空調(diào)冷泵機(jī)過熱力對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響

空調(diào)冷泵機(jī)過熱力對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響

1系統(tǒng)過熱力控制分析目前，制冷系統(tǒng)的開口裝置通常采用加熱膨脹閥。加熱膨脹閥是一種獨(dú)立于傳統(tǒng)的冷凍循環(huán)系統(tǒng)，在制冷系統(tǒng)中起著獨(dú)立的作用，但對(duì)現(xiàn)有控制系統(tǒng)的被動(dòng)和機(jī)械反應(yīng)。由于熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)和工作原理限制,在設(shè)計(jì)選型時(shí)無法同時(shí)使系統(tǒng)在制冷和制熱情況下都處于最佳工作狀態(tài)。雖然電子膨脹閥與熱力膨脹閥在制冷系統(tǒng)中具有相同作用,但在性能上卻存在較大的差異。目前熱力膨脹閥調(diào)節(jié)范圍普遍較窄,大多大型熱泵機(jī)組采用制冷模式與制熱模式獨(dú)立的膨脹閥系統(tǒng),但這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造成本。而電子膨脹閥可在10%～100%的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)節(jié),可適應(yīng)制冷系統(tǒng)大流量變化。對(duì)過熱度的設(shè)定值,熱力膨脹閥的過熱度一般由制造廠家在制造過程中設(shè)定,而電子膨脹閥的過熱度可根據(jù)產(chǎn)品的不同特性進(jìn)行人為設(shè)定,因此其使用靈活,且可以通過設(shè)定程序在系統(tǒng)工作過程中采取變過熱度控制,以保證系統(tǒng)一直處于最佳狀態(tài)。熱力膨脹閥的驅(qū)動(dòng)則是利用充注工質(zhì)的熱力特性,其開閉的靈敏性和開閉動(dòng)作的速度較慢。而電子膨脹閥的驅(qū)動(dòng)方式是控制器通過對(duì)傳感器采集得到的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,并驅(qū)動(dòng)電子膨脹閥動(dòng)作。電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘,反應(yīng)和動(dòng)作速度快,尤其適合于工況波動(dòng)劇烈的熱泵機(jī)組上使用。電子膨脹閥在結(jié)構(gòu)上可視為節(jié)流機(jī)構(gòu)與電磁閥的有機(jī)結(jié)合,通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié),可根據(jù)不同產(chǎn)品特性,在機(jī)組啟動(dòng)、負(fù)載變化、除霜、停機(jī)以及故障保護(hù)等情況下體現(xiàn)其控制功能的多樣性和優(yōu)越性。例如:以蒸發(fā)壓力作為目標(biāo)控制參數(shù)以保證恒定的蒸發(fā)溫度;在系統(tǒng)除霜時(shí)控制蒸發(fā)器壓力實(shí)現(xiàn)顯熱除霜等。熱力膨脹閥因?yàn)樽陨斫Y(jié)構(gòu)和原理的限制,同時(shí)為了制冷系統(tǒng)的安全和可靠性,對(duì)蒸發(fā)器采取的是大過熱度運(yùn)行,而電子膨脹閥因反應(yīng)迅速,控制精度高,在蒸發(fā)器出口過熱度很低的情況下也能保證制冷系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行(即使用電子膨脹閥可保證制冷系統(tǒng)在低過熱度情況下安全運(yùn)行)。蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度越高,蒸發(fā)器的換熱面積就越得不到充分利用。而使用電子膨脹閥可將蒸發(fā)器出口過熱度控制在較低水平,充分利用了蒸發(fā)器的換熱面積,提高了系統(tǒng)蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度,使得制冷系統(tǒng)的制冷量和能效比得到較大的提高。從定性上分析過熱度的減小對(duì)制冷系統(tǒng)的性能改善是肯定的,但從定量上具體的過熱度變化對(duì)制冷系統(tǒng)影響卻研究甚少。是否過熱度越小越好,過熱度的變化對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響的規(guī)律怎樣,這對(duì)優(yōu)化電子膨脹閥控制和充分發(fā)揮電子膨脹閥的潛力具有重要意義。因此本文采取模型仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)過熱度變化對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響進(jìn)行深入研究。2組合冷熱水機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活,維護(hù)方便、所占空間少在我國大部分地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組和活塞式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組相比,其具有結(jié)構(gòu)簡單、零件少、可靠性高,沒有進(jìn)排氣閥組,壓縮效率高等特點(diǎn)。因此筆者選擇了螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組作為研究對(duì)象來研究過熱度變化對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響的規(guī)律(在制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程中),建立了螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組的穩(wěn)態(tài)模型。2.1壓縮機(jī)模型的建立假設(shè)條件:壓縮機(jī)吸氣、排氣壓損均為零,即壓縮機(jī)吸、排氣壓力分別為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。壓縮機(jī)模型的建立是根據(jù)壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家提供的性能曲線,擬合而成的計(jì)算公式得出的。制冷劑的循環(huán)量由壓縮機(jī)的實(shí)際吸氣容積和進(jìn)口出制冷劑的比容來確定:mr=ηvVhv1mr=ηvVhv1式中ηv——壓縮機(jī)的容積效率Vh——壓縮機(jī)的理論容積v1——壓縮機(jī)吸氣的比容2.2影響因素太多目前換熱器模型所采用的建模方法主要有集總參數(shù)法、分布參數(shù)法和移動(dòng)邊界法。第一種過于簡單,第二種過于復(fù)雜,考慮影響因素太多。本文采用移動(dòng)邊界法,即將冷凝器分為三個(gè)區(qū):過熱區(qū)、兩相區(qū)、過冷區(qū),分別計(jì)算各階段的換熱系數(shù)和換熱量。假設(shè)條件:(1)制冷劑流動(dòng)為管道內(nèi)一維流動(dòng);(2)換熱器管內(nèi)壓力及兩相區(qū)制冷劑溫度不變;(3)只考慮純制冷劑;(4)忽略軸向熱傳遞。(1)shasc的計(jì)算在單相流動(dòng)的過熱區(qū)和過冷區(qū)內(nèi),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)均可采用標(biāo)準(zhǔn)的Dittus-Boelter公式:αsh(asc)=0.023λDRe0.8Ρr0.3αsh(asc)=0.023λDRe0.8Pr0.3式中αsh——過熱區(qū)換熱系數(shù)asc——過冷區(qū)換熱系數(shù)D——冷凝管內(nèi)徑λ——制冷劑氣體(或液體)的導(dǎo)熱系數(shù)Re——制冷劑氣體(或液體)的雷諾數(shù)Pr——制冷劑氣體(或液體)的普朗特?cái)?shù)(2)4.4.4.4.4.4特征參數(shù)測(cè)算兩相區(qū)內(nèi)局部換熱系數(shù)采用Dobson等的公式:αtp(x)=0.023λlDRel0.8Ρrl0.4(1+2.22Xtt0.889)αtp(x)=0.023λlDRel0.8Prl0.4(1+2.22Xtt0.889)Xtt=0.551pΡcr(1-xx)0.9Xtt=0.551pPcr(1?xx)0.9式中Xtt——Martinelli數(shù)x——制冷劑干度Pcr——制冷劑臨界壓力l——下標(biāo),制冷劑液體(3)空氣中導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算αof=C3C4(λade)(Lde)nRemαof=C3C4(λade)(Lde)nRem其中∶C3=1.36-0.24Re/1000C4=0.518-2.315×10-2(Lde)+4.25×10-4×(Lde)2-3×10-6(Lde)3n=-0.28+0.08Re1000m=0.45+0.0066(Lde)式中λa——空氣的導(dǎo)熱系數(shù)L——沿空氣流動(dòng)方向翅片的長度de——空氣流通斷面的當(dāng)量直徑,通過結(jié)構(gòu)參數(shù)算得2.3預(yù)熱區(qū)換熱量的影響對(duì)蒸發(fā)器同樣采用移動(dòng)邊界法,即將蒸發(fā)器分為兩個(gè)區(qū):兩相區(qū)、過熱區(qū),分別計(jì)算各部分的換熱系數(shù)和換熱量。假設(shè)條件:(1)制冷劑流動(dòng)為管道內(nèi)一維流動(dòng);(2)忽略蒸發(fā)器內(nèi)阻力損失;(3)忽略軸向熱傳遞。(1)shrov-規(guī)制過熱區(qū)內(nèi),制冷劑為過熱蒸汽狀態(tài),在管內(nèi)的流動(dòng)為紊流流動(dòng),制冷劑換熱系數(shù)αsh采用Petukhov-Popov方程:αsh=λvdi(f/8)RevΡrv1.07+12.7(f/8)0.5(Ρrv2/3-1)f=(1.821gRev-1.64)-2式中di——蒸發(fā)管內(nèi)徑v——下標(biāo),制冷劑氣體(2)局部換別系數(shù)兩相區(qū)內(nèi),制冷劑為汽液兩相分層流動(dòng),其換熱系數(shù)是沿著該區(qū)長度方向變化的,我們采用數(shù)值積分的方法,在整個(gè)蒸發(fā)器的干度范圍對(duì)局部換熱系數(shù)進(jìn)行積分,則可獲得兩相區(qū)平均換熱系數(shù)αtp。局部換熱系數(shù)計(jì)算如下:αtp(x)=3.0Xtt2/3αlXtt=(μlμv)0.1(1-xx)0.9(ρvρl)0.5式中αl——制冷劑為純液相時(shí)的換熱系數(shù)μ,ρ——制冷劑動(dòng)力粘度和密度按標(biāo)準(zhǔn)的Dittus-Boelter公式計(jì)算:αl=0.023Rel0.8Ρrl0.4λldiRel=(1-x)Grdiμl式中μ,ρ——制冷劑動(dòng)力粘度和密度Gr——制冷劑的質(zhì)流密度則整個(gè)蒸發(fā)器的平均換熱系數(shù)αtp可由下式獲得:αtp=∫x0xidx/∫x0xi1αtp(x)dx式中x——制冷劑干度i,o——下標(biāo),蒸發(fā)器進(jìn)口、出口(3)冷熱媒體水側(cè)的傳熱計(jì)算殼側(cè)換熱系數(shù)采用下式計(jì)算:αw=0.22λwd0Re0.6wΡr0.33w式中d0——蒸發(fā)管外徑w——下標(biāo),水(在定性溫度下)2.4子膨脹閥流量計(jì)算在穩(wěn)定工況下,膨脹閥進(jìn)口處一般為過冷態(tài),出口處為兩相態(tài)。電子膨脹閥的流量公式為:mv=CvAv[ρv,i(pv,I-pv,O)]1/2式中Cv——流量系數(shù)Av——閥流通面積ρv,i——制冷劑密度pv——壓力I,O——下標(biāo),膨脹閥進(jìn)口、出口3試驗(yàn)與研究3.1試驗(yàn)樣機(jī)的研制作者在常州愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的風(fēng)冷螺桿熱泵冷熱水機(jī)組RSF160M的基礎(chǔ)上,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),研制出了試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)系統(tǒng)流程圖如下圖1所示。3.2樣機(jī)測(cè)試測(cè)試為了保證測(cè)試結(jié)果的精確有效,在常州愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司的制冷空調(diào)產(chǎn)品測(cè)試中心進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試。該測(cè)試中心由合肥通用機(jī)械研究所設(shè)計(jì)并建造,是目前國內(nèi)測(cè)試手段最先進(jìn)、自動(dòng)化程度最高,測(cè)量儀器最先進(jìn)的全性能測(cè)試中心之一。具體原理介紹參見文獻(xiàn)。4過熱力對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響在標(biāo)況下(環(huán)境溫度35℃),對(duì)采用電子膨脹閥的樣機(jī),作者通過調(diào)整電子膨脹閥控制器進(jìn)行一系列不同蒸發(fā)器出口過熱度試驗(yàn),蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度從10℃到2℃。同時(shí)作者根據(jù)本文所建立的風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行不同蒸發(fā)器出口過熱度的仿真試驗(yàn)。系統(tǒng)制冷量、COP及其輸入功率變化的仿真值與實(shí)驗(yàn)值比較如圖2～4所示。從圖2,3可以看出,隨著過熱度的減小,系統(tǒng)的制冷量、COP都隨著過熱度的減小而增加。因?yàn)樵诒疚慕⒌闹评湎到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)模型中,忽略換熱器中壓降,回氣管有害過熱等因素影響,制冷量和COP的仿真值與實(shí)驗(yàn)值存在不大于7%的誤差,圖中仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的變化規(guī)律相同。說明試驗(yàn)結(jié)果具有一般性,表現(xiàn)出了過熱度變化對(duì)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)影響的規(guī)律。圖4所示為制冷系統(tǒng)輸入功率隨過熱度變化的趨勢(shì),因壓縮機(jī)功耗是根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線擬合而成,在過熱度為10℃時(shí)測(cè)試值與仿真值吻合較好,說明這是廠家的壓縮機(jī)功耗的測(cè)試過熱度。為分析過熱度變化對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,作者選取實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行研究。圖5所示為實(shí)驗(yàn)值的系統(tǒng)制冷量、COP和輸入功率隨過熱度變化的關(guān)系曲線,從圖中可以看出:相對(duì)于樣機(jī)以蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度為10℃時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)制冷量、COP和輸入功率,在蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度分別為8℃,6℃,4℃,2℃時(shí),隨著過熱度的減小三個(gè)參數(shù)都有所增加。樣機(jī)蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度從10℃變?yōu)?℃時(shí),系統(tǒng)制冷量增加了13.4%,COP值增加了9.3%,而同期樣機(jī)的輸入功率只增加4%?？梢娡ㄟ^降低蒸發(fā)器出口過熱度對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)有較大的提高。同時(shí)從圖中也可以看出,當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度從10℃變?yōu)?℃時(shí),樣機(jī)的制冷量、COP和輸入功率都有較大的增加。而蒸發(fā)器過熱度從6℃變化到2℃時(shí),樣機(jī)的制冷量、COP的增加幅度減小,同時(shí)可以看出這時(shí)樣機(jī)的輸入功率幾乎沒有增加。所以從仿真和試驗(yàn)可以看出,隨著蒸發(fā)器出口過熱度的減小,制冷系統(tǒng)的制冷量、COP是不斷增大的。但增大的幅度逐漸變小。同時(shí)當(dāng)過熱度減到一定程度(6℃)時(shí),隨著過熱度再減小,系統(tǒng)的輸入功率變化不大。但這時(shí)系統(tǒng)的制冷量和COP將仍有較大增加。從仿真和試驗(yàn)結(jié)果可知,通過電子膨脹閥將蒸發(fā)器出口過熱度控制在較低水平,能充分利用蒸發(fā)器的換熱面積,使系統(tǒng)的性能大大提高,節(jié)約能源。5系統(tǒng)過熱力對(duì)機(jī)組性能的影響電子膨脹閥的出現(xiàn)將引起制冷控制系統(tǒng)革命性的變化,其所具有的優(yōu)越性必將使其取代熱力膨脹閥。電子膨脹閥的引入為制冷系統(tǒng)的各種節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供了條件,制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的整體控制,制冷系統(tǒng)的機(jī)電一體化程度將大大提高。作者運(yùn)用模型仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證手段對(duì)具有典型意義的風(fēng)冷螺桿熱泵機(jī)組進(jìn)行過熱度變化對(duì)機(jī)組性能影響的深入研究,表明:(1)電子膨脹閥優(yōu)越