您现在的位置:机电论文网>> 家用电器>> 正文内容

空调水蓄冷过程试验研究

作者: 来源: 发布时间:2006/5/12 21:17:07  点击数:6760

【关键词】制冷系统,蓄冷系统,试验装置

【论文摘要】阐述了自行研制的空调水蓄冷试验装置的特点,并在该试验装置上进行了水蓄冷过程试验,得到了水蓄冷过程中蓄冷桶进出口温度、蓄冷桶蓄冷量、主机制冷量、蒸发温度、排气温度及冷凝温度随时间的变化规律,这些规律对了解蓄冷过程的动态特性非常有用,从而为分析水蓄冷过程提供了实际依据。

1 前言

  空调蓄冷就是贮存电网低谷时段的能量,而在需要能量的峰值时段,将贮存的冷量释放出来以满足空调负荷的要求。目前,用于空调蓄冷的形式较多,按贮能方式可分为显热蓄冷和潜热蓄冷两大类;按蓄冷介质可分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷三种形式。

  水蓄冷系统是利用水的显热来储存冷量,水经过冷水机组冷却后储存于蓄冷桶中用于次日的冷负荷供应,即夜间制出5 ℃左右的低温水,该温度适合于大多数常规冷水机组直接制取冷水。蓄冷桶储存冷量的大小取决于蓄冷桶储存冷水的数量和蓄冷温差。温差的维持可通过降低储存冷水温度、提高回水温度以及防止回流温水与储存冷水的混合等措施来实现,典型的水蓄冷系统其蓄冷温度在4℃-7℃之间。

  水蓄冷桶中的水温分布是按其密度自然地进行分层,在水温大于4℃的情况下,温度低的水密度大,位于蓄冷桶的下方,而温度高的水密度小,位于蓄冷桶的上方,在充冷或释冷过程中控制水流缓慢地自下而上或自上而下地流动,整个过程在蓄冷桶内形成温度分层。

2 试验装置

  蓄冷空调试验装置是制冷、蓄冷空调系统重要的测试设备。在该试验装置上可以进行水蓄冷、放冷,高温相变材料蓄冷、放冷,制冷系统过冷循环,毛细管和膨胀阀节流等性能试验,同时还可进行制冷系统冷量、功率及效率的测量。

  该试验装置主要由制冷系统和蓄冷系统两大部分构成。制冷系统是由压缩机、风冷冷凝器、毛细管、膨胀阀、过冷器及板式蒸发器构成;蓄冷系统是由水蓄冷器、高温相变蓄冷器、量热器及风机盘管等构成。如图1 所示为该试验系统的流程图,在该系统中可进行如下项目的试验:

图1 蓄冷空调试验系统流程图

1-压缩机 2-风冷冷凝器 3-电磁阀 4-毛细管 5-板式蒸发器 6-过冷器 7-膨胀阀 8-量热器 9-风机盘管 10-高温相变蓄冷器 11-水蓄冷器

  (1) 测量制冷系统冷量时,阀门F1 、F4 、F5 开启,启动水泵1。
  (2) 制冷系统单独向风机盘管供冷时,阀门F1 、F7 、F8开启,启动水泵1。
  (3) 制冷系统单独向高温相变蓄冷器充冷时,阀门F1 、F10 、F11开启,启动水泵1。
  (4) 制冷系统单独向水蓄冷器充冷时,阀门F1 、F14 、F15开启,启动水泵1。
  (5) 高温相变蓄冷器向过冷器供冷时,阀门F2 、F12 、F13开启,启动水泵2。
  (6) 水蓄冷器向过冷器供冷时,阀门F2 、F16 、F17开启,启动水泵2。
  (7) 高温相变蓄冷器单独向风机盘管供冷时,阀门F3 、F6 、F9 、F13开启,启动水泵2。
  (8) 制冷系统和高温相变蓄冷器并联向风机盘管供冷时,阀门F1 、F7 、F8 和F3 、F9 、F13开启,启动水泵1和水2。
  (9) 制冷系统和高温相变蓄冷器串联向风机盘管供冷时,阀门F1 、F8 、F9 、F10开启,启动水泵1。
  (10) 若运行制冷系统,再依次开启电磁阀、冷凝器风机及压缩机。

2.1 制冷系统

  该制冷系统的名义工况制冷量为6kW,冷凝器采用风冷强制散热,蒸发器采用高效板式换热器,节流机构为毛细管和膨胀阀,在制冷系统中并联安装,既可以各自独立使用,又可以联合使用,这样,能够测出毛细管和膨胀阀对制冷系统性能的影响。另外,在冷凝器出口和膨胀阀入口之间加装了一台板式换热器,它起过冷器的作用,分别利用水蓄冷桶和高温相变蓄冷槽储存的一部分冷量对其进行过冷,以增加制冷系统的冷量和性能系数(COP) 。

2.2 蓄冷系统

  蓄冷系统分别由水蓄冷罐和高温相变蓄冷槽组成。水蓄冷罐是垂直放置的圆柱形蓄冷桶,内径为0.6m ,高2m。在相同体积下,圆柱形表面积与体积比要比长方形小,因此,圆柱形的冷损失较小。高温相变蓄冷槽为长方形,蓄冷平板被整齐地堆放在蓄冷槽内,载冷剂溶液在层与层之间通道内流过,与板内的相变蓄冷材料进行热交换。

2.3 量热系统

  量热系统的主要作用是测出制冷机和蓄冷系统的冷量。它由两组电热管组成,一组为4kW,由调压器进行功率调节;另一组为3kW,由温控器控制其开停,待测试系统的参数稳定后,从功率表上读出其实践参数,即为要测的冷量。另外,压缩机功率也可直接从其功率表上读取。

2.4 数据采集系统

  该系统采用了一台美国惠普(HP) 公司的数据采集仪,它能进行多种信号的采集和处理,另外将该仪器与一台586微机组连,以便适时监测试验数据,另外它还可处理、保存并最终打印出试验结果。试验时,分别在压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等部件的进出口,以及水蓄冷的进出口和蓄冷桶内布置多对热电偶,以便测量水蓄冷系统工作时各处的温度变化,从而为研究水蓄冷系统的动态特性奠定基础。

3 试验过程及分析

3.1 试验过程

  进行水蓄冷试验时,将各阀门调节到蓄冷状态并启动循环水泵和制冷机。在蓄冷桶内、蓄冷桶进行出口处以及压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器等部件的进出口处均布置有热电偶,以测得水蓄冷过程中其温度的变化规律。如图2所示为水蓄冷时,各热电偶在系统中的布置,图中序号为各热电偶的编号,计算机每间隔一定时间向数据采集仪发出采样信号,数据采集仪分别采集各热电偶的温度值,并送回计算机进行数据保存和处理。

3.2 试验分析

  控制冷热水分层的驱动力是浮力。因为一般在水温高于4℃的时候,随着温度的下降,水的密度要变大,但是当温度降到4℃时,水的密度达到最大值,并且随着水温从4℃降到0℃,其密度是逐渐减小而不是增加的。正因为如此,大多数水蓄冷系统中的充冷水温度一般限制在4℃以上,亦即4℃-7℃。

  水蓄冷桶的蓄冷量的大小主要是利用测得桶内温度后进行计算得到。蓄冷桶内的蓄冷量为:

    Q = ên1C·ρ·V·dt (1)

  式中

    Q —蓄冷桶在沿其水流方向水温变化为dt 时蓄冷量,kJ;
    C ———水的比热,kJ/kg·℃;
    ρ———水的密工,kg/m3 ;
    V ———蓄冷桶内容积,m3 ;
      V = F·H;
    F ———蓄冷桶垂直于水流方向的横截面积,m2 ;
    H ———蓄冷桶高度,m ;
    t1 .tn ———蓄冷桶各测量点水温,℃;
    dt ———沿水流方向水温的变化,℃;

图2 水蓄冷时系统循环及热电偶布置

图3 热电偶在蓄冷桶内布置

  式中C、ρ、V 项均为常数,故蓄冷桶内的蓄冷量可通过测得蓄冷桶内各点温度这一参数由上式计算得到。

  根据蓄冷桶内温度设置,可将蓄冷桶内沿高度方向分成五等分(即五层),如图3所示为热电偶在蓄桶内的布置。测得各时刻下的温度值后,就可计算每一时刻下各层的蓄冷量,然后将各层的蓄冷量相加就可得到整个蓄冷桶的蓄冷量。

  设每层的起始温度为t01、t02、t03、t04、t05、t06,在某一τ时刻的温度为tτ1、tτ2、tτ3、tτ4、tτ5、tτ6,则在τ时刻时每层的蓄冷量分别为:

Qτ1=ρV1C(t01+ t022-tτ1+ tτ22) (3)
Qτ2=ρV2C(t02+ t032-tτ2+ tτ3) (4)
Qτ3=ρV3C(t03+ t042-tτ3+ tτ42) (5)
Qτ4=ρV4C(t04+ t052-tτ4+ tτ52) (6)
Qτ5=ρV5C(t05+ t062-tτ5+ tτ62) (7)
Qτtot=Qτ1+ Qτ2+ Qτ3+ Qτ4+ Qτ5=ρVC5[ (t01+ t062+ t02+t03+ t04+ t05) - (tτ1+ tτ62+ ) tτ2+ tτ3+ tτ4+ tτ5) ]  (κJ ) (8)


图4 蓄冷量随时间的变化


图5 蓄冷桶进出口温度随时间的变化

  如图4所示为蓄冷量随时间的变化,从图中可以看出,随着蓄冷过程的进行,蓄冷量近似成线性增加。如图5所示为蓄冷桶进出口温度随时间的变化,从图中可知,蓄冷桶进出口温度随蓄冷时间增加近似成线性降低,直至蓄冷桶进口温度接近4℃时为止,这时停止蓄冷(亦即蓄冷过程完成) 。

  由图5中可看出,蓄冷桶的进出口温度始终保持一定的传热温差(4.5℃左右),温差的大小与蓄冷水的流量有关,在蒸发器制冷量一定的情况下,蓄冷水的流量越小,蓄冷桶的进出口温差就越大,我们控制蓄冷水的流量在1.3m3/h ,目的使其进出口温差(4.5℃) 控制在冷水机组进出口温差正常值范围内(4℃—6℃) 。


图6 蓄冷时主机蒸发温度随时间变化


图7 蓄冷时主机制冷量随时间的变化

  如图6、7所示分别为蓄冷时主机的蒸发温度和制冷量随时间的变化。从图6 中可以看出,在主机刚起动一段时间(0 - 1000s) ,由于压缩机流量很大,而流经膨胀阀的流量很小,使蒸发器内工质数量迅速减小,压力降低,故其蒸发温度也迅速降低。当蒸发器内工质数量减小到一定程度时,流动工质的蒸发潜热已不能满足蒸发器的吸热要求,蒸发器出口处的制冷剂出现过热,亦即其过热度将增大,这时膨胀阀的开启度随着过热度增大而开大,制冷剂流量增加,制冷量也增加,这时出口处的制冷剂过热度逐渐减小,膨胀阀又自动调小其开度,膨胀阀就是根据蒸发器出口处的过热度大小(它反映蒸发器制冷量的大小) 不断反复地调节其开启度,从而控制蒸发器制冷量稳定。从图6 中还可看出,在蓄冷过程后期蒸发温度有所下降,这是由于随着蓄冷桶内水温的下降,蒸发器的热负荷减小,其出口过热度也减小,这时膨胀阀调小其开度,而此时压缩机仍以恒定的流量吸入蒸发器中的制冷工质,这样就势必造成蒸发器内压力下降,从而也使其蒸发温度下降。从图7 中可以看出,在刚起动一段时间主机制冷量迅速增大,随着蓄冷过程的进行,主机的制冷量有所减小。这是由于在刚起动一段时间内,蒸发器出口过热度逐渐增大,使其膨胀阀的开启度逐渐增大,流量增加,从而导致制冷量迅速升高。然后随着蓄冷桶内水温的逐渐降低,负荷减小,制冷剂质量流量逐渐减小,制冷量也随之减小。

  如图8、9所示分别为压缩机排气温度和冷凝器出口温度随时间的变化。从图8中可以看出,在刚起动一段时间内,压缩机排气温度迅速上升,随后进入一段相对稳定阶段,图9中冷凝器出口温度的变化与图8类似。这是由于在开机初始阶段,由于压缩机流量与膨胀阀流量相差悬殊,造成冷凝器内积聚大量过热气体,热量来不及散发,使得压力急剧增加,冷凝器内温度急剧升高;而压缩机排气压力受冷凝压力的影响,冷凝压力增大,压缩机排气压力也增大,从而导致压缩机排气温度升高。随着压缩机的继续运行,压缩机流量和膨胀阀流量逐渐趋于平衡,冷凝压力也趋于稳定变化,从而使得压缩机排气温度和冷凝器温度趋于稳定。


图8 压缩机排气温度随时间变化


图9 冷凝器出口温度随时间变化

  机流量和膨胀阀流量逐渐趋于平衡,冷凝压力也趋于稳定变化,从而使得压缩机排气温度和冷凝器温度趋于稳定。

4 结论

4.1 通过水蓄冷过程的试验研究,可知水蓄冷过程主要是利用水的温度分层进行蓄冷,其蓄冷水温最好不要低于4℃。

4.2 蓄冷过程中蓄冷桶进出口水温近似成线性降低,并且保持一定的传热温差,温差的大小可以通过蓄冷水泵在一定的范围内进行调节。

4.3 蓄冷过程中,压缩机排气温度、冷凝器的出口温度在刚起动的一段时间内,温度迅速上升,随后过入一个相对稳定阶段,亦即水蓄冷过程对主机的性能没有影响。

4.4 蓄冷过程中,主机的制冷量在起始阶段迅速增大,随着蓄冷过程的进行,主机的制冷量有所减小,但减小得不是很多。而蒸发温度在起始阶段迅速降低,随着蓄冷过程的进行,蒸发温度基本稳定,只在蓄冷过程的后期才有所下降,它对整个蓄冷过程和主机的性能没有什么影响。


更多
字体:【】-【】-【】【关闭此页

上一篇:120万大卡/h单机配打双级压缩冷冻'   下一篇:如何解决空调专业与装修专业在实际工程'


特别声明:机电之家(http://www.jdzj.com )所共享的机电类资料,机电论文、机电类文章、机电企业类管理制度、机电类软件都来自网上收集,其版权归作者本人所有,如果有任何侵犯您权益的地方,请联系我们,我们将马上进行处理。购买的论文都出自原创,保证作者的原创的版权的转让,任何纠纷由法律解决。