变频空调的防爆技术应用及设计

　　
　　随着资源节约型社会建设的大力发展，坚持开发与节约并重、节约优先的方针原则，能源行业大力推进节能产品的开发利用。生活中，随着人们对空调的要求从制冷、制热的简单功能，发展到追求舒适、享受的多种功能，使得节能、高舒适度的空调——模糊控制变频空调成为空调发展的方向。工业应用中，随着制冷产品在防爆场所的大量使用，防爆变频调速技术，终将是节能*之选，并得以在爆炸性气体环境中充分应用。鉴于此，结合防爆理论、热管散热技术对KFR一35变频空调进行完善的防爆技术改造并在工业环境中实践应用
　　
　　1变频空调基本原理
　　
　　1．1空调系统基本原理
　　
　　空调系统的压缩机把制冷剂蒸汽从低压状态压缩至高压状态，使得制冷在蒸发器中低温下蒸发制冷、在冷凝器中常温液化。压缩机不断吸人和排出气体，使制冷循环得以反复进行。空调制冷循环中，室外热交换器为冷凝器，室内热交换器为蒸发器，四通阀线圈断电，控制压缩机排气口与室外冷凝器接通，吸气口与室内蒸发器接通；空调制热循环中，四通阀线圈得电，控制压缩机排气口与室内热交换器接通，吸气口与室外热交换器接通，制冷剂蒸汽流动方向改变，室内热交换器向室内散热而成为冷凝器，而室外热交换器成为蒸发器，制冷剂蒸发吸收室外热量。压缩机的运转依靠温度调节器控制，温度传感器不断检测室内温度，达到理想设定温度后，发出指令控制压缩机停止；否则，压缩机重新开始运转。空调系统原理框图如图1所示：
　　
　　1．2变频空调基本原理
　　
　　变频空调由微电脑控制，检测室内外环境温度、蒸发器温度、冷凝器温度、吸气管口温度、膨胀阀出人口温度、风机转速、压缩机电机电流等信号并进行计算分析。在电源和压缩机之间利用变频控制器中逆变环节改变压缩机端电压和频率，从而发出风机控制、压缩机运转速度、阀门切换、电子膨胀阀开度、安全保护等信号，使压缩机电机在不同转速下运行，以此调节环保冷媒的流量来调节制冷量，从而控制室内温度范围。变频控制器的电气原理框图如2所示：
　　
　　1．3变频空调基本结构
　　
　　变频空调系统包括制冷系统和电气系统。如图3所示。
　　
　　制冷系统由室内机和室外机组成，两者通过制冷剂管道连接，由变频压缩机、四通阀、电子膨胀阀、室内换热器、室外换热器、外风机等组成。电气系统包括室外电路和室内电路，两者通过通信连接，室外电路包括主控板、电源板、变频驱动模块；室内电路包括遥控器、室内主控板、室内显示板。
　　
　　2变频空调防爆设计要点
　　
　　鉴于变频空调的基本控制原理和基本结构，欲进行完善的防爆技术设计和改造，整体防爆性能上要依据GB3836．15—20oO危险场所电气安装要求，综合考虑使用环境和防爆规程，对空调外壳材质及涂敷、防爆器件的安装和接线、防爆场所电缆选型、防爆控制箱（盒）的选用、本安电路系统、接地系统几个方面进行*设计。防爆变频空调局部零部件按照GB3836．1—2000、GB3836．2-2000、GB3836．4—20o0、GB3836．9--2000、GB3836．10__2000国家防爆标准要求，防爆技术改造应考虑如下lO个方面：①显示板和遥控器；②室内外环境、蒸发器、冷凝器、吸气管口、膨胀阀出人口等温度传感（变送）器，；③室内电气主控电路；④摇摆电机、室内外风机；⑤电加热器、辅助加热带；⑥电磁换向阀、电子膨胀阀；⑦压力保护开关；⑧室外电气主控板；⑨模块组；⑩调速压缩机、风机。这l0项防爆空调部件设计要点中除第⑨项外防爆设计和改造技术在之前的诸多关于非变频防爆空调文献已有较为详尽的阐述并得以实际应用。但对于变频防爆空调中隔爆型电气控制箱内功率元件的散热问题仍属于设计和改造难点，在此，采用一种新的散热技术——热管散热技术来完善防爆变频空调的技术和应用。
　　
　　3防爆变频空调中热管技术的应用
　　
　　室外压缩机变频核心部件II）M模块等发热元件及其散热装置原依靠风道内风机强制散热，以求达到散热效果。欲进行防爆技术设计和改造，从隔爆技术理论考虑将该部分元件（包括压缩机控制继电器、电流检测板和保护电路、风机控制继电器、室内外机通讯线路板、触发板、嗍功率模块）置于隔爆型电气控制箱内。如此一来，存在整流和逆变等功率器件在正常运行中产生的热量在箱内积累而出现可控硅过温保护。因此，经过对风冷、水冷等强制散热方法的综合比较，均存在二次防爆处理的问题，遂决定采用新型散热技术即热管散热器解决其强制散热问题。
　　
　　3．1热管技术原理
　　
　　热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管壳内工质的蒸发与凝结来传递热量。重力热管原理如图4所示，在密闭的管内先抽成真空，在此状态下充人适量工质，在热管的下端加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下，上升到热管上端，并向外界放出热量，凝结为液体。冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端。
　　
　　由于是相变传热，因此热管内热阻很小，热管的高导热能力与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量，所以能以较小的温差获得较大的传热率，且结构简单，具有单向导热的特点，特别是由于热管的*机理，使冷热流体间的热交换均在管外进行，这就可以方便地进行强化传热。此外，由于热管内部一般抽成真空，工质极易沸腾与蒸发，热管启动非常迅速。热管这种传热元件，可以单根使用，也可以组合使用，根据用户现场的条件，配以相应的流通结构组合成各种形式换热器，热管散热器具有传热效率高、阻力损失小、结构紧凑、工作可靠、维护费用少等优点。
　　
　　3．3热管散热器的计算选型
　　
　　本设计中以KFR一35变频空调为例：变频器模块功率：1．45kW变频器模块发热量保守估算：1．45×55W80W结合隔爆箱壳体本身的散热功能，无需考虑隔爆箱内其它电气元件的热量积累。为此，为避免IPM模块出现热保护，并考虑裕量，进行详细计算，采用80w热管散热器可满足散热设计要求。
　　
　　3．4隔爆型控制箱的结构设计
　　
　　将室外电气回路继电器、控制板等元件安装于隔爆型控制箱内安装板，IPM模块发热元件安装热阻相对较小的铝板过渡散热器上，铝板过渡散热器后壁上嵌入热管散热器，铝板过渡散热器。这样，变频器功率元件产生的热量就通过导热硅脂一铝板一热管一散热器散发出去。依据隔爆型电气设备标准，对铝板过渡散热器进行隔爆面的精加工，使隔爆面与隔爆型控制箱配合符合防爆要求，已嵌入热管散热器的散热组件设计图纸和制作完成的热管散热器如图5所示：
　　
　　变频空调经总装完成后，经过对空调机组的满载试验运行测试，测量环境气温35c时，隔爆箱内zui高温度达到44℃，散热器*散热需要，达到设计要求。现该产品已在用户现场稳定运行。
　　
　　4防爆变频空调的特点
　　
　　适用环境：有爆炸性气体的ⅡA、ⅡB、ⅡC场所；适应负荷：自动适应负荷的变化进行自动低速维持或自动高速运转；电压适应：电网波动较大，电网电压较低时（150V）可照常运转；节能效果：自动以低速维持室温基本恒定，避免压缩机频繁开启，节能30％左右。
　　
　　5结束语
　　
　　变频空调的诸多优点，兼防爆技术和热管技术的设计改造和成功应用，*变频空调在防爆领域应用的一项空白。随着热管技术的应用和完善，甚至其他更为经济适用的散热技术的发展，使变频空调的防爆处理技术将更进一步完善、可靠，将变频空调这一节能产品在防爆领域进一步推广。
　　
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