空壓機與空調的相互匹配工藝探討剖析

　　隨著(zhù)人們生活水平的提高，空調系統已經(jīng)從以前的奢侈品變?yōu)槿缃竦谋匦杵?。各大空調器廠(chǎng)家也將越來(lái)越多的資金投入到空調系統的研發(fā)上。

　　通常，空調系統主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節流裝置(Apparatus)（如毛細管等）等關(guān)鍵部件組成。昆山空壓機維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過(guò)自潔式空氣過(guò)濾器被吸入，通過(guò)PLC自動(dòng)清洗過(guò)濾器，空氣在經(jīng)過(guò)進(jìn)口導葉自動(dòng)調節后進(jìn)入一級壓縮，經(jīng)一級壓縮后的氣體溫度較高，然后進(jìn)入中間冷卻器進(jìn)行冷卻(水走管內，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級壓縮系統各部件要匹配良好才能真正的發(fā)揮整個(gè)空調系統的性能，提高系統的能效比，從而節約能源。而空調系統的匹配目前普遍采用的方法是，首先依據經(jīng)驗給出一個(gè)大體的部件構成，然后通過(guò)實(shí)驗（experiment)測試觀(guān)察其能力、能效比等參數指標是否滿(mǎn)足要求；如滿(mǎn)足要求則考慮是否可以更換(replace)成本更低的零部件，例如換熱器、壓縮機等。這種方法的匹配速度較慢，資源浪費較大，因此尋求更快、更省的方法就顯的十分重要。
　　而空調系統(system)的模擬仿真為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一條有效途徑。
　　對于壓縮機廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，經(jīng)常需要協(xié)助空調廠(chǎng)進(jìn)行壓縮機與空調器的匹配實(shí)驗，以便更好的發(fā)揮整套空調系統(system)的性能。這里的空調器是指除壓縮機以外的空調系統，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)簡(jiǎn)稱(chēng)空調器。而包含壓縮機等所有零部件的空調器稱(chēng)為空調系統。這里首先建立了壓縮機與空調器自動(dòng)匹配的系統流程。
　　其次，為了模擬選配的壓縮機與空調器的匹配效果（制冷量、能效比等），使用VBA語(yǔ)言在Excel軟件上實(shí)現了自動(dòng)匹配的模擬程序。將整個(gè)空調系統分為蒸發(fā)(evaporation)器、冷凝器、壓縮機、毛細管等幾部分分別進(jìn)行模擬計算。為更準確的表示系統冷媒的狀態(tài)(status)，將系統的過(guò)冷度、過(guò)熱度轉化為焓差進(jìn)行處理。以系統冷媒的質(zhì)量流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶，通過(guò)程序不斷自動(dòng)調整(Adjustment)蒸發(fā)溫度（temperature)、冷凝溫度、焓差等參數來(lái)對空調系統的狀態(tài)進(jìn)行匹配。在壓縮機模擬中，考慮了壓縮機油池內溶解的制冷劑量的影響，使仿真（simulation)結果更準確。
　　1系統計算流程圖
　　為了給指定的空調器匹配最合適的壓縮機以及確定最佳冷媒充注量，首先需要建立壓縮機特征參數數據庫，并根據系統的設計要求初步選定符合條件(tiáo jiàn)的壓縮機形成壓縮機備選數據庫，其次要對選定的壓縮機與空調器進(jìn)行模擬(定義:對真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)計算，從而給出最佳匹配結果。其系統流程圖具體步驟如下：1） 建立壓縮機備選數據庫首先采用十系數法對壓縮機的能力、功率、電流等性能參數進(jìn)行擬合。通常，這些擬合參數由壓縮機廠(chǎng)家提供。其次，記錄每種型號(xíng hào)壓縮機的冷凍油量、高壓腔容積(Capacity)、低壓腔容積等，建立壓縮機的模型數據庫，以便在壓縮機與空調器匹配時(shí)調用。
　　當給定空調器后，根據空調器的設計參數，選擇在特定工況下能力范圍在100%到150%的壓縮機，并符合壓縮機電制、適用冷媒等要求，從而形成本次空調器匹配的壓縮機備選數據庫。
　　2） 從壓縮機備選數據庫中選擇(xuanze)某一型號壓縮機，并進(jìn)行壓縮機與空調器的模擬匹配計算，確定最佳冷媒充注量。
　　3） 判斷(judgment)備選數據庫中是否所有壓縮機均已匹配完畢，如是轉（4），否則轉輸出在滿(mǎn)足能力要求條件下，能效比（COP）最高的壓縮機型號以及對應的最佳冷媒充注量。
　　2壓縮機(compressor)與空調器的匹配計算
　　在選定壓縮機后，進(jìn)行壓縮機與空調器的匹配計算，從而確定系統的最佳CO
　　P、制冷量以及對應的冷媒充注量等參數。
　　將整個(gè)空調系統(system)分為蒸發(fā)器、冷凝器（類(lèi)別：換熱設備）、壓縮機(compressor)、毛細管等幾部分分別進(jìn)行模擬計算。為更準確的表示系統冷媒的狀態(tài)，將系統的過(guò)冷度、過(guò)熱度轉化為焓差進(jìn)行處理(chǔ lǐ)。對于各部件之間的耦合（Coupling）計算，以系統冷媒的質(zhì)量(quality)流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶，通過(guò)不斷調整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、焓差等參數來(lái)對空調系統的狀態(tài)進(jìn)行模擬。通常，過(guò)熱度是指制冷循環(huán)中相同蒸發(fā)壓力下制冷劑的過(guò)熱溫度與飽和溫度之差。在試驗過(guò)程中，當過(guò)熱度為0時(shí)，系統冷媒的狀態(tài)可能（maybe)位于1'點(diǎn)，也可能位于6點(diǎn)。在程序計算過(guò)程中，需要過(guò)熱度為0時(shí)的計算。為更準確表示系統冷媒的狀態(tài)，將當前的冷媒焓值與蒸發(fā)溫度對應的飽和氣體焓值的差，用來(lái)代替過(guò)熱度進(jìn)行計算。同理，將當前的冷媒焓值與冷凝溫度對應的飽和液體焓值的差，用來(lái)代替過(guò)冷度進(jìn)行計算。
　　壓縮機與空調器的模擬計算流程圖如所示。其中m rmi
　　N、m rmax分別為最小、最大冷媒充注量；ΔH
　　C、m rc分別為當前計算所得的焓差、冷媒量；Q co
　　M、Q cap分別為壓縮機(compressor)、毛細管的質(zhì)量流量。
　　2.1 壓縮機模型
　　為計算壓縮機的能力、功率、電流等相關(guān)參數，采用十系數擬合法，其公式如下：（1）X DD能力、功率或者電流；S DD蒸發(fā)溫度，℃；D DD冷凝溫度，℃；C 1，C 2 C 10為壓縮機廠(chǎng)家給出的擬合系數。
　　公式（1）是在壓縮機標準測試工況下的數值模擬公式。即冷凝溫度（temperature)54.4℃，蒸發(fā)溫度7.2℃，吸氣過(guò)熱度11.1K，過(guò)冷度8.3K情況下的模擬數據。
　　當過(guò)冷度和吸氣過(guò)熱度變化時(shí)需要對該公式進(jìn)行修正。
　　設當前過(guò)冷度為T(mén) sc，H sc為（T sc－8.3）過(guò)冷段所對應的焓值，G為冷媒質(zhì)量流量，則當前能力、功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少）或者電流X 1為：X 1 = X + H sc G（2）當過(guò)熱度為T(mén) sh時(shí)，系統能力、功率或者電流X 2為：X 2 = X + 0.00144（T sh－11.1）X（3）此外，對壓縮機進(jìn)行模擬時(shí)，根據冷媒、油互溶曲線(xiàn)得到油當中溶解的冷媒量。冷媒在冷凍油內的溶解度曲線(xiàn)所示。
　　假設壓縮(compression)機內冷凍油充注量為1700mL，冷凍油密度為1.2×10 3 kg/m 3，壓縮機油池溫度為40℃，壓力為5×10 5 Pa，則根據可得R22冷媒在冷凍油中溶解度為7.5%，即冷凍油中溶解的冷媒量為0.153 kg.
　　2.2 換熱器模型
　　1） 冷凝器的模擬采用穩態(tài)分布參數模型，將冷凝器分為過(guò)熱器、兩相區、過(guò)冷區進(jìn)行數值模擬。每個(gè)相區劃分若干微元。對于單相區，即過(guò)熱區和過(guò)冷區，微元的劃分按制冷(Refrigeration)劑側溫降進(jìn)行均分。對于兩相區，由于溫度不變，換熱表現在焓值的變化上，因此微元的劃分按制冷劑焓差進(jìn)行均分。如果已知微元的進(jìn)出口狀態(tài)(status)參數，則每個(gè)微元的長(cháng)度L為：（4）其中，αi為制冷劑側表面(appearance)傳熱系數，αo為空氣側表面傳熱系數，A i /A o為冷凝器管內、外有效傳熱面積之比；m r表示制冷劑側的質(zhì)流率。h r1微元入口側制冷劑焓值，h r2表示微元出口側制冷劑焓值；T rm表示制冷劑側溫度平均值，T am表示空氣側溫度平均值；d i表示管壁內徑。
　　對于單相區，制冷劑側換熱系數αi由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計算。對于兩相區，制冷劑側換熱系數采用Shah關(guān)聯(lián)式計算。對于空氣側換熱系數，采用李嫵等人換熱綜合關(guān)聯(lián)式計算。
　　2） 蒸發(fā)器的模擬對于蒸發(fā)器模擬，制冷劑側包括(bāo kuò)兩個(gè)相區：兩相區和過(guò)熱區。每個(gè)相區可通過(guò)焓差等分為若干個(gè)微元進(jìn)行計算，每個(gè)微元的長(cháng)度L為：（5）式中，Q r為制冷劑側換熱量，T w為管壁溫度，T r為制冷劑側溫度，αi為制冷劑側表面傳熱系數，壓縮(compression)機與空調器的自動(dòng)匹配技術(shù)研究d i表示管壁內徑。
　　對于過(guò)熱區，制冷劑側換熱系數由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計算。對于兩相區，制冷劑側換熱系數采用wang的公式計算。
　　3） 空泡系數模型空調器模擬分析要求能夠準確模擬空調器實(shí)際工作狀況。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。其中一個(gè)重要方面是如何準確確定冷媒充注量的問(wèn)題。充注量計算的難點(diǎn)在于兩相區制冷(Refrigeration)劑量的確定，其關(guān)鍵是兩相區空泡系數的計算。
　　空泡系數是兩相混合物在任一流動(dòng)截面內氣相所占的總面積份額，又稱(chēng)為截面含氣率。經(jīng)比較均相模型(model)、滑動(dòng)比模型等空泡系數模型，這里采用hughmark模型進(jìn)行計算，公式如下：（6）其中，K H具體計算見(jiàn)文獻，ρg為氣體密度（單位:g/cm3或kg/m3)，ρf為液體密度，x為干度。
　　2.3 節流裝置模型文獻對毛細管作為節流元件的研究（research)進(jìn)行了綜述。本文采用Jung等提出的絕熱毛細管的實(shí)用關(guān)聯(lián)模型，公式如下：（7）式中，對于R22冷媒，c 1 =0.249029， c 2 =2.543633，c 3 =-0.42753， c 4 =0.746108， c 5 =0.013922.D為毛細管內徑，L cap為毛細管長(cháng)度，T in為毛細管進(jìn)口溫度，ΔT sc為過(guò)冷度。
　　3模擬實(shí)例以某空調廠(chǎng)R22冷媒的5HP二級能效空調匹配為例，對本文方法(method)進(jìn)行驗證。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。昆山空壓機維修在啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)油泵控制系統，油泵控制系統啟動(dòng)后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好，同時(shí)油泵控制系統可通過(guò)內置的溫控閥來(lái)調節內部油壓和油溫，以滿(mǎn)足系統需要。已知整套空調系統(system)要求標稱(chēng)制冷量為12kW，COP≥3.0.其他系統測量參數為：冷凝器管徑為7.94mm，壁厚為0.25mm，管間距為25.4mm，排間距為19.04mm，翅片厚為0.11mm，翅片間距為1.3mm，排數為2，分路數為8，風(fēng)速1.22m/s.蒸發(fā)器管徑為9.52mm，壁厚0.35mm，管間距25.4mm，排間距21.0mm，翅片厚0.11mm，翅片間距18.5mm，排數3，分路數6，風(fēng)速1.3m/s.毛細管長(cháng)度為0.5m，內徑為1.4mm.風(fēng)機功率為350W.
　　要求選出與該套空調器匹配最佳的壓縮(compression)機以及冷媒充注量，并計算出在最佳狀態(tài)下系統的CO
　　P、制冷量、功率（指物體在單位時(shí)間內所做的功的多少）等參數。使用VBA語(yǔ)言在Excel軟件上實(shí)現程序的編制，其模擬結果與實(shí)際結果的比較軟件界面所示。
　　從仿真結果可以看出，C-SBX160H38A與該套空調器匹配的COP最好，達到3.102，制冷量為11744 W.這與實(shí)際空調系統(system)的匹配實(shí)驗（experiment)結果是一致的。兩者制冷量相差2.1%，COP相差1.9%，冷媒充注量相差2.9%.此外，實(shí)驗所得的冷凝溫度為46℃，蒸發(fā)溫度為3.8℃，過(guò)冷度為5.3℃，過(guò)熱度為4.6℃。而仿真所得的冷凝溫度為48℃，蒸發(fā)溫度為2.3℃，過(guò)冷度為10℃，過(guò)熱度為3℃。兩者分別相差2℃、1.5℃、4.7℃、1.6℃?？梢?jiàn)，這里的方法可以較為準確的模擬空調器的運轉狀態(tài)，從而為壓縮機(compressor)與空調器的匹配提供指導。
　　4結論
　　首先給出了壓縮機(compressor)與空調器自動(dòng)匹配的系統流程(liú chéng)；其次以冷媒質(zhì)量流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶，對壓縮機、換熱器、毛細管等進(jìn)行了模擬計算。
　　其中根據焓值的變化來(lái)調整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，擴大了空調系統模擬的運行范圍。昆山空壓機保養在空壓機的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機的機械噪聲和電機噪聲仍然很高，因此還應在空壓機的機組上安裝隔聲罩。4、懸掛空間吸聲體：在佛山凌格風(fēng)空壓機站，高大空曠的廠(chǎng)房混響很重。對壓縮機進(jìn)行模擬時(shí)，考慮了冷凍油中溶解的冷媒的影響(influence)，提高了仿真模型的準確性。為便于該方法(method)的推廣應用，使用VBA語(yǔ)言在Excel軟件上實(shí)現了程序的編制。最后將該軟件應用在某空調廠(chǎng)委托的空調器匹配實(shí)驗（experiment)中，為實(shí)驗提供了很好的理論指導，節省了大量的匹配時(shí)間與資金。