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昆山飛馬特機電設(shè)備有限公司
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隨著人們生活水平的提高,空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)從以前的奢侈品變?yōu)槿缃竦谋匦杵?。各大空調(diào)器廠家也將越來越多的資金投入到空調(diào)系統(tǒng)的研發(fā)上。
通常,空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置(Apparatus)(如毛細(xì)管等)等關(guān)鍵部件組成。昆山空壓機維修工作時,空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入,通過PLC自動清洗過濾器,空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級壓縮,經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高,然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內(nèi),氣走管外,中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統(tǒng)各部件要匹配良好才能真正的發(fā)揮整個空調(diào)系統(tǒng)的性能,提高系統(tǒng)的能效比,從而節(jié)約能源。而空調(diào)系統(tǒng)的匹配目前普遍采用的方法是,首先依據(jù)經(jīng)驗給出一個大體的部件構(gòu)成,然后通過實驗(experiment)測試觀察其能力、能效比等參數(shù)指標(biāo)是否滿足要求;如滿足要求則考慮是否可以更換(replace)成本更低的零部件,例如換熱器、壓縮機等。這種方法的匹配速度較慢,資源浪費較大,因此尋求更快、更省的方法就顯的十分重要。
而空調(diào)系統(tǒng)(system)的模擬仿真為解決這個問題提供了一條有效途徑。
對于壓縮機廠商來說,經(jīng)常需要協(xié)助空調(diào)廠進(jìn)行壓縮機與空調(diào)器的匹配實驗,以便更好的發(fā)揮整套空調(diào)系統(tǒng)(system)的性能。這里的空調(diào)器是指除壓縮機以外的空調(diào)系統(tǒng),為簡單起見簡稱空調(diào)器。而包含壓縮機等所有零部件的空調(diào)器稱為空調(diào)系統(tǒng)。這里首先建立了壓縮機與空調(diào)器自動匹配的系統(tǒng)流程。
其次,為了模擬選配的壓縮機與空調(diào)器的匹配效果(制冷量、能效比等),使用VBA語言在Excel軟件上實現(xiàn)了自動匹配的模擬程序。將整個空調(diào)系統(tǒng)分為蒸發(fā)(evaporation)器、冷凝器、壓縮機、毛細(xì)管等幾部分分別進(jìn)行模擬計算。為更準(zhǔn)確的表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài)(status),將系統(tǒng)的過冷度、過熱度轉(zhuǎn)化為焓差進(jìn)行處理。以系統(tǒng)冷媒的質(zhì)量流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶,通過程序不斷自動調(diào)整(Adjustment)蒸發(fā)溫度(temperature)、冷凝溫度、焓差等參數(shù)來對空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行匹配。在壓縮機模擬中,考慮了壓縮機油池內(nèi)溶解的制冷劑量的影響,使仿真(simulation)結(jié)果更準(zhǔn)確。
1系統(tǒng)計算流程圖
為了給指定的空調(diào)器匹配最合適的壓縮機以及確定最佳冷媒充注量,首先需要建立壓縮機特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫,并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求初步選定符合條件(tiáo jiàn)的壓縮機形成壓縮機備選數(shù)據(jù)庫,其次要對選定的壓縮機與空調(diào)器進(jìn)行模擬(定義:對真實事物或者過程的虛擬)計算,從而給出最佳匹配結(jié)果。其系統(tǒng)流程圖具體步驟如下:1) 建立壓縮機備選數(shù)據(jù)庫首先采用十系數(shù)法對壓縮機的能力、功率、電流等性能參數(shù)進(jìn)行擬合。通常,這些擬合參數(shù)由壓縮機廠家提供。其次,記錄每種型號(xíng hào)壓縮機的冷凍油量、高壓腔容積(Capacity)、低壓腔容積等,建立壓縮機的模型數(shù)據(jù)庫,以便在壓縮機與空調(diào)器匹配時調(diào)用。
當(dāng)給定空調(diào)器后,根據(jù)空調(diào)器的設(shè)計參數(shù),選擇在特定工況下能力范圍在100%到150%的壓縮機,并符合壓縮機電制、適用冷媒等要求,從而形成本次空調(diào)器匹配的壓縮機備選數(shù)據(jù)庫。
2) 從壓縮機備選數(shù)據(jù)庫中選擇(xuanze)某一型號壓縮機,并進(jìn)行壓縮機與空調(diào)器的模擬匹配計算,確定最佳冷媒充注量。
3) 判斷(judgment)備選數(shù)據(jù)庫中是否所有壓縮機均已匹配完畢,如是轉(zhuǎn)(4),否則轉(zhuǎn)輸出在滿足能力要求條件下,能效比(COP)最高的壓縮機型號以及對應(yīng)的最佳冷媒充注量。
2壓縮機(compressor)與空調(diào)器的匹配計算
在選定壓縮機后,進(jìn)行壓縮機與空調(diào)器的匹配計算,從而確定系統(tǒng)的最佳CO
P、制冷量以及對應(yīng)的冷媒充注量等參數(shù)。
將整個空調(diào)系統(tǒng)(system)分為蒸發(fā)器、冷凝器(類別:換熱設(shè)備)、壓縮機(compressor)、毛細(xì)管等幾部分分別進(jìn)行模擬計算。為更準(zhǔn)確的表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài),將系統(tǒng)的過冷度、過熱度轉(zhuǎn)化為焓差進(jìn)行處理(chǔ lǐ)。對于各部件之間的耦合(Coupling)計算,以系統(tǒng)冷媒的質(zhì)量(quality)流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶,通過不斷調(diào)整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、焓差等參數(shù)來對空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行模擬。通常,過熱度是指制冷循環(huán)中相同蒸發(fā)壓力下制冷劑的過熱溫度與飽和溫度之差。在試驗過程中,當(dāng)過熱度為0時,系統(tǒng)冷媒的狀態(tài)可能(maybe)位于1'點,也可能位于6點。在程序計算過程中,需要過熱度為0時的計算。為更準(zhǔn)確表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài),將當(dāng)前的冷媒焓值與蒸發(fā)溫度對應(yīng)的飽和氣體焓值的差,用來代替過熱度進(jìn)行計算。同理,將當(dāng)前的冷媒焓值與冷凝溫度對應(yīng)的飽和液體焓值的差,用來代替過冷度進(jìn)行計算。
壓縮機與空調(diào)器的模擬計算流程圖如所示。其中m rmi
N、m rmax分別為最小、最大冷媒充注量;ΔH
C、m rc分別為當(dāng)前計算所得的焓差、冷媒量;Q co
M、Q cap分別為壓縮機(compressor)、毛細(xì)管的質(zhì)量流量。
2.1 壓縮機模型
為計算壓縮機的能力、功率、電流等相關(guān)參數(shù),采用十系數(shù)擬合法,其公式如下:(1)X DD能力、功率或者電流;S DD蒸發(fā)溫度,℃;D DD冷凝溫度,℃;C 1,C 2 C 10為壓縮機廠家給出的擬合系數(shù)。
公式(1)是在壓縮機標(biāo)準(zhǔn)測試工況下的數(shù)值模擬公式。即冷凝溫度(temperature)54.4℃,蒸發(fā)溫度7.2℃,吸氣過熱度11.1K,過冷度8.3K情況下的模擬數(shù)據(jù)。
當(dāng)過冷度和吸氣過熱度變化時需要對該公式進(jìn)行修正。
設(shè)當(dāng)前過冷度為T sc,H sc為(T sc-8.3)過冷段所對應(yīng)的焓值,G為冷媒質(zhì)量流量,則當(dāng)前能力、功率(指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少)或者電流X 1為:X 1 = X + H sc G(2)當(dāng)過熱度為T sh時,系統(tǒng)能力、功率或者電流X 2為:X 2 = X + 0.00144(T sh-11.1)X(3)此外,對壓縮機進(jìn)行模擬時,根據(jù)冷媒、油互溶曲線得到油當(dāng)中溶解的冷媒量。冷媒在冷凍油內(nèi)的溶解度曲線所示。
假設(shè)壓縮(compression)機內(nèi)冷凍油充注量為1700mL,冷凍油密度為1.2×10 3 kg/m 3,壓縮機油池溫度為40℃,壓力為5×10 5 Pa,則根據(jù)可得R22冷媒在冷凍油中溶解度為7.5%,即冷凍油中溶解的冷媒量為0.153 kg.
2.2 換熱器模型
1) 冷凝器的模擬采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型,將冷凝器分為過熱器、兩相區(qū)、過冷區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬。每個相區(qū)劃分若干微元。對于單相區(qū),即過熱區(qū)和過冷區(qū),微元的劃分按制冷(Refrigeration)劑側(cè)溫降進(jìn)行均分。對于兩相區(qū),由于溫度不變,換熱表現(xiàn)在焓值的變化上,因此微元的劃分按制冷劑焓差進(jìn)行均分。如果已知微元的進(jìn)出口狀態(tài)(status)參數(shù),則每個微元的長度L為:(4)其中,αi為制冷劑側(cè)表面(appearance)傳熱系數(shù),αo為空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),A i /A o為冷凝器管內(nèi)、外有效傳熱面積之比;m r表示制冷劑側(cè)的質(zhì)流率。h r1微元入口側(cè)制冷劑焓值,h r2表示微元出口側(cè)制冷劑焓值;T rm表示制冷劑側(cè)溫度平均值,T am表示空氣側(cè)溫度平均值;d i表示管壁內(nèi)徑。
對于單相區(qū),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)αi由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計算。對于兩相區(qū),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用Shah關(guān)聯(lián)式計算。對于空氣側(cè)換熱系數(shù),采用李嫵等人換熱綜合關(guān)聯(lián)式計算。
2) 蒸發(fā)器的模擬對于蒸發(fā)器模擬,制冷劑側(cè)包括(bāo kuò)兩個相區(qū):兩相區(qū)和過熱區(qū)。每個相區(qū)可通過焓差等分為若干個微元進(jìn)行計算,每個微元的長度L為:(5)式中,Q r為制冷劑側(cè)換熱量,T w為管壁溫度,T r為制冷劑側(cè)溫度,αi為制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),壓縮(compression)機與空調(diào)器的自動匹配技術(shù)研究d i表示管壁內(nèi)徑。
對于過熱區(qū),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計算。對于兩相區(qū),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用wang的公式計算。
3) 空泡系數(shù)模型空調(diào)器模擬分析要求能夠準(zhǔn)確模擬空調(diào)器實際工作狀況。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備??諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式,旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。其中一個重要方面是如何準(zhǔn)確確定冷媒充注量的問題。充注量計算的難點在于兩相區(qū)制冷(Refrigeration)劑量的確定,其關(guān)鍵是兩相區(qū)空泡系數(shù)的計算。
空泡系數(shù)是兩相混合物在任一流動截面內(nèi)氣相所占的總面積份額,又稱為截面含氣率。經(jīng)比較均相模型(model)、滑動比模型等空泡系數(shù)模型,這里采用hughmark模型進(jìn)行計算,公式如下:(6)其中,K H具體計算見文獻(xiàn),ρg為氣體密度(單位:g/cm3或kg/m3),ρf為液體密度,x為干度。
2.3 節(jié)流裝置模型文獻(xiàn)對毛細(xì)管作為節(jié)流元件的研究(research)進(jìn)行了綜述。本文采用Jung等提出的絕熱毛細(xì)管的實用關(guān)聯(lián)模型,公式如下:(7)式中,對于R22冷媒,c 1 =0.249029, c 2 =2.543633,c 3 =-0.42753, c 4 =0.746108, c 5 =0.013922.D為毛細(xì)管內(nèi)徑,L cap為毛細(xì)管長度,T in為毛細(xì)管進(jìn)口溫度,ΔT sc為過冷度。
3模擬實例以某空調(diào)廠R22冷媒的5HP二級能效空調(diào)匹配為例,對本文方法(method)進(jìn)行驗證。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設(shè)備??諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式,旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。昆山空壓機維修在啟動前,首先啟動油泵控制系統(tǒng),油泵控制系統(tǒng)啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好,同時油泵控制系統(tǒng)可通過內(nèi)置的溫控閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫,以滿足系統(tǒng)需要。已知整套空調(diào)系統(tǒng)(system)要求標(biāo)稱制冷量為12kW,COP≥3.0.其他系統(tǒng)測量參數(shù)為:冷凝器管徑為7.94mm,壁厚為0.25mm,管間距為25.4mm,排間距為19.04mm,翅片厚為0.11mm,翅片間距為1.3mm,排數(shù)為2,分路數(shù)為8,風(fēng)速1.22m/s.蒸發(fā)器管徑為9.52mm,壁厚0.35mm,管間距25.4mm,排間距21.0mm,翅片厚0.11mm,翅片間距18.5mm,排數(shù)3,分路數(shù)6,風(fēng)速1.3m/s.毛細(xì)管長度為0.5m,內(nèi)徑為1.4mm.風(fēng)機功率為350W.
要求選出與該套空調(diào)器匹配最佳的壓縮(compression)機以及冷媒充注量,并計算出在最佳狀態(tài)下系統(tǒng)的CO
P、制冷量、功率(指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少)等參數(shù)。使用VBA語言在Excel軟件上實現(xiàn)程序的編制,其模擬結(jié)果與實際結(jié)果的比較軟件界面所示。
從仿真結(jié)果可以看出,C-SBX160H38A與該套空調(diào)器匹配的COP最好,達(dá)到3.102,制冷量為11744 W.這與實際空調(diào)系統(tǒng)(system)的匹配實驗(experiment)結(jié)果是一致的。兩者制冷量相差2.1%,COP相差1.9%,冷媒充注量相差2.9%.此外,實驗所得的冷凝溫度為46℃,蒸發(fā)溫度為3.8℃,過冷度為5.3℃,過熱度為4.6℃。而仿真所得的冷凝溫度為48℃,蒸發(fā)溫度為2.3℃,過冷度為10℃,過熱度為3℃。兩者分別相差2℃、1.5℃、4.7℃、1.6℃??梢姡@里的方法可以較為準(zhǔn)確的模擬空調(diào)器的運轉(zhuǎn)狀態(tài),從而為壓縮機(compressor)與空調(diào)器的匹配提供指導(dǎo)。
4結(jié)論
首先給出了壓縮機(compressor)與空調(diào)器自動匹配的系統(tǒng)流程(liú chéng);其次以冷媒質(zhì)量流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶,對壓縮機、換熱器、毛細(xì)管等進(jìn)行了模擬計算。
其中根據(jù)焓值的變化來調(diào)整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度,擴大了空調(diào)系統(tǒng)模擬的運行范圍。昆山空壓機保養(yǎng)在空壓機的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設(shè)置消聲坑道以后,氣流噪聲可以降到80db(a)以下,但空壓機的機械噪聲和電機噪聲仍然很高,因此還應(yīng)在空壓機的機組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體:在佛山凌格風(fēng)空壓機站,高大空曠的廠房混響很重。對壓縮機進(jìn)行模擬時,考慮了冷凍油中溶解的冷媒的影響(influence),提高了仿真模型的準(zhǔn)確性。為便于該方法(method)的推廣應(yīng)用,使用VBA語言在Excel軟件上實現(xiàn)了程序的編制。最后將該軟件應(yīng)用在某空調(diào)廠委托的空調(diào)器匹配實驗(experiment)中,為實驗提供了很好的理論指導(dǎo),節(jié)省了大量的匹配時間與資金。