盤管分段控制的低氣溫風冷冷水循環應用研究

江耀川

(廣州番禺速能冷暖設備有限公司，廣東省511400)

盤管分段控制的低氣溫風冷冷水循環應用研究

江耀川

(廣州番禺速能冷暖設備有限公司，廣東省511400)

簡要介紹盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組的配置和系統原理，將其與一般的低環境溫度風冷冷水機組的控制效果進行分析對比。測試結果表明，以一般的低環境溫度風冷冷水機組的控制邏輯為基礎，加上盤管分段控制形成的低環境溫度風冷冷水機組，可以在更低的環境溫度下穩定運行。

盤管；分段控制；低環境溫度；風冷，變頻控制

在工業系統、醫療系統等領域，存在冬天時仍有室內的機器設備運轉而產生熱水的情況，其介質溫度較高而又需要降溫，通常會引入使用壓縮機的蒸汽壓縮式風冷冷水機組降溫來維持適合的溫度。同時，在北方寒冷地區，用戶亟需有適合很低的環境溫度下運行的產品。隨著我國經濟發展，越來越多的場合使用而帶動了低環境溫度風冷冷水機組的需求增長。

目前，一般的低環境溫度風冷冷水機組采用風扇變頻調整風冷冷凝器有效進風量，其設計及控制已經較為成熟，能讓機組在某一較低的環境溫度下仍能在適合的蒸發溫度下穩定運行。但是，當溫度更低時，會出現蒸發溫度太低，導致冷凍水循環里的換熱器有結冰凍壞的風險，此時一些場合會將冷凍水改用乙二醇溶液循環。乙二醇溶液流動阻力較大，有腐蝕性，同時經常要補充而產生比較高的費用，因此，有些用戶會考慮繼續選擇冷凍水循環。為了不采用乙二醇溶液，就需要維持較高蒸發溫度穩定運行，為此，筆者提出盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組，以環境溫度為依據對盤管進行分段控制，對此問題及解決方案進行探討。

1 系統原理

盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組，包括制冷元配件：壓縮機、風冷冷凝器、儲液器、蒸發器、氣液分離器、電磁閥、膨脹閥，還有電控裝置、控制風扇轉速的變頻器。

如圖1所示，制冷劑在壓縮機、風冷冷凝器、儲液器、蒸發器、氣液分離器、電磁閥、膨脹閥之間循環。還在液體管路設置了視液鏡，以便觀察風冷冷凝器冷凝液體的出液管里液體的流動狀況及滿液與否。

一般的低環境溫度風冷冷水機組制冷基本原理：低壓制冷劑由于在蒸發器與水換熱而產生蒸氣，經過氣液分離器進行氣體與液體的分離，制冷劑以氣體狀態被壓縮機吸入，壓縮成為高溫高壓氣體后排入風冷冷凝器，風冷冷凝器的室外變頻控制的風機吸入環境溫度下的冷空氣，流經風冷冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高溫高壓氣體被冷卻、冷凝成為高溫高壓液體，液體通過管道進入儲液器，在儲液器的液體通過膨脹閥節流后，以氣液混合的狀態進入蒸發器，在蒸發器中蒸發成為低溫低壓的制冷劑蒸氣。蒸發器的用戶側的水作為熱源，在其水系統內循環流動，不斷進入蒸發器與低溫制冷劑進行熱交換，并將放熱后的水送回用戶側；制冷劑吸熱后成為氣態，氣態制冷劑經過氣液分離器進行氣體與液體的分離，制冷劑以氣體狀態再次被壓縮機吸入，進行下一個循環。

這個基本原理的流程與盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組的系統一致。

1-風冷冷凝器；2-軸流風機；3-電磁閥；4-儲液器； 5-視液鏡；6-膨脹閥；7-蒸發器；8-氣液分離器； 9-壓縮機；10-排氣口；11-吸氣口； 12-出口A；13-出口B圖1 系統原理圖

盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組與一般的低環境溫度風冷冷水機組的系統設計不同點在于，其在風冷冷凝器的出口上設置兩個支路出液，其中的一個支路上設置有電磁閥，通過電磁閥通斷控制，控制制冷劑液體流量，并通過對軸流風機變頻控制實現風冷冷水機組在低氣溫下正常運行，從而保證了在更低環境溫度下能夠保持較高的蒸發溫度穩定運行。這樣設計的機組，同時兼顧了一般的低環境溫度風冷冷水機組的特點，其控制方案可以調整從而變成一般的低環境溫度風冷冷水機組模式使用。

在此設計下，機組可在不同氣溫條件下運行兩種制冷系統控制模式之一。具體的制冷系統控制原理分述如下：

(1)當環境溫度>0℃時，風冷冷凝器送風采用軸流風機變頻控制的模式，壓縮機運行，制冷劑通過壓縮機的排氣口排出并經過管道進入風冷冷凝器中進行冷凝，風冷冷凝器通過軸流風機進行冷卻，實現與空氣的換熱，風冷冷凝器冷凝后的液態制冷劑從風冷冷凝器的出口A、出口B并經管道在電磁閥出口處匯合后進入儲液器中，再經膨脹閥節流后通過蒸發器的進口進入蒸發器，在蒸發器中蒸發后變成汽態制冷劑，并從蒸發器的汽態制冷劑出口進入氣液分離器中進行氣液分離后通過壓縮機的吸氣口回到壓縮機中，在此過程中，電磁閥保持打開。

(2)當環境溫度≤0℃時，風冷冷凝器送風采用軸流風機變頻控制的模式，壓縮機運行，制冷劑通過壓縮機的排氣口排出并經過管道進入風冷冷凝器中進行冷凝，風冷冷凝器通過軸流風機進行冷卻，實現與空氣的換熱，風冷冷凝器冷凝后的液態制冷劑從風冷冷凝器的出口B經管道進入儲液器中，再經膨脹閥節流后通過蒸發器的進口進入蒸發器，在蒸發器中蒸發后變成汽態制冷劑，并從蒸發器的汽態制冷劑出口進入氣液分離器中進行氣液分離后通過壓縮機的吸氣口回到壓縮機中，在此過程中，電磁閥保持關閉。

機組中用于風扇轉速的變頻器，基于制冷劑排氣壓力進行控制。實施邏輯：在機組運轉過程中始終保持風扇轉速隨排氣壓力升高而線性提高，排氣壓力降低時風扇轉速線性降低。在排氣管路獲取壓縮機運行時排氣壓力的信號，通過采用壓力轉換器將壓力信號轉換成電控制信號，傳入變頻器處理線路，再通過變頻器輸出信號對風機進行控制。液體管路上的電磁閥，基于環境空氣溫度進行控制。這樣，可以方便地獨立實現以上兩種模式運轉以及兩種模式之間的切換。

2 盤管分段控制的設計簡析

依據機組運行原理，該機組的盤管設計在使用上與兩個獨立盤管聯合工作一致，如圖1所示，盤管出口B及其以上部分為獨立功能的一個盤管結構，盤管出口A以上到部分盤管出口B(不含出口B)以下的部分為另一個獨立功能的一個盤管結構。這兩部分在盤管里只有排氣進氣管連通。排氣可以設計成分兩路分別進入這兩段盤管，也可以如圖1所示共用一個集氣管，二者使用功能相同。

3 測試對比

盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組與一般的低環境溫度風冷冷水機組測試對比：

機組測試依據國家標準GB/T25127.1-2010 《低環境溫度空氣源熱泵(冷水)機組》里的試驗方法進行。其中，水側換熱量就是制冷量，依據該標準規定，其測試采用液體載冷劑法進行試驗測定和計算；盤管的散熱量就是放熱側換熱量，依據該標準規定，其測試采用空氣焓差法。

試驗分析依據是應用基本的傳熱量理論及計算公式，而在實驗中數據可以綜合反應各參量情況。涉及的基本參量包括傳熱系數、有效傳熱面積、對數傳熱溫差。在本課題的實驗條件下，自變量是作為風冷冷凝器的盤管的有效換熱面積和流經盤管的有效進風量，在其他條件相同的情況下，減少這二個自變量都會引起冷凝溫度上升。需要分析的因變量為制冷量、冷凝溫度、蒸發溫度。其他制冷系統的參數在實驗過程中調整在合理的范圍，包括冷凝液體過冷度、蒸發氣體過熱度。本文所述機組因風扇變頻控制的存在，制冷量、蒸發溫度會出現非單調曲線的形式變化。

實驗中觀測及分析制冷量和冷凝溫度、蒸發溫度隨環境溫度從35℃往低的方向變化時的情況。

測試數據采集方法及分析方法：在35℃氣溫的運行條件下，同一個型號的機組對盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組與一般的低環境溫度風冷冷水機組測試數據整定一致，見表1及表2序號1。之后，機組運行在變氣溫模式下，在設定的整個環境溫度變化范圍內進行數據采集，然后進行對比。其中2個溫度點的數據如表1及表2序號2、序號3。

表1 (盤管分段控制的低環境溫度機組試驗數據)

序號環境溫度(℃)冷凝溫度(℃)蒸發溫度(℃)制冷量(kW)1355052010282124211911713041511966

表2 (相同型號的一般低環境溫度機組試驗數據)

序號環境溫度(℃)冷凝溫度(℃)蒸發溫度(℃)制冷量(kW)13550420103021242018117330341-70943

從測試數據可以看到，隨著氣溫下降，兩臺機組的制冷量變化存在一個先上升趨勢之后轉入下降趨勢的走勢。一個型號的盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水機組在環境溫度下降過程中，蒸發溫度穩定性較好，液體管路一個分支上的電磁閥在0℃氣溫時關斷后，蒸發溫度還維持在1.1℃；冷凝溫度穩定在41.5℃。同時，隨低環境溫度下降機組的制冷量下降較小。一般的低環境溫度風冷冷水機組在環境溫度下降過程中，冷凝溫度下降很大，已降到34.1℃；蒸發溫度穩定性較小，在0℃氣溫時，蒸發溫度已降至-7℃，此時，如果繼續用普通自來水作為載冷劑，在換熱器里的水結冰的風險很大；隨低環境溫度下降機組的制冷量下降較大。

4 結束語

經過實驗分析，一般的低環境溫度風冷冷水機組在低環境溫度下采用風扇變頻調整風冷冷凝器有效進風量來使機組穩定運行，蒸發溫度穩定性較小，在它的基礎上加上盤管分段控制的設計形成一種盤管分段控制的低環境溫度風冷冷水循環裝置，該裝置在環境溫度下降過程中，能更好地維持較高蒸發溫度運行，從而可以在一些場合避免須要將冷凍水循環改用乙二醇溶液循環。同時，隨著氣溫變得很低，該裝置的制冷量也會出現下降，因此，在應用該類型產品的情況下，制冷量要作為重要因素分析適用性。

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ApplicationofLowAmbientTemperatureAir-cooledChillerWithSplitCoilControl

JIANG Yaochuan

(Guangzhou Panyu Superlink Co.，Ltd. Guangdong Province 511400，China)

The configure and system principle of low ambient temperature air-cooled chiller with coil split control are introduced briefly，and it is compared with the common low ambient temperature air-cooled chiller by test result and analysis.The test result show that base on the control logic of the common low ambient temperature air-cooled chiller，it forms the product of low ambient temperature air-cooled chiller by addition of coil split control，and it can much more run in the lower temperature stably.

Coil；Split control；Low ambient temperature；Air-cooled；Varied-frequency control

2017-9-10

2016年廣東省科技計劃項目(2016B020243008)；廣東省自然科學基金項目(2016A0303012)

江耀川(1968-)，男，工程師，學士，主要從事制冷空調產品設計。E-mail：jiangyaochuan@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-025-04

TU831文獻標示碼A

10. 3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.005