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采用R410A为制冷剂的小型风冷式冷水机组设计

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专题研讨 采用R41 0A为制冷剂的小型风冷式冷水机组设计 舒欢,谢应明,韩朱嵩 (上海理工大学。上海200093) 摘要:以R410A为制冷剂设计的一套小型家用风冷冷水机组。标准工况下,该机组的设计 制冷量和制热量分别为16.5kW和18.0kW。在系统热力计算的基础上,介绍了以R410A为制冷 剂的小型家用风冷冷水机组设备选型过程,选用了制冷量和制热量分别为16.89kW和19kW的 全封闭涡旋式压缩机、实际总管长144m和实际传热面积70.24m2的翅片管式换热器作风侧换热 器,板间距为0.0032m、单片传热面积为0.12m2的板式换热器作水侧换热器,毛细管作节流装置等。 关键词:R410A; 风冷冷水机组; 涡旋压缩机; 板式换热器 中图分类号:TU83 文献标识码:B 文章编号:1 006—8449(201 1)05—001 8—04 0 引言 在本次冷水机组设计中,制冷剂选R410A是因为 它是一款由HFC类物质组成的混合制冷剂,不含任何 破坏臭氧层的物质,其ODP值为0,是目前世界上公 认的R22制冷剂的主要替代品。与R22相比,R410A 的制冷量显著提高,因此为设计更小更紧凑的空调设 系统循环热力计算的目的是确定循环的性能指 标,它包括压缩机容量、功率以及换热设备的热负荷 等,为系统主要设备如压缩机和换热器以及其它辅助 设备包括管道的设计、选配提供原始数据。在进行热力 计算时首先需确定工作参数。 1.1设计参数的确定 备提供了可能。另外,由于R410A具有近共沸的物性, 在整个运行范围内,制冷剂的滑移小于0.2 oc,故在制 冷空调系统中不会发生显著的分离,且不会由于泄漏 而改变制冷剂的成分,因此在售后维修的再补充过程 中,无需放掉系统中剩余的制冷剂_lJ。 本文的目的是为了设计一台满足家用小型中央空 通常,非共沸制冷剂在压焓图上压力表现为一条 斜线。由于R410A的露、泡点温差极小,仅为0.2 ̄C,属 于近共沸制冷剂,在压焓图中与单一工质的制冷剂无 异嘲,故本设计热力计算采用单一工质的处理办法。 调需要并且采用环保制冷剂的风冷式冷水机组,具体 要求是:在标准制冷工况下,室外侧进风干、湿球温度 为35 ̄C/24℃时,制冷量达到16.5kW,进、出水温度达 该冷(热)水机组设计要求的制冷量和制热量分别 为16.5kW和18.0kW。根据要求,参考相关设计资料和 标准,制冷运行时:蒸发温度t。为2 ̄C,冷凝温度t 为 到12 ̄C/7 ̄C;在标准制热工况下,室外侧进风干、湿球 温度为7 ̄C/6 ̄C时,制热量达到18.0kW,进、出水温度 50 ̄C,过热度△%取10℃,过冷度△ 取5℃;制热运行 时:蒸发温度t。为0℃,冷凝温度t 为48℃,过热度△f。 取l0℃,过冷度△£k取5℃。 1_2循环的热力学计算翻 达到40 ̄C/45 oc。在循环热力计算的基础上本文对机组 中的主要设备压缩机、换热器、节流装置以及主要辅助 设备进行了设计计算和选型。 图1分别是系统在制冷和制热运行时的lg P_ 图,其中点0为蒸发器出口状态点;点1为压缩机吸气 1 循环的热力计算 状态点;点5为进人节流元件前的制冷剂状态。 系统热力计算结果见表1。 专题研讨 涡旋压缩机虽然是近十余年来 3O. 才开始实用化的一种新型压缩机, … 。 但因其没有吸气阀和排气阀,因而 工作可靠、寿命长久;其效率比活塞 式压缩机高10%以上,比转子式压 缩机高5%以上;对液击不敏感,可 允许少量带液压缩;运转平衡,振动 小;吸排气过程连续、大大降低排气 8.5 h/kJ/kg b) 图1系统的lgP-h图 a)制冷运行时工况 b)制热运行时工况 脉冲等优点使其成为目前最先进的 种压缩机,其制冷量范围一般在 一表1系统热力计算结果 4-40kWr41,综合考虑本设计中采用大连三洋压缩机有 限公司的C—SBN523H8D型全封闭涡旋式制冷压缩 机,该型式压缩机制冷量数据见表2。 表2压缩机制冷量数据 kW 冷凝温度 ℃ 一15 —10 —6.7 蒸发温度,℃ 0 4.4 7.2 10 12 11 230 13 560 15 350 19 760 23 320 25 910 28 790 3l 050 0 10 200 12 350 1401O 1810O 2l 420 23 840 26 530 28 640 ∞ ∞ ∞ 5 0 O 4 0 0 9420 l1 430 12990 16 830 19 960 22 240 24 780 26 770 8620 10490 l1 930 15 520 18 430 20 570 22 960 24 830 9720 l1 070 14440 17180 19 200 21 450 23 220 2 系统主要设备选型 本设计系风冷冷(热)水机组,主要功能是冷却(或 10070 13170 l5 720 17 590 19 680 21 320 12 140 14 520 16270 18 230 19 770 加热)水,机组另一侧与空气换热。其组成部分包括压 缩机、节流装置和换热器以及其它辅助设备。制冷时, 水侧换热器做蒸发器,空气侧换热器做冷凝器;当需要 制热时将四通换向阀换向,制冷剂逆向流动,使原来制 冷时的蒸发器变为制热时的冷凝器,而原来制冷时的 根据以上数据计算得该型式压缩机的制冷量Q 。 约为16.89kW,而机组的设计制冷量Q。为16.5kW,经 校核计算,得: 0 冷凝器作为制热时的蒸发器使用,系统如图2所示。 下面分别对组成系统的设备选型进行论述。 2.1制冷压缩机选型 一_I1 l6.5 J『=~ 2.38% 、( 1) 误差在5%以内,选择的 压缩机可满足设计要求。 制热运行时,无参数表 可查,询问三洋技术员的结 果是在19kW左右,校核得 空 气 式中p 。一C—SBN523H8D型压缩机的制冷量,kW; Q。一机组设计制冷量,kW。 同样满足误差要求。 2.2换热器选型 2-2.1风侧换热器的选型 倒 换 热 器 风侧换热器大都采用翅 片管式换热器,换热管为紫 铜管。与光管相比,使用内螺 纹强化传热管,传热系数可 图2机组的系统示意图 专题研讨 提高20%以上。外翅片材料为铝,片厚0.15~0.25ram, 146 45 节距2mm左右。本设计中,选用了强制对流空冷式换 热器,它是由一组带翅片的盘管构成。空气在管间强制 通过,而制冷剂在管内流动,这种换热器的传热效率 高、占用空间小,但需配以风扇来实现强制风冷。 翅片管在制冷运行时作冷凝器用,计算得冷凝器 的实际总管管长为144m,实际传热面积为70.24m ,另 外在制热运行时对已选型的翅片换热器进行校核计算 并最后确定其结构尺寸如图3所示。 250 330 I -一 】 ÷- 1卓 一 —1 r_ 】 I 由于该翅片管换热器为强制风冷却式,所以要对 22 广2 ]5 图4板式换热器结构尺寸 器,其单片传热面积为0.14m ,板片数为9,板间距为 0.0032m,其结构尺寸如图4所示。在制热运行时板式 750 换热器作冷凝器用,工况温度升高,致使两侧动力粘度 大幅减小,而制热量为18kW,仅仅提高了9%。因而雷 诺数大幅增加,加剧了对流换热的能力,对流换热系数 大幅增加,换热面积减小,所选板式换热器完全可以达 到换热需要。 25 1240 图3翅片式换热器结构尺寸 2.3节流装置的选配和估算 空调机组中常用的节流装置有热力膨胀阀和毛细 风机进行设计选型。风机的选择是根据冷凝器的迎面 风的宽带和高度来计算动压和静压两项参数,并由此 两项参数来计算电动机的输入功率,最后由此功率做 参照来选择合适的风机。 经计算电动机输入功率P为185.4W,根据计算结 果,所需风量较大。由输入功率参考风机规格选用 T35—1 1、T40—1 1系轴流风机。 管等。毛细管是一根内径很细(一般在0.6~2mm)的紫 铜管,它适用于工况比较稳定的制冷剂系统,广泛用于 家用冰箱和中小型空调器,所以本设计也选择了毛细 管作为节流装置。 由于毛细管内的流态是两相流动,理论计算比较 复杂,本文采用类比法来选型。通过对一台比较成熟的 制冷量Q。 为3.5kW的空调器中所采用的毛细管(内 查此系轴流风机性能参数表后选用5号机,该5 号机叶轮周转25.1m/s,风量4129m3/s,效率0.88,轴功 率0.079kW,功率0.088kW,电机型号YSF一8026。 2.2.2水侧换热器的选型 径d=1.6mm、长度L=500mm、个数A 为两根并联)进 行类比来确定。 制冷时有: A I一 一 水侧换热器一般为套管式换热器和板式换热器。 r2、 A 2 Qo2 16.5 5 一 板式换热器因具有传热效率高、结构紧凑、充液量小以 及重量轻等优点使其成为使用最广泛的换热器型式之 一式中 一本系统制冷运行时选用的毛细管数,根; q舵一本系统制冷量,kW。 A 2:5A1,因此可选用d=1.6ram、L=500mm的10 。由于板式换热器板片间流道窄,只有2-5mm;板片 结垢或受流体中夹带的异物阻塞时对换热器性能的影 响大,因此,在使用板式换热器时应特别注意对水质的 根毛细管并联即可满足要求。 同理,制热运行时为12根相同尺寸的毛细管和制 要求,并采用相应的水过滤措施;板式换热器作为蒸发 器使用时,要有必要的防冻保护措施;另外由于板式换 冷运行时并联的尺寸的1O根毛细管串联。 由于该机组兼顾制冷和制热,并且毛细管规格相 同。所以制热运行比制冷运行多出的两根毛细管用电 磁阀控制。制冷时电磁阀打开,因为毛细管阻抗较大, 制冷剂绕开两根毛细管,此时l0根毛细管参与工作; 而制热运行时,电磁阀关闭,制冷剂经12根毛细管节 热器内无制冷剂贮存能力,因此制冷系统中必须配有 贮液器[51。 板式换热器在制冷运行时作蒸发器使用,在制冷 运行时计算选用型号为BRB0.1T型~1号板式换热 专题研讨 流。 表4 Danfoss HE换热器结构参数 3 机组管路及辅助设备的设计和选用 3.1管路系统 型号 焊接连接 H. 三 L2 D 容积,cm 内 液体管路,mm吸气管路,mm mm mm]iflm mm mm 外 在确定系统管径时,有时根据已经选好的 制冷系统中其它主要设备如压缩机的接口的大小来直 接选取管径;工程上常根据管道总压力损失的许可值 来选取管径。 本设计中采用压力损失的方法得到的吸排气管路 的管径分别为(k22mm和 ̄bl2mm,以及液体管路管径 为4)10mm。 图6 Danfoss HE1.5套管换热器结构图 3.2过滤器和回热器 过滤器是根据流速和所连接管路的管径来确定 的。制冷剂液体在干燥器内的流速一般取0.013~ 0.33m/s,流速过大易使干燥剂粉碎,将过滤器堵塞或 将粉末带人系统,通常这一流速范围将作为选择干燥 4 结语 (1)压缩机是整个系统的心脏。其型式多样,生产 器直径大小的依据。根据上节选择的液体管径  ̄10mm,本设计选用KG一2过滤器,如图5所示,其具 体参数见表3。 回热器相当于一个中间换热器,利用回热使节流 表3 KG一2型空调用过滤器基本参数 型号 A,mm 4,8,mm 4,c,]iflm 4,0,1if]ln L,mm最大工作压力,MPa 厂家众多,故满足本机组要求的压缩机很多,但综合考 虑性能和价格,还是选择SANYO的涡旋式压缩机。由 于无法获取产品的螺旋体参数,本文通过查取所选机 型在本设计工况下的冷量与功率最终得到正确的选 型。 (2)风侧换热器采用翅片管式换热器,计算得其实 际总管管长为144m,实际传热面积为70.24m 。 (3)水侧换热器采用板式换热器,型号为BRB0.IT 型一l号,其单片传热面积为0.14m ,板片数为9,板间 / 。 / ; 中 t 距为0.0032m。 (4)节流装置采用d=1.6mm、L=500mm的毛细管, 并采用电磁阀控制毛细管的运行根数。制冷时10根参 / 厂‘ L ,| \ 图5 KG一2过滤器 与运行,制热时12根参与运行。 参考文献: [1】彦启森.空调技术的发展与展望[A].中国暖通空调制冷1998年学术 年会学术文集it].1998.125. f21郭庆堂.实用制冷工程设计手册[MI.北京:建筑工业出版社,1994. 前的制冷剂液体与压缩机吸人前的制冷剂蒸汽进行热 交换,使液体过冷,蒸汽过热,其换热量Q的计算如公 式: Q:G・(h 一ho) (3) [3】吴业正.小型制冷装置设计指导【M].北京:机械工业出版社,1999一O1. 『4】缪道平、吴业正.制冷压缩机【M].第一版.北京:机械工业出版社, 2004-02. 【5】刘宪英,陈延林,等.板式换热器设计选型计算方法[M].空调设计丛 书.1997. 式中Q一换热量,kW; G一制冷剂蒸汽的质量流量,kg/s; h。,h 一单位质量制冷剂蒸汽在回热器进、出口 处的焓值,J/kg。 经公式(3)计算得换热量为500W,选用Oanfoss 收稿日期:2011—07—18 修回日期:2011—08—15 HE1.5套管换热器,其结构如图6所示,参数见表4。 (下转第58页) 投木 4.4检漏 检漏一般采用正压和负压检漏法。 正压检漏法一般是让系统保持真空,从充注阀处 5 结语 设备的完好状态是保养出来的,不是修出来的。在 运行过程中严格遵守操作规程,密切观察运行参数,分 析参数变化原因,及时排除故障隐患,制定科学有效的 向系统充注一定量的制冷剂气体,使表压达到 13.8kPa,然后充入干燥的氮气,使系统压力达到 172~344kPa(表压)。对系统进行24h保压,前6h的压 力降应不超过2%,其余18h应保持压力稳定。在保压 的过程中应考虑环境温度变化对压力值的影响,如果 因环境温度降低而压力有所下降,不能误认为泄漏;否 则,要拆下封盖,确定漏点位置,并补漏。 在正压试验确定无泄漏后,要进行负压试验,负压 停机及开机维修保养计划,才能维持设备安全运行,降 低突发故障。冷水机组的运行与维护是一项细心、周密 的工作,运行过程中要不断积累经验,在保障设备正常 运行的同时,通过科学管理有效地延长冷水机组的使 用寿命。 参考文献: [1】董天禄.离心式/螺杆式冷水机组及应用[M].北京:机械工业出版社 2001. 试验也称作真空试验,用1台大功率真空泵将系统内 空气抽出,直至系统内压力为5mmHg为止,使系统真 空度保持8h,压力若有轻微回升则表明有潮气。这时 就要向系统充人氮气,使之升至大气压力,再进行第二 次抽真空,靠这种方法,可以将少量的潮气抽干净。直 至系统真空度保持8h压力未超过6.3mmHg,就可以认 为该系统是气密的了[3]。 [2】吴业正.制冷原理及设备【M].西安:西安交通大学出版社,2002. [3】付小平.中央空调系统运行管理[M].北京:清华大学出版社,2006. 收稿日期:201 1—07—19 修回日期:2011—08—24 Operation and Maintenance of Centrifugal Chillers BIAN De-hai (ShandongDazhongNews Group,Jinan 250014,China) Abstract:With the centirfugal chillers in the high-rise buildings were widely used in central air conditioning. operation and maintenance problems caused by improper increasingly prominent,this paper took YORK“YK’’centirfugal chillers for an example,Introdued start and stop operation,FHn inspections and maintenance of the centrifugal chillers system,orf the protection of the safe operation of the unit to provide a reference. Key words:centrifugal chillers; running check; maintenance 作者简介: 边德海(1972一),男,济南人,学士,工程师,从事中央空调运行、管理工作。 (上接第21页) Design of a Small Air-cooled Chiller Unit Using R410A as Refrigerant SHU Huan,XIE Ying-ming,HAN Zhu-song (University ofShanghoifor Science and Technology,Shanghai 200093,China) Abstract:A small household air—cooled chiller unit was designed using R410A as refrigerant.At standard condition, the cooling capacity and heating capacity of the unit is 16.5kW and 1 8.OkW,respectively.Based on the thermodynamic calculation,we selected a closed-type scroll compressor,its cooling capacity and heating capacity is 16.89kW and 19kW, respectively.Finned tube heat exchanger with total tube length of 1 44m and heat transfer area of 70.24m is used as air side heat exchanger.Plate heat exchanger with plate spacing of 0.0032m and single heat transfer area of 0.1 2m is used as water side heat exchanger.Capillary is used as throttle device. Key words:R410A;air cooled water chiller;scroll compressor;plate heat exchanger 基金项目: 国家自然科学基金(No.50806050),上海市重点学科建设项目(No.¥30503 o 作者简介: 舒欢(1987一),男,河南信阳人,硕士研究生,研究方向:制冷空调新技术; 谢应明(1978一),男,上海人,博士,副教授,研究方向:制冷空调新技术、储能技术。 58 No.5F2011第32卷 

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