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经济器在磁悬浮离心式冷水机组中的应用研究

发表日期:2019/10/14 10:17:29 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

冷水机组是目前制冷空调行业应用广泛的一种冷源形式。近年来随着磁悬浮轴承技术的出现,越来越多的离心式压缩机企业开始研发磁悬浮离心式压缩机。

与普通离心式压缩机相比,磁悬浮离心式压缩机由于没有机械摩擦,压缩机功耗更小,噪声更低;磁悬浮离心式冷水机组换热器处于无油状态,换热效率更高;无油循环使得机组结构紧凑,占地面积更小,可靠性更高。基于这些优点,殷平使用磁悬浮离心式冷水机组替代普通离心式冷水机组,汪洋等使用磁悬浮变频离心式冷水机组对某大厦原空调系统进行改造,都获得了很好的节能效果。

随着环境保护和节能的迫切需求,更进一步地提高性能系数一直是各企业追求的目标。经济器是实现冷水机组进一步节能的方案之一。杨丽等从理论循环角度分析了经济器补气口、经济器传热温差、冷凝器出口过冷度等对性能系数的影响。王继鸿等指出使用经济器可以进一步提升性能系数,存在最优的补气压力可以最大限度提升性能系数。

目前市场上磁悬浮离心式冷水机组的各企业对于经济器的使用策略差异很大,包括标配、选配或者不带经济器。基于此差异,笔者旨在研究经济器对磁悬浮离心式冷水机组性能系数的影响,以期对经济器的应用提供借鉴。

1  理论分析

1.1  典型工况点评估

经济器通常有2种类型,闪发式经济器和钎焊式板式经济器。闪发式经济器的主要优点是接近零的趋近温度和过热度,这有利于最大化压缩机补气口的质量流量,从而最大程度提升性能系数。但是,如果闪发型经济器的液位控制不稳会导致大量液态制冷剂进入压缩机补气腔。因为磁悬浮轴承依靠电磁力使轴承悬浮在特定的位置,大量液体进入补气口对磁悬浮轴承的冲击容易对轴承的定位和控制带来负面影响,会导致磁悬浮轴承位置超差甚至损坏。基于以上考虑,笔者分析时采用钎焊式板式换热器作为经济器。

笔者讨论的经济器用于中级带一个补气口的双级磁悬浮变频离心式压缩机。磁悬浮离心式冷水机组的理论循环压-焓图如图1所示。

如图1(a)所示,经济器关闭时的制冷循环为1—2—3—4—1。增加经济器后(见图1(b)),蒸发器主路的制冷循环为1—8—7—2′—3′—4′—1,经济器支路的循环为7—2′—3—5—6—7。经济器开启后,由于主路膨胀阀入口过冷度增大(状态点从4切换到了4′),蒸发器进出口焓差增大,在压缩机入口制冷剂状态不变时,制冷剂质量流量不变,制冷量会增加。与此同时,由于经济器补气引起总的压缩功增大,性能系数是否增加与压缩机制冷量和压缩机功耗增加的幅度有关。笔者重点分析经济器开启和关闭时机组性能系数的提升情况,假设经济器开启和关闭2种情况下压缩机的绝热效率不变,机组的性能系数提升的计算如下:

经济器关闭时的压缩机功率为

式中:P 为经济器关闭时压缩机功率(kW);M1为经济器关闭时蒸发器制冷剂质量流量(kg/s);h1和h2分别为状态1和2的制冷剂焓值(kJ/kg);ηs为绝热效率。

经济器开启时的压缩机功率为

式中:P ′为经济器开启时压缩机功率(kW);M′1为经济器开启时蒸发器制冷剂质量流量(kg/s);M6为压缩机补气口制冷剂质量流量(kg/s);h1,h′2,h7和h8分别为状态点1,2′,7和8的制冷剂焓值(kJ/kg)。

由经济器热平衡得到

式中:h3,h′3,h5和h6,分别为状态点3,3′,5和6的制冷剂焓值(kJ/kg)。

经济器关闭和开启时制冷量相同,有

式中:h4和h′4分别为状态点4和4′的制冷剂焓值(kJ/kg);φ为机组制冷量(kW)。

在制冷量不变(调节压缩机转速)的情况下,得到经济器开启后性能系数提升幅度为

式中COP 为性能系数(kW/kW)。

基于GB/T 18430.1—2007《蒸气压缩循环冷水(热泵)机组 第1部分:工业或商业用及类似用途的冷水(热泵)机组)》规定的冷水机组满负荷工况条件,由于换热器能力不同和压缩机设计的优化点等的多样化,下面针对一典型工况(压缩机吸气饱和温度5.5 ℃,压缩机排气饱和温度37.0 ℃)进行计算分析,同时忽略经济器开启对压缩机吸气和排气饱和温度的影响,压缩机经济器补气口压力取压缩机进、出口压力的平方根,得到图1中各状态点的物性参数值,见表1。

由表1以及前述理论计算公式得到表2所示的理论计算结果(制冷量取110 Rt,1 Rt=3.517 kW)。基于表1数据,增加经济器补气后磁悬浮离心式冷水机组的性能系数提升3.9%。

1.2  全运行范围评估

对于一个确定的机组配置,由于磁悬浮变频离心式压缩机转速可调,根据GB/T 18430.1—2007规定的名义工况可以达到的制冷量范围较广。另外,目标制冷量下适用的冷凝器进水温度的变化幅度较大,通常用户现场的蒸发器出水温度变化幅度很小,基于此,针对固定的压缩机吸气饱和温度(5.5 ℃)情况下,分析机组经济器开启后性能系数的提升程度随压缩机压比变化的规律。结果如图2所示(GB/T 18430.1—2007要求冷水机组冷凝器进水温度满足19~33 ℃要求,图中压缩机压比是基于排气饱和温度范围19~45 ℃计算得到的,对于冷水机组的运行工况,这个范围可以覆盖机组的运行水温范围)。

从图2可以看出,在压比较小(排气饱和温度很低)时经济器开启对提升机组性的影响能系数的作用很小,甚至可能会降低机组的性能系数。随着压比增大(排气饱和温度升高),经济器开启对性能系数的提升程度越来越大。

这里需要说明的是,以上分析中假定经济器开启后,机组的蒸发温度和冷凝温度不变,实际上由于经济器增大了蒸发器前的膨胀阀入口的液体制冷剂过冷度,在相同制冷量的情况下,蒸发器的制冷剂质量流量减小,使得压缩机吸气饱和温度升高;同样,由于机组效率的提升,使得冷凝器负荷减小,压缩机的排气饱和温度会有所降低,这样压缩机的压比会减小,实际性能系数会进一步得到提升。同时,由于经济器开启后,单级压比减小,压缩机的效率会得到提升,这会进一步提升机组性能系数。

下面基于测试样机进一步测试并验证经济器对机组性能系数的影响。

2  测试结果及分析

2.1  测试样机和测试装置

为了测试经济器对冷水机组性能系数的作用,笔者采用一款磁悬浮离心式冷水机组样机进行经济器开启和关闭时机组性能系数的对比测试。图3所示为该机组系统流程图。

如图3所示,被测样机是一台110 Rt的水冷式冷水机组。采用双级磁悬浮变频离心式压缩机,制冷剂采用R134a,冷凝器采用管壳式换热器,蒸发器采用满液式蒸发器,经济器采用板式换热器,电子膨胀阀以压缩机补气口处的过热度为目标值调节压缩机补气口的制冷剂质量流量,电磁阀用于开启和关闭压缩机的补气口,从而实现测试和机组运行时按照需求开启和关闭经济器的功能。

以下是试验内容:

1)经济器前电子膨胀阀设定不同过热度,评估过热度设定值对性能系数的影响;

2)不同名义制冷量工况下,经济器关闭和开启时机组性能系数的对比;

3)变冷凝器进水温度下,经济器关闭和开启时机组性能系数的对比。

2.2  测试结果

2.2.1  经济器前电子膨胀阀过热度设定测试

为了最大程度提升机组效率,经济器补气口的过热度不宜过大。另外,由于磁悬浮轴承依靠电磁力悬浮在特定位置,补气口带液对轴承的冲击和影响都很大,所以压缩机补气口的过热度值不宜过小。综合以上考虑,笔者在特定的过热度范围(4.4~6.7 ℃)对过热度目标值进行调整,评估此目标过热度对机组效率的影响。

根据GB/T 18430.1—2007的要求,满负荷制冷量通过压缩机转速的自动调节维持110 Rt时,经济器前膨胀阀过热度设定值分别取4.4 ℃,5.0 ℃,6.1 ℃和6.7 ℃,测试出的机组性能系数如图4所示。

磁悬浮离心式冷水机组性能系数的变化从图4可以看出,对于制冷量为110 Rt,过热度设定值在4.4~6.7 ℃之间时,过热度对机组性能系数的影响很小,在进行下面测试前,基于对于性能提升的影响以及减小压缩机补气口回液风险的考虑,最终过热度目标设定值取6.0 ℃。

2.2.2  变制冷量下经济器开启和关闭时的机组性能系数对比

由于磁悬浮离心式冷水机组采用变频技术,压缩机的转速可以根据制冷量需求自主调节,因此对于固定配置的机型可以运行的名义制冷量范围较广(根据GB/T 18430.1—2007规定的名义制冷量和与之对应的蒸发器和冷凝器水流量)。即使用户的制冷量需求不同,也可能选出相同的机组配置。但配置相同的机组会运行于不同的转速下,以达到不同的制冷量输出,其性能系数也会有所区别。

为了研究同一个固定配置(这里采用前述测试样机)不同制冷量下机组性能系数的差异,以及不同制冷量下经济器对性能系数的影响,笔者在GB/T 18430.1—2007规定的名义工况下,对不同制冷量(70 Rt,90 Rt,110 Rt,130 Rt和150 Rt)下开启和关闭经济器时的性能系数进行测试(不同制冷量测试时蒸发器水流量和冷凝器水流量根据标准要求进行设定),结果如图5所示。其中,综合部分负荷性能系数(IPLV)按照机组在特定负荷下运行时间的加权因素通过式(6)获得:

式中A,B,C 和D 分别为100%,75%,50%和25%负荷时的性能系数COP(kW/kW)。

注:以制冷量为110 Rt,经济器开启时的性能系数为基准。

冷水机组性能系数的影响从图5可以看出,随着制冷量的增加,性能系数出现先增大后减小的趋势。原因在于:一方面,随着制冷量从110 Rt逐渐增大,由于冷凝器和蒸发器换热面积不变,压缩机的吸气饱和温度降低,排气饱和温度升高,使得压缩机压比增大,功耗增大,所以性能系数逐渐降低;另一方面,随着制冷量从90 Rt逐渐减小,虽然压缩机吸气饱和温度升高,排气饱和温度降低,压缩机压比降低,压缩机功耗有降低趋势,但同时由于转速较低、压缩机运行工况远离最优效率区,导致单位质量流量的压缩机功耗增加,当压缩机效率降低导致的功耗增加的程度超过了压缩机压比减小带来的功耗减小的程度时,机组性能系数也会降低。基于此,压缩机在设计时有最优工况点,整机的设计和匹配工作应尽量靠近压缩机的最优效率区附近。

另外,经济器开启后,相对于经济器关闭时,性能系数(COP)均有提升,提升程度随着制冷量的提高而增大,提升程度为3.9%~6.9%。但是经济器开启对综合部分负荷性能系数(IPLV)的提升效果很小,仅有1%。这主要是因为在冷凝器进水温度降低以及制冷量减小后,经济器的补气量减小,对综合部分负荷性能系数的提升作用很小,而提升能力最大的满负荷工况的加权系数只有2.3%,参考式(6)。

2.2.3  变冷凝器进水温度下经济器对机组性能系数的影响

在全年运行过程中,冷水机组冷凝器进水温度长期处于变化中(相比冷凝器进水温度,客户需要的蒸发器出水温度的变化会小很多),下面笔者分别针对固定的制冷量(90 Rt,110 Rt,130 Rt,150 Rt),在不同的冷凝器进水温度下对开启和关闭经济器进行测试。根据GB/T 18430.1—2007,冷凝器进水温度分别为19 ℃,23 ℃,26 ℃,30 ℃,33 ℃和35 ℃(考虑到实际应用时,最高水温会超出标准要求的水温,结合机组的实际能力,增加了略高于35 ℃工况点)时进行测试,测试结果见图6。

                                                       

冷水机组性能系数的影响对于制冷量150 Rt,在做变冷凝器进水温度测试时,当冷凝器进水温度高于30 ℃或者低于23 ℃时,由于压缩机运行的限值保护,制冷量不能达到150 Rt,也就不存在150 Rt制冷量情况下开启和关闭经济器的性能对比。因此,对于制冷量150 Rt的变冷凝器进水温度情况测试,只对比了冷凝器进水温度23 ℃,26 ℃和30 ℃时的性能。

由图6可以看出,随着冷凝器进水温度的升高,经济器对性能系数的提升越来越大。在冷凝器进水温度19 ℃(此时压缩机吸排气压比在1.8左右)时,经济器对性能系数的提升基本没有效果,此时由于受压缩机补气口处过热度控制,经济器流量非常小,所以经济器的作用非常小。而随着冷凝器进水温度的升高,经济器的流量随之增大,同时对机组性能系数的提升越来越高,当冷凝器进水温度为35 ℃时,性能系数提升达到10%。

3  结论

正确应用经济器可以提升磁悬浮离心式冷水机组的性能系数,笔者通过理论分析和试验得出以下结论:

1)经济器前膨胀阀的目标过热度适宜在6 ℃左右,既能保持较高性能系数,又可以减小压缩机补气口回液风险。

2)增加经济器补气后,满负荷工况下不同制冷量和相应换热器水流量下,性能系数(COP)均有提升,提升幅度为3.9%~6.9%。

3)增加经济器补气后,综合部分负荷性能系数(IPLV)提升很小,只有1%左右,所以冷水机组增加经济器无法明显改善IPLV。

4)相同制冷量下,压缩机压比大于1.8时,经济器对性能系数有提升作用;随着冷凝器进水温度继续升高,经济器对性能系数的提升越来越大,最大可以达到10%。


本文选自《制冷与空调》2019年8月刊,作者:何浩  夏雨亮  陈维德;未经许可,不得转载


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