船用空調(diào)主機(jī)選型合理性分析

劉長(zhǎng)建

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

0 引言

冷水機(jī)組通常包含壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流裝置等4個(gè)主要部件，壓縮機(jī)可分為速度型、容積型2大類(lèi)，速度型又可分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式2種，回轉(zhuǎn)式常規(guī)的有轉(zhuǎn)子式、渦旋式、螺桿式[1]。其中，在中等冷量范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是螺桿機(jī)組，因?yàn)槁輻U機(jī)組有較廣的能量調(diào)節(jié)范圍，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積重量較輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件少，可靠性和效率均較高[1]。

本文對(duì)于冷負(fù)荷計(jì)算部分可直接引用前期的計(jì)算結(jié)果，不再重復(fù)工作。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，全船最大冷負(fù)荷為1 150 kW，而廠(chǎng)家所選的2臺(tái)冷 水機(jī)組互為備用，單臺(tái)機(jī)組采用雙機(jī)頭配置，單臺(tái)壓縮機(jī)制冷量為575 kW，壓縮機(jī)類(lèi)型為螺桿機(jī)組?，F(xiàn)對(duì)廠(chǎng)家所配置的機(jī)組從壓縮機(jī)的型式、參數(shù)，冷凝器、蒸發(fā)器的冷負(fù)荷等進(jìn)行合理性分析。

1 壓縮機(jī)選型

1.1 壓縮機(jī)型式

設(shè)有單獨(dú)的冷水機(jī)組房間，有足夠的空間，工況也較為簡(jiǎn)單，因此，建議選用較為可靠的半封閉螺桿式壓縮機(jī)[2]。初步校核結(jié)果表明：廠(chǎng)家所配置的壓縮機(jī)型式滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于是否有必要配備經(jīng)濟(jì)器，需要根據(jù)蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、壓縮機(jī)的品牌和有無(wú)經(jīng)濟(jì)器的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總體衡量。

1.2 基本參數(shù)

1）制冷量：Q0＝575 kW。

2）冷凝溫度：tk＝40℃。

3）蒸發(fā)溫度：t0＝2℃，過(guò)熱度和過(guò)冷度常規(guī)取值。

1.3 壓縮機(jī)參數(shù)計(jì)算

對(duì)機(jī)組的選型結(jié)果進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，并計(jì)算出部件的基本參數(shù)。計(jì)算過(guò)程可簡(jiǎn)化。

1）簡(jiǎn)化循環(huán)分析并制作循環(huán)壓焓圖（見(jiàn)圖1），查找出制冷劑（本文使用R134A制冷劑）的飽和液體、飽和蒸汽表，并在表格中找出各點(diǎn)參數(shù)，如圖1和表2所示。

圖1 制冷循環(huán)壓焓圖

表2 狀態(tài)參數(shù)表

2）計(jì)算主要參數(shù)：

單位制冷量為q0＝h1?h4'＝160 kJ/kg；單位理論功為w0＝h2'?h1'＝35 kJ/kg；壓縮機(jī)理論功率為p0＝qn×w0＝126 kW；理論制冷系數(shù)為qm＝4.57；制冷劑流量為qn＝3.6 kg/s＝12 960 kg/h；實(shí)際輸氣量為v0＝600 m3/h；理論輸氣量為v＝762 m3/h。

利用比澤爾的壓縮機(jī)選型軟件，填入系列、制冷劑、制冷量等常數(shù)，查詢(xún)不帶經(jīng)濟(jì)器和帶經(jīng)濟(jì)器2 種結(jié)果，可得：1）不帶經(jīng)濟(jì)器時(shí)，CSH9683-210Y-40D壓縮機(jī)的制冷量為583 kW，考慮到機(jī)組備用余量，機(jī)組選擇CSH9683-210Y-40D型號(hào)；2）帶經(jīng)濟(jì)器時(shí)CSH 9683-210Y-40D制冷量為627 kW，制冷量增加44 k W，而電機(jī)功率僅增加8 kW，效率提高約8%。由此可見(jiàn)，經(jīng)濟(jì)器效果明顯。機(jī)組功率、制冷系數(shù)等參數(shù)與計(jì)算結(jié)果之間差別不大，所以最后選用帶經(jīng)濟(jì)器的機(jī)組以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其他參數(shù)的具體值見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 不帶經(jīng)濟(jì)器壓縮機(jī)選型圖

圖4 帶經(jīng)濟(jì)器壓縮機(jī)選型圖表

2 冷凝器計(jì)算選型

對(duì)于中高制冷量的機(jī)組，冷凝器和蒸發(fā)器常規(guī)配置殼管式，這是由于殼管式結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱系數(shù)大，冷卻水溫差大，且耗水量小[3]，而冷凝器和蒸發(fā)器的配置一般是空調(diào)廠(chǎng)家根據(jù)自己的產(chǎn)品型號(hào)，相對(duì)固定的配置所需的冷凝器和蒸發(fā)器，所以不同產(chǎn)品或不同廠(chǎng)家所選擇的冷凝器或蒸發(fā)器都不相同。以殼管式為例，不同型號(hào)內(nèi)部銅管型號(hào)、材質(zhì)、厚度、排列方式各不相同，所以核查冷凝器或蒸發(fā)器時(shí)，常規(guī)只需核查幾個(gè)重要的參數(shù)即可[4]。

1）冷凝器的熱負(fù)荷計(jì)算

2）傳熱平均溫度

此處僅算管程，不計(jì)算殼程。海水冷卻水的進(jìn)口溫度為32℃，出口溫度為37℃。

3）冷卻水量計(jì)算

式中：冷卻水定壓比熱取4.2 kJ/(kg·K)。

4）傳熱面積計(jì)算

式中：冷凝器采用B30級(jí)銅管，其傳熱系數(shù)為379 W/(m2·℃)[5]。

以上述計(jì)算為參考，核查廠(chǎng)家所選冷凝器的基本參數(shù)。廠(chǎng)家配置的冷凝器參數(shù)為：制冷量775 k W×2；冷卻水量250 kg/h；進(jìn)水溫度32℃；壓降0.03 MPa。經(jīng)核查，所選設(shè)備的參數(shù)符合計(jì)算要求，同時(shí)，其材料滿(mǎn)足船用規(guī)范要求。最終所選冷凝器型號(hào)為CIR775×2A (CIR775×2B)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件。

3 蒸發(fā)器計(jì)算選型

本項(xiàng)目的蒸發(fā)器形式采用干式殼管式蒸發(fā)器，其選型計(jì)算[4]如下：

1）蒸發(fā)器的負(fù)荷計(jì)算（單機(jī)頭）

2）傳熱平均溫度

式中：冷媒水的進(jìn)口溫度為7℃，出口溫度為12℃。

3）冷媒水量計(jì)算

淡水定壓比熱取4.2 kJ/(kg·K)。

4）傳熱面積計(jì)算

廠(chǎng)家所配蒸發(fā)器參數(shù)為：制冷量616 kW×2；冷媒水量204 kg/h；進(jìn)水溫度12℃；出水溫度7℃；壓降0.03 MPa。由此可見(jiàn)，所選設(shè)備符合要求，蒸發(fā)器型號(hào)EIR616×2滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件。

4 節(jié)流裝置計(jì)算選型

冷水機(jī)組所用到的常規(guī)節(jié)流裝置有熱力膨脹閥和電子膨脹閥，熱力膨脹閥適用于小制冷量的機(jī)組，中高制冷量基本用電子膨脹閥?，F(xiàn)核查膨脹閥的適用量程。在研究的裝置中，由于制冷量較大，常規(guī)的熱力膨脹閥不能滿(mǎn)足要求，所以選擇的型式為丹佛斯電子膨脹閥。

4.1 節(jié)流裝置冷量計(jì)算

4.2 選型

填寫(xiě)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和制冷量，選型軟件將會(huì)提供2種型號(hào)的膨脹閥，分別為ETS400和ICM40-A 2種規(guī)格，分別對(duì)應(yīng)的制冷量是1 219 kW和1 580 kW，見(jiàn)圖4。因此，選擇ICM40-A型號(hào)。

圖4 電子膨脹閥選型

從后期系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果來(lái)看，居住處所的溫度保持在24℃時(shí)，送風(fēng)區(qū)域可保證房間溫度為30℃，進(jìn)一步驗(yàn)證其符合設(shè)計(jì)要求，從而確認(rèn)機(jī)組的最終型號(hào)為WSCU-D9563/1232BS。同時(shí)，也間接證明此方法的有效性，為后期設(shè)備選型提供一定的借鑒。

5 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)冷水機(jī)組4大部件選型的驗(yàn)證，可以更為直觀(guān)地判斷廠(chǎng)家的設(shè)備選型的合理性與經(jīng)濟(jì)性。不同廠(chǎng)家的機(jī)組選型略有不同，但總體基本相似。