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冷水机组原理综述

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冷水机组原理综述

冷水机组原理 第一部分 DES700 1 目 标 通过这部分你将学会: 1-列出典型水冷机组的部件; 2-计算冷冻水和冷却水流量; 3-在压焓(P­H)图上画出基本的 制冷循环过程; 4-列出3个影响冷水机组能耗和尺 寸的因素; 5-理解蒸发器和它的换热情况; 6-理解冷凝器和它的换热情况; 7-理解压缩机的压力控制; 8-了解过冷器,闪发器和经济器; 9-会选择往复式、螺杆式和离心式 机组; 10-理解机组部分负荷控制。 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。 这部分将给你一个冷水机组的概 况容量大小从13冷吨到10000冷吨 不等。 2 目 标 列出典型的冷水机组的组成部件 计算冷冻水和冷却水的流量 在压焓(P­H)图上画出基本的制冷循环过程 列出3个影响冷水机组能耗和尺寸的因素 了解蒸发器和它的传热 了解冷凝器和它的传热 了解压缩机的压力控制 了解过冷器,闪蒸器和经济器 会选择往复式,螺杆式和离心式冷水机组 了解冷水机组的部分负荷控制 3 设计步骤 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。 4 设计步骤 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 5 水冷机组基本原理 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。 机组可以工厂整装的,也可以现 场拼装。 循环水泵使冷冻水在蒸发器中循 环,将温度由54F降至44F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 85F,出水温95F。 冷却塔释放热量给大气将水温由 95F降到85F。 现在让我们看机组是如何分类的 。 6 基本的冷水机组 商用冷水机组类型 风冷或水冷往复式,螺杆式,离心式或吸收式 7 冷水机组分类 机组可以按排热方式分类,也可 以按提高制冷剂温度的方法分类 : 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: 1-往复式压缩机 2-螺杆式压缩机 3-离心式压缩机 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。 各种型号的机组的大致容量如下 : 风冷 可达250冷吨 水冷 可达8500冷吨 往复式 可达100冷吨 螺杆式 25到1100冷吨 离心式 200到10000冷吨 吸收式 3到1500冷吨 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。 8 冷水机组分类 按排热方式分: ­风冷机组 用风做冷媒与冷凝器换热,将 热量带入大气 ­水冷机组 用水和冷却塔将热量带入大气 按提高制冷剂温度的方法 分: ­机械压缩 ­往复式机组 ­螺杆式机组 ­离心式机组 ­化学方法 ­吸收式机组 最大250冷吨 最大10,000冷吨 最大100冷吨 25到1100冷吨 70到10,000冷吨 3到1500冷吨 9 冷水机组的基本循环 制冷循环 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。要知 道更多的细节,可参阅课程CSD401。 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。 现在,我们举例看看如何计算冷凝器和蒸发 器的水流量。 10 冷水机组基本循环 液体离开冷凝器(D)等焓节流至(E)。 制冷剂吸热而蒸发(E到A),过热至(B)。 压缩机提升其温度和压力(B到C)压缩热 冷凝热=(冷负荷+压缩热) 制冷剂将冷凝热传给冷却塔,降低过冷热度,再冷凝到 (D)。 11 确定水的流量 如果流过的液体是盐水,那么方程要改变比热和比 重: Tons=(GPM X Rise X比热X比重)/24 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 X 1.20) =14400Btuh。 方程将变为: Tons X 14400Btuh =500 X GPM X Drop Tons X 28.8=GPM X Drop 冷凝器GPM=(28.8 X Tons)/Drop 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: 蒸发器GPM=(24 X1.25) X Tons/Drop =(30 X Tons)/Drop 因此,冷凝器的GPM随压缩机的效率变化而变化。 例题: 100冷吨、10F温升的蒸发器、10F降温的冷却塔的 机组需要多少水量? 冷冻水 GPM=(24 X tons)/Rise =(24 X 100)/10 =240GPM 冷凝水 GPM=(28.8 X tons)/ Drop =(28.8 X 100)/10 =288GPM 数据24和28.8的由来: 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。 1ton=(2000 lbs X 144Btu/lb)/24hrs 1ton=12000Btu/h 传入传出水的热量如下计算: 热量Btuh =500 X GPM X Rise 由于1ton=12000Btu/h Tons X 12000Btu/h =500 X GPM X Rise Tons (12000/500)=GPM X Rise Tons X 24=GPM X Rise Tons =(GPM X Rise)/24 GPM=(24 X Tons)/Rise 12 确定水的流量 冷水机组用冷吨(tons)来评价(冷负荷) 冷冻水量 1 ton =12,000 Btu/h tons x 12,000 =500 x 冷冻水量 x 温升 温升=(24 x tons)/ 温升 压缩机产生20%的热量 tons x 12,000 x 1.2 =500 X 冷却水量 x 温降 冷却水量 =(28.8 x tons)/温降 例: 100ton的机组10F的冷冻水温升和10F的冷却水温降 冷冻水流量 =(24 x 100)/10 =240 GPM 冷却水流量 =(28.8 x 100)/10 =288 GPM 旧的低效机组(25%压缩产热) 冷却水流量 =(30 x 100)/10 =300 GPM 13 冷水机组的能耗和尺寸 制冷循环中压缩机消耗能量,机组的尺寸是下面三项的函数: 1-通过压缩机的工质的质量流量; 2-压缩机中的压力升高“Lift”(Pc-Pb)。这与压缩机的压缩比有关; 3-压缩机的实际效率。 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。 14 冷水机组的能耗和尺寸 压缩机所消耗的能量是3 个因素的函数: ­制冷剂在压缩机中的质量 流量,lb/min(R.E.) ­压缩机带来的压力增加( Pc ­ Pb) ­压缩效率(压缩热) 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” 制冷效率(R.E.) 压缩产热(H.C.) (压缩机效率) 压力增加(Pc ­ Pb) 15 降低冷水机组的压升 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。 压缩机压升可以通过以下两种方式降低; 1-提高饱和蒸发温度(SET) 2-降低饱和冷凝温度(SCT) 机组的生产商运用机械措施和复杂的控制系统从两方面改 进。 现在看饱和蒸发温度(SET)提高时的能耗变化。 16 降低冷水机组的压升 降低压升的方法: ­提高饱和蒸发温度( SET) ­降低饱和冷凝温度( SCT) 我们先看提高饱和蒸 发温度(SET) 17 摘要: 提高饱和蒸发温度 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。 18 摘要: 提高饱和蒸发温度 制造商选项和应用选择 通过以下方法来进行: ­增加传热系数­“U“ ­降低水膜热阻 ­降低水侧污垢热阻 ­降低金属层热阻 ­降低制冷剂膜热阻 ­ 增加热交换面积­”A“ ­ 增加单位长度的翅片数 ­ 增加给定的热交换器中的管数 ­ 增大热交换器的断面 ­ 增加热交换器的长度 让我们看着每一项的影响 19 蒸发器的基本类型 蒸发器可分成两种基本结构类型: 满液式: 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。 离心式冷水机组采用满液式设计。 干式: 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

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