中央空调制冷系数与制冷主机节能研究

能 源 与 环 境 延踟 672—9O64 CN35 — 1272／ TK 2OO4年第4期 巾央空调制冷系数与制冷主觚节篷研穷 蔡文海 (厦门市节能监测技术服务中心 福建厦门 361012) 摘 要 通过水冷式电动中央空调制冷系数的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究，对“制冷机组的制冷能力随蒸发 温度的提高而提高，随冷凝温度的升高而降低”的理论提出质疑。分析制冷系数与工质的质量 循环量以及蒸发温度、冷凝温度之间的关系，分析了在不对主机进行改造的前提下实现中央空 调系统节能的可行性。 关键词 中央空调制冷系数 质量循环量 主机节能 中图分类号：TB657．2 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2004)04一OO28—04 1 逆卡诺循环的制冷系数 我们将能够获取最大制冷系数的制冷循环，称为 理想循环，或称逆卡诺循环。 I一2：绝热压缩过程； ：一3：等温放热过程； 3—4：绝热膨胀过程； 图2 为理论制冷循环的 lgP—h(压一焓)图 h 图2 理论循环的 lgP—h特性 单位质量工质的制冷量： qo=ro(1一x4)=hl—h4=hl—h3 (8) 式中r0一工质在蒸发温度下的气化潜热／(kj／kg)； )【4一状态点4的工质干度； h_各状态点的工质比焓／(kj／kg)； 制冷机中每秒工质的质量循环量 G： n G= (9) q0 式中Qo_一制冷机的制冷量／(kJ／S．kW)； 冷凝器放热量 Qk，即冷凝器的热负荷； Qk=Qqk (10) 式中q厂 lkg工质蒸汽在冷凝器中由状态点 2冷 凝到状态点 3所释放的热量，也称单位热负荷或单位 冷凝热量。 单位理论功 coo：lkg工质在理论循环中所消耗的 功。 tOo=h2一hi (11) 压缩机理论功率 N0： No= =G(h2一h1) (12) 作者简介：蔡文海，男，工程师，1992年至今一直从事节能监测及节能检测工作。 28 维普资讯 http://www.cqvip.com 2004年第4期 能 源 与 环 境 LS~ a672— 9O64 CN35 — 1272／ TK 3 实际循环与理论循环的主要差别 3．1 实际循环的能量损耗 电动制冷机组的实际运行工况是一种实际循环， 它与理论循环之间的主要区别在于发生了额外的能 量损耗： 实际压缩过程并不是一个等熵压缩过程，而是一 个不可逆的多指数不断变化的多变过程。 冷凝和蒸发过程中都存在有传热温差，其过程也 是不可逆的。 工质在系统中流动时，存在阻力损耗。 工质在节流阀中，与外界存在热交换的偏离等焓 的过程。 3．2 实际循环过程的状态变化 某单级压缩制冷机实际循环过程 1 一h特性如 图 3。 图 3 单级压缩制冷机实际循环过程 (a)流程图；(b)1gP—h(压 一焓)特性 实际循环过程如图(b)中实线 I—a—b—c一2一d 鉴于实际循环热力计算的复杂性，在工程计算上 一 e—f—g一1循环所示： 常采用将图3中实际循环过程简化成虚线 1⋯2 3 I—a：工质蒸汽流过制冷压缩机吸气端座时产生 4—5一I循环过程，进行工程热工计算。 压力损失的过程。 3．3 实际循环的制冷系数 a—b：工质蒸汽在被压缩前与管道、缸壁之间的 制冷系数反映了制冷机组的制冷能力，从式(7) 吸热过程。 中可见制冷机组的制冷系数 e0，随蒸发温度 T0的提高 b—c：偏离等熵压缩的过程。 而提高，随冷凝温度 的升高而降低。在图2中，压 c一2：工质蒸汽流过压缩机排气孔道时因管道阻 差△P越小，制冷系数 ￡0越高。 力产生的压力损失过程。 △P=Pk—Pn (13) 2一d—e：工质在冷凝器中因流动阻力损失和传 图4给出了在设定蒸发温度 Tn不变、所需的制冷 热温差的冷却和冷凝过程。 量Q0不变，压缩机吸人饱和气体的条件下，利用计算 e—f：I质在节流阀中与外界因热交换产生的不 机编程计算出冷凝温度 在 25 40℃范围之间变化 等焓过程。 时，制冷系数以及压缩机电功耗相应的变化率。实验 f—g：工质在蒸发器中因流动阻力损失和传热温 数据和电算数据均表明，冷凝温度 每升高 I℃，制 差的蒸发过程。 冷系数 ￡相应地约降低 2％，压缩机电功耗相应地提 g—I：工质在蒸发器出口至压缩机吸人口之间存 高2％。 在压力损失和温升的过程一 L lOO 8O 6O 40 2O O ～～ ～l-_-～～～一～一一 j二-_=翻冷系效 变化率 ． 一 =二_--_ 一一一 _．--‘ 图4 冷凝温度变化时。压缩循环的性能变化 维普资讯 http://www.cqvip.com 能 源 与 环 境 I~ I'；1672 ——9064 CN35 —-l272／ TK 2004年第4期 实际变化数据的大小随机组的类型、设计和生产 工艺以及使用周期、维保质量等因素的影响不同而不 同。 4 实际循环制冷系数的研究 4．1 ￡。不会趋向无穷大 从式(7)可见，若冷凝温度与蒸发温度相等，即Tk = To时，e。则趋向无穷大。这就意味着制冷机的制冷 量Q。趋向无穷大，依据式(9)制冷机每秒工质的质量 循环量 G也趋向无穷大。在实际循环中这样的条件 是不能满足的。 4．2 压力差Ap对 ￡。的影响 从图2理论循环和图3实际循环过程 lgp—h特 性中，可见实际循环时冷凝压力 Pks与蒸发压力 之 间的压力差／xps，要大于理论循环时的冷凝压力PkI与 蒸发压力P0I力之间的压力差△P1．。 ／xps>△PL (14) 空调制冷的基本原理是利用工质的相变原理。 假设冷凝温度 Tk不变，当 Tk=T。时，冷凝压力 Pk与 蒸发压力 Pn之间的压力差△Ps=0，制冷机中的工质 停止循环，制冷机系统中工质的循环量 G=0，工质的 相变过程终结，系统失去制冷功能，制冷机的制冷量 Q0=0。所以即便是理论循环分析时的压力差△Pc≠ 0。 存循环 1gP—h特性图 卜的捕l、术可如图5： h 图5 Pk=Po时的 l 一h(压一焓)特性 1—2：原为工质蒸气在压缩机中绝热压缩过程。 当制冷机中每秒工质的质量循环量 G=0时，制冷压 缩机吸人工质的吸入压力 P。与排出压力 P2之间的压 力差为0。由于 P1=P2，压缩机的压力比r=1，工质在 压缩机中绝热压缩过程终结。点 1压缩机吸气口工 质的状态与点2压缩机排气口工质的状态压力相同， 焓值相同，温度也相同，压缩机对工质没有做功，工质 的状态不变，能量没有增加，所以其线段长短与 4—1 30 保持不变，1、2两点重合。 3—4：原为工质液体在节流阀中的节流过程。此 时节流阀前后工质压力差为零，节流阀中没有工质流 动。工质温度变化亦为零，焓值保持不变，3、4两点重 合。 这时即便是压缩机运转(通常制冷主机已做出自 动保护停机反映)，也不对工质做功，制冷机的错冷量 Qo=0，制冷系数 ￡=0。 在实际循环中，由于压力差／Xps的降低，使得工 质循环量 G过少，将会导致压缩机产生哮喘、振荡等 恶性故障，所以压缩机的工质低流量保护功能自动启 动，迫使压缩机保护性停机。 制冷机每秒工质的循环量 G与△Ps(=Pk—Po)之 间的压力差存在 G=f(△Ps)函数关系，同时与温度 Tk、T0也存在 G=f(T)函数关系。 4．3 实际循环时冷凝器的放热量 Qk Qk应由理论循环的式 2变为： Qk=Q。+N (15) 式中N 一压缩机轴功率／kW。 N N = (16) T 式中N。一压缩机理论功率(见式 12)／kw。 一 压缩机的绝热效率。 ="qm： (17) 式中 压缩机的机械效率。是单位指示功 eat)i 与压缩机消耗的轴功 (实际功)之比值，通常选 = 0．8～0．9 ‰：一00i (18) ‰ 一 00e l 一 单位理论功 eat)。与过程中压缩工质蒸气所消 耗的单位功 eat)i之比值： Th： 一00o (19) T7i L 以 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 公式： T7i= 。 (20) 式中b一系数，b<1。 4．4 质量循环量对制冷系数的影响 在冷凝器中： ，、 Qk Q。+N qk qk Gqk=Q。+ =Qo+ No =Q o +G Q N Q 13 - Q G w_o 。+ e = 一 ∞ Gqk一 =Q。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2O04年第4期 能 源 与 环 境 ISS~ 672．-9O64 CN35·-1272／ TK ，、 Qo Qo U 一 一 (‰ (‰ 一 一 所以 G：——— —一 (21) 一 ToIo b t { + 。 在蒸发器中： 因 G：一Qo qo (on q。 qk— 所以G：———旦，_一 qk—。 { To+bt ol 说明在实际制冷运行的系统中，同一工况时，冷 凝器与蒸发器中每秒工质的质量循环量 G相同。 由式(17)、(2O)可见，冷凝温度 Tk和蒸发温度 T0 的变化将影响压缩机的绝热效率。 当 G<— — co0 qk—‘ { +bf。 时，系统制冷量不足，不能满足系统热能平衡的 热量需求，式(15)也就不能成立。系统表现为低效率 运行，当然不是最佳运行状态。 当 G>— — ～ 一 时，系统制冷量过剩，压缩机多作无用功，效率下 降，也不是最佳运行工况。 4．5 特性有峰值 不难看出只有当冷凝温度 Tk与蒸发温度 T0满足 最大制冷系数 ￡。所必须的工质流量时，式(7)方成立。 即逆卡诺理想循环中的制冷系数 ￡。在机理上是受到 制冷机每秒工质的质量循环量 G的制约，在实际循环 时则受到系统中工质最大质量循环量 G 的限制。 只有当式(21)成立时，实际循环的制冷系数 ￡。方 为最大值。也就是说 e。特性有峰值现象，存在拐点。 Q。 Q0 Q。 ( + 、 。 一N 一 N 一 No o 、‘‘ 由于外部环境条件的不断变化等原因，蒸发温度 T0与冷凝温度 Tk都是不断变化的，冷凝压力 Pk与蒸 发压力 P0之间的压力差APs也是不断变化的。所以 实际循环中不仅工质的循环量 G是一个时变量，而且 制冷系数 ￡。也是时变量。 4．6 温度对制冷系数的调控作用 在实际循环中，对应式(22)影响制冷系数 的外 部因素就是蒸发温度 T0与冷凝温度 Tk，通过对冷冻 水和冷却水流量的合理调控，实现对蒸发温度 Tn与冷 凝温度 Tk的有效控制，就可以使得制冷系数 ￡ 得以 优化，逼近图 5中理想制冷系数曲线，这样既可在不 对制冷主机做任何改造的前提下，通过对主机系统的 制冷系数实施优化的手段，实现主机系统的大幅度节 能。 5 结论 从以上分析可以知道，同时通过合理调节蒸发温 度、冷凝温度和工质的循环量，可以改变主机系统的制 冷系数，并使实际制冷系数不断逼近理想制冷系数(最 大制冷系数)。在此过程中，没有对空调主机结构做任 何改变，仅仅使主机的运行环境得到优化(实际就是制 冷系数寻优过程)，就可以使系统得到非常可观的节能 效果。当然采用节能环保的制冷工质，提高单位质量工 质的工作效率，加强对设备的维护管理，保持工质质量 的相对稳定，也是必不可少的节能手段。 参考文献 l 张建一 ．制冷装置节能技术 ．北京：机械工业出版社，1999 2 张建一 ．制冷装置部分负荷时冷却水系统的节能 3 周邦宁 ．空调用螺杆式制冷机(结构 操作 维护)．中 国建筑工业出版社，2(102 4 吴喜平 ．蓄冷技术和蓄热电锅炉在空调中的应用 ．同 济大学出版社，2000 5 李松寿，等 ．制冷原理与设备 ．上海科技出版社，1986 6 杨小灿 ．中国制冷空调行业实用大全 ．中国商业出版 社，1994 * 中国科协20o4年学术年会在博鳌举办 我国科技界最高级别的学术盛会——中国科协 2034年学术年会于 2004年 11月 20日在海南省博鳌隆重 开幕。杨振中与50多位两院院士和3000多位科技精英会聚海南，围绕“以人为本，协调发展”这一主题集思广 益、献计献策，福建省能源研究会派代表参加盛会，并在 16分会场以“福建省可再生能源强制性市场份额政策 试点研究报告”为题进行了交流。 (冰) 31 维普资讯 http://www.cqvip.com