一種新型節能冷水機的設計

吳峻睿，謝仲銘，黃偉釗

（東莞信易電熱機械有限公司，廣東東莞 523000）

0 引言

在制冷系統中是否存在過冷度和過熱度是評判制冷系統是否穩定和性能高低的重要指標，過冷度存在減少了干度，提高單位制冷量。通過曾冬琪[1]對冷庫氨壓縮蒸發制冷系統進行了能量分析和?分析，在制冷系統中設計過熱度與過冷度的重要意義。若沒有過冷度，因制冷劑在管路中存在壓力損失，管路內飽和液體由于壓力降低便會變為不平衡狀態，液體蒸發，從而進入蒸發器的制冷劑干度會變大，系統的單位制冷量便會降低，影響機組的性能系數。因此，機組設計時需取適當的過冷度，同時，將冷凝器出口液管中的高溫液體與外界冷介質進行熱交換也可減少閃蒸氣體；若機機組不存在過熱度時，系統會存在制冷劑液滴進入制冷壓縮機造成液擊等事故。過熱度太高也有缺點，過熱度偏高會引起壓縮機排氣溫度（排氣過熱度）升高，壓縮機運行工況惡化壽命降低，所以過熱度應該控制在一定范圍內。研究過冷度和過熱度的在制冷系統內的設計，對提高冷水機的系統性能和穩定性有重要意義。

秦研等[2]表明采用內螺紋管的冷凝器，換熱量增大2.5%，能效比增加3.3%。陳芝久等[3]表明了蒸發器與熱力膨脹閃各參教的動態分布數學模型，建立了調節回路的傳遞函數，分析了回路的穩定性，提出了若干改善系統穩定性避免振蕩的新意見，并作了試驗驗證；綜上所述，國內對冷媒系統局部的性能研究較多，但是對整體冷水機的問題研究較少。

本文通過參照理論計算冷媒系統模型，通過實驗測試數據，對冷凝器和蒸發器計算進行優化，設計并制造新型節能冷水機并提高冷水機能效，使冷水機運行時無論負載怎么變化，都能保證機組存在過冷過熱度，使機組能夠長期正常運行、控溫準確且無故障的運行。

1 設備工作原理

本文主要研究單級壓縮蒸汽制冷循環，提出一種制冷循環[4]，如圖1 所示。制冷劑在壓縮機1 作用下把低溫低壓氣體變成高溫高壓氣體，往BC 的方向進入冷凝器2，在風扇3作用下，加速與空氣發生熱交換，制冷劑由氣態變為液態，同時熱量被空氣帶走；C-D-E-F 過程，從冷凝器2 中出來的液體制冷劑經過干燥過濾器6，干燥、過濾雜質后通過液管電磁閥7、視液鏡8后到達膨脹閥9，F-G 過程中，高壓液體制冷劑通過熱力膨脹閥9節流降壓后，溫度降低，G-A 過程中，低溫低壓的制冷劑經過蒸發器11與冷凍水發生熱交換，使冷凍水到達設定溫度；經蒸發器11后出來的低溫氣體制冷劑回到壓縮機1，制冷系統如此循環。

圖1 冷水機原理

2 傳統冷水機結構及性能

如圖2 所示，傳統冷水機由壓縮機、冷凝器、殼管式蒸發器、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器或者是盤管水箱式一體的蒸發器，且水箱為矩形不利于水溫恒定，保護壓縮機的效果較差，此種設計方式大大降低了換熱效率，即浪費了成本，又不利于冷水機整體結構設計。盤管蒸發器實際中會因為運行中，銅管壁上會容易付著污垢，溫度低時會有一層薄冰，由于種種原因會大大降低了換熱效率，引起系統總體的不穩定性。由于傳統的冷水機這種換熱效率低引起的系統不穩定，系統中的過冷過熱度也會隨系統一樣表現出不穩定，極大地損害壓縮機的壽命和降低系統的制冷性能。

圖2 傳統冷水機結構

3 新型冷水機結構及性能

針對目前市場冷水機存在的缺陷，根據秦研等[1]對關于內螺紋管及光管冷凝器換熱效果的實驗分析，更改了冷凝器結構，有利于提高過冷度及減小冷凝器面積；根據相關研究對制冷原理的研究更換使用了板式換熱器，有利于提高系統過熱度減小蒸發器面積；根據謝仲銘[4]提出的圓形水箱理論，設計可以充分利用水箱中所儲存的媒介水，提高機器的控溫精度的同時也增加了對壓縮機的保護；輔助設備根據[5]選擇匹配的節流機構和[6]設計制冷裝置管道設計。綜上所述方法，結合冷水機對各大件在不同工況條件下測試所得數據進行計算及優化。設計了新型節能冷水機，以提高冷水機的運行穩定性節能為目的。從用戶使用角度出發，嚴格按照行業標準JB/T 12788 測試條件，設計出通過使用內螺紋管冷凝器和板式換熱器提高換熱效率，設計出換熱效率高、能效高且占地面積相對較小的冷水機。如圖3所示。

圖3 新型冷水機內部結構

3.1 內螺紋管冷凝器替換光管冷凝器模型

內螺紋管和普通光管如圖4～5所示。本文設計冷凝器使用翅片式冷凝器，通過相關傳熱計算確定主體結構和尺寸[7]。市場傳統冷水機是使用光管冷凝器和殼管式換熱器。與光管相比，螺紋管的優勢在于螺紋槽的形成，管內的氣流形成渦流，增強了湍流狀態下對流換熱的能力；由于螺紋槽的存在，管表面變得粗糙，破壞了空氣流動的邊界層，明顯地改進了層流狀態下空氣的對流換熱；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。

圖4 內螺紋管

圖5 普通光管

通過實驗測試，使用控制變量法，只更換相同面積的兩塊冷凝器測試。以內螺紋管翅片冷凝器和光管翅片冷凝器為變量，保持其他測試條件環溫35 ℃、水流量、溫差等參數不變，測試得出數據對比如表1 所示。實驗結果表明，在同等條件下測試得冷凝溫度、高壓壓力值，過冷度和能效比COP 等重要參數值效果都明顯優于普通的光管。證明使用內螺紋管即可提高換熱效率，又可減小冷凝器面積。

表1 內螺紋管冷凝器與普通光管冷凝器測試參數對比

3.2 板式換熱器替換殼管式蒸發器

如圖6～7所示，板式換熱器相對殼管式蒸發器具有傳熱系數高、體積小的特點。傳熱系數高：由于不同的波紋板是反向的，形成復雜的通道，使波紋板之間的流體在三維旋轉流中流動，在較低雷諾數下可產生湍流，因此傳熱系數較高，一般為殼管式的3～5倍。占地面積小：板式換熱器結構緊湊，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，新型冷水機設計的結構緊湊，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 的壓縮機的新舊型冷水機資料對比。使用殼管式蒸發器的占地面積（長×寬×高）906 mm×220 mm×370 mm，而使用的板式蒸發器的體積（長×寬×高）則為191 mm×38 mm×616 mm。占地面積遠小于殼管式換熱器，相關測試數據如表2 所示。結合實際案例可分析，板式換熱器不僅傳熱系數高，體積小，為結構緊湊、占地面積小的新型冷水機設計提供了條件。

表2 新舊機型參數對照表

3.3 儲存合適水量圓形水箱

圓形水箱使水的進出水角度沿水箱的切線方向流動，提高水箱冷凍水的利用效率，同時由于回水的壓力會攪動水往同一方向旋轉，使水箱水的溫度更均勻，控溫更加穩定，增加對壓縮機的保護；配合使用熱氣旁通，使機器在50%～100%的負荷下水溫都能穩定在±1.5 ℃運行。

如圖8所示的圓形水箱，水箱進水管1、水箱出水管3均與箱體2 相切，因而其進水方向及出水方向均與箱體2 相切，從而帶動箱體2 內的水轉動，即使得箱體2 內的冷凍水在水動力的作用下在圓柱形的箱體2 內自發攪動，最終使得箱體2 內各個部位的水溫穩定無溫差，箱體2內的冷凍水得以充分利用。

圖8 圓形水箱

4 關鍵技術和特色創新

（1）水管路系統采用PVC 管，節能節材、環保、輕質高強，耐腐蝕，且使用壽命長。增加前置過濾器，過濾水中雜質，提高蒸發器的換熱效率；冷凍水出水溫度穩定均勻，縮小壓縮機啟停過程中出現的出水溫差。

（2）通過計算優化模型和嚴格的測試標準，解決了使冷水機在任何工況下都能有過冷度與過熱度的問題，保護了壓縮機，提高機器的可靠度，保證機器的安全。為了避免偶然性，用同樣方法設計測試了3 款新型冷水機。表3～5 所示為新型冷水機SIC-25A-R2、SIC-33A-R2、SIC-49A-R2 在不同工況下的過冷度/過熱度，參照標準GB/T18430。通常冷水機過冷過熱度范圍3～6 ℃為佳。

表3 SIC-25A-R2國標工況下過冷過熱度

表4 SIC-33A-R2國標工況下過冷過熱度

表5 SIC-49A-R2國標工況下過冷過熱度

（3）根據谷波等[8]熱力膨脹閥與板式蒸發器的匹配問題包括容量匹配和系統穩定性要求兩方面的要求。兩者匹配有利于提高制冷效果，降低系統噪聲，并且對于系統的穩定運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器增加換熱效果，并測試選擇匹配最佳的熱力膨脹閥同時設計新型外觀，優化了整體結構。

5 結束語

本文結合冷水機制冷原理，基于傳統冷水機存在的缺陷，通過理論計算冷媒系統模型結合實驗測試數據，對冷凝器和蒸發器計算進行優化。通過實驗驗證及對比，不僅使冷水機的任何工況都存在合理過冷度和過熱度，而且系統制冷量及能效COP 較優化之前均有改善。進一步驗證了新型冷水機設計方法的合理性，為冷水機的性能改善在方法上提供了實際的參考價值。