冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)功能擴(kuò)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣德倫，錢雪峰，鄭慶偉，賈甲

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)功能擴(kuò)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣德倫*，錢雪峰，鄭慶偉，賈甲

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

本文研究了對(duì)水冷冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展的時(shí)候，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和軟件調(diào)整，可以擴(kuò)大測(cè)量范圍，增加測(cè)試功能，同時(shí)也降低了試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行成本和能耗。

試驗(yàn)臺(tái) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 功能擴(kuò)展

1 前言

目前國(guó)內(nèi)制冷行業(yè)水冷冷水機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試的方法，通常根據(jù)被試機(jī)制冷量大小選用相應(yīng)測(cè)試范圍的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,這樣就需要?jiǎng)澏ú煌瑴y(cè)試范圍測(cè)試系統(tǒng)，增加了設(shè)備及材料消耗，同時(shí)控制系統(tǒng)也相應(yīng)復(fù)雜，占用了更大的場(chǎng)地空間。隨著近年來(lái)國(guó)家各行業(yè)提倡節(jié)能減排政策，在進(jìn)行試驗(yàn)裝置測(cè)試范圍擴(kuò)展改造的同時(shí)如何提高使用效率、降低能耗，逐漸成為一個(gè)新課題需要進(jìn)行深入研究。

本文主要研究通過(guò)對(duì)已有水冷冷水機(jī)組性能試驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，最佳匹配測(cè)試循環(huán)管路及相應(yīng)控制系統(tǒng)，可以大幅擴(kuò)展試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試范圍及功能，同時(shí)降低系統(tǒng)能耗水平，最大限度地提高資源利用率。

2 測(cè)試方法

水冷冷水機(jī)組試驗(yàn)裝置的測(cè)試方法主要采用主側(cè)液體載冷劑法和輔側(cè)機(jī)組熱平衡法，當(dāng)測(cè)試工況穩(wěn)定，同時(shí)主輔側(cè)偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求時(shí)所測(cè)的換熱量即為制冷量。

2.1 液體載冷劑法

液體載冷劑法的測(cè)試原理是根據(jù)進(jìn)、出室外側(cè)熱交換器的水溫變化和水流量確定制冷（熱）量。

機(jī)組凈制冷量計(jì)算公式為：

式中 Qn——機(jī)組凈制冷量，W；

qm——冷水質(zhì)量流量，kg/s；

C——平均溫度下水的比熱容，J/（kg℃）；t1——冷水進(jìn)口溫度，℃；t2——冷水出口溫度，℃；

Qc——環(huán)境空氣傳入干式蒸發(fā)器冷水側(cè)熱量的修正值，W。

2.2 機(jī)組熱平衡法

機(jī)組熱平衡法的測(cè)試原理和液體載冷劑法類似，但所測(cè)量的是冷卻水側(cè)的制冷（熱）量。機(jī)組凈制冷量計(jì)算公式為：

機(jī)組凈制熱量計(jì)算公式為：

式中 Qn——機(jī)組凈制冷量，W；

Qh——機(jī)組凈制熱量，W；

QⅠ——排給冷卻水（指流經(jīng)冷凝器（熱泵制熱量時(shí)為蒸發(fā)器）、油冷卻器、壓縮機(jī)氣缸冷卻水路等的冷卻水）總熱量，W；

QⅡ——冷凝器以及壓縮機(jī)至冷凝器段的輔助設(shè)備（主要指油分離器、油冷卻器，其他管道可忽略不計(jì)）向環(huán)境空氣放出（吸收）的總熱量（應(yīng)分別計(jì)算），W；

P ——水冷式機(jī)組的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)、電加熱器等的輸入功率，W；

Qc——環(huán)境空氣傳入滿液式蒸發(fā)器熱量的修正項(xiàng)，W。

式中qmw——冷卻水（冷水）總質(zhì)量流量，kg/s；

C ——平均溫度下水的比熱容，J/（kg·℃）；

tw1——冷卻水（冷水）進(jìn)口溫度，℃；

tw2——冷卻水（冷水）出口溫度，℃。

式中 K ——上述輔助設(shè)備外表面與環(huán)境空氣間的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

A ——上述輔助設(shè)備外表面積，m2；

tr——上述輔助設(shè)備外表面的平均溫度（冷凝器為制冷劑飽和溫度，油冷卻器為殼程介質(zhì)進(jìn)、出口溫度的平均值），℃；

ta——環(huán)境空氣溫度，℃。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)制冷空調(diào)行業(yè)所使用的水冷冷水機(jī)組試驗(yàn)裝置就是基于上述測(cè)試方法而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，一般采用主輔側(cè)兌水的方式。

3 改造方案背景

近期我們負(fù)責(zé)為國(guó)內(nèi)某制冷空調(diào)企業(yè)的原有（550～3000）kW水冷冷水機(jī)組性能試驗(yàn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，擴(kuò)展其測(cè)試范圍和功能，增加（100～550）kW的制冷量測(cè)試范圍和熱回收測(cè)量功能，原有試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

系統(tǒng)原理流程見(jiàn)圖 1。試驗(yàn)裝置由冷媒水、冷卻水兩套水循環(huán)系統(tǒng)組成，被試機(jī)的冷媒水和冷卻水通過(guò)混合管路兌水的方式進(jìn)行充分的熱交換，達(dá)到冷量回收的目的，多余熱量通過(guò)冷卻塔進(jìn)行散熱，具體方法如下。

表1 原有試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試參數(shù)

圖1 原理流程圖

3.1 蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度

通過(guò)變頻器控制兌水泵，調(diào)節(jié)由冷凝器回路（冷卻側(cè)出口，典型溫度35℃）進(jìn)入蒸發(fā)器回路（蒸發(fā)器出口，典型溫度7℃）的水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2 冷凝器的進(jìn)水溫度

通過(guò)變頻器控制冷卻側(cè)補(bǔ)水泵，調(diào)節(jié)由水箱（典型溫度不高于31.5℃）到冷凝器回路（冷卻側(cè)水泵入口）的水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 蒸發(fā)器、冷凝器出水溫度

通過(guò)改變蒸發(fā)器、冷凝器的水流量，可以達(dá)到改變蒸發(fā)器、冷凝器出水溫度的目的。

3.4 被試機(jī)蒸發(fā)器、冷凝器流量

分別通過(guò)變頻器控制蒸發(fā)器水泵、冷凝器水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.5 水箱溫度控制

由調(diào)節(jié)電加熱或者控制冷卻塔風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。

用戶提出在原有測(cè)試能力基礎(chǔ)擴(kuò)展出100kW～550kW的制冷量測(cè)量范圍，同時(shí)增加機(jī)組熱回收測(cè)量功能，根據(jù)這些要求，用戶按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路提出一套 550kW 小管路測(cè)試管路和一路熱回收測(cè)試管路技術(shù)改造，技術(shù)要求見(jiàn)表 2所示。

技術(shù)方案原理流程圖見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，試驗(yàn)裝置由一套小系統(tǒng)、一套大系統(tǒng)及一套熱回收測(cè)量系統(tǒng)共五路循環(huán)水管路組成。對(duì)于系統(tǒng)工況的調(diào)節(jié)，被試機(jī)蒸發(fā)器的出水溫度通過(guò)調(diào)節(jié)兌水泵，控制由冷凝器回路進(jìn)入蒸發(fā)器回路的水量來(lái)實(shí)現(xiàn)；被試機(jī)冷凝器的進(jìn)水溫度通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻補(bǔ)水泵，控制由水箱返回冷凝器回路的水量來(lái)實(shí)現(xiàn)；蒸發(fā)器以及冷凝器的水流量通過(guò)各自管路系統(tǒng)中的主水泵的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)；被試機(jī)熱回收的進(jìn)出水溫度通過(guò)調(diào)節(jié)三通閥和控制熱回收回路的水量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從圖2可以看出，要實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展的要求，需要增加一套 550kW 小管路測(cè)試系統(tǒng)和一路熱回收管路測(cè)試系統(tǒng)。

表2 測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求

圖2 原理流程圖

4 技術(shù)方案的優(yōu)化

根據(jù)上述情況對(duì)用戶提出的改造方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，將增加的熱回收測(cè)量管路與550kW的小系統(tǒng)冷媒水管路進(jìn)行功能合并設(shè)計(jì)為一路管路系統(tǒng)，與原有的大系統(tǒng)冷媒水管路共用一個(gè)冷卻水循環(huán)管路，具體方案原理流程見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，試驗(yàn)裝置由冷媒水、冷卻水和熱回收三路循環(huán)水管路組成，這樣較原有方案減少了兩路水循環(huán)管路，使得測(cè)試制冷量≤550kW 機(jī)組的時(shí)候可以借用熱回收側(cè)循環(huán)管路當(dāng)冷媒水循環(huán)管路使用；同時(shí)此方案還帶來(lái)以下幾個(gè)方面的優(yōu)化：

4.1 設(shè)備數(shù)量方面的優(yōu)化

我們對(duì)新舊方案的設(shè)備清單進(jìn)行了數(shù)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比，具體情況見(jiàn)表 3。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的方案減少3臺(tái)水泵和1個(gè)三通調(diào)節(jié)閥。

4.2 整體能耗方面的優(yōu)化

針對(duì)兩種方案設(shè)備的能耗，我們進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，優(yōu)化后的方案試驗(yàn)臺(tái)的整體能耗下降了13%，使整個(gè)配電及低壓電氣元件的選型成本降低很多。

4.3 控制系統(tǒng)方面的優(yōu)化

由于控制元件及循環(huán)管路的減少，相應(yīng)需要進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的執(zhí)行器也相應(yīng)減少，控制回路（見(jiàn)圖4）數(shù)量由10路減為6路，極大地簡(jiǎn)化了控制方式，使試驗(yàn)臺(tái)的調(diào)試操作更為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定。

圖3 原理流程圖

表3 新舊方案設(shè)備的數(shù)量

表4 新舊方案設(shè)備的功率（/kW）

圖4 控制回路

4.4 運(yùn)行成本的減少

由于減少了兩路水循環(huán)管路及相應(yīng)電氣控制設(shè)備，使得整個(gè)試驗(yàn)裝置改造和運(yùn)行成本大幅減少，不但縮減了設(shè)備占用空間，同時(shí)也減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量，大幅提高工作效率。

5 試驗(yàn)結(jié)果

為了有效驗(yàn)證改造后試驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展部分的測(cè)試能力，分別選用一臺(tái)制冷量為500kW的水冷冷水機(jī)組和一臺(tái)制冷量為2000kW、熱回收為500kW的水冷冷水機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試。

測(cè)試500kW水冷冷水機(jī)組時(shí)，將熱回收側(cè)作為系統(tǒng)冷媒水側(cè)，共用原有冷卻水側(cè)管路，測(cè)試過(guò)程中調(diào)節(jié)表及參數(shù)顯示穩(wěn)定、準(zhǔn)確，完全達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5所示。

測(cè)試帶熱回收的2000 kW 水冷冷水機(jī)組時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)按圖3所示接管，通過(guò)冷卻側(cè)與冷媒側(cè)、熱回收側(cè)與冷卻側(cè)兌水調(diào)溫的方式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中各路水流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定、各項(xiàng)參數(shù)均顯示穩(wěn)定、準(zhǔn)確，冷水機(jī)組的制冷量和熱回收熱量均準(zhǔn)確測(cè)出，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6所示。

以上試驗(yàn)均按 GB/T10870-2001中規(guī)定的液體載冷劑法試驗(yàn)裝置，以及所要求的方法及數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行測(cè)試。

表5 制冷量為500kW的水冷冷水機(jī)組性能測(cè)試結(jié)果

表6 帶熱回收的制冷量為2000 kW的水冷冷水機(jī)組性能測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

此次水冷冷水機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)的改造過(guò)程中，通過(guò)采用新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，減少了系統(tǒng)管路和設(shè)備數(shù)量，使得控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔、節(jié)能；實(shí)際工程施工改造后，通過(guò)對(duì)相應(yīng)被試機(jī)進(jìn)行多個(gè)工況的調(diào)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)擴(kuò)展的功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，測(cè)試的參數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確，同時(shí)降低整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行成本和能耗，對(duì)今后類似試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的方法。

[1]張建一. 制冷空調(diào)裝置節(jié)能原理與技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]方利國(guó). 節(jié)能技術(shù)應(yīng)用與評(píng)價(jià)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]程立權(quán). 制冷空調(diào)產(chǎn)品試驗(yàn)裝置水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[C]. 第十屆全國(guó)冷（熱）水機(jī)組與熱泵技術(shù)研討會(huì)論文集, 2002.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》，GB/T 10870-2001[S].

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組》，GB/T 18430.1-2007，第1部分：工商業(yè)用和類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組[S].

Optimal design for functional expansion of water chiller performance test rig

Jiang Delun*，Qian Xuefeng，Zheng Qingwei，Jia Jia
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，Anhui 230088，China）

In this paper a study on functional expansion of existing water-cooled water chiller performance test rig was performed. Through the optimization of system design and software adjustments, we can extend the capacity measurement range of the test rig , expand the test function and reduce the operating cost and energy consumption as well.

performance test rig；optimal design；functional expansion

*蔣德倫（1972-），男，合肥通用機(jī)械研究院，高級(jí)工程師。聯(lián)系地址：合肥市高新區(qū)天湖路29號(hào)，郵編：230088。電話：13305517996。電子郵箱：jiangdelun@189.cn