蒸发冷却冷水机组性能测试与分析

蒸发冷却冷水机组性能测试与分析

熊松

贵州黔源电力股份有限公司引子渡分公司561105

摘 要：本文介绍了蒸发冷却冷水机组的结构特点、运行方式和技术性能，并通过实例说明了蒸发冷却技术在工业制冷系统中的应用。 随着社会的发展，工业领域对节能的要求越来越高，而传统制冷机的能耗和效率已无法满足其对节能的要求，蒸发冷却技术应运而生。 蒸发式冷水机组以水为传热介质、用制冷剂替代传统冷却水、利用空气作为冷却介质，从而实现能量交换。 本文主要介绍了蒸发式冷水机组（简称“机组”）设计原理、结构特点、性能测试以及实际应用等内容。

关键词：蒸发冷却冷水机组；性能测试；分析

引言

随着现代化进程的加快，空调在我国的应用越来越广泛，由此带来的能源问题也越来越引起人们的重视。现代社会崇尚绿色环保，而空调作为一种能耗较高的家用器具，其使用要求也越来越高。目前，利用可再生能源、低品位能源已经成为当前节能领域的一个重要课题。在传统的中央空调系统中，大多数都会使用蒸汽压缩式冷冻机或吸收式冷水机组作为冷源，在7-9℃左右。随着我国实施“自控”的概念，以及相关的节能示范项目的实施，对15~20℃的低温冷源的需求量越来越大。由于我国中西部地区气候较南方干燥，因此采用蒸发冷却方法来获取高温冷源是一种很有前景的方法。

1蒸发冷却对于现代制冷的重要性

我国在现有的空调制冷方面，它最大的特点就是要能达到冷却、节能、可循环利用，因此我们需要对以往采用的制冷方式进行改造。尤其是在高温差地区，更需要大量的制冷，而现在的蒸发器冷却技术可以将这两种技术有机地结合在一起，使得我们可以节约能源和健康环保。我们按照需要采取下列方法进行空气降温：

(1）循环水的冷却是通过水的汽化冷却特性来实现的。

(2）利用各种天然的冷能源，如河流、湖泊、可燃冰和地下的制冷。

(3）在不满足上述两个条件的情况下，采用人工冷源进行制冷。

目前我国的某些政策已经推动了汽化制冷技术的发展，从整个国家的能源结构来看，节能是促进环境保护的重要因素[1]。

2机组的结构特点

在蒸发冷却式冷水机组中，压缩机位于冷凝器之后，采用轴流风扇对压缩机进行强制冷却。

（1）冷凝器采用板式热交换器，其结构简单、运行可靠。

（2）蒸发式冷水机组采用水冷式蒸发冷却器，机组整体尺寸小，可降低制冷量和能耗。

（3）蒸发器采用翅片式换热器，换热效果好。

（4）蒸发冷却器为组合式结构，可根据不同的运行工况而定。

（5）制冷系统主要由空气预热器、蒸发器、冷凝器组成。

该机组的蒸发冷水机和冷凝器的热交换过程可分为四个阶段：

（1）水在换热器中从高压侧进入低压侧；

（2）水在蒸发器中被加热成高温低压的蒸气；

（3）蒸气沿膨胀阀的节流孔被冷却至室温；

（4）水蒸气从蒸发器中排出，通过冷凝器进入压缩机而再次循环。

3蒸发冷却技术的原理

水在水中蒸发时会产生大量的热，这部分热量被空气吸收，从而降低冷却水温度，使冷却水温度提高。由于空气可以吸收蒸发过程中产生的热量，故可将空气作为冷却器的传热介质。蒸发冷却系统包括以下几个部分：蒸发器、冷凝器、冷凝段、循环泵及管道系统等。蒸发器是系统中热量回收的主要设备，通过蒸汽冷凝产生的冷量进入压缩机，然后送入循环水泵进一步降温后再排入大气[2]。同时由于空气流速加快及空气含湿量增加，使蒸发速度增加从而提高冷却效率；与此同时由于蒸发器上的液膜上出现气泡而产生了一定的压差从而造成液流产生的压力下降，又增加了蒸发过程中过冷问题；同时当蒸发器上出现凝结时又为空气带来了热量使冷却效率提高。

4产品性能参数及试验方法

根据机组性能要求，选择了3台机组进行试验，即在不同的环境温度下，分别测试了制冷效率、蒸发温度、蒸发量等性能参数。

1）制冷效率：根据环境温度不同，分别测试了制冷量和蒸发温度的指标；

2）蒸发量：参照《冷水机产品性能试验方法》（GB/T4754-2005）中规定的蒸发冷却冷水机的蒸发量；

3）蒸发机工作压力：采用美国通用电气公司压力控制器进行控制。

4）测试设备：分别选择了空气压缩机、水系统的冷凝器、蒸发器，根据机组性能要求，选择了相应的制冷、蒸发及热交换等设备来保证机组性能参数。

在试验过程中，我们必须在机组进风处和出风处分别设置测量点，每一个测量点都在垂直方向上设置三个测量点，这样我们就可以直接测量出参数沿高度的变化，并且尽量将测量点的位置保持在风管高度的三分之一处，然后根据测量结果取平均值，避免出现误差。

在试验的时候，我们发现300 mm的填充区存在着很大的阻力，这就导致了设备的空气流量下降，这是由于300 mm处的空气阻力损耗过大，导致了空气流量的下降，这就会使雷诺数下降，进而减弱传热能力；另外，由于风向减小，在同一截面上也会受到风流的干扰，由此可以看出这种构造是不合理的。因此，在这个试验中，我们建议使用300 mm的填料，根据效率、阻力、风流等参数对试验进行了优选，得出了一个最好的设计方案。我们这一试验采取了以下几种方法。

(1）采用100毫米的二级填料，打开两个高压喷射器，以进行试验。

(2）采用200毫米的二级填料，打开一个高压喷射器，进行试验。

(3）采用一级100毫米填料，开启一个高压喷射器，进行试验。

(4）采用二级200毫米的填料，开启两个高压喷嘴，进行试验。

在试验期间，为确保试验结果的准确性，必须在设备启动后的三十分钟内进行数据采集，并定期进行检测，以确保试验结果的准确性[3]。

5试验数据的处理及分析

机组性能参数：机组制冷量、输入功率、输出功率（kW）、蒸发温度变化率（%）、蒸发压力（Pa）、蒸发器压力变化率（%）、冷凝器压降（m3/h*10 kPa）；

机组的运行方式：单循环，冷媒流量从20~80 kg/h变化； 冷媒流量波动范围：40%~100%波动；

蒸发温度变化规律：1~2℃/h变化，在0~-15℃的范围内波动，幅度约20%； 冷媒温度不稳定对机组性能影响较大，对冷媒的流量变化率有较强要求。 在冷媒流量与蒸发器温度之间存在一定的差值，其差值约为5 kg/min。 随着冷剂蒸发量的增加，冷源压力呈逐渐增大的趋势[4]。

6设备维护与检修

机组安装完毕后，需要做好设备的运行记录。 ①运行记录内容包括：机组名称、型号及出厂日期，运行时间及累计运行时间。 ②机组在不同工况下，运行记录为：空载（0h）、满载（5h）、轻载（1h）。 ③在不同工况下，机组的运行记录为：冷负荷状态下的运行记录为：冷负荷（0~10℃）； ④冷冻水系统工况下设备的工作记录为：冷负荷（-10℃）、冷负荷（+5℃）、冷水泵工作时间记录为：冷负荷（0~20℃）；制热工况下设备的工作记录为：制热工况、冷水泵工作时间、循环水温等； ⑤系统工况下设备工作状态分析内容为：冷却水水温、循环水水温[5]。

7项目运行情况的监控与管理

蒸发式冷水机组一般在工厂运行1~2年后，需要进行检修，在机组检修前要对其性能进行测试，并对机组的运行状况进行记录。 当机组检修时需对以下内容做好记录：

1）机组的故障及处理情况；

2）设备运行时的状态；

3）维修和保养情况；

4）设备和材料的损耗情况。

8结论

蒸发冷却冷水机组是一种高效的空气处理设备，其高效特性主要表现在：蒸发冷却冷水机组具有结构紧凑、效率高、占地面积小等特点，可用于各种用途的空调系统；采用热湿处理后再进行降温，制冷和采暖效果更佳；蒸发冷却方式能够有效地利用空气资源，具有节能、环保和可持续发展的优势；机组可根据具体需要进行个性化设计，满足用户的使用需求；机组具有很高的性价比，运行费用低。目前蒸发冷却冷水机组已经在国内外获得广泛应用。我们在现有的技术条件下，对于蒸发冷却的研究依然在不断地开发研究当中，本文根据蒸发冷却的概念进行了一系列实验测试，根据不同的实验结果及其数据，为制冷研究上提供支持。

参考文献

[1] 罗定鑫. 冷冻水流量变化对地铁冷水机组COP的影响[J]. 建筑技术开发,2016,43(3):154-155.

[2] 江楚遥,梁彩华,张小松. 冷水机组变流量性能预测模型与实验研究[J]. 东南大学学报（自然科学版）,2014(2):301-306.

[3] 王生龙,李国苹. 离心式冷水机组及空调系统变流量节能分析[J]. 制冷与空调,2016,16(4):61-64,68.

[4] 陈敏华. 中央冷水主机变冷冻水温对系统节能的影响分析[J]. 建筑热能通风空调,2012,31(4):64-66.

[5] 柳慈翀,史俊茹,乌云,等. R290在大功率商用冷冻冷水机组的应用[J]. 制冷学报,2018,39(4):99-105.