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換熱器試驗臺用制冷劑循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)的研究
發(fā)布時間：2017-11-22
空調(diào)器品質(zhì)要進(jìn)一步提高,除了繼續(xù)開發(fā)高性能壓縮機(jī)以外,必須加強(qiáng)對空調(diào)換熱器的研究,因為它們的不可逆損失要占總能量損失的30%~50%,體積和重量一般要占空調(diào)器的一半以上[1].因此,研究更加高效緊湊的空調(diào)換熱器已是當(dāng)務(wù)之急.
這里的空調(diào)器用換熱器指的是管內(nèi)工質(zhì)為制冷劑,管外工質(zhì)為空氣的冷凝器或蒸發(fā)器.試驗臺將在規(guī)定的工況下,對換熱器的傳熱性能(傳熱系數(shù)K和空氣換熱系數(shù)α等)和流體力學(xué)性能(制冷劑和空氣的流動阻力,空氣的流速等)進(jìn)行測試.該課題的技術(shù)關(guān)鍵可以分為制冷劑循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)(空氣溫度-10~60℃)和自動測量控制系統(tǒng)三部分.由于要求供應(yīng)制冷劑的狀態(tài)參數(shù)等,超出了目前制冷壓縮機(jī)的適用范圍,因此,制冷劑循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)的研制成為技術(shù)關(guān)鍵的重點與難點.本文將就制冷劑循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹.
1試驗工況與技術(shù)要求
為了對空調(diào)換熱器進(jìn)行超前的充分研究,所以制冷循環(huán)試驗工況范圍之大和要求之高都超過了標(biāo)準(zhǔn)(QB/T2098-95)房間空氣調(diào)節(jié)器用熱交換器的規(guī)定[2],具體數(shù)據(jù)如下(括號內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值):冷凝器的冷凝溫度35~65℃(54.4℃),精度±0.5℃(±1.0℃);冷凝器入口溫度50~130℃(90.0℃),精度±0.5℃(±1.0℃);冷凝器出口過冷度3~10℃(8.3℃),精度±1℃(±1.0℃);蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度-15~15℃(5.0℃),精度±0.5℃(±1.0℃);蒸發(fā)器出口過熱度3~30℃(5.0℃),精度±1℃(±2.0℃).
制冷工質(zhì)為R22,設(shè)計時,也要考慮可改用R134a.換熱器負(fù)荷測定范圍為1.2~7.0 kW.由于試驗工況是在上述范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)定的,所以制冷壓縮機(jī)的輸氣量必須連續(xù)可調(diào).為了研究含油量對傳熱的影響,要求輸入被測換熱器的制冷劑的含油量,在0~10%(質(zhì)量含量)范圍內(nèi)可隨意設(shè)定和人為控制(精度為±1%),這也是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所沒有的.
2技術(shù)方案的分析與研究
根據(jù)上述試驗工況和技術(shù)要求,如果采用普通制冷壓縮機(jī)循環(huán)作為換熱器試驗臺的制冷劑供應(yīng)系統(tǒng),是無法勝任的.主要存在三大問題:
1)現(xiàn)有國內(nèi)外市場上的制冷壓縮機(jī)都達(dá)不到試驗工況的要求.五家進(jìn)口壓縮機(jī)的情況如表1所示.
由表可見,額定最高冷凝溫度均小于65℃,額定最高蒸發(fā)溫度均小于15℃.此外,為試驗臺專門設(shè)計制冷壓縮機(jī),也是不現(xiàn)實的.
2)輸氣量的連續(xù)調(diào)節(jié)難以實現(xiàn).通過各種試驗工況和最大、最小換熱負(fù)荷下的熱力計算,可算出最大制冷劑流量為206.6 kg/h,最小流量為16.6 kg/h,最大流量是最小流量的12.4倍.在這樣大的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)輸氣量,無論采用能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或節(jié)流旁通回路都是困難的.若采用變頻調(diào)速的方法,在理論上是可行的.實際上,它也超出了目前變頻空調(diào)壓縮機(jī)的可調(diào)范圍.
3)制冷壓縮機(jī)排氣中的含油量是無法控制的.排氣中的含油量與壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、加工精度、運行工況、分油器的結(jié)構(gòu)與大小等多種因素有關(guān)[3].所以,對制冷劑中含油量的控制,不采取特殊措施是無法實現(xiàn)的.
因此,要解決本試驗臺的制冷劑循環(huán)供應(yīng)問題,必須擺脫傳統(tǒng)模式,探索新的制冷劑壓縮方式和循環(huán)系統(tǒng).作者提出了采用制冷壓縮機(jī)熱模擬系統(tǒng)的方案.主要思路是,首先把從被測換熱器(例如蒸發(fā)器)來的氣態(tài)制冷劑冷凝,經(jīng)溶液泵升壓,然后再加熱氣化.是一種主要通過消耗熱能來完成把低壓氣體壓縮成高壓氣體的過程.所以可以完全不受冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過熱溫度的限止.輸氣量連續(xù)調(diào)節(jié)的問題,可以通過溶液泵流量和氣化加熱量的調(diào)節(jié)來解決.熱模擬系統(tǒng)供應(yīng)的制冷劑是不含潤滑油的,只要在管路中設(shè)置注油計量泵,就可按需向制冷劑中定量注油.因此,采用制冷壓縮機(jī)熱模擬系統(tǒng)可以克服機(jī)械壓縮不能克服的困難.當(dāng)然,要構(gòu)成一個完善的制冷劑循環(huán)系統(tǒng),還需配套設(shè)計和使用一些加熱、冷卻、節(jié)流、分油等設(shè)備,詳見圖1.
3熱模擬系統(tǒng)的工作過程及特點
3.1工作過程
參照制冷壓縮機(jī)熱模擬系統(tǒng)流程圖,分別介紹被測換熱器為冷凝器和蒸發(fā)器時的工作過程如下:
1)被測換熱器為冷凝器,截止閥V1, V3, V5,關(guān)閉,其他截止閥開啟,使制冷劑按冷凝器試驗管線運行.高壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生的制冷劑飽和氣體,經(jīng)過加熱器加熱,注油泵注油后,以過熱蒸氣狀態(tài)P1,T1進(jìn)入冷凝器,并被冷凝成P4,T5狀態(tài)的過冷液體出冷凝器,再經(jīng)流量計G1、電子膨脹閥S2、電熱氣化器和分油器后進(jìn)入低壓穩(wěn)壓器,并被另一獨立的制冷系統(tǒng)冷凝,再經(jīng)溶液泵升壓后,送入高壓穩(wěn)壓器,完成一個循環(huán). P1,T1,T5為冷凝器試驗工況的設(shè)定參數(shù),P1由高壓穩(wěn)壓器內(nèi)的電加熱器H4控制,T1由電熱過熱器H5控制,T5由電子膨脹閥S2通過調(diào)節(jié)節(jié)流量來控制.為保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定,還有T9,P5和液位L1需要控制,除高壓穩(wěn)壓器內(nèi)液位L1由溶液泵的變頻調(diào)速器控制外,T9和P5分別由電熱氣化器H7和電熱平衡器H8來控制.
2)被測換熱器為蒸發(fā)器,截止閥V2, V4, V6關(guān)閉,其他截止閥開啟,使制冷劑按蒸發(fā)器試驗管線運行.高壓穩(wěn)壓器產(chǎn)生的飽和液體,經(jīng)過冷器過冷(被冷凍水冷卻),恒溫器加熱(精調(diào)過冷度)后,再經(jīng)流量計G2,注油泵注油后,以P2,T2過冷液體狀態(tài)通過電子膨脹閥S1進(jìn)入蒸發(fā)器,被氣化成P4,T5狀態(tài)的過熱蒸氣出蒸發(fā)器,經(jīng)分油器分油后,進(jìn)入低壓穩(wěn)壓器冷凝為液體,再經(jīng)溶液泵升壓后送入高壓穩(wěn)壓器,完成一個循環(huán).對蒸發(fā)器試驗,T2,P4,T5為工況設(shè)定參數(shù). T2由恒溫器H6控制,P4由平衡器H8控制,T5由電子膨脹閥S1通過調(diào)節(jié)節(jié)流量來控制.其余如液位L1的控制與冷凝器試驗相同,而P2則由H4來控制.
3.2特點
1)除被測換熱器出口制冷劑的溫度T5由電子膨脹閥間接控制外,其他溫度和壓力的控制,都采用調(diào)節(jié)電加熱量的方式進(jìn)行,達(dá)到了既快捷又精確.
2)高壓穩(wěn)壓器供應(yīng)的制冷劑不帶潤滑油.若要做帶油制冷劑試驗,只要啟動注油計量泵,并按行程―――注油量曲線調(diào)整好行程,即可均勻地定量注入潤滑油(精度≥±1%).同時啟用換熱器后的高效分油器(氣流速度<0.05 m/s),并可把分離出的油放回油箱,循環(huán)使用.
3)溶液泵為隔膜式計量泵,既無泄漏之嫌,又有很高的精度.并通過高壓穩(wěn)壓器內(nèi)的液位傳感器自動變頻調(diào)速,使高壓穩(wěn)壓器保持一定的液位L1,再加上H4加熱量的可調(diào)性,實現(xiàn)了制冷劑流量的連續(xù)可調(diào).
4)適用性大于制冷壓縮機(jī).本系統(tǒng)雖然按R22設(shè)計,同時考慮了改用R134a的因素,實際上只要在壓力、溫度容許的范圍內(nèi),也適用于其他制冷劑的試驗.
4結(jié)論
1)制冷壓縮機(jī)熱模擬系統(tǒng)解決了現(xiàn)在制冷壓縮機(jī)在高要求下無法解決的問題.理論上,它可以提供任何壓力、任何溫度、任何流量及任何含油量的制冷劑.
2)用調(diào)節(jié)電加熱量的方法來控制系統(tǒng)的壓力與溫度,是一種可靠、快捷和精確的調(diào)節(jié)方法.
3)本系統(tǒng)除了能供測試蒸發(fā)器和冷凝器的綜合性能試驗臺應(yīng)用外,還可延伸到供測量除制冷壓縮機(jī)以外的任何設(shè)備和管路特性的試驗臺應(yīng)用.為制冷系統(tǒng)的仿真研究提供了有利條件.
摘自：中國計量測控網(wǎng)
