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非标冷水机设计研制和节能降耗
非标冷水机设计研制和节能降耗
来源:中制冷设备网    2009-6-4
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     摘要: 随着科技进步、工业发展和先进设备的引进,社会对非标制冷业的要求也与日俱增,仅我们接触的,如:“大兴碱速机厂”需试制“油冷却器”、“石化研究院”需试制“-60℃低温油品成槽机”………。十余年来水资源告急,医疗业,如:“加速器”、“核磁共振”;工业,如:“探伤”、“辐照”、“电缆成型”等等都需试制“恒温冷水机”(以后简称冷水机)本文着重介绍非标冷水机的设计研制和节能降耗中的体会。 


  一、冷水机的组成和热力分析

   1.机壳:

   因为冷水机的制冷量大体上有4、6、8、12和25KW等所以基本上制冷量在12KW以下的机型因其重要较轻,均做成铝合金框架,内装铁皮喷塑门板,所有重物,如水箱、压缩机水泵及框架的重量全用角铁焊制的底托进行支撑并完成固定。底托的下方连接橡胶底脚,完成整机的减振;橡胶脚和地面形成的缝隙及门板的缝隙可以形成自然对流完成压机和水泵的自然冷却。而12KW以上的机型整机较重,考虑刚度多,就做成铁框架,但其结构大体同上。

   2.制冷系统和冷却水循环系统

   它是由R22为工质的单级制冷系统和以水泵为动力的冷却水循环系统组成;通过蒸发器把二个系统连接起来(该图为示意图。制冷系统如过滤器,或分体式冷水机,室内、外机连接管及阀门;水系统中如:水过滤器及各种用途的球阀,为简化起见均未画出)。由上图可以看出,加在制冷系统上的负荷是由“主机”(如加速器、核磁共振等发热设备)和水泵共同产生的,选择高效水泵就成了优化设计的前提,请看下述实例。 

   90年代初和中期,我们先后为“某所”同发热量主机,各设计了一台冷水机。其主机方提出的部分参数如下:(1)主机发热量为7KW;(2)水泵流是2m3/h,扬程50米,用防腐水泵。面对如上的小流量、大扬程,又要用不锈钢水泵,很难选购。经多方寻找,结果电机功率为7.5KW。经广泛收集非标水泵产品样本,同性能的水泵,电机功率为1.1KW,在为其设计第二台冷水机时,压缩机功率、冷凝器和蒸发器的面积及整机外型尺寸均下降了好多。如上实例,留下很深的印象:节能降耗,选件产关键。

   3.电器控制:有传统的机电控制和电脑程控两种。前者便于维修,价格便宜;后者水箱温度显示直观,但价格较贵,对维修人员要求较高,不详述。

 

   二、制冷各部件的选择设计和工况设定

   以冷却水恒温在25℃±1℃,每小时2M3的循环量,平衡加在蒸发器上6KW的热负荷机型为例,说明如下:

   压缩机采用1.3KW全封闭式高温压缩机,冷凝器选用风冷冷凝器,节流装置采用毛细管,蒸发器采用自行设计的蒸发器。

   1.扩展压缩机的使用范围,保障压缩机可靠运行。

   我们知道,蒸发温度越高压缩机的产冷量越大,越利于节能降耗。但做为全封闭R22的高温压缩机,性能曲线中最高蒸发温度一般给到10℃,有的品版给到15℃,即便蒸发温度定成15℃,做为处理25℃水的冷水机,压缩机出力仍有潜力可挖,所以把蒸发温度提到18℃,这就超出了性能曲线的范围。蒸发温度的提高造成压缩机吸气比容减少,冷煤循环量加大,这将导致电机负荷过重,甚至烧毁及气阀受力的变化。为确保压缩机可靠运行,我们把冷凝温度和标况环境温度(即标况进风温度)的差定到14℃,为获得重复性较好的数据,建立了非标冷水机试验室。非标冷水机的技术要求不一样,出风方向、机型大小、外型尺寸等诸多差异,使我们将试验室定位为“组合式”,即做成标准木框,双面蒙塑料布跟木框钉起来,以满足每台冷水机试验所需的最小空间进行拼装,这样可以减少试验所需时间和电耗。如此的试验室造价低,重量轻并能在冷水机使用范围内满足变工况的试验要求。

   试机时密切注视电器仪表(看是否超出样本给定的极值)、冷煤压力表和温度表,但气阀承受能力是看不见的,鉴于吸气比容减少,作用在阀片上的力会增大,但其毕竟是受压差控制的自动阀,因上述设定工况的压差低于通常工况,所以,只能通过时间去验证。该产品91年试制至今,先后已生产了70-80台,未见气阀损坏,但毕竟超出了压缩机的使用范围。为此,在第十届国际制冷展“丹佛司—美优乐”厂家主讲其压缩机性能时,特对我们的工况设定提出咨询,该公司为我们把工况输入电脑,证实了上述工况可以使用。在此对“丹佛司—美优乐”公司赵李曼工程师表示感谢。

   2.减少蒸发器内压降,争取获得较大的传热温差

   91年比较高效的板式蒸发器,在国内市场还见不到,其余几种传统蒸发器很难靠标,且非标冷水机批次少,作为试制,厂家也不愿意接。迫于工作压力,查阅了好多资料,分析了好多种换热器的流动模式和各种流动放热系数计算式,当时本着三个设想:第一,蒸发器内压降要小,这样才能有较大的传热温差。第二,热流密度要大,才能体积小。第三,工程投入不能太大,并且工艺可行。最后,确定了流动模式。又经过计算、试验等反复,最后以0.19m2的传热面积,热流密度等于31.4KW/M2,蒸发器全程压降,实测0.188Bar、温降不到1℃,争取到了较大的传热温差,并保证在蒸发器有6-7℃过热,以保护压缩机。因为蒸发器体积小,冷煤内容积小,又采用毛细管节流,所以冷凝器未设过冷,免得平衡压力太高。至今25KW以上的冷水机仍沿用我们自己设计的蒸发器,因为其效率高、体积小、价格便宜。但如让其承担平衡25KW的热负荷,有些工艺尚在研究当中,所以25KW机型用的就是板式蒸发器,这也是我们今后要解决的问题。

 

   三、和国外样机的比较

   因为我们生产的属非标冷水机,国外机型见的也很少,偶然的机会只见过两台,先见的那台冷水机与我们的冷水机相比,因为其水泵效率高,所以整机电耗比我们低;且系早期进口,还采用沉浸盘管式蒸发器。与我们自制的蒸发器相比,耗费材料较多。

   后见的那台冷水机可能是借用某种空调室外机外壳,显得其模具化程度高,水箱和水泵是由用户自配,所以外型尺寸俏皮。在制冷设计上,经样本查对,压缩机和板式蒸发器容量的选择和我们是相同的。

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