一種新型節(jié)能冷水機(jī)的設(shè)計(jì)

吳峻睿，謝仲銘，黃偉釗

（東莞信易電熱機(jī)械有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

在制冷系統(tǒng)中是否存在過(guò)冷度和過(guò)熱度是評(píng)判制冷系統(tǒng)是否穩(wěn)定和性能高低的重要指標(biāo)，過(guò)冷度存在減少了干度，提高單位制冷量。通過(guò)曾冬琪[1]對(duì)冷庫(kù)氨壓縮蒸發(fā)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和?分析，在制冷系統(tǒng)中設(shè)計(jì)過(guò)熱度與過(guò)冷度的重要意義。若沒有過(guò)冷度，因制冷劑在管路中存在壓力損失，管路內(nèi)飽和液體由于壓力降低便會(huì)變?yōu)椴黄胶鉅顟B(tài)，液體蒸發(fā)，從而進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑干度會(huì)變大，系統(tǒng)的單位制冷量便會(huì)降低，影響機(jī)組的性能系數(shù)。因此，機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)需取適當(dāng)?shù)倪^(guò)冷度，同時(shí)，將冷凝器出口液管中的高溫液體與外界冷介質(zhì)進(jìn)行熱交換也可減少閃蒸氣體；若機(jī)機(jī)組不存在過(guò)熱度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)存在制冷劑液滴進(jìn)入制冷壓縮機(jī)造成液擊等事故。過(guò)熱度太高也有缺點(diǎn)，過(guò)熱度偏高會(huì)引起壓縮機(jī)排氣溫度（排氣過(guò)熱度）升高，壓縮機(jī)運(yùn)行工況惡化壽命降低，所以過(guò)熱度應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)。研究過(guò)冷度和過(guò)熱度的在制冷系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)計(jì)，對(duì)提高冷水機(jī)的系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性有重要意義。

秦研等[2]表明采用內(nèi)螺紋管的冷凝器，換熱量增大2.5%，能效比增加3.3%。陳芝久等[3]表明了蒸發(fā)器與熱力膨脹閃各參教的動(dòng)態(tài)分布數(shù)學(xué)模型，建立了調(diào)節(jié)回路的傳遞函數(shù)，分析了回路的穩(wěn)定性，提出了若干改善系統(tǒng)穩(wěn)定性避免振蕩的新意見，并作了試驗(yàn)驗(yàn)證；綜上所述，國(guó)內(nèi)對(duì)冷媒系統(tǒng)局部的性能研究較多，但是對(duì)整體冷水機(jī)的問(wèn)題研究較少。

本文通過(guò)參照理論計(jì)算冷媒系統(tǒng)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)并制造新型節(jié)能冷水機(jī)并提高冷水機(jī)能效，使冷水機(jī)運(yùn)行時(shí)無(wú)論負(fù)載怎么變化，都能保證機(jī)組存在過(guò)冷過(guò)熱度，使機(jī)組能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)行、控溫準(zhǔn)確且無(wú)故障的運(yùn)行。

1 設(shè)備工作原理

本文主要研究單級(jí)壓縮蒸汽制冷循環(huán)，提出一種制冷循環(huán)[4]，如圖1 所示。制冷劑在壓縮機(jī)1 作用下把低溫低壓氣體變成高溫高壓氣體，往BC 的方向進(jìn)入冷凝器2，在風(fēng)扇3作用下，加速與空氣發(fā)生熱交換，制冷劑由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，同時(shí)熱量被空氣帶走；C-D-E-F 過(guò)程，從冷凝器2 中出來(lái)的液體制冷劑經(jīng)過(guò)干燥過(guò)濾器6，干燥、過(guò)濾雜質(zhì)后通過(guò)液管電磁閥7、視液鏡8后到達(dá)膨脹閥9，F(xiàn)-G 過(guò)程中，高壓液體制冷劑通過(guò)熱力膨脹閥9節(jié)流降壓后，溫度降低，G-A 過(guò)程中，低溫低壓的制冷劑經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器11與冷凍水發(fā)生熱交換，使冷凍水到達(dá)設(shè)定溫度；經(jīng)蒸發(fā)器11后出來(lái)的低溫氣體制冷劑回到壓縮機(jī)1，制冷系統(tǒng)如此循環(huán)。

圖1 冷水機(jī)原理

2 傳統(tǒng)冷水機(jī)結(jié)構(gòu)及性能

如圖2 所示，傳統(tǒng)冷水機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器、殼管式蒸發(fā)器、熱力膨脹閥組成。使用的冷凝器一般是光管的翅片冷凝器和殼管式蒸發(fā)器或者是盤管水箱式一體的蒸發(fā)器，且水箱為矩形不利于水溫恒定，保護(hù)壓縮機(jī)的效果較差，此種設(shè)計(jì)方式大大降低了換熱效率，即浪費(fèi)了成本，又不利于冷水機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。盤管蒸發(fā)器實(shí)際中會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行中，銅管壁上會(huì)容易付著污垢，溫度低時(shí)會(huì)有一層薄冰，由于種種原因會(huì)大大降低了換熱效率，引起系統(tǒng)總體的不穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)的冷水機(jī)這種換熱效率低引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)中的過(guò)冷過(guò)熱度也會(huì)隨系統(tǒng)一樣表現(xiàn)出不穩(wěn)定，極大地?fù)p害壓縮機(jī)的壽命和降低系統(tǒng)的制冷性能。

圖2 傳統(tǒng)冷水機(jī)結(jié)構(gòu)

3 新型冷水機(jī)結(jié)構(gòu)及性能

針對(duì)目前市場(chǎng)冷水機(jī)存在的缺陷，根據(jù)秦研等[1]對(duì)關(guān)于內(nèi)螺紋管及光管冷凝器換熱效果的實(shí)驗(yàn)分析，更改了冷凝器結(jié)構(gòu)，有利于提高過(guò)冷度及減小冷凝器面積；根據(jù)相關(guān)研究對(duì)制冷原理的研究更換使用了板式換熱器，有利于提高系統(tǒng)過(guò)熱度減小蒸發(fā)器面積；根據(jù)謝仲銘[4]提出的圓形水箱理論，設(shè)計(jì)可以充分利用水箱中所儲(chǔ)存的媒介水，提高機(jī)器的控溫精度的同時(shí)也增加了對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)；輔助設(shè)備根據(jù)[5]選擇匹配的節(jié)流機(jī)構(gòu)和[6]設(shè)計(jì)制冷裝置管道設(shè)計(jì)。綜上所述方法，結(jié)合冷水機(jī)對(duì)各大件在不同工況條件下測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算及優(yōu)化。設(shè)計(jì)了新型節(jié)能冷水機(jī)，以提高冷水機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性節(jié)能為目的。從用戶使用角度出發(fā)，嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12788 測(cè)試條件，設(shè)計(jì)出通過(guò)使用內(nèi)螺紋管冷凝器和板式換熱器提高換熱效率，設(shè)計(jì)出換熱效率高、能效高且占地面積相對(duì)較小的冷水機(jī)。如圖3所示。

圖3 新型冷水機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 內(nèi)螺紋管冷凝器替換光管冷凝器模型

內(nèi)螺紋管和普通光管如圖4～5所示。本文設(shè)計(jì)冷凝器使用翅片式冷凝器，通過(guò)相關(guān)傳熱計(jì)算確定主體結(jié)構(gòu)和尺寸[7]。市場(chǎng)傳統(tǒng)冷水機(jī)是使用光管冷凝器和殼管式換熱器。與光管相比，螺紋管的優(yōu)勢(shì)在于螺紋槽的形成，管內(nèi)的氣流形成渦流，增強(qiáng)了湍流狀態(tài)下對(duì)流換熱的能力；由于螺紋槽的存在，管表面變得粗糙，破壞了空氣流動(dòng)的邊界層，明顯地改進(jìn)了層流狀態(tài)下空氣的對(duì)流換熱；由于均勻的螺紋槽，可以使傳熱管的傳熱表面積變大了很多；螺紋管的固有頻率高于光管，減小了換熱器的振動(dòng)。

圖4 內(nèi)螺紋管

圖5 普通光管

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，使用控制變量法，只更換相同面積的兩塊冷凝器測(cè)試。以內(nèi)螺紋管翅片冷凝器和光管翅片冷凝器為變量，保持其他測(cè)試條件環(huán)溫35 ℃、水流量、溫差等參數(shù)不變，測(cè)試得出數(shù)據(jù)對(duì)比如表1 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同等條件下測(cè)試得冷凝溫度、高壓壓力值，過(guò)冷度和能效比COP 等重要參數(shù)值效果都明顯優(yōu)于普通的光管。證明使用內(nèi)螺紋管即可提高換熱效率，又可減小冷凝器面積。

表1 內(nèi)螺紋管冷凝器與普通光管冷凝器測(cè)試參數(shù)對(duì)比

3.2 板式換熱器替換殼管式蒸發(fā)器

如圖6～7所示，板式換熱器相對(duì)殼管式蒸發(fā)器具有傳熱系數(shù)高、體積小的特點(diǎn)。傳熱系數(shù)高：由于不同的波紋板是反向的，形成復(fù)雜的通道，使波紋板之間的流體在三維旋轉(zhuǎn)流中流動(dòng)，在較低雷諾數(shù)下可產(chǎn)生湍流，因此傳熱系數(shù)較高，一般為殼管式的3～5倍。占地面積?。喊迨綋Q熱器結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積傳熱面積是管殼式換熱器的2～5倍。因此，為了達(dá)到相同的傳熱能力，板式換熱器占地面積約為管殼式換熱器的1/5～1/8。所以由于換熱器的換熱效率高，新型冷水機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小[8]。

圖6 板式換熱器

圖7 殼管式換熱器

從使用相同8HP 的壓縮機(jī)的新舊型冷水機(jī)資料對(duì)比。使用殼管式蒸發(fā)器的占地面積（長(zhǎng)×寬×高）906 mm×220 mm×370 mm，而使用的板式蒸發(fā)器的體積（長(zhǎng)×寬×高）則為191 mm×38 mm×616 mm。占地面積遠(yuǎn)小于殼管式換熱器，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。結(jié)合實(shí)際案例可分析，板式換熱器不僅傳熱系數(shù)高，體積小，為結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的新型冷水機(jī)設(shè)計(jì)提供了條件。

表2 新舊機(jī)型參數(shù)對(duì)照表

3.3 儲(chǔ)存合適水量圓形水箱

圓形水箱使水的進(jìn)出水角度沿水箱的切線方向流動(dòng)，提高水箱冷凍水的利用效率，同時(shí)由于回水的壓力會(huì)攪動(dòng)水往同一方向旋轉(zhuǎn)，使水箱水的溫度更均勻，控溫更加穩(wěn)定，增加對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)；配合使用熱氣旁通，使機(jī)器在50%～100%的負(fù)荷下水溫都能穩(wěn)定在±1.5 ℃運(yùn)行。

如圖8所示的圓形水箱，水箱進(jìn)水管1、水箱出水管3均與箱體2 相切，因而其進(jìn)水方向及出水方向均與箱體2 相切，從而帶動(dòng)箱體2 內(nèi)的水轉(zhuǎn)動(dòng)，即使得箱體2 內(nèi)的冷凍水在水動(dòng)力的作用下在圓柱形的箱體2 內(nèi)自發(fā)攪動(dòng)，最終使得箱體2 內(nèi)各個(gè)部位的水溫穩(wěn)定無(wú)溫差，箱體2內(nèi)的冷凍水得以充分利用。

圖8 圓形水箱

4 關(guān)鍵技術(shù)和特色創(chuàng)新

（1）水管路系統(tǒng)采用PVC 管，節(jié)能節(jié)材、環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕，且使用壽命長(zhǎng)。增加前置過(guò)濾器，過(guò)濾水中雜質(zhì)，提高蒸發(fā)器的換熱效率；冷凍水出水溫度穩(wěn)定均勻，縮小壓縮機(jī)啟停過(guò)程中出現(xiàn)的出水溫差。

（2）通過(guò)計(jì)算優(yōu)化模型和嚴(yán)格的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，解決了使冷水機(jī)在任何工況下都能有過(guò)冷度與過(guò)熱度的問(wèn)題，保護(hù)了壓縮機(jī)，提高機(jī)器的可靠度，保證機(jī)器的安全。為了避免偶然性，用同樣方法設(shè)計(jì)測(cè)試了3 款新型冷水機(jī)。表3～5 所示為新型冷水機(jī)SIC-25A-R2、SIC-33A-R2、SIC-49A-R2 在不同工況下的過(guò)冷度/過(guò)熱度，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430。通常冷水機(jī)過(guò)冷過(guò)熱度范圍3～6 ℃為佳。

表3 SIC-25A-R2國(guó)標(biāo)工況下過(guò)冷過(guò)熱度

表4 SIC-33A-R2國(guó)標(biāo)工況下過(guò)冷過(guò)熱度

表5 SIC-49A-R2國(guó)標(biāo)工況下過(guò)冷過(guò)熱度

（3）根據(jù)谷波等[8]熱力膨脹閥與板式蒸發(fā)器的匹配問(wèn)題包括容量匹配和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求兩方面的要求。兩者匹配有利于提高制冷效果，降低系統(tǒng)噪聲，并且對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和提高控制精度等有很重要的意義。采用高效翅片螺紋冷凝器和釬焊式板式蒸發(fā)器增加換熱效果，并測(cè)試選擇匹配最佳的熱力膨脹閥同時(shí)設(shè)計(jì)新型外觀，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合冷水機(jī)制冷原理，基于傳統(tǒng)冷水機(jī)存在的缺陷，通過(guò)理論計(jì)算冷媒系統(tǒng)模型結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及對(duì)比，不僅使冷水機(jī)的任何工況都存在合理過(guò)冷度和過(guò)熱度，而且系統(tǒng)制冷量及能效COP 較優(yōu)化之前均有改善。進(jìn)一步驗(yàn)證了新型冷水機(jī)設(shè)計(jì)方法的合理性，為冷水機(jī)的性能改善在方法上提供了實(shí)際的參考價(jià)值。