水冷冷凝器法在壓縮冷凝機組性能評價系統中的應用

錢雪峰，何亞峰，孔曉鳴，高啟明，魏昇，戴琳

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

水冷冷凝器法在壓縮冷凝機組性能評價系統中的應用

錢雪峰*，何亞峰，孔曉鳴，高啟明，魏昇，戴琳

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

現有的大多數水冷壓縮冷凝機組性能評價系統需要提供相應的熱負荷或冷負荷，來平衡被評價機組測試時產生的制冷量或制熱量，故水冷壓縮冷凝機組容量越大評價系統能耗越大。文中提出在大型水冷壓縮冷凝機組性能評價系統中應用水冷冷凝器法，回收運行工況時被評價機組自身產生的冷熱負荷來維持評價系統的穩定運行，不僅不用額外增加設備而且又能最大限度地降低能耗，實現節能的目的。同時，采用二次節流的方法來實現低蒸發溫度工況的測試。

水冷冷凝器法；壓縮冷凝機組；評價系統；二次節流

0 引言

近年來，隨著壓縮冷凝機組的應用和人們節能減排的意識越來越廣泛，對壓縮冷凝機組能效測定及優化也就越來越重要[1]。依據相應的國家標準GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機組》，若是采用其他類似第二制冷劑量熱器法、干式制冷劑量熱器法等對壓縮冷凝機組進行評價測試時，評價系統需要提供相應的熱負荷或冷負荷，來平衡被評價機組測試時產生的制冷量或制熱量，因此評價系統能耗很大。而本文提及應用水冷冷凝器法的大型水冷壓縮冷凝機組性能評價系統能用自身的能量來維持系統的穩定運行，不僅不用額外增加設備而且又能最大限度降低能耗。

1 水冷冷凝器法壓縮冷凝機組評價系統測試方法及控制原理

1.1 測試方法

按照GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機組》中B5.水冷冷凝器法（如圖1）進行試驗[3]。

圖1 水冷冷凝器法

由圖1可知該評價系統主要利用冷凝器的水側換熱量和制冷劑進出冷凝器的焓差計算制冷劑流量，再與壓縮冷凝機組進出口的焓差計算制冷量。

制冷量按式(1)計算：

式中：

hg1——在規定工況下進入機組的制冷劑蒸汽的比焓，J/kg；

hg3——冷凝器進口制冷劑蒸氣的比焓，J/kg；

hf1——離開機組的制冷劑液體的比焓，J/kg；

hf3——冷凝器出口制冷劑蒸氣的比焓，J/kg；

mc——冷凝器冷卻水的流量，kg/s；

t1——冷凝器進水溫度，℃；

t2——冷凝器出水溫度，℃。

Qa——冷凝器的漏熱量，W；

V1——進入機組制冷劑蒸汽實際比體積，m3/kg；

Vg1——在規定工況下進入機組制冷劑蒸汽比體積，m3/kg。

漏熱量按式(2)計算：

式中：

KL——漏熱系數，它等于冷凝器外表面積A(m2)乘以冷凝器對空氣的傳熱系數K，一般傳熱系數K=10 W/(m2·K)；

tc——冷凝器外表溫度，℃。

ta——冷凝器周圍空氣溫度，℃。

由式(2)可知只要準確測出冷凝器周圍的環境溫度和無隔熱時冷凝器外表面平均溫度就可算出漏熱量。由式(1)可知只要準確測出進入冷凝器、壓縮冷凝機組的制冷劑蒸氣壓力、溫度和離開冷凝器、壓縮冷凝機組的制冷劑液體壓力、溫度，即可查出所需制冷劑的比焓，同時測出冷凝器的進、出口水溫與水量后可算出制冷量。

以此原理建立評價系統，需要提供熱量來維持蒸發器的運行，同時又要提供冷量給冷凝器散熱，這樣能耗很大，若是將蒸發器和冷凝器的冷熱量混合，可以減少很大部分的能耗，本文提及的評價系統便基于這樣的考慮搭建[3]。

1.2 系統原理

根據標準GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機組》中B5.水冷冷凝器法要求的測試項目，參考標準GB/T 10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》[4]，細化了評價系統的原理（原理圖如圖2）。

圖2 評價系統原理圖

由圖2可知主要設備為水泵和水箱。泵1和水泵2提供被測試壓縮冷凝機組蒸發器和冷凝器所需要的水量，然后通過水泵3將冷凝器熱水加入到蒸發器管道，平衡蒸發器的制冷量，同時冷凝器也被蒸發器回流的冷水平衡掉與制冷量相當的熱量，還剩下壓縮機產生的熱量需要平衡，通過水泵4從恒溫水箱抽冷水加入熱源側管道來平衡壓縮機產生的熱量[5]。這樣可實現蒸發器和冷凝器最大程度的冷熱量平衡，從而達到機組在國標要求的工況下穩定運行。

2 水冷冷凝器法壓縮冷凝機組評價系統的準確性探討

本評價系統控制的核心為PLC及觸摸屏，在觸摸屏上可方便地控制設備的啟停[6]，并且可以對故障報警進行顯示和記錄。調節功能通過數字調節表實現。數據采集系統使用的是數據采集器，通過GPIB與計算機通訊，共同完成數據采集[7]。采集的數據再通過相應的計算機軟件進行記錄和處理。本評價系統的關鍵部分均采用進口元器件，保證了運行的準確性、穩定性、可靠性。某名義制冷量為4,000 kW的壓縮冷凝機組在某工況時的測試數據為例見表1）。

從表1中可以看出在穩定的情況下冷卻水進出水溫度、電壓和吸氣溫度等額定工況的偏差：水溫控制在±0.25 ℃以內，電壓控制在5,947 V（-0.9%），吸氣壓力控制在+0.69 kPa（+0.1%），吸氣溫度控制在±0.1 ℃以內，明顯優于國標GB/T 21363-2008《容積式制冷壓縮冷凝機組》中對各測點讀數的平均值對額定工況的偏差：水溫度允許范圍為±0.3 ℃，吸氣溫度允許范圍為±1 ℃，吸氣壓力允許范圍為±0.9%，電壓控制在±1%。

同時，應用該評價系統，對該機組進行制冷工況的重復性試驗，數據如表2，兩次試驗的制冷量測試結果偏差在1.4%。

從表1、表2的數據充分說明該評價系統測量具有準確、穩定、可靠的特點。

表1 壓縮冷凝機組制冷工況測試數據

表2 制冷工況重復性試驗數據對比

3 水冷冷凝器法壓縮冷凝機組評價系統的節能性探討

壓縮冷凝機組制冷評價試驗時，本評價系統將冷凝器熱水加入到蒸發器管道，平衡蒸發器的制冷量，同時冷凝器也被使用側回流的冷水平衡掉與制冷量相當的熱量，還剩下壓縮機產生的熱量需要平衡。而現有的其他評價系統需要提供相應的熱負荷或冷負荷，來平衡被評價機組測試時產生的制冷量或制熱量[6]。以上述壓縮冷凝機組名義制冷為例，不同評價系統的耗能見表3。

表3 名義制冷工況時不同評價系統的能耗

除去其他正常設備的耗功，其他評價系統的電消耗主要在平衡冷凝器的壓縮冷凝機組耗功（能效比按4計算）與平衡制冷量的電加熱耗功之和共計4,663 kW，而本評價系統只需平衡壓縮機消耗電量的壓縮冷凝機組耗功（能效比按4計算）138 kW，節省了4,525 kW的耗電量，按工業用電1.5元/kW·h計算，每小時可節省6,787元，大大減少了空調企業的測試成本[8]。

4 水冷冷凝器法壓縮冷凝機組評價系統應用的注意事項

由于低蒸發溫度制冷壓縮冷凝機組的蒸發溫度在零度以下，為保證載冷劑在蒸發器中出現凝固現象，此時載冷劑不能使用水[9]，而本評價系統蒸發器側的載冷劑也是水，故若要實現低蒸發溫度可以使用二次節流的方法，如圖2中先經調節閥的MV1進行一次節流控制其蒸發溫度為0 ℃以上進入蒸發器進行換熱，使制冷劑蒸發成為氣體，氣體出蒸發器后經過二次節流調節閥MV2使制冷劑達到規定狀態回到制冷壓冷機組的吸氣端，經機組壓縮及冷凝完成循環及測量[10]。實際上二次節流法就是通過二次節流增加蒸發器出口到機組吸氣段的壓力損失，而此時為達到工況必須提高蒸發器出口壓力，相應的制冷劑蒸發溫度也提高，當蒸發溫度高于0 ℃后就可以用普通水作為載冷劑。

5 結束語

1）應用了水冷冷凝器法的壓縮冷凝機組評價系統的設計制造均符合國內相關標準的要求，方案先進，結構合理。

2）二次節流循環所用的常溫水已經接近蒸發器入口的溫度，通過混合能很快進入工況，運行時間要比其他低溫載冷劑短，節省了運行成本。

3）在不同測試負荷和不同運行工況時，評價系統能充分利用被評價機組自身產生的制冷量或制熱量使機組評價系統穩定運行，減少了評價系統本身的熱負荷或冷負荷配置，實現了節能的目的，同時響應國家節能減排的號召，降低了空調企業測試成本，可以廣泛推廣。

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Application of Water-cooled Condenser Method in Performance Evaluation System for Compressor Condenser Unit

QIAN Xue-feng*, HE Ya-feng, KONG Xiao-ming, GAO Qi-ming, WEI Sheng, DAI Lin
(Hefei General Machinery Research Institue, Hefei, Anhui 230088, China)

In most of existing water-cooled compressor condenser unit performance evaluation systems, heat load or cooling load needs to be provided to banlance cooling capacity or heating capacity which is generated by the tested unit. As the capacity of water-cooled compressor condenser unit increases, energy consumption of the performance evaluation system is higher. Water-cooled condenser method was adopted in the large water-cooled condensing unit performance evaluation system. Under the recovery operation conditions, operation of the evaluation system was maintained by cooling and heating load which was generated by the tested unit. Additional equipments were not required and energy consumption was reduced. Meanwhile, the method of quadratic throttling was adopted to accomplish the test of low evaporation temperature conditions.

Water-cooled condenser method; Compressor condenser unit; Evaluation system; Secondary throttling

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.204

*錢雪峰（1982-），男，本科，工程師。研究方向：制冷空調實驗室設計制造。聯系地址：安徽省合肥市高新區天湖路29號506室合肥通用機械研究院，郵編：230088。聯系電話：0551-65335402。E-mail：qianxuefeng_0@163.com。