浅谈高温特种空调机的设计

袁修海

( 上海海立特种制冷设备有限公司，上海 201901 )

浅谈高温特种空调机的设计

袁修海

( 上海海立特种制冷设备有限公司，上海 201901 )

高温特种空调机的使用环境非常恶劣，本文针对其使用环境特点，从耐高温、防粉尘、抗振动、防腐蚀四个方面全面介绍了高温空调设计过程中常采用的技术措施及注意事项等，可以有效降低高温空调的故障率，提高其可靠性。

高温空；耐高温；抗腐蚀；抗振动；防粉尘

0 引言

高温特种空调机(以下简称高温空调)，使用环境温度最高可达到80℃，广泛应用于冶金行业的炼钢厂、焦化厂、铝厂等场合，用于高温、多尘、振动、有腐蚀性气体等恶劣环境下的行车的司机室、电气室及地面操作室等的空气调节，高温空调不同于一般民用空调，设计工况，采用的冷媒，零部件的选型等都有很大的不同，高温空调目前还没有国家或行业性标准，各生产企业基本上都是按自己的企业标准进行生产，针对高温空调的环境特点，如何针对性地开展设计，降低产品的故障率，本文着重从四个方面进行探讨。

1 耐高温设计

高温空调的耐高温设计首先是制冷剂的选择，尽可能选用临界温度高、沸点高、低压的制冷剂，然后各零部件的选择也要考虑到高温下运行的可靠性。在特高温环境下，还要辅助以诸如喷射冷却的方案来解决压缩机排温过高的问题。

1.1 高温空调制冷剂的选择

选择制冷剂主要考虑三个方面，热力性质、环保性及安全性。高温空调由于使用环境温度高，需选用沸点高的高温制冷剂，早期行业高温空调采用的制冷剂为R12、R114等，随着对环保的重视，这两种CFC族类制冷剂，由于对臭氧层有破坏作用，已被淘汰。目前高温空调行业用的制冷剂主要有R142b、R134a、R227ea等，R142b属于HCFC族类制冷剂，HCFC族类制冷剂属于过渡类制冷剂，已被我国列为需要加速淘汰类的制冷剂。R134a与R227ea属于HFC族类制冷剂，目前在高温空调行业使用有逐渐增多的趋势，属于环保型制冷剂。这三种制冷剂中，R134a沸点最低，耐温性方面不如R142b和R227ea，一般建议R134a制冷剂高温空调用于环境温度不高于65℃的场合，也有文献研究了R134a高温空调在70℃环境温度下的试验情况，但此时压缩机排气温度已很高，容易导致压缩机润滑油的劣化，对压缩机的安全运行不利，另外由于排气温度高于制冷剂的临界温度，将导致系统效率极大的衰减。R227ea耐温性介于R134a与R142b之间，在国内及国外都已有用于高温空调行业的实践，但因其单位容积制冷量小，同样高温空调额定工况下根据循环热力计算，R227ea的单位容积制冷量仅为R134a的54%，因此需要配置更大排气量的压缩机，更大换热面积的换热器，节流机构也需要定制，导致其产品体积大，材料成本要远远高于R134a制冷剂高温空调，限制了其推广应用，但因其耐温性要好于R134a制冷剂，从环保角度来说，在环境温度超过65℃的特高温环境下，高温空调产品用R227ea替代R142b是一个不错的选择。R142b是目前高温空调行业用的最广的制冷剂，其单位容积制冷剂约为R134a的61%左右，因此其需要的压缩机排量及换热器面积介于R134a与R227ea之间，目前在≤65℃的高温环境下有逐渐被R134a制冷剂替代的趋势，这既是环保的需要也是成本压力下的结果。安全性方面，除了R142b有微燃外，几种制冷剂的安全等级都比较好。

高温空调根据使用环境温度一般划分为高温环境(≤65℃)和特高温环境(≤80℃)，因此根据使用环境的极限温度选择合适的高温空调也很重要，针对高温环境(≤65℃)，一般建议选用R134a制冷剂的高温空调，对特高温环境(≤80℃)，建议选用R142b制冷剂的高温空调，但随着对环保的重视，R142b作为过渡类的制冷剂必然面临着淘汰的命运，需要加大R227ea制冷剂高温空调系统优化设计及运行特性的研究及R227ea作为组分的混合制冷剂在高温空调领域的应用研究，随着研究的深入，不排除将来会有热工性能好、安全等级高的新环保制冷剂出现。

表1 常用工质主要物性参数

Form 1 main physical parameters of several refrigerants

工质R134aR142bR227ea分子式C2H2F4C2H3F2ClCF3CHFCF3分子量1021004817003沸点(℃)-262-925-166ODP0005-0060GWP024～029034～03904临界温度(℃)1011136451018临界压力(MPa)406415293等熵指数111112112安全等级A1A2A1

1.2 部件的选型

1.2.1 压缩机的选型

目前行业高温空调主流选用的压缩机为涡旋式压缩机，由于这种压缩机无吸、排气阀，因此工作可靠、寿命长，吸排气连续，气流脉动小，运转平稳且扭矩变化均匀，涡旋式压缩机不存在余隙容积，因此在较大压比范围内都具有较高的容积效率，一般为0.8～0.95。由于没有R142b及R227ea专用压缩机，所以在进行压缩机选型时要考虑到压缩机润滑油的适用性，即制冷剂与冷冻油的相容性，原则上使用同一族类制冷剂的压缩机不会有问题，如R142b可选用同属HCFC族R22制冷剂的空调压缩机，两种制冷剂使用的润滑油都是矿物油，但因不同的厂家的润滑油可能添加的添加剂不同如耐磨剂及抗起泡剂等，在使用前最好咨询压缩机厂家，另外高温空调由于使用环境温度高，额定制冷量测试工况也要远高于民用空调，需要进行热力循环计算，根据计算需要的压缩机排量来选择合适的压缩机，在高温下对于单位容积制冷量较小的制冷剂如R227ea、R142b等制冷剂来说，就需要配置大排量的压缩机来满足循环量的需要，循环量大，相对来说制冷剂充注量也大，要考虑到压缩机最大允许充注量的要求，要求润滑油浓度控制在35%以上，必要时需补充润滑油。

1.2.2 节流机构的选择

高温空调的节流机构可选择毛细管及膨胀阀。因行车在移动过程中，高温空调使用场合环境温度变化大，而毛细管适用环境工况变化能力较弱，一般不建议采用毛细管作为节流元件，多采用膨胀阀，因高温空调所用制冷剂为非常用制冷剂，且使用环境工况与民用空调工况差异较大，膨胀阀需要根据设计时的冷凝温度、蒸发温度、过热度、过冷度及制冷剂要求向膨胀阀生产厂家定制，成本也相对较高。

1.2.3 换热器的设计

换热器包含蒸发器和冷凝器，由于环境温度较高，一般采用大风量小温差设计，额定工况蒸发温度一般控制在10～15℃左右，冷凝温度控制在65℃，大风量小温差设计通过抬高蒸发温度，降低冷凝温度，提升在恶劣环境工况下的制冷量，降低压缩机的压比，控制压缩机的排气温度，达到空调安全运行的目的

1.2.4 风机的选型

一般蒸发侧采用内转子离心风机，冷凝侧采用内转子轴流风机，电机要求达到F级绝缘，耐温155℃以上，防护等级IP54以上，以提高风机在恶劣工况下的可靠性，风机的压头要根据实际使用场合，送风距离等因素进行选择，风叶一般采用铝制风叶或铁制风叶，也有采用不锈钢风叶，较少采用ABS塑料风叶，主要考虑到塑料叶轮在高温下容易变形的缘故。

1.2.5 储液器及油分离器的设置

对于高温空调来说，设置储液器是必要的，主要因为高温空调安装在移动的行车上，运行过程中，其环境热负荷经常发生变化，从而引起高温空调运行工况的变化，为确保向蒸发器持续而稳定的供液，有必要设置储液器，同时也可让冷凝器的换热面积得到充分的利用。

由于高温空调的运行工况变化较大，因此有的企业通过安装气液分离器的形式来保证压缩机低负荷工况下的回气可能带液问题，不过由于高温空调器目前普遍采用的为涡旋压缩机，其抗液击能力较强，也有企业取消了气液分离器来降低成本，没有数据表明高温空调可靠性因此受到明显影响。

1.3 电控方面

高温空调的线缆需选用高温线缆，高温线缆的最高耐温要达到200℃，电控部分要安装于被冷却空间内，另外在高温环境下各电机要有过载及过流保护，排气温度保护等，高压保护、低压保护等。

1.4 高温环境下降低排气温度的措施

高温环境下，压缩机的压比较大，压缩机排气温度较高，在高温空调的设计中主要采用喷液装置来降低排气温度的方法，就是通过喷液阀或毛细管引入少量高压液体喷入压缩机回气管，这种方式虽然牺牲了部分制冷量，却有效地降低了排气温度，提高了空调器运行的安全性，喷液装置作为一种安全性防护措施，一般只在特高温环境，压缩机排温快达到极限前开始动作，如有的厂家设定喷液装置动作时的排气温度为115℃，因此在多数工作环境情况下，装置是不动作的，现在不少厂家在≤65℃高温环境下使用的高温空调中已经取消了这一装置，通过系统的优化设计，控制压缩机的压比有效地解决了压缩机排温过高问题，一般控制压比在10以内，压缩机的安全比较有保障。但在特高温环境下，即高于65℃的环境温度下还是建议配置喷液装置，以提高压缩机的安全性。

2 抗振动设计

高温空调的使用场合一般多为振动环境，如行车的吊装作业及移动过程中，焦化厂的四大车：推煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车上，振幅较大，振动形式为随机振动，振动冲击加速度可达到2g，这需要在高温空调设计上要考虑到各部件的抗振性，高温空调设计出来以后除了性能试验外，也需上振动台做振动试验，如某企业高温空调振动试验要求：横向、纵向及垂向耐久试验振动各2个小时，振动频率范围5～150Hz，振动烈度2.9mm/s，另外做斜坡冲击试验15次，加速度15g。

2.1 结构的抗振性设计

压缩机除采用运动部件较少的涡旋式压缩机外，压缩机的固定也不同于民用空调的压缩机，底脚采用铁质底脚，同时压缩机的壳体上部辅以抱箍固定的方式将压缩机牢牢地固定在空调的底盘上，避免振动时压缩机的振幅过大拉断铜管，同时将压缩机的振动传递到空调壳体上。高温空调的壳体采用钣金框架式结构，整体进行焊接，较少采用拼装式结构，钢板厚度多采用2.5mm以上，以提高整机的抗振性。铜管一般采用1.0～1.5mm厚的铜管，特别压缩机的吸排气管多采用1.5mm厚的，焊接多采用15%以上的高银焊条进行焊接，以提高焊接口的韧性及焊料渗透性，铜管的走向上每400mm对铜管采取固定措施，必要时可以采用避震管来减轻振动的传递，部件的装配采用铆螺母的形式进行固定，配以弹簧垫圈或自锁螺母，不采用自攻螺丝的方式。

2.2 高温空调分体机的连接管的抗振措施

目前高温空调分体机的连接管有采用铜管的，有采用橡胶空调管的，若采用铜管，铜管两端需有一段长度不小于1米的采用铜波纹管，方便铜管安装及提高抗振性，若采用橡胶连接管，需考虑橡胶连接管的耐温性及恶劣环境下的老化性能，一般要求橡胶空调连接管的耐温范围要达到-40～125℃，同样，橡胶连接管也要像铜连接管那样表面套保温管进行保温处理。连接管长度根据现场需要进行配置，不宜过长，且连接管走向每一定长度要采取固定措施，避免振动情况下连接管甩动拉断管路或接口的喇叭口，造成泄漏。

2.3 换热器的抗振性

换热器采用框架式设计，两安装端板的穿换热管孔要求进行翻边拉高处理，一般拉高2mm，胀管需涨紧，避免换热管与端板存在松动现象，振动时磨断铜管，两端安装板之间采用钢板铆接固定。换热器一般不单独悬挂固定于机架上，一般配有安装隔板来承接部分换热器的重量。

换热器的换热管壁厚一般要选得厚一些，由于需要的制冷剂循环量大，行业一般选用Ø9.52管径的，光管一般选Ø9.52×0.35mm，内螺纹管一般选Ø9.52×0.3+0.2-53-18规格的，汇总管壁厚一般不低于1.0mm，且汇总管与支管的焊接一般采用不低于15%的高银焊条进行焊接，以提高振动下的焊接口的韧性。

3 防腐蚀设计

高温空调的使用场合经常有诸如硫化氢等腐蚀性气体，会对换热器翅片，钣金等产生严重腐蚀，这就需要对高温空调进行防腐蚀设计。

3.1 钣金的防腐

钣金最好的防腐措施是采用不锈钢304进行加工制造，但考虑到成本因素，只针对一些高端需求客户进行客制化制作，目前高温空调行业厂家普遍采用的还是进行喷涂环氧树脂涂层进行防腐，一般进行多道工序处理，先进行富锌环氧底漆处理，中间层再进行环氧漆处理，最后面漆喷聚氨酯涂料，使喷漆厚度达到300um左右，这样处理的钣金基本能达到ISO12944-6中所列中性盐雾试验C5-M的防腐要求标准：耐久性期限高的情况下，中性盐雾试验720小时。现在也有对钣金进行纳米喷涂防腐处理的，因高温空调行业尚未大规模采用，目前还没有与喷漆的抗腐蚀效果对比试验数据。

3.2 换热器的防腐蚀设计

由于空气中含有水的杂质，会使铜铝之间产生电化学腐蚀，活泼金属为阳极，阳极易腐蚀，故而会使未受涂覆的保护或被破坏的部分率先腐蚀，继而影响到整个换热器。早期高温空调行业换热器采用的是亲水铝箔，在高腐蚀性的场合，这种未经任何处理的换热器一段时间后翅片就会腐烂、变脆，在外力作用下很容易就能从换热管上脱落，造成换热面积大幅减小从而导致结冰等各种故障的发生。后来出现一种经过一定防腐处理的金箔，金箔实际是一种经过表面处理的铝片，这种翅片在船用空调上使用较为普遍，但因为换热器在加工冲孔的过程中会破坏边界层的防腐涂层，虽有一定的防腐效果，但整体防腐效果依然不是很理想。还有一种钢管套不锈钢翅片：因生产厂家较少，换热效果不如铜管好，使用也不是很普遍。

目前行业采用的比较主流的换热器防腐处理方式有：

(1)铜管铜翅片：换热效果最好，但成本也最高，防腐蚀效果较铜管铝翅片有较大提升。

(2)铜管铝翅片电泳喷涂：换热器制作完毕后送往喷涂厂进行电泳，在铝翅片表面喷涂一层环氧树脂以提高换热器的防腐蚀性，但因为环氧树脂涂料有一定的热阻，会降低换热器的换热效率，通过与铜管铝翅片的换热效率对比测试，大概下降约5%左右，因此在计算换热面积时需考虑到这块的热效率损失情况。

(3)铜管铝翅片纳米喷涂：目前行业已有厂家在供应纳米喷涂的产品，这种空调换热器表面涂覆了一次纳米防护涂料，这种涂层具有超强的抗腐蚀性，根据厂家纳米样品与不锈钢1000小时盐雾试验对比测试结果反馈，抗腐蚀性要明显强于不锈钢，纳米涂层另外还具有防霉抗菌、疏水效果，防结霜效果等，因纳米涂层具有增强传热作用，因此换热效率是有所提升的，另外疏水效果可以避免换热器翅片间形成水桥，进而提高通风量，一定程度上也可以增强了换热。也可以说，换热器纳米喷涂的方式可能是目前高温空调行业最好的解决方案，也是高温空调换热器防腐未来的趋势。

除了以上介绍的防腐措施外，考虑到腐蚀性环境下的翅片寿命，换热器的片厚一般建议选择0.2mm以上的。

3.3 化学过滤器的采用

针对高温空调一些含有有毒有害气体的场合，为了保障作业人员的人身健康，通常应客户需要在空调送回风口配置化学过滤器，化学过滤器有选择性地吸附有害气体分子，而不是像普通滤网那样机械地过滤杂质。化学过滤器实质是一种装有活性炭吸附物质的过滤网，利用活性炭的吸附作用及催化作用，使某些气体污染物降解或改变为无害气体。这种一般被称为物理吸附，随着使用时间的增加，这种活性炭的吸附能力会逐渐减弱，一般可通过加热及水蒸气熏蒸的办法使活性炭再生。

还有一种是化学吸附，是在活性炭中均匀地渗入特定的试剂，使试剂与有害气体发生化学反应，增强对特定污染物的清除能力，这种活性炭一般不能再生，也就是说过滤器需要定期进行更换。

3.4 风机的抗腐蚀

在腐蚀性较大的场合，对于蒸发用的离心风机，一般对离心风机蜗壳及叶轮进行防腐喷涂处理，冷凝侧的风机风叶一般选用不锈钢的或对铝制叶片喷涂处理。

3.5 系统管路的防腐处理

高温空调的系统管路一般为铜管，铜管焊接后一般采用喷涂防腐漆的方法来增强管路的抗腐蚀性，也可在焊接前将管路送往喷涂厂进行纳米或电泳喷涂。

4 防尘设计

高温空调使用环境恶劣表现之一就是现场粉尘相当的大，特别是一些冶金厂诸如炼钢厂、铝厂、碳素厂及焦化厂等，而且粉尘中含有大量的金属颗粒，容易造成电器短路故障及换热器堵塞，冷凝温度提高，造成高温空调耐温性下降。

4.1 电气元件的防尘设计

电气元件除了要选用高防尘等级的以外，整个高温空调的电控部分一般要做密封设计，避免外界粉尘的侵入造成电气短路故障。操作按钮一般多选用按钮式，慎选旋钮式，旋钮式开关容易导致外界粉尘侵入造成卡死故障，在外界强力下容易造成开关损坏，按钮式可以在外部增加防尘套，减少灰尘的侵入，现在也有厂家操控面板上增加一有机玻璃罩，也是一个不错的解决方案。

4.2 换热器的防尘

高温空调为了防止换热器积尘及提高吹除能力，换热器片距要比民用空调大得多，蒸发器片距一般不小于2.0mm，冷凝器的片距一般不小于2.5mm，冷凝器最大片距已有厂家做到4.0mm的，片型选择方面一般多选择平翅片，平翅片虽然换热效率不及波纹片及窗片(波纹片与窗片的换热效率分别约为平翅片的1.1倍和1.2倍)，但平翅片不容易造成粉尘集聚，相对来说不容易脏堵。

4.3 防尘过滤网的选择

高粉尘环境下避免换热器被堵塞的一个有效方法是在换热器回风侧配置过滤网，过滤网按过滤效率分为初效过滤器、中效过滤器、高效过滤器，一般标配为初效过滤器，对应欧洲标准G4或美国标准L6，但具体还是要视现场情况及用户要求进行选择，选择过滤网高效的，粉尘过滤效果较好，但需要对过滤网经常进行清洗，否则很容易脏堵影响换热器通风量，造成蒸发器结冰，制冷效果下降，空调高压报警等故障，因此过滤网如何选择需要在防尘效果和维护工作量之间取得一个平衡。

4.4 一些防尘技术在行业的采用

冷凝风机反吹技术，通过PLC控制，定时让冷凝风机进行反吹，可以将机器内部及积聚在外表面的粉尘，飘絮吹除，通过试验验证确实有一定效果，但对于高湿性及油污性的场合效果有限，且采用这项技术需在风机正转和反转之间设置一定的时间间隔，避免风机未完全停下来时进行反转造成风机轴扭矩过大而断裂。

5 总结

高温特种空调机作为一种广泛使用于钢厂、焦化厂、铝厂等冶金行业的空调设备，不同于一般民用空调，使用环境恶劣，设计时需从耐高温、抗振动、防腐蚀、防粉尘四个方面进行，提高其在恶劣环境下使用的可靠性

(1)耐高温设计首先要根据环境温度选用合适制冷剂的高温空调，设计上采用大风量小温差设计，抬高蒸发温度，降低冷凝温度，降低压缩机的压比，零部件的选型要充分考虑到在高温下运行的安全性。

(2)抗振动设计要求钣金及换热器宜采用框架式结构，压缩机采用铁质底脚并辅助以压缩机上部抱箍固定的方式，管路建议采用高银焊条焊接，连接管建议采用橡胶连接管，这是一个不错的解决方案。

(3)抗腐蚀设计：主要是钣金框架及换热器的防腐蚀设计，目前钣金有增加喷防腐漆厚度及纳米喷涂方式，换热器有电泳喷涂及纳米喷涂两种方式，从趋势上看，不管钣金或换热器，纳米喷涂都可能是一种更好的选择。

(4)防粉尘设计：主要是电控部分及换热器的防尘设计，电控部分需采用密封设计，换热器采用大片距，平翅片结构形式，避免灰尘的集聚。

高温空调设计中若解决了以上四个问题，就可以大幅提高高温空调的可靠性，降低高温空调故障率。

高温空调目前各厂家还是着重于可靠性设计，但随着对节能和环保的要求提高，如何在满足可靠性的同时提高产品的能效，如何寻找到更适用于特种高温空调用的环保制冷剂还有很多的工作要做。

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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，硕士，工程师。从事特种制冷设备的研究与开发。E-mail：yxh@hailite.cn

ISSN1005-9180(2017)04-079-06

TB61+1文献标示码B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.015