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欧宝体育官方网页登录:冷水机组原理与设计一

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  水冷系统的冷源是一台或多台冷水机组。理解如何从市场中选择不同的冷水机组并正确使用是必须的。

  在风机盘管冷水系统的设计中,已经涉及选择冷水机组。在选型之前,先要了解可用机组的型号和技术参数。只有了解机组的性能,才能正确地选对型号。

  选择控制区计算峰值冷热负荷选择室内风机盘管末端设备选择末端控制类型水管路设计冷凝水管路设计选择冷水机组选择辅助设备。

  下图是一个典型的冷水机组运用冷却塔运行的系统图。机组由以下七个基本部件组成:

  1-蒸发器;2-压缩机;3-冷凝器;4-节流装置;5-润滑油系统;6-控制中心;7-辅助设备。

  辅助设备包括电机启动器、油分离器、油冷却器、储油器、经济器等等。——这些可能是机组的一部分也可以在现场增加。

  循环水泵使冷冻水在蒸发器中循环,将温度由54℉降至44℉并送至建筑负荷。

  在制冷循环中,机组的作功(压缩热)加上蒸发器中吸收的热量一起从冷凝器中排走。

  冷凝水泵使水从冷凝器中带走热量,并由冷却塔将热量释放。在设计条件下,进入冷凝器的水温85℉,出水温95℉。

  按排热方式分类:机组可以有风冷和水冷的冷凝器,它们称为风冷机组和水冷机组。

  按提高制冷剂温度的方法分类:可以通过机械压缩或化学反应来提高制冷剂温度温度。压缩方法包括:

  吸收机组是用水做制冷剂的机组。盐类和水蒸气被用以吸收冷负荷并由冷却塔释放热量。

  理解机组运行的关键是理解制冷循环。我们来看看循环中工质在各设备中的变化。

  如下图,工质的P-H图是理解机械制冷循环的一个有工具。基本循环告诉我们能量在机组及其辅助设备中是如何变化的。这个循环还可以用于确定蒸发器和冷凝器的水流量。

  这是对第一周的商务系统设计课程的一个简要的回顾,现在没必要再详细地讲了。我们从液体工质离开冷凝器(D点)开始循环。液体经过膨胀阀进入蒸发器,经过膨胀阀时部分液体变成了气体(闪蒸气)。闪蒸气体冷却了剩余液体最后混合进入蒸发器(E点)。这是一个等焓过程。

  在蒸发器中,工质吸收来自冷冻水的热量,将其从54F冷却到44F。在E到A的过程中液体完全蒸发,在A到B的过程中过热,至此,冷负荷都被工质吸收了。这是在约34F的饱和蒸发温度(SET)下进行的。

  气态工质现在从B进入压缩机。压缩机作功提高工质的压力和温度。这个功叫做压缩热(H.C.),从P-H图上看到这个过程增加了工质的焓值。过热的蒸汽在C离开压缩机。

  过热蒸汽由C进入冷凝器,在那里与从冷却塔来的冷却水接触。工质将热量传给冷却水使水温由85F升至95F。在这个过程中工质先降低过热度,再冷凝由C返回D 。

  这样,冷凝器将冷负荷和压缩机加入的额外热量释放给冷却塔。压缩机效率越高,释放的热量就越少。

  机组冷量以冷吨来计算。根据定义,一个冷吨是24小时内制一吨冰所需的冷量。

  在冷凝器中,压缩机所带来的热量也要加到冷负荷的GPM中去。一般认为这里的冷负荷平均会增加20%,冷凝器所释放的热量变为(12000×1.20)=14400Btuh。

  注意:老式的机组没有那么好的效率,一般认为冷负荷经压缩机将有25%的增加。这种情况下方程变为:

  2-压缩机中的压力升高“Lift”(Pc-Pb)。这与压缩机的压缩比有关;

  在当今的市场中,能源选用和消耗是选购机组前要重点考虑的。廉价能源的时代已经过去了。小型设备在建筑成本上升价后又被重视。

  因此,上面三项做改进的任何设备和都可以节能和减小机组尺寸。我们来看厂商常用的措施。我们将从降低压缩机压升开始。

  任何改善上述3项的设备都会降低冷水机组的能耗和尺寸。我们先看降低压缩机的压升“lift”。

  压缩机压升:压升指压缩机将工质的压力提高。压升的概念就像供水的水压头一样。

  提饱和蒸发温度的潜力与制造商提供的可选择性及设计者选择的可行方案直接相关。

  所有的方法与理解热交换过程相关。我们将先详细了解基本的蒸发器热交换过程,然后再了解那些因素会影响热交换过程。

  水沿水管内流动,制冷剂以“浸没”的方式包围水管。制冷剂吸收通过水管的水的热量并且在管外沸腾。

  通常来说,15PSI或者35ft.的水压降被认为太高了。水流速达到12ft/秒就可以导致压降超过40ft.。因此,8到10ft/秒的速度通常被采用。

  制冷剂沿管内流动。管束穿过一些通常由聚丙烯制成的内部隔板。隔板引导水进入而且当水从一端流到另一端时使水上上下下通过管子。这提供了最佳的热交换形式。水流速度及压降与隔板间距有关。

  通常来说,15PSI或者35ft.的压降被认为太高了。水流速达到3ft/秒就可导致压降为40ft.。因此,1.5到2.5ft/秒的速度通常被采用。

  往复式和螺旋式冷水机组都采用这种方案。往复式和螺旋式压缩机用泵抽取含较多润滑油的制冷剂。干式蒸发器允许油和制冷剂一起通过管子内部到一个它能被分离并返回油泵的地方。满液式蒸发器的油分离是很大的很复杂的设计问题。

  无论那种类型,铜管的每一端被扩大,在蒸发器的两端对制冷剂和水实现密封隔离。制造商也提供内螺纹管强化热交换。管子可以从蒸发器的任何一端换下而且可以从顶端来进行管子的检查。

  两种蒸发器类型的外观见下图。法兰连接的水进、出口在管壳的顶端。系统冷冻水管将和法兰连接。蒸发器所有外表面用0.75英寸的闭孔保温层和隔汽层覆盖,以防止在潮湿的环境条件下结露。

  总换热量:在定压过程中加给或从制冷剂中提取热量导致制冷剂的状态变化。使蒸发器内制冷剂状态从液体到蒸气的热量称为“汽化潜热”。

  在蒸发器中,蒸发在恒温(SET)下进行。SET是饱和蒸发温度。热交换速率直接和进水温度差及出水温度差有关。冷凝器和蒸发器中流体和制冷剂间总换热量都可以表达为:Q=U*A*MTD

  这样,对蒸发器来说,饱和制冷剂温度。(SET)在MTD确定后可以计算出来。显然,对一个给定的蒸发负荷(Q)来说如果MTD减少(SET)将会升高。

  这样,为了减少MTD,无论通过产品的应用或设计,冷水机组必须增加热交换面积(A)或增加传热系数(U)。我们来看看增加的传热系数(U)。

  增加“U”:管子中流体和制冷剂之间的温度差(MTD)是克服传热阻力进行热交换的推动力。传热阻力由四部分组成,它们都和传热系数(U)有关。

  4-制冷剂膜热阻,它来自制造商的测试数据,是热交换器设计、使用的制冷剂和管表面几何特性的函数。

  前三项阻力是变化的,约占全部阻力的75-80%。这三项阻力由应用或选择热交换器来控制。下文来描述这些变化对(SET)的影响。

  水膜热阻:流过管子的流体形成一层静态的薄膜或边界层,在管壁处有零速度。薄膜类似于绝缘体而阻碍来自管壁的热流。速度越低,薄膜越厚,热阻也就越高。

  和10英尺/秒的速度相比,4英尺/秒的流速增加了水膜热阻,从总热阻的37%增到55%。

  同时,因为总热阻增加了,为了以低于4FPS的速度传送同样的热量,MTD将不得不升高且SET下降。对给定的热交换器来说,管路速度通常可以由制造商的目录或计算程序得到。

  在应用热交换器时,管速通常应该保持在3到12FPS之间。速度低于3FPS导致层流(厚的边界层),水膜热阻(RW)急剧增加。

  对高流速的限制基于合理的压降并使可能的管路腐蚀减到最低。为造成腐蚀,某种作用因子必须穿透流体边界层。导致管路损坏的作用因子可以是化学的、机械的、或两者皆有。化学因子扩散通过流体薄膜作用到管子。机械作用因子是气泡或悬浮粒子撞击管壁。开利研究部门的测试表明流体本身的速度并不损坏管子—甚至流速达到24FPS 。当然,如果流体携带有害因子,提高流速就会加大损害。

  设计速度的选择应该包括经济性的评估。传热系数与速度的0.8次幂成正比,大的流速可以导致更小的设备—初投资少。但是这必须与高速度下的泵能耗增加相平衡。

  速度因子K对每一台热交换器型号是一个常数,并且是流体通过的管子截面积的函数。

  可以增加或减少流程数来提高或降低管速。例如:120GPM流过热交换器,K值为10,对应1,2,3流程将会有6,12,18FPS的管速。流程数越多速度越高是因为水流通的截面积减少了。

  由于对管速的最高限制,一种实用的方法是给定合理的压降限制(15到30英尺wg)。只要压降允许,热交换器可选择大到12FPS的管速。这种方法可以确定合适的运行费用,最小的腐蚀,并选择较低成本的热交换器。

  污垢热阻:污垢是由流体中的矿物质或悬浮物沉淀在热交换器管表面形成。热交换器一旦投入运行,污垢就开始形成了。污垢用一个数字表示(.0005)。

  污垢热阻占全部热阻的百分比随着污垢的增加而升高。0.0005时污垢占全部热阻的39%,在0.002时将升高到72%。随着污垢热阻的升高,传热系数(U)将降低。这样,为了传送同样的热量(Q),必须增加温度推动力(MTD),最后的结果是饱和蒸发温度的降低。

  污垢的数量级取决于通过管子的流体的质量以及悬浮物的数量和特性。热交换器选择的合理污垢系数是很重要的,并且必须对每一项工程单独评估,决定合理的污垢系数。

  对于较高的污垢系数要求使用较大型的热交换器,这样会增加冷水机组的初装费用。另一方面,条件允许时,设备选择应基于小的污垢系数,否则,将会导致容量不足和运行不稳定。

  蒸发器是封闭式水循环的典型部分,并不产生很多的污垢。美国制冷学会ARI,一个自我控制的工业组织,已经提出蒸发器用0.00025污垢系数作为评估冷水机的标准。在最终的分析中,它应由水处理专家和顾问工程师共同按既定应用的蒸发器工况去建立最终的污垢系数。

  金属壁面热阻:制造商可以选用任何材料,从通常使用的铜到奇特的品种,象钛制成的制冷机。金属热阻力有很大的不同,而且能深深影响设备的尺寸和能耗。

  例如,和铜管相比,使用70-30铜镍合金管的热阻会从占全部热阻的2%提高到23%。总热阻的增长导致饱和蒸发温度的下降。

  一般在蒸发器中使用铜管,它是封闭管路循环的一部分。其它类型的材料很少在蒸发器中使用。

  制冷剂膜热阻:我们现在从这一领域最新技术发展的角度来看制冷剂薄膜的热阻。制冷剂沸腾或冷凝时的热交换系数小于水流过管子的好几倍。因此,通常在管子的外表面制作翅槽。结果使外表面积增加到管内表面积的4或5倍。这些超出的面积减小了热交换通量(Btu/sq.ft.),并减少了制冷剂薄膜热阻。

  高效能管(增加了每英寸的翅数)进一步减小了热交换通量。此外,已经发现弯曲翅的顶端可以急剧减小制冷剂薄膜。另一个表面构造也有显著效果,制造商现在也开始在标准生产线上采用这些技术。

  增加传热表面积:在所有影响饱和蒸发温度升高的变量中,增加热交换表面积是人们使用和选择冷水机组最常用的控制方法。

  有些冷水机组在所有四个方面都有灵活性,有些就受限制了。无论你选择了什么,增加蒸发器热交换面积可以提高饱和蒸发温度并且改善机器性能。

  水冷:水沿管内流动时,从压缩机出来的热的制冷剂气体在管子的管壳侧凝结。外面有鳍的铜管通常在两端用机械扩管以保证热交换器内的制冷剂和水之间的密封。卸掉端盖可以从任何一端更换或清洗管束。

  不像蒸发器,冷凝器几乎总是像冷却塔一样采用开放式循环。有时候像河、湖、井或城市用水都可以采用。可用的水温度根据水源和季节而变化。

  因此,管子内部要不断的通过定期清洗来清除污垢。和蒸发器一样,压降超过35ft就被认为太高了。

  水流速保持在3ft/s和12ft/s间可以使压降和水中微粒引起的管子腐蚀最小。

  冷却塔通常使冷凝器进水温度达到85F并且出水温度达到95F。这使饱和冷凝温度达到105F。

  风冷:制冷剂沿管内流动,管子外面有机械固定的金属翅片。周围的空气靠冷凝风扇通过管束。空气一般以95F进入,105F排出。饱和冷凝温度大约在125F左右-高于通常的水冷设计。

  往复式和螺杆式制冷机采用风冷冷凝器,因为它们是固定排量的机器,并且以较高的压缩比运行。离心式制冷机对高压缩比敏感,通常不采用风冷冷凝器。

  在水冷冷凝器中,冷却塔的水流过冷凝器管子。水通常以85F进入并且当它通过冷凝器后被加热到95F。

  制冷剂释放热量给水-从气体冷凝成液体。冷凝过程发生在饱和冷凝温度105F。

  减少冷凝器MTD将导致较低的饱和冷凝温度。为了减少冷凝器MTD,传热系数(“U”)或热交换面积(A)必须增加。这和前面我们在蒸发器设备中采用的一样。

  然而,当考虑冷凝器时,一个因素更显著了—水侧的污垢热阻。冷凝器使用开放式的水系统并由冷却塔、湖水、河水等供水。所有这些来源造成了冷凝器管子内的污垢沉积,冷凝器必须定期清洗。

  不仅污垢随时间增加,而且许多应用场合需要使用像铜镍合金或不锈钢这样的特殊管材,造成了更高的金属热阻。

  当考虑增加冷凝器面积时,蒸发器已讨论过的原理同样可用于水冷机组中。对风冷机组来说,机组尺寸的增加通常是提高冷凝器面积唯一的方法。

  在设计负荷下,水冷冷凝器将以105F的饱和冷凝温度运行。冷却塔将送回大约85F的水。

  在部分负荷下,冷却塔可以生产更低的水温,因为室外空气有更低的干球和湿球温度。

  保持塔回水温度是为了确保冷凝器中制冷剂压力维持比蒸发器压力足够高。这压力差用于满足蒸发器内制冷剂的合适流量。如果流量不足,蒸发器将会“挨饿”,压缩机会提供比原先通过节流装置的更多的制冷剂。蒸发器压力将下降而且机组在较低的制冷剂温度下会跳闸或者更糟—一些管子被冻裂。

  随着直接数字控制和电子膨胀阀的出现,可以比以前更好地实现更精确的制冷剂供给控制。

  这样,对于特殊的水冷机组和机组负荷,塔的水温可以降到55F。携带微处理器的制冷机可以处理所有参数并确保机器安全运行。

  这个(85-55=30F)的多余30F的冷凝温度的减少直接导致压缩机动力的显著减少。

  风冷机组同样,除了它们在超出室外空气条件的范围运行。设计冷凝温度是大约125F,伴着95F的冷凝器进风温度。随着外界温度的下降,冷凝器风扇要运转以维持机组压力。直至外界温度低到零度。

  从零度到大约-20F,称为马达控制器的附件可以用于冷凝器以确保制冷机的安全运行。微处理器控制一台变速风扇来维持机组压力。

  压缩机能量显著节省了-特别是北方气候下,那里大部分运行时间都为较低的外界条件。

  冷却塔控制:一个三通阀装在冷凝器出水管上。旁通管可旁通部分冷却水。从冷却塔返回的水较冷时,减少进入塔的水,更多的水旁通。

  设在冷凝器进水管上的传感器反馈信号给冷水机组的微处理器。这个微处理器控制了所有的机器运行参数并且调节三通阀来确保机器的安全运行。

  城市水控制:当城市水或其它的像湖水或河水等用作冷却用水时,一个两通调节阀装在冷凝器进水管上。水越冷,送到冷凝器的水就越少。

  设在冷凝器进水管上的传感器反馈信号给冷水机组的微处理器。这个微处理器控制了所有的机器运行参数并且调节两通阀来确保机器的安全运行。

  变速泵:取代两通阀,微处理器可以控制变速冷却水泵来达到同样的效果。随着冷凝器进水温度的下降,泵的速度也降低以维持机组的安全运行。

  在如今的市场上,能源的费用和可行性已经成为购买冷水机组的重要考虑因素。廉价能源的时期已经过去了。也需要小型设备来适应不断增长的建筑费用。

  我们来看制造商们用来提高制冷效果进而改善制冷机效率并缩小尺寸的常用方法。

  在我们仔细了解这每一种选择和这些硬件看起来像什么之前,我们先来看看理想膨胀过程-从冷凝器回到蒸发器的高压液态制冷剂的返回过程。

  在制冷循环中,制冷剂释放热量给冷却介质并被冷凝成液态(1),离开冷凝器。

  通常,液态制冷剂通过节流装置并“膨胀”,压力降低到(2)进入蒸发器。一些液态制冷剂在膨胀过程中蒸发。进入蒸发器的闪蒸气和液体的混合物有混合焓(2)。一般大约有20%的液体闪发成蒸汽,并且,可用来吸收通过蒸发器的水中热量的汽化潜热损失了。

  理想地,希望液态制冷剂离开冷凝器并沿饱和液体线%液态进入蒸发器—点(3)。

  利用过冷器:在简单制冷循环中,液态制冷剂会冷凝到点1。过冷器是将液态制冷剂冷却到低于它饱和点(从1到2)的装置。

  RE2比RE1更大,循环效率提高了。每磅以4点达到蒸发器的液体可以从管内流动的水中吸收更多的热量。从另一角度看,同样的蒸发器负荷下压缩机就需要较少的制冷剂来循环。

  商用过冷器通常被设计为15F的过冷度。这是一经济合理的数值,额外的过冷器增加了投资。但提供了足够的循环效率的改善。

  典型过冷器:从机械结构看,过冷器位于冷凝器的底部。在水冷冷凝器中,一道隔板将冷凝器的底部隔开,隔板下的小管束就是过冷器管束。

  压缩机来的制冷剂气体从顶端进入冷凝器。通过冷凝器部分的水将气体冷却为饱和液体。饱和液态制冷剂降到隔板上并因重力沿着隔板的小孔流到过冷器里。制冷剂然后以迂回逆流方式沿过冷器流动。从冷却塔中来的最冷的水先送入过冷器,并且将液态制冷剂冷却到它的饱和温度下——是水过冷了制冷剂。

  过冷的液态制冷剂然后被送到蒸发器的底部。过冷提高了流过蒸发器的单位制冷剂的制冷效果。

  风冷冷凝器的过冷器是非常相似的。制冷剂气体进入风冷冷凝器几个环路中的顶部管子,并且以迂回的方式朝底部管路流动时被冷凝。底部每根管的最后段充满了液态制冷剂,并且被通过管子的空气冷却到饱和状态下。

  还有一种与过冷器作用相同的装置——闪发器。我们来看看这种装置是如何工作的。

  从压缩机来的制冷剂进入冷凝器,与冷凝器中冷水接触被冷凝至状态点(1)。积聚于底部的饱和制冷剂状态点为(2)。进入闪发器孔口的饱和制冷剂状态点为(3)。

  当制冷剂通过闪发器的小孔时,由于压力下降,部分制冷剂又变为气体(4,闪蒸汽)。其余的液态制冷剂被冷却,焓值低于状态点(2)。

  冷水经过冷凝器水管(5)将闪蒸汽冷凝至点(6),所有制冷剂在状态点(6)都为饱和液态,但是在低压下饱和。此时焓值比(2)点要低。

  浮阀维持着闪发器内的液位并向蒸发器供液。当压力降低时,制冷剂再次闪发。闪蒸气与液体同时进入蒸发器(8)。

  闪发器可以提高约7%的制冷效率,与过冷器的基本相同。这样,制冷效果提高了。闪发器的作用与过冷器相同,但是占用冷凝器的体积比传统的过冷器更小,也使冷凝器的费用比采用过冷器的小。

  许多制冷却设备不止使用一级压缩。这样,我们可以使用经济器来提高循环效率。在这个循环中,离开冷凝器的液态制冷剂(6)在进入蒸发器之前经过两个减压装置。在通过第一个减压装置后(2) ,一些制冷剂液体由于压力的突然降低而汽化,然后被抽入第二级压缩的进口(4)。这样,在中间压力下气化的闪蒸气体通过第二级压缩循环,减少了第一级压缩的流量,因此,马力由第一级压缩控制。余下的液体由闪蒸气冷却至饱和状态(7)。余下的饱和液体经第二个节流装置进入蒸发器。

  下图的 P-H图表示了由于在基本循环中附加了经济器提高了制冷效果。其净效应是提高了循环的COP值约8%~10%,任何多级压缩机都可验证此结果。



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