空壓機(jī)與空調(diào)的相互匹配工藝探討剖析

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

　　通常，空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置(Apparatus)（如毛細(xì)管等）等關(guān)鍵部件組成。昆山空壓機(jī)維修工作時(shí)，空氣經(jīng)過自潔式空氣過濾器被吸入，通過PLC自動(dòng)清洗過濾器，空氣在經(jīng)過進(jìn)口導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)后進(jìn)入一級(jí)壓縮，經(jīng)一級(jí)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(nèi)，氣走管外，中冷器的水流量要求為110m/h)之后進(jìn)入二級(jí)壓縮系統(tǒng)各部件要匹配良好才能真正的發(fā)揮整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的能效比，從而節(jié)約能源。而空調(diào)系統(tǒng)的匹配目前普遍采用的方法是，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)大體的部件構(gòu)成，然后通過實(shí)驗(yàn)（experiment)測(cè)試觀察其能力、能效比等參數(shù)指標(biāo)是否滿足要求；如滿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(jī)等。這種方法的匹配速度較慢，資源浪費(fèi)較大，因此尋求更快、更省的方法就顯的十分重要。
　　而空調(diào)系統(tǒng)(system)的模擬仿真為解決這個(gè)問題提供了一條有效途徑。
　　對(duì)于壓縮機(jī)廠商來說，經(jīng)常需要協(xié)助空調(diào)廠進(jìn)行壓縮機(jī)與空調(diào)器的匹配實(shí)驗(yàn)，以便更好的發(fā)揮整套空調(diào)系統(tǒng)(system)的性能。這里的空調(diào)器是指除壓縮機(jī)以外的空調(diào)系統(tǒng)，為簡(jiǎn)單起見簡(jiǎn)稱空調(diào)器。而包含壓縮機(jī)等所有零部件的空調(diào)器稱為空調(diào)系統(tǒng)。這里首先建立了壓縮機(jī)與空調(diào)器自動(dòng)匹配的系統(tǒng)流程。
　　其次，為了模擬選配的壓縮機(jī)與空調(diào)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(xiàn)了自動(dòng)匹配的模擬程序。將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)分為蒸發(fā)(evaporation)器、冷凝器、壓縮機(jī)、毛細(xì)管等幾部分分別進(jìn)行模擬計(jì)算。為更準(zhǔn)確的表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài)(status)，將系統(tǒng)的過冷度、過熱度轉(zhuǎn)化為焓差進(jìn)行處理。以系統(tǒng)冷媒的質(zhì)量流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶，通過程序不斷自動(dòng)調(diào)整(Adjustment)蒸發(fā)溫度（temperature)、冷凝溫度、焓差等參數(shù)來對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行匹配。在壓縮機(jī)模擬中，考慮了壓縮機(jī)油池內(nèi)溶解的制冷劑量的影響，使仿真（simulation)結(jié)果更準(zhǔn)確。
　　1系統(tǒng)計(jì)算流程圖
　　為了給指定的空調(diào)器匹配最合適的壓縮機(jī)以及確定最佳冷媒充注量，首先需要建立壓縮機(jī)特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求初步選定符合條件(tiáo jiàn)的壓縮機(jī)形成壓縮機(jī)備選數(shù)據(jù)庫(kù)，其次要對(duì)選定的壓縮機(jī)與空調(diào)器進(jìn)行模擬(定義:對(duì)真實(shí)事物或者過程的虛擬)計(jì)算，從而給出最佳匹配結(jié)果。其系統(tǒng)流程圖具體步驟如下：1） 建立壓縮機(jī)備選數(shù)據(jù)庫(kù)首先采用十系數(shù)法對(duì)壓縮機(jī)的能力、功率、電流等性能參數(shù)進(jìn)行擬合。通常，這些擬合參數(shù)由壓縮機(jī)廠家提供。其次，記錄每種型號(hào)(xíng hào)壓縮機(jī)的冷凍油量、高壓腔容積(Capacity)、低壓腔容積等，建立壓縮機(jī)的模型數(shù)據(jù)庫(kù)，以便在壓縮機(jī)與空調(diào)器匹配時(shí)調(diào)用。
　　當(dāng)給定空調(diào)器后，根據(jù)空調(diào)器的設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇在特定工況下能力范圍在100%到150%的壓縮機(jī)，并符合壓縮機(jī)電制、適用冷媒等要求，從而形成本次空調(diào)器匹配的壓縮機(jī)備選數(shù)據(jù)庫(kù)。
　　2） 從壓縮機(jī)備選數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇(xuanze)某一型號(hào)壓縮機(jī)，并進(jìn)行壓縮機(jī)與空調(diào)器的模擬匹配計(jì)算，確定最佳冷媒充注量。
　　3） 判斷(judgment)備選數(shù)據(jù)庫(kù)中是否所有壓縮機(jī)均已匹配完畢，如是轉(zhuǎn)（4），否則轉(zhuǎn)輸出在滿足能力要求條件下，能效比（COP）最高的壓縮機(jī)型號(hào)以及對(duì)應(yīng)的最佳冷媒充注量。
　　2壓縮機(jī)(compressor)與空調(diào)器的匹配計(jì)算
　　在選定壓縮機(jī)后，進(jìn)行壓縮機(jī)與空調(diào)器的匹配計(jì)算，從而確定系統(tǒng)的最佳CO
　　P、制冷量以及對(duì)應(yīng)的冷媒充注量等參數(shù)。
　　將整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)(system)分為蒸發(fā)器、冷凝器（類別：換熱設(shè)備）、壓縮機(jī)(compressor)、毛細(xì)管等幾部分分別進(jìn)行模擬計(jì)算。為更準(zhǔn)確的表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài)，將系統(tǒng)的過冷度、過熱度轉(zhuǎn)化為焓差進(jìn)行處理(chǔ lǐ)。對(duì)于各部件之間的耦合（Coupling）計(jì)算，以系統(tǒng)冷媒的質(zhì)量(quality)流量保持不變?yōu)槁?lián)系紐帶，通過不斷調(diào)整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、焓差等參數(shù)來對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行模擬。通常，過熱度是指制冷循環(huán)中相同蒸發(fā)壓力下制冷劑的過熱溫度與飽和溫度之差。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)過熱度為0時(shí)，系統(tǒng)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(jì)算過程中，需要過熱度為0時(shí)的計(jì)算。為更準(zhǔn)確表示系統(tǒng)冷媒的狀態(tài)，將當(dāng)前的冷媒焓值與蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)的飽和氣體焓值的差，用來代替過熱度進(jìn)行計(jì)算。同理，將當(dāng)前的冷媒焓值與冷凝溫度對(duì)應(yīng)的飽和液體焓值的差，用來代替過冷度進(jìn)行計(jì)算。
　　壓縮機(jī)與空調(diào)器的模擬計(jì)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(dāng)前計(jì)算所得的焓差、冷媒量；Q co
　　M、Q cap分別為壓縮機(jī)(compressor)、毛細(xì)管的質(zhì)量流量。
　　2.1 壓縮機(jī)模型
　　為計(jì)算壓縮機(jī)的能力、功率、電流等相關(guān)參數(shù)，采用十系數(shù)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(jī)廠家給出的擬合系數(shù)。
　　公式（1）是在壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況下的數(shù)值模擬公式。即冷凝溫度（temperature)54.4℃，蒸發(fā)溫度7.2℃，吸氣過熱度11.1K，過冷度8.3K情況下的模擬數(shù)據(jù)。
　　當(dāng)過冷度和吸氣過熱度變化時(shí)需要對(duì)該公式進(jìn)行修正。
　　設(shè)當(dāng)前過冷度為T sc，H sc為（T sc－8.3）過冷段所對(duì)應(yīng)的焓值，G為冷媒質(zhì)量流量，則當(dāng)前能力、功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）或者電流X 1為：X 1 = X + H sc G（2）當(dāng)過熱度為T sh時(shí)，系統(tǒng)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(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行模擬時(shí)，根據(jù)冷媒、油互溶曲線得到油當(dāng)中溶解的冷媒量。冷媒在冷凍油內(nèi)的溶解度曲線所示。
　　假設(shè)壓縮(compression)機(jī)內(nèi)冷凍油充注量為1700mL，冷凍油密度為1.2×10 3 kg/m 3，壓縮機(jī)油池溫度為40℃，壓力為5×10 5 Pa，則根據(jù)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(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，將冷凝器分為過熱器、兩相區(qū)、過冷區(qū)進(jìn)行數(shù)值模擬。每個(gè)相區(qū)劃分若干微元。對(duì)于單相區(qū)，即過熱區(qū)和過冷區(qū)，微元的劃分按制冷(Refrigeration)劑側(cè)溫降進(jìn)行均分。對(duì)于兩相區(qū)，由于溫度不變，換熱表現(xiàn)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(shù)，則每個(gè)微元的長(zhǎng)度L為：（4）其中，αi為制冷劑側(cè)表面(appearance)傳熱系數(shù)，αo為空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，A i /A o為冷凝器管內(nèi)、外有效傳熱面積之比；m r表示制冷劑側(cè)的質(zhì)流率。h r1微元入口側(cè)制冷劑焓值，h r2表示微元出口側(cè)制冷劑焓值；T rm表示制冷劑側(cè)溫度平均值，T am表示空氣側(cè)溫度平均值；d i表示管壁內(nèi)徑。
　　對(duì)于單相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)αi由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算。對(duì)于兩相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用Shah關(guān)聯(lián)式計(jì)算。對(duì)于空氣側(cè)換熱系數(shù)，采用李嫵等人換熱綜合關(guān)聯(lián)式計(jì)算。
　　2） 蒸發(fā)器的模擬對(duì)于蒸發(fā)器模擬，制冷劑側(cè)包括(bāo kuò)兩個(gè)相區(qū)：兩相區(qū)和過熱區(qū)。每個(gè)相區(qū)可通過焓差等分為若干個(gè)微元進(jìn)行計(jì)算，每個(gè)微元的長(zhǎng)度L為：（5）式中，Q r為制冷劑側(cè)換熱量，T w為管壁溫度，T r為制冷劑側(cè)溫度，αi為制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，壓縮(compression)機(jī)與空調(diào)器的自動(dòng)匹配技術(shù)研究d i表示管壁內(nèi)徑。
　　對(duì)于過熱區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)由Dittus- Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算。對(duì)于兩相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用wang的公式計(jì)算。
　　3） 空泡系數(shù)模型空調(diào)器模擬分析要求能夠準(zhǔn)確模擬空調(diào)器實(shí)際工作狀況。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。其中一個(gè)重要方面是如何準(zhǔn)確確定冷媒充注量的問題。充注量計(jì)算的難點(diǎn)在于兩相區(qū)制冷(Refrigeration)劑量的確定，其關(guān)鍵是兩相區(qū)空泡系數(shù)的計(jì)算。
　　空泡系數(shù)是兩相混合物在任一流動(dòng)截面內(nèi)氣相所占的總面積份額，又稱為截面含氣率。經(jīng)比較均相模型(model)、滑動(dòng)比模型等空泡系數(shù)模型，這里采用hughmark模型進(jìn)行計(jì)算，公式如下：（6）其中，K H具體計(jì)算見文獻(xiàn)，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(jié)流裝置模型文獻(xiàn)對(duì)毛細(xì)管作為節(jié)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(xì)管的實(shí)用關(guān)聯(lián)模型，公式如下：（7）式中，對(duì)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(xì)管內(nèi)徑，L cap為毛細(xì)管長(zhǎng)度，T in為毛細(xì)管進(jìn)口溫度，ΔT sc為過冷度。
　　3模擬實(shí)例以某空調(diào)廠R22冷媒的5HP二級(jí)能效空調(diào)匹配為例，對(duì)本文方法(method)進(jìn)行驗(yàn)證。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備。空氣壓縮機(jī)與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。昆山空壓機(jī)維修在啟動(dòng)前，首先啟動(dòng)油泵控制系統(tǒng)，油泵控制系統(tǒng)啟動(dòng)后保證空壓機(jī)各潤(rùn)滑部件潤(rùn)滑良好，同時(shí)油泵控制系統(tǒng)可通過內(nèi)置的溫控閥來調(diào)節(jié)內(nèi)部油壓和油溫，以滿足系統(tǒng)需要。已知整套空調(diào)系統(tǒng)(system)要求標(biāo)稱制冷量為12kW，COP≥3.0.其他系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)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(shù)為2，分路數(shù)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(shù)3，分路數(shù)6，風(fēng)速1.3m/s.毛細(xì)管長(zhǎng)度為0.5m，內(nèi)徑為1.4mm.風(fēng)機(jī)功率為350W.
　　要求選出與該套空調(diào)器匹配最佳的壓縮(compression)機(jī)以及冷媒充注量，并計(jì)算出在最佳狀態(tài)下系統(tǒng)的CO
　　P、制冷量、功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）等參數(shù)。使用VBA語(yǔ)言在Excel軟件上實(shí)現(xiàn)程序的編制，其模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的比較軟件界面所示。
　　從仿真結(jié)果可以看出，C-SBX160H38A與該套空調(diào)器匹配的COP最好，達(dá)到3.102，制冷量為11744 W.這與實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)(system)的匹配實(shí)驗(yàn)（experiment)結(jié)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(yàn)所得的冷凝溫度為46℃，蒸發(fā)溫度為3.8℃，過冷度為5.3℃，過熱度為4.6℃。而仿真所得的冷凝溫度為48℃，蒸發(fā)溫度為2.3℃，過冷度為10℃，過熱度為3℃。兩者分別相差2℃、1.5℃、4.7℃、1.6℃。可見，這里的方法可以較為準(zhǔn)確的模擬空調(diào)器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而為壓縮機(jī)(compressor)與空調(diào)器的匹配提供指導(dǎo)。
　　4結(jié)論
　　首先給出了壓縮機(jī)(compressor)與空調(diào)器自動(dòng)匹配的系統(tǒng)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(duì)壓縮機(jī)、換熱器、毛細(xì)管等進(jìn)行了模擬計(jì)算。
　　其中根據(jù)焓值的變化來調(diào)整蒸發(fā)溫度、冷凝溫度，擴(kuò)大了空調(diào)系統(tǒng)模擬的運(yùn)行范圍。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)在空壓機(jī)的進(jìn)、排氣口安裝消聲器或設(shè)置消聲坑道以后，氣流噪聲可以降到80db(a)以下，但空壓機(jī)的機(jī)械噪聲和電機(jī)噪聲仍然很高，因此還應(yīng)在空壓機(jī)的機(jī)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(jī)站，高大空曠的廠房混響很重。對(duì)壓縮機(jī)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(zhǔn)確性。為便于該方法(method)的推廣應(yīng)用，使用VBA語(yǔ)言在Excel軟件上實(shí)現(xiàn)了程序的編制。最后將該軟件應(yīng)用在某空調(diào)廠委托的空調(diào)器匹配實(shí)驗(yàn)（experiment)中，為實(shí)驗(yàn)提供了很好的理論指導(dǎo)，節(jié)省了大量的匹配時(shí)間與資金。