盤管分段控制的低氣溫風(fēng)冷冷水循環(huán)應(yīng)用研究

江耀川

(廣州番禺速能冷暖設(shè)備有限公司，廣東省511400)

盤管分段控制的低氣溫風(fēng)冷冷水循環(huán)應(yīng)用研究

江耀川

(廣州番禺速能冷暖設(shè)備有限公司，廣東省511400)

簡要介紹盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的配置和系統(tǒng)原理，將其與一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的控制效果進(jìn)行分析對比。測試結(jié)果表明，以一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的控制邏輯為基礎(chǔ)，加上盤管分段控制形成的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組，可以在更低的環(huán)境溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。

盤管；分段控制；低環(huán)境溫度；風(fēng)冷，變頻控制

在工業(yè)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等領(lǐng)域，存在冬天時仍有室內(nèi)的機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生熱水的情況，其介質(zhì)溫度較高而又需要降溫，通常會引入使用壓縮機(jī)的蒸汽壓縮式風(fēng)冷冷水機(jī)組降溫來維持適合的溫度。同時，在北方寒冷地區(qū)，用戶亟需有適合很低的環(huán)境溫度下運(yùn)行的產(chǎn)品。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來越多的場合使用而帶動了低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的需求增長。

目前，一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組采用風(fēng)扇變頻調(diào)整風(fēng)冷冷凝器有效進(jìn)風(fēng)量，其設(shè)計及控制已經(jīng)較為成熟，能讓機(jī)組在某一較低的環(huán)境溫度下仍能在適合的蒸發(fā)溫度下穩(wěn)定運(yùn)行。但是，當(dāng)溫度更低時，會出現(xiàn)蒸發(fā)溫度太低，導(dǎo)致冷凍水循環(huán)里的換熱器有結(jié)冰凍壞的風(fēng)險，此時一些場合會將冷凍水改用乙二醇溶液循環(huán)。乙二醇溶液流動阻力較大，有腐蝕性，同時經(jīng)常要補(bǔ)充而產(chǎn)生比較高的費(fèi)用，因此，有些用戶會考慮繼續(xù)選擇冷凍水循環(huán)。為了不采用乙二醇溶液，就需要維持較高蒸發(fā)溫度穩(wěn)定運(yùn)行，為此，筆者提出盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組，以環(huán)境溫度為依據(jù)對盤管進(jìn)行分段控制，對此問題及解決方案進(jìn)行探討。

1 系統(tǒng)原理

盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組，包括制冷元配件：壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、儲液器、蒸發(fā)器、氣液分離器、電磁閥、膨脹閥，還有電控裝置、控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變頻器。

如圖1所示，制冷劑在壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、儲液器、蒸發(fā)器、氣液分離器、電磁閥、膨脹閥之間循環(huán)。還在液體管路設(shè)置了視液鏡，以便觀察風(fēng)冷冷凝器冷凝液體的出液管里液體的流動狀況及滿液與否。

一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組制冷基本原理：低壓制冷劑由于在蒸發(fā)器與水換熱而產(chǎn)生蒸氣，經(jīng)過氣液分離器進(jìn)行氣體與液體的分離，制冷劑以氣體狀態(tài)被壓縮機(jī)吸入，壓縮成為高溫高壓氣體后排入風(fēng)冷冷凝器，風(fēng)冷冷凝器的室外變頻控制的風(fēng)機(jī)吸入環(huán)境溫度下的冷空氣，流經(jīng)風(fēng)冷冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高溫高壓氣體被冷卻、冷凝成為高溫高壓液體，液體通過管道進(jìn)入儲液器，在儲液器的液體通過膨脹閥節(jié)流后，以氣液混合的狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)成為低溫低壓的制冷劑蒸氣。蒸發(fā)器的用戶側(cè)的水作為熱源，在其水系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，不斷進(jìn)入蒸發(fā)器與低溫制冷劑進(jìn)行熱交換，并將放熱后的水送回用戶側(cè)；制冷劑吸熱后成為氣態(tài)，氣態(tài)制冷劑經(jīng)過氣液分離器進(jìn)行氣體與液體的分離，制冷劑以氣體狀態(tài)再次被壓縮機(jī)吸入，進(jìn)行下一個循環(huán)。

這個基本原理的流程與盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的系統(tǒng)一致。

1-風(fēng)冷冷凝器；2-軸流風(fēng)機(jī)；3-電磁閥；4-儲液器； 5-視液鏡；6-膨脹閥；7-蒸發(fā)器；8-氣液分離器； 9-壓縮機(jī)；10-排氣口；11-吸氣口； 12-出口A；13-出口B圖1 系統(tǒng)原理圖

盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組與一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計不同點(diǎn)在于，其在風(fēng)冷冷凝器的出口上設(shè)置兩個支路出液，其中的一個支路上設(shè)置有電磁閥，通過電磁閥通斷控制，控制制冷劑液體流量，并通過對軸流風(fēng)機(jī)變頻控制實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷冷水機(jī)組在低氣溫下正常運(yùn)行，從而保證了在更低環(huán)境溫度下能夠保持較高的蒸發(fā)溫度穩(wěn)定運(yùn)行。這樣設(shè)計的機(jī)組，同時兼顧了一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組的特點(diǎn)，其控制方案可以調(diào)整從而變成一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組模式使用。

在此設(shè)計下，機(jī)組可在不同氣溫條件下運(yùn)行兩種制冷系統(tǒng)控制模式之一。具體的制冷系統(tǒng)控制原理分述如下：

(1)當(dāng)環(huán)境溫度>0℃時，風(fēng)冷冷凝器送風(fēng)采用軸流風(fēng)機(jī)變頻控制的模式，壓縮機(jī)運(yùn)行，制冷劑通過壓縮機(jī)的排氣口排出并經(jīng)過管道進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器中進(jìn)行冷凝，風(fēng)冷冷凝器通過軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)與空氣的換熱，風(fēng)冷冷凝器冷凝后的液態(tài)制冷劑從風(fēng)冷冷凝器的出口A、出口B并經(jīng)管道在電磁閥出口處匯合后進(jìn)入儲液器中，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流后通過蒸發(fā)器的進(jìn)口進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)后變成汽態(tài)制冷劑，并從蒸發(fā)器的汽態(tài)制冷劑出口進(jìn)入氣液分離器中進(jìn)行氣液分離后通過壓縮機(jī)的吸氣口回到壓縮機(jī)中，在此過程中，電磁閥保持打開。

(2)當(dāng)環(huán)境溫度≤0℃時，風(fēng)冷冷凝器送風(fēng)采用軸流風(fēng)機(jī)變頻控制的模式，壓縮機(jī)運(yùn)行，制冷劑通過壓縮機(jī)的排氣口排出并經(jīng)過管道進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器中進(jìn)行冷凝，風(fēng)冷冷凝器通過軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)與空氣的換熱，風(fēng)冷冷凝器冷凝后的液態(tài)制冷劑從風(fēng)冷冷凝器的出口B經(jīng)管道進(jìn)入儲液器中，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流后通過蒸發(fā)器的進(jìn)口進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)后變成汽態(tài)制冷劑，并從蒸發(fā)器的汽態(tài)制冷劑出口進(jìn)入氣液分離器中進(jìn)行氣液分離后通過壓縮機(jī)的吸氣口回到壓縮機(jī)中，在此過程中，電磁閥保持關(guān)閉。

機(jī)組中用于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變頻器，基于制冷劑排氣壓力進(jìn)行控制。實(shí)施邏輯：在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中始終保持風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨排氣壓力升高而線性提高，排氣壓力降低時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速線性降低。在排氣管路獲取壓縮機(jī)運(yùn)行時排氣壓力的信號，通過采用壓力轉(zhuǎn)換器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電控制信號，傳入變頻器處理線路，再通過變頻器輸出信號對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。液體管路上的電磁閥，基于環(huán)境空氣溫度進(jìn)行控制。這樣，可以方便地獨(dú)立實(shí)現(xiàn)以上兩種模式運(yùn)轉(zhuǎn)以及兩種模式之間的切換。

2 盤管分段控制的設(shè)計簡析

依據(jù)機(jī)組運(yùn)行原理，該機(jī)組的盤管設(shè)計在使用上與兩個獨(dú)立盤管聯(lián)合工作一致，如圖1所示，盤管出口B及其以上部分為獨(dú)立功能的一個盤管結(jié)構(gòu)，盤管出口A以上到部分盤管出口B(不含出口B)以下的部分為另一個獨(dú)立功能的一個盤管結(jié)構(gòu)。這兩部分在盤管里只有排氣進(jìn)氣管連通。排氣可以設(shè)計成分兩路分別進(jìn)入這兩段盤管，也可以如圖1所示共用一個集氣管，二者使用功能相同。

3 測試對比

盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組與一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組測試對比：

機(jī)組測試依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T25127.1-2010 《低環(huán)境溫度空氣源熱泵(冷水)機(jī)組》里的試驗方法進(jìn)行。其中，水側(cè)換熱量就是制冷量，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其測試采用液體載冷劑法進(jìn)行試驗測定和計算；盤管的散熱量就是放熱側(cè)換熱量，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其測試采用空氣焓差法。

試驗分析依據(jù)是應(yīng)用基本的傳熱量理論及計算公式，而在實(shí)驗中數(shù)據(jù)可以綜合反應(yīng)各參量情況。涉及的基本參量包括傳熱系數(shù)、有效傳熱面積、對數(shù)傳熱溫差。在本課題的實(shí)驗條件下，自變量是作為風(fēng)冷冷凝器的盤管的有效換熱面積和流經(jīng)盤管的有效進(jìn)風(fēng)量，在其他條件相同的情況下，減少這二個自變量都會引起冷凝溫度上升。需要分析的因變量為制冷量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度。其他制冷系統(tǒng)的參數(shù)在實(shí)驗過程中調(diào)整在合理的范圍，包括冷凝液體過冷度、蒸發(fā)氣體過熱度。本文所述機(jī)組因風(fēng)扇變頻控制的存在，制冷量、蒸發(fā)溫度會出現(xiàn)非單調(diào)曲線的形式變化。

實(shí)驗中觀測及分析制冷量和冷凝溫度、蒸發(fā)溫度隨環(huán)境溫度從35℃往低的方向變化時的情況。

測試數(shù)據(jù)采集方法及分析方法：在35℃氣溫的運(yùn)行條件下，同一個型號的機(jī)組對盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組與一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組測試數(shù)據(jù)整定一致，見表1及表2序號1。之后，機(jī)組運(yùn)行在變氣溫模式下，在設(shè)定的整個環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行對比。其中2個溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)如表1及表2序號2、序號3。

表1 (盤管分段控制的低環(huán)境溫度機(jī)組試驗數(shù)據(jù))

序號環(huán)境溫度(℃)冷凝溫度(℃)蒸發(fā)溫度(℃)制冷量(kW)1355052010282124211911713041511966

表2 (相同型號的一般低環(huán)境溫度機(jī)組試驗數(shù)據(jù))

序號環(huán)境溫度(℃)冷凝溫度(℃)蒸發(fā)溫度(℃)制冷量(kW)13550420103021242018117330341-70943

從測試數(shù)據(jù)可以看到，隨著氣溫下降，兩臺機(jī)組的制冷量變化存在一個先上升趨勢之后轉(zhuǎn)入下降趨勢的走勢。一個型號的盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組在環(huán)境溫度下降過程中，蒸發(fā)溫度穩(wěn)定性較好，液體管路一個分支上的電磁閥在0℃氣溫時關(guān)斷后，蒸發(fā)溫度還維持在1.1℃；冷凝溫度穩(wěn)定在41.5℃。同時，隨低環(huán)境溫度下降機(jī)組的制冷量下降較小。一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組在環(huán)境溫度下降過程中，冷凝溫度下降很大，已降到34.1℃；蒸發(fā)溫度穩(wěn)定性較小，在0℃氣溫時，蒸發(fā)溫度已降至-7℃，此時，如果繼續(xù)用普通自來水作為載冷劑，在換熱器里的水結(jié)冰的風(fēng)險很大；隨低環(huán)境溫度下降機(jī)組的制冷量下降較大。

4 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)驗分析，一般的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水機(jī)組在低環(huán)境溫度下采用風(fēng)扇變頻調(diào)整風(fēng)冷冷凝器有效進(jìn)風(fēng)量來使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，蒸發(fā)溫度穩(wěn)定性較小，在它的基礎(chǔ)上加上盤管分段控制的設(shè)計形成一種盤管分段控制的低環(huán)境溫度風(fēng)冷冷水循環(huán)裝置，該裝置在環(huán)境溫度下降過程中，能更好地維持較高蒸發(fā)溫度運(yùn)行，從而可以在一些場合避免須要將冷凍水循環(huán)改用乙二醇溶液循環(huán)。同時，隨著氣溫變得很低，該裝置的制冷量也會出現(xiàn)下降，因此，在應(yīng)用該類型產(chǎn)品的情況下，制冷量要作為重要因素分析適用性。

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ApplicationofLowAmbientTemperatureAir-cooledChillerWithSplitCoilControl

JIANG Yaochuan

(Guangzhou Panyu Superlink Co.，Ltd. Guangdong Province 511400，China)

The configure and system principle of low ambient temperature air-cooled chiller with coil split control are introduced briefly，and it is compared with the common low ambient temperature air-cooled chiller by test result and analysis.The test result show that base on the control logic of the common low ambient temperature air-cooled chiller，it forms the product of low ambient temperature air-cooled chiller by addition of coil split control，and it can much more run in the lower temperature stably.

Coil；Split control；Low ambient temperature；Air-cooled；Varied-frequency control

2017-9-10

2016年廣東省科技計劃項目(2016B020243008)；廣東省自然科學(xué)基金項目(2016A0303012)

江耀川(1968-)，男，工程師，學(xué)士，主要從事制冷空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計。E-mail：jiangyaochuan@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-025-04

TU831文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10. 3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.005