167多功能空调设备实验平台的设计与开发正文

多功能空调设备实验平台的设计与开发东南大学能源与环境学院蔡亮、张小松、李舒宏、杜垲摘要：为了提高空调用设备的测试及研发能力，本着科研开发、测试及教学相结合的原则，作者研究开发了可以进行多种科学测试和实验的创新平台。该平台以空调用冷水机组（冷热源）为基础，进行冷水机组全性能变工况试验。在此基础上发展出空调用板式换热器试验装置（模拟冰蓄冷空调系统的板换装置）、压缩机性能实验装置、膨胀阀试验装置、空调用水泵试验装置、空气处理实验装置、空调变风量及风口、房间恒温恒湿自动控制实验、空调送风风机实验装置等等。在此开放型实验平台上已经对多项设备进行测试、开发研究，并培养了多名优秀的本科生、硕士生、博士生，取得了良好的效果。关键词：测试装置创新平台空调设备中图分类号：TU8DEVELOPMENTANDSTUDYOFMULTI-FUNCTIONTESITNGPLATFORMOFAIRCONDITIONINGEQUIPMENTCaiLiangZhangXiaosongLiShuhongDuKai(PowerEngineeringDepartmentSoutheastUniversity,Nanjing210096)ABSTRACT:Aninnovationtestplatformonwhichengineerscancarryoutanumberofresearchexperimentsisdevelopedbyauthorsforthesakeofimprovingstudyandtestingabilityofengineersinviewofresearch,equipmenttestingandteaching.Thisplatforminbasedonexperimentsofvariationperformanceofairconditioningwaterchiller(heatingandcooling).ArangeofExperimentssuchasplateheatexchangerusedinairconditioningequipment,performanceofrefrigerationcompressor,performanceofexpansionvalve,waterpump,airhandlingequipment,variableairflowexperimentandairoutlet,controlofconstanttemperatureandhumiditysystem,fanofairhandlingunitetc.AnumberofexperimentsandstudyofthoseequipmentwerecarriedoutandAnumberofout-standingundergraduates,masteranddoctorgraduatestudentshavebeentrainedonthisopeninnovationtestplatform.KEYWORDS:ExperimentdeviceInnovationtestplatformRefrigerationandAirconditioningequipment本着设备测试与科技创新相结合的原则，在满足测试要求的前提下，提出了可以进行多种科学创新开发的实验系统。该系统不仅可以对制冷空调实验装置进行测量和控制，并且发展出一系列制冷及暖通空调装置的实验测量装置。同时通过本试验装置可以加深学生对制冷系统和设备性能的理解，增强学生的动手能力，而且可以为学生进行发明创新试验提供试验平台。同时，也为教师在制冷空调学科领域进行有关的科学研究和设计开发研究提供了基本装置、检测仪表和环境，对于提高学科水平具有较大帮助。1、方案介绍：以空调用冷水机组（冷热源）为基础，进行冷水机组全性能变工况试验。在此基础上发展出空调用板式换热器试验装置（模拟冰蓄冷空调系统的板换装置）、压缩机性能实验装置、膨胀阀试验装置、空调用水泵试验装置、空气处理实验装置、空调变风量及风口、房间恒温恒湿自动控制实验、空调送风风机实验装置等等。本方案的主体和关键的部分是为以后的制冷装置测试提供一个测试基本的平台，试验方法和测试仪器仪表等均按照相关国家标准进行。数据采集系统留有多余的采集通道，可以为以后其它的制冷，空调装置的测试的进行计算机自动数据采集。使得以后的试验工作更加简单，方便。空调设备实验平台空调用板换实验装置冷热源实验装置空调水泵性能实验装置数据采集仪仪表控制柜电脑膨胀阀实验装置恒温恒湿自动控制实验验空调变风量及风口空调送风风机实验装置空气处理实验装置制冷压缩机性能实验装置系统总体构成：图1、制冷空调实验平台框图2、实验内容介绍2.1空气处理试验装置[1]：空气处理试验装置性能试验属于换热器性能的试验，是空气和水之间进行换热的设备，通过测量空气的焓差及水的换热量得出该设备的换热效率。空调箱（风机盘管）性能实验系统由工况机组、表冷器、电加热器、电加湿器、测试本体、风机、冷水机组、恒温器、流量计等设备组成。通过测量空调箱（风机盘管）进出口水温以及水的流量来计算得出水侧换热量。通过测量空调箱（风机盘管）进出口的干湿球温度，分别求得空气在空调箱（风机盘管）进出口的焓差。通过测试本体中喷嘴前后的压差及喷嘴前的压力，求得空气流量，进而得到空调箱（风机盘管）的空气侧换热量。通过电参数仪测得风机功率。改变水温参数可以获得空调箱的变工况特性曲线。本试验为改进换热器性能提供了实验平台，可以在此平台上开发新型的空气－水换热器。图2、空气处理试验装置界面图图3、空气处理试验装置参数设定图图4、空气处理试验装置系统模拟图图5、空气处理试验装置实验过程曲线图2.2空调变风量及风口：本实验系统由风量测试装置和房间内温湿度测量装置组成。通过不同的送风装置，比较室内温度场和湿度场的变化，比较送风效果。通过改变送风风量的变化，来比较房间内不同的送风效果。为风口的改进设计提供了一个实验平台。送风类型4回风口回风冷水过滤器新风加湿器表冷器加热器水风机送风类型1实验房间切换装置送风类型3送风类型2图6、变风量系统模拟图2.3冷热源（冷水机组）试验台[2]：图8、冷热源实验界面图图9、冷热源实验参数设定图图10、冷热源实验模拟图图11、冷热源实验过程曲线图冷热源性能实验系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、恒温器等设备组成。实验时，可以设置不同的冷媒水和冷却水温度。冷水机组冷媒水进口温度通过调节恒温器中的电加热器控制，冷却水进口温度通过调节恒温器中的电加热器控制，而出口温度则通过阀门调节。冷水机组的输入功率通过电参数仪表测得。冷水机组的制冷量由通过蒸发器的冷媒水进出口温度和流量测出，冷凝换热量由通过冷凝器的冷却水进出口温度及流量测得。同时在系统中加入了相应的温度和压力测点，可以使学生能更加深入地了解冷水机组的工作特性。通过该系统，可进行冷水机组系统运行特性研究，冷水机组的预测控制、模糊控制等先进控制算法的开发；可展开基于互联网的冷水机组数据采集、测试诊断、远程控制系统的开发；可进行冷水机组性能模拟仿真系统的可靠性实验检测。此外，该系统为压缩机、水－水换热器的性能测试和分析研究提供了试验平台。2.4空调用板式换热器实验装置:空调用板式换热器性能实验系统，由冷水机组、恒温器、流量计、水泵等设备组成。冷热侧流体分别通过冷水机组和恒温器1获得。换热器冷侧和热侧流体进口温度分别通过恒温器2和恒温器1控制。通过测量换热器两侧流体进出口温度和两侧的流量，可以求出换热量，在已知换热面积的前提下，可以求出换热器的换热系数K。系统通过冷水机组和恒温器分别提供试验用冷、热流体，从而保证能在多种工况下，测试不同类型换热器的性能指标，从而为强化传热、水－水换热器的特性分析和结构优化等一系列研究提供良好的检测条件。图12、板式换热器实验界面图图13、板式换热器实验参数设定图图14、板式换热器实验装置模拟图图16、板式换热器实验过程曲线图2.5空调用水泵性能实验[3]：空调用水泵性能实验系统由水泵、流量计、电参数仪等设备组成。水泵的流量通过流量计测得，水泵的扬程通过水泵进出口压力变送器测得。在水泵的出口处设立调节阀，通过改变阀门的开度来改变水泵进口处的参数，获得水泵变工况运行特性曲线。水泵性能试验旨在通过试验使学生了解水泵扬程与流量、水泵输入功率与流量等参数之间的变化关系，加强对水泵运行工况的认识。同时，也为小型离心式、轴流式水泵的运行特性分析，以及新型水泵的开发和性能的检验提供了良好的试验平台。图17、水泵性能实验界面图图18、水泵性能实验参数设定图图19、板式换热器实验模拟图2.6膨胀阀试验装置膨胀阀实验装置由热力膨胀阀、电子膨胀阀、压力传感器等组成。通过测量热力膨胀阀前后压力，得到热力膨胀阀感温包的温度与开度，流量间的关系。同时可以将热力膨胀阀切换到电子膨胀阀，比较两者的效果。2.7房间恒温恒湿自动控制实验：本实验系统由制冷系统、加热系统、加湿系统、高精度调节仪等设备组成。通过P、I、D参数的调整得到房间内不同的温度和湿度响应曲线，用于开发快速、高效、节能的自动控制系统。图20、自动控制实验界面图图21自动控制实验模拟图2.8空调送风风机性能实验[4]：风机性能测试实验系统由风室、风机、变频器、功率变送器等设备组成。系统采用出口侧试验风室测试方法。通过测量风机功率、风室内喷嘴前后压差、风机出口处压力、上游段压力Pe6、风室压力Pe4、风室温度T6、试验空间空气干球温度Td、试验空间空气湿球Tw、风机进口处空气温度Ta，通过变频器控制装置末端的引风机作为可变排气系统，可以得到风机在不同压头下的容积流量、风机静空气功率、风机空气功率、风机静效率、风机效率等反映风机性能的各个参数曲线。图22、风机性能实验界面图图23、风机性能实验参数设定图图24、风机性能实验模拟图图25、风机性能实验参数过程曲线图2.9压缩机性能实验[5]：制冷压缩机性能实验系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、恒温器电参数仪等设备组成。压缩机吸气压力、吸气温度、排气压力分别控制在国家标准规定的状态下。吸气温度由恒温器2调节蒸发器冷媒水进口温度T9控制，吸气压力由电子膨胀阀控制，排气压力由恒温器1调节冷凝器冷却水进口温度T7控制。压缩机的实际制冷量由通过蒸发器的冷媒水进出口温度和流量测出，冷凝换热量由通过冷凝器的冷却水进出口温度及流量测得。由此得到压缩机的主辅测质量流量，进而计算出标准工况下的主辅侧制冷量。压缩机的输入功率由电参数仪测得。在制冷系统内部安装多个压力和温度测点，可以方便地确定系统内部的状态。通过主要试验和校核试验获得被测压缩机在指定工况下的制冷量、性能系数等性能指标，使学生通过本试验，熟悉和了解制冷压缩机的测试工况和测试方法，增强对制冷压缩机的认识，掌握制冷压缩机性能的热力计算。同时在此基础上，能够开展对不同类型的传统压缩机的启停、稳态运行特性，及变频型压缩机相关特性的分析研究，为压缩机的设计、改造和新型压缩机数学模型的建立提供了测试、检验条件。图26、压缩机性能实验界面图图27、压缩机性能实验参数设定图图28、压缩机性能实验模拟图图29压缩机性能实验过程曲线图3、测控软件介绍：测控系统的软件设计前台开发工具选用了VisualBasic6.0（以下简称VB），VB是运行于Windows平台下的一种可视化的高级编程语言，适合开发视窗类应用程序。另外在软件设计上采用了较先进的C/S（Client/Server，客户端/服务器）模式，软件的功能也不再局限于单纯的数据采集功能，更多地增加了管理与数据分析等功能。测控系统的软件部分主要包括以下的功能模块：测试控制、测试输入、显示设置、显示内容、曲线打印、报表打印、工具以及通信控制模块。以下是对这些模块的说明：1）测试控制模块试验类型选择：选择本次试验的类型；开始测试：启动测试项目；结束测试：终结测试项目；系统退出：退出本系统。2）测试输入模块（测试相关信息的输入及设置）设备信息：供用户输入待测