水冷冷凝器法在壓縮冷凝機(jī)組性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用

錢雪峰，何亞峰，孔曉鳴，高啟明，魏昇，戴琳

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

水冷冷凝器法在壓縮冷凝機(jī)組性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的應(yīng)用

錢雪峰*，何亞峰，孔曉鳴，高啟明，魏昇，戴琳

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

現(xiàn)有的大多數(shù)水冷壓縮冷凝機(jī)組性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷，來(lái)平衡被評(píng)價(jià)機(jī)組測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的制冷量或制熱量，故水冷壓縮冷凝機(jī)組容量越大評(píng)價(jià)系統(tǒng)能耗越大。文中提出在大型水冷壓縮冷凝機(jī)組性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)中應(yīng)用水冷冷凝器法，回收運(yùn)行工況時(shí)被評(píng)價(jià)機(jī)組自身產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷來(lái)維持評(píng)價(jià)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不僅不用額外增加設(shè)備而且又能最大限度地降低能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。同時(shí)，采用二次節(jié)流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低蒸發(fā)溫度工況的測(cè)試。

水冷冷凝器法；壓縮冷凝機(jī)組；評(píng)價(jià)系統(tǒng)；二次節(jié)流

0 引言

近年來(lái)，隨著壓縮冷凝機(jī)組的應(yīng)用和人們節(jié)能減排的意識(shí)越來(lái)越廣泛，對(duì)壓縮冷凝機(jī)組能效測(cè)定及優(yōu)化也就越來(lái)越重要[1]。依據(jù)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機(jī)組》，若是采用其他類似第二制冷劑量熱器法、干式制冷劑量熱器法等對(duì)壓縮冷凝機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)測(cè)試時(shí)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷，來(lái)平衡被評(píng)價(jià)機(jī)組測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的制冷量或制熱量，因此評(píng)價(jià)系統(tǒng)能耗很大。而本文提及應(yīng)用水冷冷凝器法的大型水冷壓縮冷凝機(jī)組性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)能用自身的能量來(lái)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，不僅不用額外增加設(shè)備而且又能最大限度降低能耗。

1 水冷冷凝器法壓縮冷凝機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)試方法及控制原理

1.1 測(cè)試方法

按照GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機(jī)組》中B5.水冷冷凝器法（如圖1）進(jìn)行試驗(yàn)[3]。

圖1 水冷冷凝器法

由圖1可知該評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要利用冷凝器的水側(cè)換熱量和制冷劑進(jìn)出冷凝器的焓差計(jì)算制冷劑流量，再與壓縮冷凝機(jī)組進(jìn)出口的焓差計(jì)算制冷量。

制冷量按式(1)計(jì)算：

式中：

hg1——在規(guī)定工況下進(jìn)入機(jī)組的制冷劑蒸汽的比焓，J/kg；

hg3——冷凝器進(jìn)口制冷劑蒸氣的比焓，J/kg；

hf1——離開(kāi)機(jī)組的制冷劑液體的比焓，J/kg；

hf3——冷凝器出口制冷劑蒸氣的比焓，J/kg；

mc——冷凝器冷卻水的流量，kg/s；

t1——冷凝器進(jìn)水溫度，℃；

t2——冷凝器出水溫度，℃。

Qa——冷凝器的漏熱量，W；

V1——進(jìn)入機(jī)組制冷劑蒸汽實(shí)際比體積，m3/kg；

Vg1——在規(guī)定工況下進(jìn)入機(jī)組制冷劑蒸汽比體積，m3/kg。

漏熱量按式(2)計(jì)算：

式中：

KL——漏熱系數(shù)，它等于冷凝器外表面積A(m2)乘以冷凝器對(duì)空氣的傳熱系數(shù)K，一般傳熱系數(shù)K=10 W/(m2·K)；

tc——冷凝器外表溫度，℃。

ta——冷凝器周圍空氣溫度，℃。

由式(2)可知只要準(zhǔn)確測(cè)出冷凝器周圍的環(huán)境溫度和無(wú)隔熱時(shí)冷凝器外表面平均溫度就可算出漏熱量。由式(1)可知只要準(zhǔn)確測(cè)出進(jìn)入冷凝器、壓縮冷凝機(jī)組的制冷劑蒸氣壓力、溫度和離開(kāi)冷凝器、壓縮冷凝機(jī)組的制冷劑液體壓力、溫度，即可查出所需制冷劑的比焓，同時(shí)測(cè)出冷凝器的進(jìn)、出口水溫與水量后可算出制冷量。

以此原理建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)，需要提供熱量來(lái)維持蒸發(fā)器的運(yùn)行，同時(shí)又要提供冷量給冷凝器散熱，這樣能耗很大，若是將蒸發(fā)器和冷凝器的冷熱量混合，可以減少很大部分的能耗，本文提及的評(píng)價(jià)系統(tǒng)便基于這樣的考慮搭建[3]。

1.2 系統(tǒng)原理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機(jī)組》中B5.水冷冷凝器法要求的測(cè)試項(xiàng)目，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》[4]，細(xì)化了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的原理（原理圖如圖2）。

圖2 評(píng)價(jià)系統(tǒng)原理圖

由圖2可知主要設(shè)備為水泵和水箱。泵1和水泵2提供被測(cè)試壓縮冷凝機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器所需要的水量，然后通過(guò)水泵3將冷凝器熱水加入到蒸發(fā)器管道，平衡蒸發(fā)器的制冷量，同時(shí)冷凝器也被蒸發(fā)器回流的冷水平衡掉與制冷量相當(dāng)?shù)臒崃?，還剩下壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量需要平衡，通過(guò)水泵4從恒溫水箱抽冷水加入熱源側(cè)管道來(lái)平衡壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量[5]。這樣可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器和冷凝器最大程度的冷熱量平衡，從而達(dá)到機(jī)組在國(guó)標(biāo)要求的工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

2 水冷冷凝器法壓縮冷凝機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性探討

本評(píng)價(jià)系統(tǒng)控制的核心為PLC及觸摸屏，在觸摸屏上可方便地控制設(shè)備的啟停[6]，并且可以對(duì)故障報(bào)警進(jìn)行顯示和記錄。調(diào)節(jié)功能通過(guò)數(shù)字調(diào)節(jié)表實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)GPIB與計(jì)算機(jī)通訊，共同完成數(shù)據(jù)采集[7]。采集的數(shù)據(jù)再通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行記錄和處理。本評(píng)價(jià)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分均采用進(jìn)口元器件，保證了運(yùn)行的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性。某名義制冷量為4,000 kW的壓縮冷凝機(jī)組在某工況時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)為例見(jiàn)表1）。

從表1中可以看出在穩(wěn)定的情況下冷卻水進(jìn)出水溫度、電壓和吸氣溫度等額定工況的偏差：水溫控制在±0.25 ℃以內(nèi)，電壓控制在5,947 V（-0.9%），吸氣壓力控制在+0.69 kPa（+0.1%），吸氣溫度控制在±0.1 ℃以內(nèi)，明顯優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機(jī)組》中對(duì)各測(cè)點(diǎn)讀數(shù)的平均值對(duì)額定工況的偏差：水溫度允許范圍為±0.3 ℃，吸氣溫度允許范圍為±1 ℃，吸氣壓力允許范圍為±0.9%，電壓控制在±1%。

同時(shí)，應(yīng)用該評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行制冷工況的重復(fù)性試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2，兩次試驗(yàn)的制冷量測(cè)試結(jié)果偏差在1.4%。

從表1、表2的數(shù)據(jù)充分說(shuō)明該評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)量具有準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。

表1 壓縮冷凝機(jī)組制冷工況測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 制冷工況重復(fù)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

3 水冷冷凝器法壓縮冷凝機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)的節(jié)能性探討

壓縮冷凝機(jī)組制冷評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)，本評(píng)價(jià)系統(tǒng)將冷凝器熱水加入到蒸發(fā)器管道，平衡蒸發(fā)器的制冷量，同時(shí)冷凝器也被使用側(cè)回流的冷水平衡掉與制冷量相當(dāng)?shù)臒崃?，還剩下壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量需要平衡。而現(xiàn)有的其他評(píng)價(jià)系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷，來(lái)平衡被評(píng)價(jià)機(jī)組測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的制冷量或制熱量[6]。以上述壓縮冷凝機(jī)組名義制冷為例，不同評(píng)價(jià)系統(tǒng)的耗能見(jiàn)表3。

表3 名義制冷工況時(shí)不同評(píng)價(jià)系統(tǒng)的能耗

除去其他正常設(shè)備的耗功，其他評(píng)價(jià)系統(tǒng)的電消耗主要在平衡冷凝器的壓縮冷凝機(jī)組耗功（能效比按4計(jì)算）與平衡制冷量的電加熱耗功之和共計(jì)4,663 kW，而本評(píng)價(jià)系統(tǒng)只需平衡壓縮機(jī)消耗電量的壓縮冷凝機(jī)組耗功（能效比按4計(jì)算）138 kW，節(jié)省了4,525 kW的耗電量，按工業(yè)用電1.5元/kW·h計(jì)算，每小時(shí)可節(jié)省6,787元，大大減少了空調(diào)企業(yè)的測(cè)試成本[8]。

4 水冷冷凝器法壓縮冷凝機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

由于低蒸發(fā)溫度制冷壓縮冷凝機(jī)組的蒸發(fā)溫度在零度以下，為保證載冷劑在蒸發(fā)器中出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，此時(shí)載冷劑不能使用水[9]，而本評(píng)價(jià)系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)的載冷劑也是水，故若要實(shí)現(xiàn)低蒸發(fā)溫度可以使用二次節(jié)流的方法，如圖2中先經(jīng)調(diào)節(jié)閥的MV1進(jìn)行一次節(jié)流控制其蒸發(fā)溫度為0 ℃以上進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，使制冷劑蒸發(fā)成為氣體，氣體出蒸發(fā)器后經(jīng)過(guò)二次節(jié)流調(diào)節(jié)閥MV2使制冷劑達(dá)到規(guī)定狀態(tài)回到制冷壓冷機(jī)組的吸氣端，經(jīng)機(jī)組壓縮及冷凝完成循環(huán)及測(cè)量[10]。實(shí)際上二次節(jié)流法就是通過(guò)二次節(jié)流增加蒸發(fā)器出口到機(jī)組吸氣段的壓力損失，而此時(shí)為達(dá)到工況必須提高蒸發(fā)器出口壓力，相應(yīng)的制冷劑蒸發(fā)溫度也提高，當(dāng)蒸發(fā)溫度高于0 ℃后就可以用普通水作為載冷劑。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）應(yīng)用了水冷冷凝器法的壓縮冷凝機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造均符合國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，方案先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理。

2）二次節(jié)流循環(huán)所用的常溫水已經(jīng)接近蒸發(fā)器入口的溫度，通過(guò)混合能很快進(jìn)入工況，運(yùn)行時(shí)間要比其他低溫載冷劑短，節(jié)省了運(yùn)行成本。

3）在不同測(cè)試負(fù)荷和不同運(yùn)行工況時(shí)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)能充分利用被評(píng)價(jià)機(jī)組自身產(chǎn)生的制冷量或制熱量使機(jī)組評(píng)價(jià)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少了評(píng)價(jià)系統(tǒng)本身的熱負(fù)荷或冷負(fù)荷配置，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，降低了空調(diào)企業(yè)測(cè)試成本，可以廣泛推廣。

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Application of Water-cooled Condenser Method in Performance Evaluation System for Compressor Condenser Unit

QIAN Xue-feng*, HE Ya-feng, KONG Xiao-ming, GAO Qi-ming, WEI Sheng, DAI Lin
(Hefei General Machinery Research Institue, Hefei, Anhui 230088, China)

In most of existing water-cooled compressor condenser unit performance evaluation systems, heat load or cooling load needs to be provided to banlance cooling capacity or heating capacity which is generated by the tested unit. As the capacity of water-cooled compressor condenser unit increases, energy consumption of the performance evaluation system is higher. Water-cooled condenser method was adopted in the large water-cooled condensing unit performance evaluation system. Under the recovery operation conditions, operation of the evaluation system was maintained by cooling and heating load which was generated by the tested unit. Additional equipments were not required and energy consumption was reduced. Meanwhile, the method of quadratic throttling was adopted to accomplish the test of low evaporation temperature conditions.

Water-cooled condenser method; Compressor condenser unit; Evaluation system; Secondary throttling

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.204

*錢雪峰（1982-），男，本科，工程師。研究方向：制冷空調(diào)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造。聯(lián)系地址：安徽省合肥市高新區(qū)天湖路29號(hào)506室合肥通用機(jī)械研究院，郵編：230088。聯(lián)系電話：0551-65335402。E-mail：qianxuefeng_0@163.com。