淺談高溫特種空調機的設計

袁修海

( 上海海立特種制冷設備有限公司，上海 201901 )

淺談高溫特種空調機的設計

袁修海

( 上海海立特種制冷設備有限公司，上海 201901 )

高溫特種空調機的使用環境非常惡劣，本文針對其使用環境特點，從耐高溫、防粉塵、抗振動、防腐蝕四個方面全面介紹了高溫空調設計過程中常采用的技術措施及注意事項等，可以有效降低高溫空調的故障率，提高其可靠性。

高溫空；耐高溫；抗腐蝕；抗振動；防粉塵

0 引言

高溫特種空調機(以下簡稱高溫空調)，使用環境溫度最高可達到80℃，廣泛應用于冶金行業的煉鋼廠、焦化廠、鋁廠等場合，用于高溫、多塵、振動、有腐蝕性氣體等惡劣環境下的行車的司機室、電氣室及地面操作室等的空氣調節，高溫空調不同于一般民用空調，設計工況，采用的冷媒，零部件的選型等都有很大的不同，高溫空調目前還沒有國家或行業性標準，各生產企業基本上都是按自己的企業標準進行生產，針對高溫空調的環境特點，如何針對性地開展設計，降低產品的故障率，本文著重從四個方面進行探討。

1 耐高溫設計

高溫空調的耐高溫設計首先是制冷劑的選擇，盡可能選用臨界溫度高、沸點高、低壓的制冷劑，然后各零部件的選擇也要考慮到高溫下運行的可靠性。在特高溫環境下，還要輔助以諸如噴射冷卻的方案來解決壓縮機排溫過高的問題。

1.1 高溫空調制冷劑的選擇

選擇制冷劑主要考慮三個方面，熱力性質、環保性及安全性。高溫空調由于使用環境溫度高，需選用沸點高的高溫制冷劑，早期行業高溫空調采用的制冷劑為R12、R114等，隨著對環保的重視，這兩種CFC族類制冷劑，由于對臭氧層有破壞作用，已被淘汰。目前高溫空調行業用的制冷劑主要有R142b、R134a、R227ea等，R142b屬于HCFC族類制冷劑，HCFC族類制冷劑屬于過渡類制冷劑，已被我國列為需要加速淘汰類的制冷劑。R134a與R227ea屬于HFC族類制冷劑，目前在高溫空調行業使用有逐漸增多的趨勢，屬于環保型制冷劑。這三種制冷劑中，R134a沸點最低，耐溫性方面不如R142b和R227ea，一般建議R134a制冷劑高溫空調用于環境溫度不高于65℃的場合，也有文獻研究了R134a高溫空調在70℃環境溫度下的試驗情況，但此時壓縮機排氣溫度已很高，容易導致壓縮機潤滑油的劣化，對壓縮機的安全運行不利，另外由于排氣溫度高于制冷劑的臨界溫度，將導致系統效率極大的衰減。R227ea耐溫性介于R134a與R142b之間，在國內及國外都已有用于高溫空調行業的實踐，但因其單位容積制冷量小，同樣高溫空調額定工況下根據循環熱力計算，R227ea的單位容積制冷量僅為R134a的54%，因此需要配置更大排氣量的壓縮機，更大換熱面積的換熱器，節流機構也需要定制，導致其產品體積大，材料成本要遠遠高于R134a制冷劑高溫空調，限制了其推廣應用，但因其耐溫性要好于R134a制冷劑，從環保角度來說，在環境溫度超過65℃的特高溫環境下，高溫空調產品用R227ea替代R142b是一個不錯的選擇。R142b是目前高溫空調行業用的最廣的制冷劑，其單位容積制冷劑約為R134a的61%左右，因此其需要的壓縮機排量及換熱器面積介于R134a與R227ea之間，目前在≤65℃的高溫環境下有逐漸被R134a制冷劑替代的趨勢，這既是環保的需要也是成本壓力下的結果。安全性方面，除了R142b有微燃外，幾種制冷劑的安全等級都比較好。

高溫空調根據使用環境溫度一般劃分為高溫環境(≤65℃)和特高溫環境(≤80℃)，因此根據使用環境的極限溫度選擇合適的高溫空調也很重要，針對高溫環境(≤65℃)，一般建議選用R134a制冷劑的高溫空調，對特高溫環境(≤80℃)，建議選用R142b制冷劑的高溫空調，但隨著對環保的重視，R142b作為過渡類的制冷劑必然面臨著淘汰的命運，需要加大R227ea制冷劑高溫空調系統優化設計及運行特性的研究及R227ea作為組分的混合制冷劑在高溫空調領域的應用研究，隨著研究的深入，不排除將來會有熱工性能好、安全等級高的新環保制冷劑出現。

表1 常用工質主要物性參數

Form 1 main physical parameters of several refrigerants

工質R134aR142bR227ea分子式C2H2F4C2H3F2ClCF3CHFCF3分子量1021004817003沸點(℃)-262-925-166ODP0005-0060GWP024～029034～03904臨界溫度(℃)1011136451018臨界壓力(MPa)406415293等熵指數111112112安全等級A1A2A1

1.2 部件的選型

1.2.1 壓縮機的選型

目前行業高溫空調主流選用的壓縮機為渦旋式壓縮機，由于這種壓縮機無吸、排氣閥，因此工作可靠、壽命長，吸排氣連續，氣流脈動小，運轉平穩且扭矩變化均勻，渦旋式壓縮機不存在余隙容積，因此在較大壓比范圍內都具有較高的容積效率，一般為0.8～0.95。由于沒有R142b及R227ea專用壓縮機，所以在進行壓縮機選型時要考慮到壓縮機潤滑油的適用性，即制冷劑與冷凍油的相容性，原則上使用同一族類制冷劑的壓縮機不會有問題，如R142b可選用同屬HCFC族R22制冷劑的空調壓縮機，兩種制冷劑使用的潤滑油都是礦物油，但因不同的廠家的潤滑油可能添加的添加劑不同如耐磨劑及抗起泡劑等，在使用前最好咨詢壓縮機廠家，另外高溫空調由于使用環境溫度高，額定制冷量測試工況也要遠高于民用空調，需要進行熱力循環計算，根據計算需要的壓縮機排量來選擇合適的壓縮機，在高溫下對于單位容積制冷量較小的制冷劑如R227ea、R142b等制冷劑來說，就需要配置大排量的壓縮機來滿足循環量的需要，循環量大，相對來說制冷劑充注量也大，要考慮到壓縮機最大允許充注量的要求，要求潤滑油濃度控制在35%以上，必要時需補充潤滑油。

1.2.2 節流機構的選擇

高溫空調的節流機構可選擇毛細管及膨脹閥。因行車在移動過程中，高溫空調使用場合環境溫度變化大，而毛細管適用環境工況變化能力較弱，一般不建議采用毛細管作為節流元件，多采用膨脹閥，因高溫空調所用制冷劑為非常用制冷劑，且使用環境工況與民用空調工況差異較大，膨脹閥需要根據設計時的冷凝溫度、蒸發溫度、過熱度、過冷度及制冷劑要求向膨脹閥生產廠家定制，成本也相對較高。

1.2.3 換熱器的設計

換熱器包含蒸發器和冷凝器，由于環境溫度較高，一般采用大風量小溫差設計，額定工況蒸發溫度一般控制在10～15℃左右，冷凝溫度控制在65℃，大風量小溫差設計通過抬高蒸發溫度，降低冷凝溫度，提升在惡劣環境工況下的制冷量，降低壓縮機的壓比，控制壓縮機的排氣溫度，達到空調安全運行的目的

1.2.4 風機的選型

一般蒸發側采用內轉子離心風機，冷凝側采用內轉子軸流風機，電機要求達到F級絕緣，耐溫155℃以上，防護等級IP54以上，以提高風機在惡劣工況下的可靠性，風機的壓頭要根據實際使用場合，送風距離等因素進行選擇，風葉一般采用鋁制風葉或鐵制風葉，也有采用不銹鋼風葉，較少采用ABS塑料風葉，主要考慮到塑料葉輪在高溫下容易變形的緣故。

1.2.5 儲液器及油分離器的設置

對于高溫空調來說，設置儲液器是必要的，主要因為高溫空調安裝在移動的行車上，運行過程中，其環境熱負荷經常發生變化，從而引起高溫空調運行工況的變化，為確保向蒸發器持續而穩定的供液，有必要設置儲液器，同時也可讓冷凝器的換熱面積得到充分的利用。

由于高溫空調的運行工況變化較大，因此有的企業通過安裝氣液分離器的形式來保證壓縮機低負荷工況下的回氣可能帶液問題，不過由于高溫空調器目前普遍采用的為渦旋壓縮機，其抗液擊能力較強，也有企業取消了氣液分離器來降低成本，沒有數據表明高溫空調可靠性因此受到明顯影響。

1.3 電控方面

高溫空調的線纜需選用高溫線纜，高溫線纜的最高耐溫要達到200℃，電控部分要安裝于被冷卻空間內，另外在高溫環境下各電機要有過載及過流保護，排氣溫度保護等，高壓保護、低壓保護等。

1.4 高溫環境下降低排氣溫度的措施

高溫環境下，壓縮機的壓比較大，壓縮機排氣溫度較高，在高溫空調的設計中主要采用噴液裝置來降低排氣溫度的方法，就是通過噴液閥或毛細管引入少量高壓液體噴入壓縮機回氣管，這種方式雖然犧牲了部分制冷量，卻有效地降低了排氣溫度，提高了空調器運行的安全性，噴液裝置作為一種安全性防護措施，一般只在特高溫環境，壓縮機排溫快達到極限前開始動作，如有的廠家設定噴液裝置動作時的排氣溫度為115℃，因此在多數工作環境情況下，裝置是不動作的，現在不少廠家在≤65℃高溫環境下使用的高溫空調中已經取消了這一裝置，通過系統的優化設計，控制壓縮機的壓比有效地解決了壓縮機排溫過高問題，一般控制壓比在10以內，壓縮機的安全比較有保障。但在特高溫環境下，即高于65℃的環境溫度下還是建議配置噴液裝置，以提高壓縮機的安全性。

2 抗振動設計

高溫空調的使用場合一般多為振動環境，如行車的吊裝作業及移動過程中，焦化廠的四大車：推煤車、推焦車、攔焦車、熄焦車上，振幅較大，振動形式為隨機振動，振動沖擊加速度可達到2g，這需要在高溫空調設計上要考慮到各部件的抗振性，高溫空調設計出來以后除了性能試驗外，也需上振動臺做振動試驗，如某企業高溫空調振動試驗要求：橫向、縱向及垂向耐久試驗振動各2個小時，振動頻率范圍5～150Hz，振動烈度2.9mm/s，另外做斜坡沖擊試驗15次，加速度15g。

2.1 結構的抗振性設計

壓縮機除采用運動部件較少的渦旋式壓縮機外，壓縮機的固定也不同于民用空調的壓縮機，底腳采用鐵質底腳，同時壓縮機的殼體上部輔以抱箍固定的方式將壓縮機牢牢地固定在空調的底盤上，避免振動時壓縮機的振幅過大拉斷銅管，同時將壓縮機的振動傳遞到空調殼體上。高溫空調的殼體采用鈑金框架式結構，整體進行焊接，較少采用拼裝式結構，鋼板厚度多采用2.5mm以上，以提高整機的抗振性。銅管一般采用1.0～1.5mm厚的銅管，特別壓縮機的吸排氣管多采用1.5mm厚的，焊接多采用15%以上的高銀焊條進行焊接，以提高焊接口的韌性及焊料滲透性，銅管的走向上每400mm對銅管采取固定措施，必要時可以采用避震管來減輕振動的傳遞，部件的裝配采用鉚螺母的形式進行固定，配以彈簧墊圈或自鎖螺母，不采用自攻螺絲的方式。

2.2 高溫空調分體機的連接管的抗振措施

目前高溫空調分體機的連接管有采用銅管的，有采用橡膠空調管的，若采用銅管，銅管兩端需有一段長度不小于1米的采用銅波紋管，方便銅管安裝及提高抗振性，若采用橡膠連接管，需考慮橡膠連接管的耐溫性及惡劣環境下的老化性能，一般要求橡膠空調連接管的耐溫范圍要達到-40～125℃，同樣，橡膠連接管也要像銅連接管那樣表面套保溫管進行保溫處理。連接管長度根據現場需要進行配置，不宜過長，且連接管走向每一定長度要采取固定措施，避免振動情況下連接管甩動拉斷管路或接口的喇叭口，造成泄漏。

2.3 換熱器的抗振性

換熱器采用框架式設計，兩安裝端板的穿換熱管孔要求進行翻邊拉高處理，一般拉高2mm，脹管需漲緊，避免換熱管與端板存在松動現象，振動時磨斷銅管，兩端安裝板之間采用鋼板鉚接固定。換熱器一般不單獨懸掛固定于機架上，一般配有安裝隔板來承接部分換熱器的重量。

換熱器的換熱管壁厚一般要選得厚一些，由于需要的制冷劑循環量大，行業一般選用?9.52管徑的，光管一般選?9.52×0.35mm，內螺紋管一般選?9.52×0.3+0.2-53-18規格的，匯總管壁厚一般不低于1.0mm，且匯總管與支管的焊接一般采用不低于15%的高銀焊條進行焊接，以提高振動下的焊接口的韌性。

3 防腐蝕設計

高溫空調的使用場合經常有諸如硫化氫等腐蝕性氣體，會對換熱器翅片，鈑金等產生嚴重腐蝕，這就需要對高溫空調進行防腐蝕設計。

3.1 鈑金的防腐

鈑金最好的防腐措施是采用不銹鋼304進行加工制造，但考慮到成本因素，只針對一些高端需求客戶進行客制化制作，目前高溫空調行業廠家普遍采用的還是進行噴涂環氧樹脂涂層進行防腐，一般進行多道工序處理，先進行富鋅環氧底漆處理，中間層再進行環氧漆處理，最后面漆噴聚氨酯涂料，使噴漆厚度達到300um左右，這樣處理的鈑金基本能達到ISO12944-6中所列中性鹽霧試驗C5-M的防腐要求標準：耐久性期限高的情況下，中性鹽霧試驗720小時?，F在也有對鈑金進行納米噴涂防腐處理的，因高溫空調行業尚未大規模采用，目前還沒有與噴漆的抗腐蝕效果對比試驗數據。

3.2 換熱器的防腐蝕設計

由于空氣中含有水的雜質，會使銅鋁之間產生電化學腐蝕，活潑金屬為陽極，陽極易腐蝕，故而會使未受涂覆的保護或被破壞的部分率先腐蝕，繼而影響到整個換熱器。早期高溫空調行業換熱器采用的是親水鋁箔，在高腐蝕性的場合，這種未經任何處理的換熱器一段時間后翅片就會腐爛、變脆，在外力作用下很容易就能從換熱管上脫落，造成換熱面積大幅減小從而導致結冰等各種故障的發生。后來出現一種經過一定防腐處理的金箔，金箔實際是一種經過表面處理的鋁片，這種翅片在船用空調上使用較為普遍，但因為換熱器在加工沖孔的過程中會破壞邊界層的防腐涂層，雖有一定的防腐效果，但整體防腐效果依然不是很理想。還有一種鋼管套不銹鋼翅片：因生產廠家較少，換熱效果不如銅管好，使用也不是很普遍。

目前行業采用的比較主流的換熱器防腐處理方式有：

(1)銅管銅翅片：換熱效果最好，但成本也最高，防腐蝕效果較銅管鋁翅片有較大提升。

(2)銅管鋁翅片電泳噴涂：換熱器制作完畢后送往噴涂廠進行電泳，在鋁翅片表面噴涂一層環氧樹脂以提高換熱器的防腐蝕性，但因為環氧樹脂涂料有一定的熱阻，會降低換熱器的換熱效率，通過與銅管鋁翅片的換熱效率對比測試，大概下降約5%左右，因此在計算換熱面積時需考慮到這塊的熱效率損失情況。

(3)銅管鋁翅片納米噴涂：目前行業已有廠家在供應納米噴涂的產品，這種空調換熱器表面涂覆了一次納米防護涂料，這種涂層具有超強的抗腐蝕性，根據廠家納米樣品與不銹鋼1000小時鹽霧試驗對比測試結果反饋，抗腐蝕性要明顯強于不銹鋼，納米涂層另外還具有防霉抗菌、疏水效果，防結霜效果等，因納米涂層具有增強傳熱作用，因此換熱效率是有所提升的，另外疏水效果可以避免換熱器翅片間形成水橋，進而提高通風量，一定程度上也可以增強了換熱。也可以說，換熱器納米噴涂的方式可能是目前高溫空調行業最好的解決方案，也是高溫空調換熱器防腐未來的趨勢。

除了以上介紹的防腐措施外，考慮到腐蝕性環境下的翅片壽命，換熱器的片厚一般建議選擇0.2mm以上的。

3.3 化學過濾器的采用

針對高溫空調一些含有有毒有害氣體的場合，為了保障作業人員的人身健康，通常應客戶需要在空調送回風口配置化學過濾器，化學過濾器有選擇性地吸附有害氣體分子，而不是像普通濾網那樣機械地過濾雜質?；瘜W過濾器實質是一種裝有活性炭吸附物質的過濾網，利用活性炭的吸附作用及催化作用，使某些氣體污染物降解或改變為無害氣體。這種一般被稱為物理吸附，隨著使用時間的增加，這種活性炭的吸附能力會逐漸減弱，一般可通過加熱及水蒸氣熏蒸的辦法使活性炭再生。

還有一種是化學吸附，是在活性炭中均勻地滲入特定的試劑，使試劑與有害氣體發生化學反應，增強對特定污染物的清除能力，這種活性炭一般不能再生，也就是說過濾器需要定期進行更換。

3.4 風機的抗腐蝕

在腐蝕性較大的場合，對于蒸發用的離心風機，一般對離心風機蝸殼及葉輪進行防腐噴涂處理，冷凝側的風機風葉一般選用不銹鋼的或對鋁制葉片噴涂處理。

3.5 系統管路的防腐處理

高溫空調的系統管路一般為銅管，銅管焊接后一般采用噴涂防腐漆的方法來增強管路的抗腐蝕性，也可在焊接前將管路送往噴涂廠進行納米或電泳噴涂。

4 防塵設計

高溫空調使用環境惡劣表現之一就是現場粉塵相當的大，特別是一些冶金廠諸如煉鋼廠、鋁廠、碳素廠及焦化廠等，而且粉塵中含有大量的金屬顆粒，容易造成電器短路故障及換熱器堵塞，冷凝溫度提高，造成高溫空調耐溫性下降。

4.1 電氣元件的防塵設計

電氣元件除了要選用高防塵等級的以外，整個高溫空調的電控部分一般要做密封設計，避免外界粉塵的侵入造成電氣短路故障。操作按鈕一般多選用按鈕式，慎選旋鈕式，旋鈕式開關容易導致外界粉塵侵入造成卡死故障，在外界強力下容易造成開關損壞，按鈕式可以在外部增加防塵套，減少灰塵的侵入，現在也有廠家操控面板上增加一有機玻璃罩，也是一個不錯的解決方案。

4.2 換熱器的防塵

高溫空調為了防止換熱器積塵及提高吹除能力，換熱器片距要比民用空調大得多，蒸發器片距一般不小于2.0mm，冷凝器的片距一般不小于2.5mm，冷凝器最大片距已有廠家做到4.0mm的，片型選擇方面一般多選擇平翅片，平翅片雖然換熱效率不及波紋片及窗片(波紋片與窗片的換熱效率分別約為平翅片的1.1倍和1.2倍)，但平翅片不容易造成粉塵集聚，相對來說不容易臟堵。

4.3 防塵過濾網的選擇

高粉塵環境下避免換熱器被堵塞的一個有效方法是在換熱器回風側配置過濾網，過濾網按過濾效率分為初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器，一般標配為初效過濾器，對應歐洲標準G4或美國標準L6，但具體還是要視現場情況及用戶要求進行選擇，選擇過濾網高效的，粉塵過濾效果較好，但需要對過濾網經常進行清洗，否則很容易臟堵影響換熱器通風量，造成蒸發器結冰，制冷效果下降，空調高壓報警等故障，因此過濾網如何選擇需要在防塵效果和維護工作量之間取得一個平衡。

4.4 一些防塵技術在行業的采用

冷凝風機反吹技術，通過PLC控制，定時讓冷凝風機進行反吹，可以將機器內部及積聚在外表面的粉塵，飄絮吹除，通過試驗驗證確實有一定效果，但對于高濕性及油污性的場合效果有限，且采用這項技術需在風機正轉和反轉之間設置一定的時間間隔，避免風機未完全停下來時進行反轉造成風機軸扭矩過大而斷裂。

5 總結

高溫特種空調機作為一種廣泛使用于鋼廠、焦化廠、鋁廠等冶金行業的空調設備，不同于一般民用空調，使用環境惡劣，設計時需從耐高溫、抗振動、防腐蝕、防粉塵四個方面進行，提高其在惡劣環境下使用的可靠性

(1)耐高溫設計首先要根據環境溫度選用合適制冷劑的高溫空調，設計上采用大風量小溫差設計，抬高蒸發溫度，降低冷凝溫度，降低壓縮機的壓比，零部件的選型要充分考慮到在高溫下運行的安全性。

(2)抗振動設計要求鈑金及換熱器宜采用框架式結構，壓縮機采用鐵質底腳并輔助以壓縮機上部抱箍固定的方式，管路建議采用高銀焊條焊接，連接管建議采用橡膠連接管，這是一個不錯的解決方案。

(3)抗腐蝕設計：主要是鈑金框架及換熱器的防腐蝕設計，目前鈑金有增加噴防腐漆厚度及納米噴涂方式，換熱器有電泳噴涂及納米噴涂兩種方式，從趨勢上看，不管鈑金或換熱器，納米噴涂都可能是一種更好的選擇。

(4)防粉塵設計：主要是電控部分及換熱器的防塵設計，電控部分需采用密封設計，換熱器采用大片距，平翅片結構形式，避免灰塵的集聚。

高溫空調設計中若解決了以上四個問題，就可以大幅提高高溫空調的可靠性，降低高溫空調故障率。

高溫空調目前各廠家還是著重于可靠性設計，但隨著對節能和環保的要求提高，如何在滿足可靠性的同時提高產品的能效，如何尋找到更適用于特種高溫空調用的環保制冷劑還有很多的工作要做。

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DesignofHighTemperatureSpecialAirConditioner

YUAN Xiuhai

( SHANGHAI HAGHLY AUTOMATIC ELECTRIC CO.，LTD.，Shanghai，201901 )

The working environment of high temperature air conditioners is very bad.According to its working environment characteristics，a comprehensive introduction of technical measures adopted and the attentions in use are given in the design process of high temperature air conditioners.It mainly introduces from four aspects such as: high temperature resistance、anti-corrosion、anti dust and anti vibration.All these measures can effectively reduce the fault rate and improve its reliability.

High temperature air conditioner；High temperature resistance；Anti-corrosion anti-vibration；Anti-dust

2017-6-2

袁修海(1972—)，男，碩士，工程師。從事特種制冷設備的研究與開發。E-mail：yxh@hailite.cn

ISSN1005-9180(2017)04-079-06

TB61+1文獻標示碼B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.015