开利-冷水机组原理

Preparedby:CarrierUniversity1冷水机组原理Preparedby:CarrierUniversity2冷水机组原理•第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率•第二部分：提高制冷效率的途径-降低压升•第三部分：提高制冷效率的途径-节能部件•第四部分：压缩机的类型•第五部分：负荷控制•第六部分：部分负荷运行特性Preparedby:CarrierUniversity3冷水机组基本原理•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。•冷却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。Preparedby:CarrierUniversity4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Preparedby:CarrierUniversity5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。Preparedby:CarrierUniversity6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Preparedby:CarrierUniversity7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用工具。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。Preparedby:CarrierUniversity8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）。Preparedby:CarrierUniversity9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=(GPMXRiseX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（12000X1.20）=14400Btuh。•方程将变为：TonsX14400Btuh=500XGPMXDropTonsX28.8=GPMXDrop冷凝器GPM=(28.8XTons)/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=[（24X1.25）XTons]/Drop=(30XTons)/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=（24Xtons）/Rise=（24X100）/10=240GPM•冷凝水GPM=（28.8Xtons）/Drop=（28.8X100）/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=（2000lbsX144Btu/lb）/24hrs1ton=12000Btu/h•传入传出水的热量如下计算：热量Btuh=500XGPMXRise由于1ton=12000Btu/hTonsX12000Btu/h=500XGPMXRiseTons(12000/500)=GPMXRiseTonsX24=GPMXRiseTons=(GPMXRise)/24GPM=(24XTons)/RisePreparedby:CarrierUniversity10确定水的流量•冷水机组用冷吨（tons）来评价（冷负荷）•冷冻水量1ton=12,000Btu/htonsx12,000=500x冷冻水量x温升冷冻水量=（24xtons）/温升•压缩机产生20%的热量tonsx12,000x1.2=500X冷却水量x温降冷却水量=（28.8xtons）/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=（24x100）/10=240GPM冷却水流量=（28.8x100）/10=288GPM•旧的低效机组（25%压缩产热）冷却水流量=（30x100）/10=300GPMPreparedby:CarrierUniversity11冷水机组原理•第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率•第二部分：提高制冷效率的途径-降低压升•第三部分：提高制冷效率的途径-节能部件•第四部分：压缩机的类型•第五部分：负荷控制•第六部分：部分负荷运行特性Preparedby:CarrierUniversity12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，对上面三项做改进的任何设备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。Preparedby:CarrierUniversity13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”制冷效果（R.E.）压缩产热（H.C.）（压缩机效率）压力增加（Pc-Pb）Preparedby:CarrierUniversity14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。Preparedby:CarrierUniversity15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）Preparedby:CarrierUniversity16提高饱和蒸发温度•提高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。Preparedby:CarrierUniversity17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Preparedby:CarrierUniversity18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。管子可以从蒸发器的任何一端换下而且可以从顶端来进行管子的检查。•两种蒸发器类型的外观见下图。法兰连接的水进、出口在管壳的顶端。系统冷冻水管将和法兰连接。蒸发器所有外表面用0.75英寸的闭孔保温层和隔汽层覆盖，以防止在潮湿的环境条件下结露。Preparedby:CarrierUniversity19蒸发器的基本类型•二种类型-满液式-干式•满液式-水在管道内流动-制冷剂浸没管道-使用于离心式机组•干式-制冷剂在管道内流动-水在管外流动-回油性能好-用于:-往复式机组-螺杆式机组Preparedby:CarrierUniversity20基本的蒸发器传热其中：Q=总换热量（Btu/h）U=传热系数Btu/（h.sq.ft.F）A=热交换面积（sq.ft.）MTD=流体和制冷剂间的对数平均温差MTD可以表示为：MTD=Q/（A*U）•这样，对蒸发器来说，饱和制冷剂温度（SET）在MTD确定后可以计算出来。显然，对一个给定的蒸发负荷（Q）来说如果MTD减少（SET）将会