水冷冷凝器法在压缩冷凝机组性能评价系统中的应用

钱雪峰，何亚峰，孔晓鸣，高启明，魏昇，戴琳

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230088）

水冷冷凝器法在压缩冷凝机组性能评价系统中的应用

钱雪峰*，何亚峰，孔晓鸣，高启明，魏昇，戴琳

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230088）

现有的大多数水冷压缩冷凝机组性能评价系统需要提供相应的热负荷或冷负荷，来平衡被评价机组测试时产生的制冷量或制热量，故水冷压缩冷凝机组容量越大评价系统能耗越大。文中提出在大型水冷压缩冷凝机组性能评价系统中应用水冷冷凝器法，回收运行工况时被评价机组自身产生的冷热负荷来维持评价系统的稳定运行，不仅不用额外增加设备而且又能最大限度地降低能耗，实现节能的目的。同时，采用二次节流的方法来实现低蒸发温度工况的测试。

水冷冷凝器法；压缩冷凝机组；评价系统；二次节流

0 引言

近年来，随着压缩冷凝机组的应用和人们节能减排的意识越来越广泛，对压缩冷凝机组能效测定及优化也就越来越重要[1]。依据相应的国家标准GB/T 21363-2008《容积式制冷压缩冷凝机组》，若是采用其他类似第二制冷剂量热器法、干式制冷剂量热器法等对压缩冷凝机组进行评价测试时，评价系统需要提供相应的热负荷或冷负荷，来平衡被评价机组测试时产生的制冷量或制热量，因此评价系统能耗很大。而本文提及应用水冷冷凝器法的大型水冷压缩冷凝机组性能评价系统能用自身的能量来维持系统的稳定运行，不仅不用额外增加设备而且又能最大限度降低能耗。

1 水冷冷凝器法压缩冷凝机组评价系统测试方法及控制原理

1.1 测试方法

按照GB/T 21363-2008《容积式制冷压缩冷凝机组》中B5.水冷冷凝器法（如图1）进行试验[3]。

图1 水冷冷凝器法

由图1可知该评价系统主要利用冷凝器的水侧换热量和制冷剂进出冷凝器的焓差计算制冷剂流量，再与压缩冷凝机组进出口的焓差计算制冷量。

制冷量按式(1)计算：

式中：

hg1——在规定工况下进入机组的制冷剂蒸汽的比焓，J/kg；

hg3——冷凝器进口制冷剂蒸气的比焓，J/kg；

hf1——离开机组的制冷剂液体的比焓，J/kg；

hf3——冷凝器出口制冷剂蒸气的比焓，J/kg；

mc——冷凝器冷却水的流量，kg/s；

t1——冷凝器进水温度，℃；

t2——冷凝器出水温度，℃。

Qa——冷凝器的漏热量，W；

V1——进入机组制冷剂蒸汽实际比体积，m3/kg；

Vg1——在规定工况下进入机组制冷剂蒸汽比体积，m3/kg。

漏热量按式(2)计算：

式中：

KL——漏热系数，它等于冷凝器外表面积A(m2)乘以冷凝器对空气的传热系数K，一般传热系数K=10 W/(m2·K)；

tc——冷凝器外表温度，℃。

ta——冷凝器周围空气温度，℃。

由式(2)可知只要准确测出冷凝器周围的环境温度和无隔热时冷凝器外表面平均温度就可算出漏热量。由式(1)可知只要准确测出进入冷凝器、压缩冷凝机组的制冷剂蒸气压力、温度和离开冷凝器、压缩冷凝机组的制冷剂液体压力、温度，即可查出所需制冷剂的比焓，同时测出冷凝器的进、出口水温与水量后可算出制冷量。

以此原理建立评价系统，需要提供热量来维持蒸发器的运行，同时又要提供冷量给冷凝器散热，这样能耗很大，若是将蒸发器和冷凝器的冷热量混合，可以减少很大部分的能耗，本文提及的评价系统便基于这样的考虑搭建[3]。

1.2 系统原理

根据标准GB/T 21363-2008《容积式制冷压缩冷凝机组》中B5.水冷冷凝器法要求的测试项目，参考标准GB/T 10870-2001《容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法》[4]，细化了评价系统的原理（原理图如图2）。

图2 评价系统原理图

由图2可知主要设备为水泵和水箱。泵1和水泵2提供被测试压缩冷凝机组蒸发器和冷凝器所需要的水量，然后通过水泵3将冷凝器热水加入到蒸发器管道，平衡蒸发器的制冷量，同时冷凝器也被蒸发器回流的冷水平衡掉与制冷量相当的热量，还剩下压缩机产生的热量需要平衡，通过水泵4从恒温水箱抽冷水加入热源侧管道来平衡压缩机产生的热量[5]。这样可实现蒸发器和冷凝器最大程度的冷热量平衡，从而达到机组在国标要求的工况下稳定运行。

2 水冷冷凝器法压缩冷凝机组评价系统的准确性探讨

本评价系统控制的核心为PLC及触摸屏，在触摸屏上可方便地控制设备的启停[6]，并且可以对故障报警进行显示和记录。调节功能通过数字调节表实现。数据采集系统使用的是数据采集器，通过GPIB与计算机通讯，共同完成数据采集[7]。采集的数据再通过相应的计算机软件进行记录和处理。本评价系统的关键部分均采用进口元器件，保证了运行的准确性、稳定性、可靠性。某名义制冷量为4,000 kW的压缩冷凝机组在某工况时的测试数据为例见表1）。

从表1中可以看出在稳定的情况下冷却水进出水温度、电压和吸气温度等额定工况的偏差：水温控制在±0.25 ℃以内，电压控制在5,947 V（-0.9%），吸气压力控制在+0.69 kPa（+0.1%），吸气温度控制在±0.1 ℃以内，明显优于国标GB/T 21363-2008《容积式制冷压缩冷凝机组》中对各测点读数的平均值对额定工况的偏差：水温度允许范围为±0.3 ℃，吸气温度允许范围为±1 ℃，吸气压力允许范围为±0.9%，电压控制在±1%。

同时，应用该评价系统，对该机组进行制冷工况的重复性试验，数据如表2，两次试验的制冷量测试结果偏差在1.4%。

从表1、表2的数据充分说明该评价系统测量具有准确、稳定、可靠的特点。

表1 压缩冷凝机组制冷工况测试数据

表2 制冷工况重复性试验数据对比

3 水冷冷凝器法压缩冷凝机组评价系统的节能性探讨

压缩冷凝机组制冷评价试验时，本评价系统将冷凝器热水加入到蒸发器管道，平衡蒸发器的制冷量，同时冷凝器也被使用侧回流的冷水平衡掉与制冷量相当的热量，还剩下压缩机产生的热量需要平衡。而现有的其他评价系统需要提供相应的热负荷或冷负荷，来平衡被评价机组测试时产生的制冷量或制热量[6]。以上述压缩冷凝机组名义制冷为例，不同评价系统的耗能见表3。

表3 名义制冷工况时不同评价系统的能耗

除去其他正常设备的耗功，其他评价系统的电消耗主要在平衡冷凝器的压缩冷凝机组耗功（能效比按4计算）与平衡制冷量的电加热耗功之和共计4,663 kW，而本评价系统只需平衡压缩机消耗电量的压缩冷凝机组耗功（能效比按4计算）138 kW，节省了4,525 kW的耗电量，按工业用电1.5元/kW·h计算，每小时可节省6,787元，大大减少了空调企业的测试成本[8]。

4 水冷冷凝器法压缩冷凝机组评价系统应用的注意事项

由于低蒸发温度制冷压缩冷凝机组的蒸发温度在零度以下，为保证载冷剂在蒸发器中出现凝固现象，此时载冷剂不能使用水[9]，而本评价系统蒸发器侧的载冷剂也是水，故若要实现低蒸发温度可以使用二次节流的方法，如图2中先经调节阀的MV1进行一次节流控制其蒸发温度为0 ℃以上进入蒸发器进行换热，使制冷剂蒸发成为气体，气体出蒸发器后经过二次节流调节阀MV2使制冷剂达到规定状态回到制冷压冷机组的吸气端，经机组压缩及冷凝完成循环及测量[10]。实际上二次节流法就是通过二次节流增加蒸发器出口到机组吸气段的压力损失，而此时为达到工况必须提高蒸发器出口压力，相应的制冷剂蒸发温度也提高，当蒸发温度高于0 ℃后就可以用普通水作为载冷剂。

5 结束语

1）应用了水冷冷凝器法的压缩冷凝机组评价系统的设计制造均符合国内相关标准的要求，方案先进，结构合理。

2）二次节流循环所用的常温水已经接近蒸发器入口的温度，通过混合能很快进入工况，运行时间要比其他低温载冷剂短，节省了运行成本。

3）在不同测试负荷和不同运行工况时，评价系统能充分利用被评价机组自身产生的制冷量或制热量使机组评价系统稳定运行，减少了评价系统本身的热负荷或冷负荷配置，实现了节能的目的，同时响应国家节能减排的号召，降低了空调企业测试成本，可以广泛推广。

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Application of Water-cooled Condenser Method in Performance Evaluation System for Compressor Condenser Unit

QIAN Xue-feng*, HE Ya-feng, KONG Xiao-ming, GAO Qi-ming, WEI Sheng, DAI Lin
(Hefei General Machinery Research Institue, Hefei, Anhui 230088, China)

In most of existing water-cooled compressor condenser unit performance evaluation systems, heat load or cooling load needs to be provided to banlance cooling capacity or heating capacity which is generated by the tested unit. As the capacity of water-cooled compressor condenser unit increases, energy consumption of the performance evaluation system is higher. Water-cooled condenser method was adopted in the large water-cooled condensing unit performance evaluation system. Under the recovery operation conditions, operation of the evaluation system was maintained by cooling and heating load which was generated by the tested unit. Additional equipments were not required and energy consumption was reduced. Meanwhile, the method of quadratic throttling was adopted to accomplish the test of low evaporation temperature conditions.

Water-cooled condenser method; Compressor condenser unit; Evaluation system; Secondary throttling

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.204

*钱雪峰（1982-），男，本科，工程师。研究方向：制冷空调实验室设计制造。联系地址：安徽省合肥市高新区天湖路29号506室合肥通用机械研究院，邮编：230088。联系电话：0551-65335402。E-mail：qianxuefeng_0@163.com。