济性及维修等方面考虑。
轨道交通列车车型根据其载客量的大·小可分为：
A型车、B型车、C型车。
二、基础知识
在热工学中，含有水蒸气的空气叫做湿空气。
在大气中永远包含一定量的水蒸气，所以绝对干的空气在自然界中是不存在的。
而在一般空调研究中，把干空气作为一个整体，对它的组成成份不作详细讨论。
因此我们就可认为：
湿空气＝干空气＋水蒸气。
湿空气就是空调的主要工作对象。
空调就是空气调节，也就是将外界空气（湿空气）经过一定的处理并用一定的方式送入室内，使室内空气的温度、相对湿度、气流速度和洁净度等，控制在一定范围内。
1、压力
由上所述的湿空气是由干空气和水蒸气所组成的混合气体，所以湿空气的压力即为干空气分压力Pg与水蒸气的分压力Pzg之和。
P=Pg+Pzg
在空调工程中所处理的湿空气就是大气，所谓湿空气的总压力P就是当地的大气压B即：
B=Pg+Pzg
为了对湿空气的压力，特别是对其中水蒸气的分压力有进一步的认识，必须了解饱和空气和未饱和空气的概念。
1）饱和空气
在一定的温度条件下，空气中水蒸气分子的含量越多，水蒸气的分压力就越大。
如果空气中水蒸气的含量超过某一含量时，空气中就有水析出。
这说明在一定温度条件下，湿空气中容纳的水蒸气的数量是有一个最大限量的。
也就是说，湿空气中水蒸气分压力有一个最大值，这个最大值就称为该温度下的饱和水蒸气分压力pbh。
在大气中，如从水蒸发为汽的数量与空气中水蒸气凝结为水的数量相等，此时大气中所含的水蒸气数量达到最大限度，即水蒸气处于饱和状态。
这种湿空气就是干空气和饱和水蒸气的混和的混合物，称为饱和空气。
2）未饱和空气
若湿空气中水蒸气的分压力低于其温度下的饱和空气水蒸气的分压力，这时的水蒸气处于过热状态，这种湿空气就是干空气和过热水蒸气的混合物，称为未饱和空气。
由此可见，在一定温度条件下，湿空气中水蒸气分压力的大小，是衡量水蒸气含量即空气干燥或潮湿的指示。
温度越高，水蒸气的分压力就越大。
2、温度
空气的温度是由于分子热运动的结果，而湿空气是干空气和水蒸气的混合物。
所以湿空气的温度就是干空气的温度，也就是水蒸气的温度。
即：
T=Tg=Tzg
温度通常用摄氏温度t˚C表示或用绝对温度T表示。
两者关系为：
T=t+273 （k）
3、湿度
湿度是空气中所含水蒸气量多少的表示。
根据不同的用途，湿度可用以下几种方法表示。
1）绝对湿度
每立方湿空气中所含水蒸气的重量称为空气的绝对湿度。
可用下列式子表示：
γzq＝Gzg/V
绝对湿度只能说明湿空气在某一温度下，实际所含的水蒸气的重量。
但还不能由它直接说明湿空气的干、湿程度。
因为水蒸气的饱和程度与温度有关，温度低，水蒸气易达到饱和点，温度高，则饱和点也高。
因此同一绝对湿度的空气在不同的温度下其吸收水分的能力是不同的。
因此在空调中常采用相对湿度来表示湿空气的干湿程度。
2）相对湿度
一立方米湿空气中所含水蒸气的重量，与同一温度下饱和空气中所含水蒸气重量的比值，称为相对湿度。
可用下列式子表示：
＝γzq/γbh×100％
从上式可看出，相对湿度反映了湿空气中所含水蒸气的分量接近饱和的程度，故亦可称为饱和度。
一、制冷原理
制冷作为一门科学是指用人工的方法在一定的时间和一定的空间内将某物体或流体冷却，使其温度降低到环境温度以下，并且保持这个低温。
这里所说的“冷”是相对于环境而言的。
灼热的铁放在空气中，通过辐射和对流向环境传热，逐渐冷却到环境温度；一桶开水置于自然环境中，逐渐变成常温水，类似这样的过程都是自发的传热降温，属于自然冷却，不是制冷。
只有通过一定的方式将铁块或水冷却到环境温度一下，才可称为制冷。
因此，制冷就是从被物体或流体中吸取热量，并将热量排放到环境介质中去，以产生低于环境温度的过程。
机械制冷中所需机器和设备的总合称为制冷机。
制冷机中使用的工作介质称为制冷剂。
制冷剂在制冷机中循环流动，同时与外界发生能量交换，即不断地从被冷却对象中吸取热量，向外界排放热量。
制冷剂一系列状态变化过程的综合为制冷循环。
为了实现制冷循环，必须消耗能量。
所消耗的能量形式可以是机械能、电能、热能、太阳能或其他可能的形式。
（一）制冷方式
制冷的方式很多，常见的有以下四种：
液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热电制冷。
其中液体汽化制冷的应用最为广泛，它是利用液体汽化时的吸热效应而实现制冷的。
液体汽化制冷循环由制冷剂低压下汽化、蒸汽升压、高压气液化和高压液体降压四个基本过程组成。
蒸气压缩式、吸收式、蒸气喷射式和吸附式都属于液体汽化制冷方式的一种。
在实际使用中蒸气压缩式制冷机得到了最广泛的应用，因此它是本书的重点之一。
（蒸气压缩式制冷在一定的压力下，液体温度达到沸点（即饱和温度）就会沸腾。
在制冷技术中，常把这个饱和温度称为蒸发温度。
在同一压力下，不同的液体蒸发温度不同，所吸收的气化潜热也不同。
例如，在一个大气压力下，水的蒸发温度是100℃，气化潜热为2258kJ/kg，而R12的蒸发温度为-29.8℃，气化潜热为167.3kJ/kg。
与吸热气化的过程相反，在冷凝温度下蒸气放热会凝结成液体。
如果用环境介质（水或空气）来冷凝制冷剂蒸气，蒸气的冷凝温度就要比环境介质的温度稍高一些。
我们知道压力较高的蒸气其冷凝温度也较高，因此制冷剂蒸气只要用压缩机压缩到所需的冷凝温度相对应的饱和压力，就能用环境介质来冷却，使在被冷却对象中吸热而气化的制冷剂蒸气重新冷凝成液体，再让制冷剂液体在低温下又吸热气化，这样制冷剂在一个封闭的系统中，只消耗压缩机的功就能反复地实现制冷剂由液体变蒸气，再由蒸气变液体的相态变化，并通过这种相变将低温处的热量转移到高温处去。
这就是蒸气压缩式制冷机的工作原理。
蒸气压缩制冷机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个部件组成，并用管道连接形成一个封闭的循环系统。
其工作过程如下：
制冷剂液体在蒸发器中吸收被冷却物体的热量而气化成低压低温的蒸气后被压缩机吸入。
压缩机消耗一定的功率将制冷剂蒸气压缩成压力、温度较高的蒸气并排入冷凝器。
高压、高温的制冷剂蒸气在冷凝器内被环境空气（或水）冷却，制冷工质放出热量而被冷凝成液体。
由于制冷剂液体的温度还高于环境介质温度，必须将其温度降到低于被冷却对象的温度送入蒸发器才能产生制冷效果。
为此，先让高压、高温的液体制冷剂经过膨胀阀节流降压，同时温度也降低，然后再进入蒸发器。
在蒸发器中，低压、低温的制冷剂又吸收被冷却物体的热量，蒸发成低压、低温的制冷剂蒸气，再被压缩机吸入，如此周而复始地循环。
这样，制冷剂在封闭的制冷系统中要经历压缩、冷凝、节流和蒸发等四个热力过程才完成一次制冷循环。
在循环中，压缩机要消耗一定的功，才能将低温物体放出的热量转移到高温的环境介质中去，以达到制冷的目的。
二、制冷压缩机
压缩机是蒸气压缩式制冷装置中的一个重要部分，它是推动制冷剂在制冷系统中不断循环的动力，起着压缩和输送制冷剂蒸气的作用，因此制冷压缩机常称为蒸气压缩式制冷装置的主机。
根据制冷压缩机的工作原理不同，可分为容积型和速度型两大类。
容积型主要有活塞式压缩机和螺杆式压缩机，它们是通过活塞（或螺杆）在气缸中运动所形成的可变工作容积来完成制冷剂蒸气的压缩和输送的。
速度型压缩机是指透平式压缩机，也称离心式压缩机，它是用高速旋转的叶轮使制冷剂蒸气产生压力，同时获得动能，然后再通过扩压器、蜗壳使蒸气的动能转变为压力能，从而完成压缩和输送制冷工质的任务。
活塞式制冷压缩机发展较早，技术也较成熟，应用最广。
但是由于压缩机的活塞作往复运动所引起的惯性力和振动较大，使其提高转速和增大气缸直径与活塞行程都受到限制，因此适用于中、小型制冷装置；离心式制冷压缩机具有结构紧凑、运转平稳、振动小、噪音低等特点。
由于其转速高，工质在叶轮中的流速很大，叶轮尺寸又受加工工艺的限制不能做得太小，因而一般输汽量很大，适用于大型制冷装置；螺杆式制冷压缩机与活塞式制冷压缩机相比，由于用螺杆的回转运动代替了活塞的往复运动，因此其结构简单、体积小、重量轻和振动小。
近年来螺杆式制冷压缩机发展较快，主要应用于大、中型制冷装置，并有向小型制冷装置发展的趋势。
但是，螺杆式制冷压缩机的系统需要配备效率较高的油分离器，运转时噪音也较大，变工况时的适应性较差，而且螺杆精度要求较高，加工也比较困难，这些都是影响它被广泛采用的重要因素。
车辆制冷装置的容量均属中、小型范围，所以几乎都是采用活塞式制冷压缩机。
我国部分轨道车辆的空调装置还采用了小型螺杆式制冷压缩机及涡旋式制冷压缩机。
在此主要讨论活塞式制冷压缩机的热力工作过程，介绍活塞式制冷压缩机的结构。
此外，对螺杆式压缩机及涡旋式压缩机的工作原理和结构等也作一简单介绍。
（一）活塞式制冷压缩机
1、工作过程
从热力学观点来评价一台压缩机的完善程度主要有两个指标：
压缩机气缸的利用程度和功率的消耗大小。
压缩机的理论工作过程是由等压吸气、绝热压缩和等压排气过程组成的。
但由于气缸存在余隙容积，压缩后的气体不能排尽，因此实际上要比理论工作过程多增加一个膨胀过程，即活塞由上死点回程时，余隙内剩余气体开始膨胀，直至压力低于吸入气体的压力。
所以压缩机实际工作过程与理论工作过程存在很大的差异，主要是：
①实际上压缩机有余隙容积。
②吸、排气过程中存在流动阻力损失。
③制冷剂气体与气缸等机件接触处有热交换。
④吸、排气阀和活塞环等处还有漏泄损失，以及在工作时运动机构的摩擦面要消耗摩擦功等。
由于这些因素的影响，使得压缩机实际工作过程的输气量要小于理论过程，而功率消耗则大于理论过程。
2、活塞式制冷压缩机的结构
活塞式制冷压缩机的结构式样有多种，按压缩机与电动机的组合方式的不同可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。
1）开启式是压缩机和电动机分开，压缩机的曲轴有一端伸出机体，并通过联轴器与电机相连。
2）半封闭式压缩机是压缩机与电机共同组装在一个可拆的密封机壳内，压缩机的曲轴和电机的转子轴是一根整体轴，压缩机没有伸出机体之外的转动部件。
3）全封闭式压缩机是将压缩机与电机共同组装在一个封闭的机壳内，机壳的接缝用焊接的方法焊式。
上海地铁一号线车辆的空调采用的就是全封闭压缩机，全封闭压缩机具有足够的可靠性和寿命，一般不需维修，若有损坏则采取整个更换的方法。
（二）螺杆式制冷压缩机
螺杆式压缩机又分为双螺杆和单螺杆压缩机。
通常为简化起见，也称双螺杆压缩机为螺杆式压缩机。
单螺杆压缩机，又称蜗杆压缩机，它由一根螺杆和两个星轮组成。
它在很多方面与双螺杆压缩机类似，而且具有更加理想的力平衡性，故在国内外得到了较快的发展，不过目前在制冷方面使用还不广泛。
1、工作特点
螺杆式制冷压缩机作为回转式制冷压缩机的一种，同时具有活塞式和速度式两者的特点。
1）与往复活塞式制冷压缩机相比，具有转速高，重量轻，体积小，占地面积小以及排气脉动低等一系列优点。
2）螺杆式制冷压缩机没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，运转平稳，机座振动小，基础可作得较小。
3）螺杆式制冷压缩机结构简单，机件数量少，没有象气阀、活塞环等易损件，它的主要摩擦件如转子、轴承等，强度和耐磨程度都比较高，而且润滑条件良好，因而机加工量少，材料消耗低，运行周期长，使用比较可靠，维修简单，有利于实现操纵自动化。
4）与速度式压缩机相比，螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力的影响，在小排气量时不发生喘振现象，在宽广的工况范围内，仍可保持较高的效率。
5）采用了滑阀调节，可实现能量元级调节。
6）螺杆压缩机对进液不敏感，可以采用喷油冷却，故在相同的压力比下，排温比活塞式低得多，因此单级压力比高。
7）没有余隙容积，因而容积效率高。
2、螺杆式制冷压缩机尚存在以下缺陷：
1）制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施。
2）螺旋形转子的空间曲面，加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工。
3）由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式压缩机还不能象往复式压缩机那样达到较高的终了压力。
近年来，螺杆式制冷压缩机发展很快，其制冷系数、噪声级等指标已接近或达到活塞式压缩机的水平，在中等制冷量范围内的应用取得了信誉。
而且机组逐渐更新，品种日益增加，制冷量向更低与更高的范围内延伸，不断地扩大了使用范围，并向不同的领域扩张，已发展成为制冷机的主要型式之一。
（三）涡旋压缩机特点
从结构及工作原理看小型涡旋式压缩机具有如下的特点：
1）效率高——涡旋压缩机吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而吸入气体有害过热小；没有余隙容积中气体的膨胀过程，因而输气系数高。
同时，两相邻压缩腔中的压差小，气体泄漏量少。
另外，旋转涡旋盘上所有接触线转动半径小，摩擦速度低，损失小，加之吸、排气阀流动损失小，因而效率高。
2）力矩变化小、振动小、噪声低——涡旋压缩机压缩过程较慢，并可同时进行两、三个压缩过程，机器运转平稳，而且曲轴转动力矩变化小；其次，气体基本连续流动，吸、排气压力脉动小。
3）结构简单，体积小，重量轻，运动零部件少——没有吸、排气阀，易损件少，可靠性好。
涡旋压缩机同活塞式压缩机相比，体积小40%，重量减轻15%，效率高10%，噪声低5dB（A）。
但其制造需高精度的加工设备及精确的调心装配技术，这就限制了它的制造及应用。
三、换热器和辅助设备
（一）换热器
制冷系统中，除了制冷压缩机以外，还有一些为完成制冷循环所必需的换热器及其它辅助设备。
冷凝器和蒸发器是最主要的换热器。
它们传热效果的好坏直接影响制冷机的重量尺寸和经济性。
此外，在低温设备中（如复叠式制冷机和二级压缩制冷机）的制冷换热器，还有蒸发冷凝器、中间冷却器、过冷器等，其作用或结构与一般的冷凝器、蒸发器略有不同。
1.冷凝器
在制冷过程中冷凝器起着输出热量并使制冷剂得以冷凝的作用。
从制冷压缩机排出的高压过热蒸气进入冷凝器后，将其在工作工程吸收的全部热量，其中包括从蒸发器和制冷压缩机中以及在管道内所吸收的热量都传递给周围介质（水或空气）带走。
制冷剂高压过热蒸气重新凝结为液体。
过热蒸汽在冷凝器中放热而变成液体时，一般可分为三个放热过程：
（1）过热蒸汽冷却为干蒸气。
过热蒸汽进入冷凝器放热的初级阶段，由排气温度下降至冷凝温度（即该压力下的饱和温度），此时，过热蒸汽就冷却为干蒸气。
（2）干蒸气冷凝为饱和液体。
蒸汽在冷凝器内放热冷凝过程中温度不变（仍为冷凝温度）。
（3）饱和液体进一步冷却为过冷液体。
在冷凝器末端，蒸汽已经全部冷凝为饱和液体，但是由于制冷剂的冷凝温度总是比冷却介质的温度高，饱和液还可以进一步被冷却介质所冷却，使其成为温度低于该压力下饱和温度的过冷液体。
经以上三个过程，冷凝器的放热才结束。
从以上可见，制冷剂放热的初末阶段其温度是下降的，但在整个放热过程中压力却是不变的。
根据冷却介质和冷却方式的不同，冷凝器可分为三类：
水冷式冷凝器、空气冷却式冷凝器和蒸发式冷凝器。
水冷式冷凝器的特点是传热效率高，结构紧凑，故适用于大中型制冷装置中。
但采用这种冷凝器需要有冷却水系统，且管壁上结水垢后传热效果会降低，故需要定期清洗。
蒸发式冷凝器是利用水在管外蒸发时吸收热量而使管内制冷剂蒸气冷凝的一种换热器。
它耗水量少，适用于缺水地区。
但管外结垢后更难清洗，因而应使用水质较好或经过软化处理的水作为补充水。
空气冷却式冷凝器不需要冷却水，因而使用、安装都比较方便，特别适用于小型制冷装置中。
但空气冷却式冷凝器传热系数低，因此体积和重量都比较大，另外翅片表面积灰后会使传热恶化，故需要及时进行清洗。
2.蒸发器
蒸发器是依靠制冷剂液体的蒸发（沸腾）来吸收被冷却介质热量的换热设备。
它在制冷系统中的功能是吸收热量（或称输出冷量）。
为了保证蒸发过程能稳定持久地进行，必须不断地用制冷压缩机将蒸发的气体抽走，以保持一定的蒸发压力。
同时，蒸发温度的高低取决于其对应的蒸发压力。
蒸发器内绝大部分是湿蒸汽区。
湿蒸汽进入蒸发器时，其蒸汽的含量只占10%左右，其余都是液体。
随着湿蒸汽在蒸发器内流动与吸热，液体逐渐蒸发为蒸汽，蒸汽含量越来越多，当流至接近蒸发器出口是，一般已成为干蒸气。
在这个过程中，其蒸发温度几乎始终保持不变，且与蒸发压力相对应。
由于蒸发温度总是比被冷却对象温度低，干蒸气还会继续吸热。
当蒸发器内全部蒸发成干蒸气时，在蒸发器末端温度将继续上升，成为过热蒸汽。
因此，蒸发器的出口端总是处于过热蒸汽区，若处于湿蒸汽区，就有可能使压缩机产生液击。
从以上分析可见，整个蒸发器可分成两个区域，即湿蒸汽区与过热蒸汽区，但过热蒸汽区占蒸发器的极小部分。
根据冷却介质种类不同，蒸发器可分为两大类：
冷却液体型蒸发器和冷却空气型蒸发器。
（二）制冷装置的辅助设备
在蒸气压缩使制冷装置中，除了必须的制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀机构外，还有许多改善制冷系数和保证运转安全不可缺少的辅助设备。
属于这类设备的主要有：
储液器、气液分离器、干燥器、过滤器等。
1.储液器
储液器又称储液筒，用于储存制冷剂液体。
按储液器功能和用途的不同，分为低压储液器和高压储液器两类。
高压储液器用于储存由冷凝器来的高压液体制冷剂，以适应工况变化时制冷系统中所需制冷剂量的变化，并减少每年补充制冷机的次数。
高压储液器一般为卧式结构，高压储液器上应安装有液位计、安全阀等，同时应有气体平衡管与冷凝器相通，以利于液体流入储液器中。
高压储液器的充灌高度一般不超过筒体直径的80%。
低压储液器仅在大型氨制冷装置中使用，用于存储低压液氨。
其结构与高压储液器相同。
2.气液分离器
气液分离器一般用于分离蒸发器所排出的低压蒸气中的液滴，可防止活塞式制冷压缩机的液击。
3.干燥器和过滤器
干燥器只用在氟利昂制冷机中，装在液体管路中用于吸附制冷剂中的水分。
干燥器一般安装于节流元件之前。
过滤器由于清除制冷剂中的机械杂质，如金属屑及氧化皮等。
在小型的氟利昂制冷装置中，通常将干燥器和过滤器合二为一，称为干燥过滤器。
4.管道
制冷装置中各单个设备或部件需用管道连接才能构成完整的系统，制冷剂所产生的冷量也要通过管道才能输送至需要冷量的地方。
若将制冷压缩机比作制冷系统的心脏，那么管道就是血管。
因此管道尺寸确定的正确与否，直接影响制冷机的能力，甚至影响制冷机的正常运转。
管道采用的材质一般有：
铜管（不适于氨机）或无缝钢管。
管路之间的连接采用焊接。
四、节流元件和阀门
（一）膨胀机构
1、简介
在蒸气压缩式制冷系统中，除了制冷压缩机和各种换热设备外，还需专门的膨胀机构，使制冷剂节流后降低温度和压力。
低温、低压的制冷剂在蒸发器中汽化、吸收汽化潜热，进行制冷。
膨胀机构位于冷凝器之后，从冷凝器出来的的高压制冷剂液体
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