蔣德倫，錢雪峰，鄭慶偉，賈甲

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

冷水機組試驗臺功能擴展的優(yōu)化設(shè)計

蔣德倫*，錢雪峰，鄭慶偉，賈甲

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

本文研究了對水冷冷水機組試驗臺進行功能擴展的時候，通過對系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和軟件調(diào)整，可以擴大測量范圍，增加測試功能，同時也降低了試驗臺的運行成本和能耗。

試驗臺 優(yōu)化設(shè)計 功能擴展

1 前言

目前國內(nèi)制冷行業(yè)水冷冷水機組進行性能測試的方法，通常根據(jù)被試機制冷量大小選用相應測試范圍的系統(tǒng)進行測試,這樣就需要劃定不同測試范圍測試系統(tǒng)，增加了設(shè)備及材料消耗，同時控制系統(tǒng)也相應復雜，占用了更大的場地空間。隨著近年來國家各行業(yè)提倡節(jié)能減排政策，在進行試驗裝置測試范圍擴展改造的同時如何提高使用效率、降低能耗，逐漸成為一個新課題需要進行深入研究。

本文主要研究通過對已有水冷冷水機組性能試驗裝置的優(yōu)化設(shè)計改造，最佳匹配測試循環(huán)管路及相應控制系統(tǒng)，可以大幅擴展試驗臺的測試范圍及功能，同時降低系統(tǒng)能耗水平，最大限度地提高資源利用率。

2 測試方法

水冷冷水機組試驗裝置的測試方法主要采用主側(cè)液體載冷劑法和輔側(cè)機組熱平衡法，當測試工況穩(wěn)定，同時主輔側(cè)偏差滿足標準規(guī)定要求時所測的換熱量即為制冷量。

2.1 液體載冷劑法

液體載冷劑法的測試原理是根據(jù)進、出室外側(cè)熱交換器的水溫變化和水流量確定制冷（熱）量。

機組凈制冷量計算公式為：

式中 Qn——機組凈制冷量，W；

qm——冷水質(zhì)量流量，kg/s；

C——平均溫度下水的比熱容，J/（kg℃）；t1——冷水進口溫度，℃；t2——冷水出口溫度，℃；

Qc——環(huán)境空氣傳入干式蒸發(fā)器冷水側(cè)熱量的修正值，W。

2.2 機組熱平衡法

機組熱平衡法的測試原理和液體載冷劑法類似，但所測量的是冷卻水側(cè)的制冷（熱）量。機組凈制冷量計算公式為：

機組凈制熱量計算公式為：

式中 Qn——機組凈制冷量，W；

Qh——機組凈制熱量，W；

QⅠ——排給冷卻水（指流經(jīng)冷凝器（熱泵制熱量時為蒸發(fā)器）、油冷卻器、壓縮機氣缸冷卻水路等的冷卻水）總熱量，W；

QⅡ——冷凝器以及壓縮機至冷凝器段的輔助設(shè)備（主要指油分離器、油冷卻器，其他管道可忽略不計）向環(huán)境空氣放出（吸收）的總熱量（應分別計算），W；

P ——水冷式機組的壓縮機電動機、油泵電動機、電加熱器等的輸入功率，W；

Qc——環(huán)境空氣傳入滿液式蒸發(fā)器熱量的修正項，W。

式中qmw——冷卻水（冷水）總質(zhì)量流量，kg/s；

C ——平均溫度下水的比熱容，J/（kg·℃）；

tw1——冷卻水（冷水）進口溫度，℃；

tw2——冷卻水（冷水）出口溫度，℃。

式中 K ——上述輔助設(shè)備外表面與環(huán)境空氣間的傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

A ——上述輔助設(shè)備外表面積，m2；

tr——上述輔助設(shè)備外表面的平均溫度（冷凝器為制冷劑飽和溫度，油冷卻器為殼程介質(zhì)進、出口溫度的平均值），℃；

ta——環(huán)境空氣溫度，℃。

現(xiàn)在國內(nèi)制冷空調(diào)行業(yè)所使用的水冷冷水機組試驗裝置就是基于上述測試方法而開發(fā)設(shè)計的，一般采用主輔側(cè)兌水的方式。

3 改造方案背景

近期我們負責為國內(nèi)某制冷空調(diào)企業(yè)的原有（550～3000）kW水冷冷水機組性能試驗裝置進行技術(shù)改造，擴展其測試范圍和功能，增加（100～550）kW的制冷量測試范圍和熱回收測量功能，原有試驗臺測試參數(shù)見表1。

系統(tǒng)原理流程見圖 1。試驗裝置由冷媒水、冷卻水兩套水循環(huán)系統(tǒng)組成，被試機的冷媒水和冷卻水通過混合管路兌水的方式進行充分的熱交換，達到冷量回收的目的，多余熱量通過冷卻塔進行散熱，具體方法如下。

表1 原有試驗臺測試參數(shù)

圖1 原理流程圖

3.1 蒸發(fā)器的進水溫度

通過變頻器控制兌水泵，調(diào)節(jié)由冷凝器回路（冷卻側(cè)出口，典型溫度35℃）進入蒸發(fā)器回路（蒸發(fā)器出口，典型溫度7℃）的水量來實現(xiàn)。

3.2 冷凝器的進水溫度

通過變頻器控制冷卻側(cè)補水泵，調(diào)節(jié)由水箱（典型溫度不高于31.5℃）到冷凝器回路（冷卻側(cè)水泵入口）的水量來實現(xiàn)。

3.3 蒸發(fā)器、冷凝器出水溫度

通過改變蒸發(fā)器、冷凝器的水流量，可以達到改變蒸發(fā)器、冷凝器出水溫度的目的。

3.4 被試機蒸發(fā)器、冷凝器流量

分別通過變頻器控制蒸發(fā)器水泵、冷凝器水泵進行調(diào)節(jié)。

3.5 水箱溫度控制

由調(diào)節(jié)電加熱或者控制冷卻塔風機來實現(xiàn)溫度控制。

用戶提出在原有測試能力基礎(chǔ)擴展出100kW～550kW的制冷量測量范圍，同時增加機組熱回收測量功能，根據(jù)這些要求，用戶按照傳統(tǒng)設(shè)計思路提出一套 550kW 小管路測試管路和一路熱回收測試管路技術(shù)改造，技術(shù)要求見表 2所示。

技術(shù)方案原理流程圖見圖2。由圖2可以看出，試驗裝置由一套小系統(tǒng)、一套大系統(tǒng)及一套熱回收測量系統(tǒng)共五路循環(huán)水管路組成。對于系統(tǒng)工況的調(diào)節(jié)，被試機蒸發(fā)器的出水溫度通過調(diào)節(jié)兌水泵，控制由冷凝器回路進入蒸發(fā)器回路的水量來實現(xiàn)；被試機冷凝器的進水溫度通過調(diào)節(jié)冷卻補水泵，控制由水箱返回冷凝器回路的水量來實現(xiàn)；蒸發(fā)器以及冷凝器的水流量通過各自管路系統(tǒng)中的主水泵的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)；被試機熱回收的進出水溫度通過調(diào)節(jié)三通閥和控制熱回收回路的水量來實現(xiàn)。

從圖2可以看出，要實現(xiàn)功能擴展的要求，需要增加一套 550kW 小管路測試系統(tǒng)和一路熱回收管路測試系統(tǒng)。

表2 測試系統(tǒng)技術(shù)要求

圖2 原理流程圖

4 技術(shù)方案的優(yōu)化

根據(jù)上述情況對用戶提出的改造方案進行優(yōu)化設(shè)計改進，將增加的熱回收測量管路與550kW的小系統(tǒng)冷媒水管路進行功能合并設(shè)計為一路管路系統(tǒng)，與原有的大系統(tǒng)冷媒水管路共用一個冷卻水循環(huán)管路，具體方案原理流程見圖3。

由圖3可以看出，試驗裝置由冷媒水、冷卻水和熱回收三路循環(huán)水管路組成，這樣較原有方案減少了兩路水循環(huán)管路，使得測試制冷量≤550kW 機組的時候可以借用熱回收側(cè)循環(huán)管路當冷媒水循環(huán)管路使用；同時此方案還帶來以下幾個方面的優(yōu)化：

4.1 設(shè)備數(shù)量方面的優(yōu)化

我們對新舊方案的設(shè)備清單進行了數(shù)量統(tǒng)計對比，具體情況見表 3。由此可見，優(yōu)化后的方案減少3臺水泵和1個三通調(diào)節(jié)閥。

4.2 整體能耗方面的優(yōu)化

針對兩種方案設(shè)備的能耗，我們進行了對比計算，結(jié)果見表4。由表4可見，優(yōu)化后的方案試驗臺的整體能耗下降了13%，使整個配電及低壓電氣元件的選型成本降低很多。

4.3 控制系統(tǒng)方面的優(yōu)化

由于控制元件及循環(huán)管路的減少，相應需要進行PID調(diào)節(jié)的執(zhí)行器也相應減少，控制回路（見圖4）數(shù)量由10路減為6路，極大地簡化了控制方式，使試驗臺的調(diào)試操作更為簡單，穩(wěn)定。

圖3 原理流程圖

表3 新舊方案設(shè)備的數(shù)量

表4 新舊方案設(shè)備的功率（/kW）

圖4 控制回路

4.4 運行成本的減少

由于減少了兩路水循環(huán)管路及相應電氣控制設(shè)備，使得整個試驗裝置改造和運行成本大幅減少，不但縮減了設(shè)備占用空間，同時也減輕操作人員的勞動強度和工作量，大幅提高工作效率。

5 試驗結(jié)果

為了有效驗證改造后試驗臺擴展部分的測試能力，分別選用一臺制冷量為500kW的水冷冷水機組和一臺制冷量為2000kW、熱回收為500kW的水冷冷水機組進行性能測試。

測試500kW水冷冷水機組時，將熱回收側(cè)作為系統(tǒng)冷媒水側(cè)，共用原有冷卻水側(cè)管路，測試過程中調(diào)節(jié)表及參數(shù)顯示穩(wěn)定、準確，完全達到當初的設(shè)計要求，測試結(jié)果見表5所示。

測試帶熱回收的2000 kW 水冷冷水機組時，試驗系統(tǒng)按圖3所示接管，通過冷卻側(cè)與冷媒側(cè)、熱回收側(cè)與冷卻側(cè)兌水調(diào)溫的方式進行試驗測試，試驗過程中各路水流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定、各項參數(shù)均顯示穩(wěn)定、準確，冷水機組的制冷量和熱回收熱量均準確測出，測試結(jié)果見表6所示。

以上試驗均按 GB/T10870-2001中規(guī)定的液體載冷劑法試驗裝置，以及所要求的方法及數(shù)據(jù)處理程序進行測試。

表5 制冷量為500kW的水冷冷水機組性能測試結(jié)果

表6 帶熱回收的制冷量為2000 kW的水冷冷水機組性能測試結(jié)果

6 結(jié)論

此次水冷冷水機組試驗臺的改造過程中，通過采用新的優(yōu)化設(shè)計方案，減少了系統(tǒng)管路和設(shè)備數(shù)量，使得控制系統(tǒng)更加簡潔、節(jié)能；實際工程施工改造后，通過對相應被試機進行多個工況的調(diào)試試驗，驗證了試驗臺擴展的功能達到設(shè)計要求，測試的參數(shù)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準確，同時降低整個試驗臺的運行成本和能耗，對今后類似試驗裝置的設(shè)計提供了一個新的方法。

[1]張建一. 制冷空調(diào)裝置節(jié)能原理與技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]方利國. 節(jié)能技術(shù)應用與評價[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[3]程立權(quán). 制冷空調(diào)產(chǎn)品試驗裝置水系統(tǒng)的設(shè)計與研究[C]. 第十屆全國冷（熱）水機組與熱泵技術(shù)研討會論文集, 2002.

[4]中華人民共和國國家標準《容積式和離心式冷水（熱泵）機組性能試驗方法》，GB/T 10870-2001[S].

[5]中華人民共和國國家標準《蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組》，GB/T 18430.1-2007，第1部分：工商業(yè)用和類似用途的冷水（熱泵）機組[S].

Optimal design for functional expansion of water chiller performance test rig

Jiang Delun*，Qian Xuefeng，Zheng Qingwei，Jia Jia
（Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，Anhui 230088，China）

In this paper a study on functional expansion of existing water-cooled water chiller performance test rig was performed. Through the optimization of system design and software adjustments, we can extend the capacity measurement range of the test rig , expand the test function and reduce the operating cost and energy consumption as well.

performance test rig；optimal design；functional expansion

*蔣德倫（1972-），男，合肥通用機械研究院，高級工程師。聯(lián)系地址：合肥市高新區(qū)天湖路29號，郵編：230088。電話：13305517996。電子郵箱：jiangdelun@189.cn