1蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計

蒸發(fā)器設(shè)計水平的優(yōu)劣對機房空調(diào)的制冷量、能效比、顯熱比等技術(shù)指標(biāo)有著非常重要的影響。本章從蒸發(fā)器回路數(shù)量與回路長度的選取、回路的分布、進(jìn)液端的分液設(shè)計、回氣端的集管設(shè)計4個方面詳細(xì)討論蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計。

1.1蒸發(fā)器回路數(shù)量與回路長度的選取仍以JHF32機組的蒸發(fā)器為例,文獻(xiàn)[1]中已確定蒸發(fā)器的總體結(jié)構(gòu)為40列4排管,銅管有效長度為1.1m。需進(jìn)一步考慮的問題是:這160根銅管(或80根U形銅管)應(yīng)分成多少回路?

首先應(yīng)明確下列蒸發(fā)器設(shè)計原則:

1)銅管的長度不計彎頭及U形管末端彎曲部分長度。因為彎頭所處區(qū)域為氣流盲區(qū),表面換熱狀態(tài)基本為自然對流形式;另外銅管彎曲部分表面無肋片強化換熱效果,換熱量所占比例較少。

2)每個回路長度應(yīng)盡量相等。一般不宜用改變蒸發(fā)器各回路長度的方法來消除受蒸發(fā)器高度、表面氣流速度不同所引起的換熱不均問題,原因之一是目前國內(nèi)對回路長度與流量分配均勻的關(guān)聯(lián)性相關(guān)問題研究較少,尚無確鑿的理論與試驗數(shù)據(jù)支持;二是改變回路長度而設(shè)計的蒸發(fā)器對變工況的適應(yīng)能力較差。

換熱器中每個回路越長,回路數(shù)量就越少,單個回路的制冷劑流量越大,管內(nèi)制冷劑流速越高,管內(nèi)傳熱系數(shù)越大,從而蒸發(fā)器的換熱能力就越強;但管內(nèi)制冷劑流速越高,阻力就越大,就會導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降,吸氣比體積增加,壓縮機壓縮比增加,*終導(dǎo)致機組的能效比降低。因此,一般限制因蒸發(fā)器管路阻力引起的蒸發(fā)壓力降低不大于0.05MPa(0.5kg/cm2)。

蒸發(fā)器每個回路長度越短,單回路換熱能力就越低。另外,如果制冷劑流程過短,蒸發(fā)不完全的液態(tài)制冷劑容易沖進(jìn)壓縮機,可能對壓縮機的安全運行造成影響。因此,一般需將蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度控制在3℃以上。

綜上,蒸發(fā)器的回路長度受其*大允許阻力降的限制,不能太長;受回氣過熱度的限制,不能太短。筆者參考文獻(xiàn)[2],通過仿真計算得出JHF32機組蒸發(fā)器*佳回路長度為7～12m,仿真過程從略。滿足該要求的JHF32機組蒸發(fā)器回路數(shù)可為16路或20路。JHF32機組蒸發(fā)器的設(shè)計策略是效率優(yōu)先,即蒸發(fā)器管路阻力降盡量少,過熱度滿足壓縮機安全要求下限即可,因此單回路長度取下限,蒸發(fā)器回路數(shù)取20路,每個回路有8根銅管(或4根U形管),回路長度為8×1.1m=8.8m。

1.2蒸發(fā)器各回路的分布

受機房空調(diào)內(nèi)部空間限制,蒸發(fā)器在其中只能傾斜放置,這樣使得回風(fēng)氣流并不垂直于蒸發(fā)器迎風(fēng)面,而是成一角度,該角度與蒸發(fā)器的傾斜角度和回風(fēng)口、送風(fēng)機的相對位置有關(guān)。氣流穿過蒸發(fā)器的大致路徑如圖1所示。據(jù)測試,如圖1布置的蒸發(fā)器迎風(fēng)面*大風(fēng)速位于距蒸發(fā)器下部2/5處,此處往上、往下,風(fēng)速均依次減小,風(fēng)速*小的地方是蒸發(fā)器*上部。

大多數(shù)產(chǎn)品均采用如圖1所示的蒸發(fā)器管路布置方式。這種布置方式的優(yōu)點是各換熱盤管回路形狀大體一致,U形管與彎頭的排列規(guī)律比較清晰,手工操作時不用邊看圖紙邊插U形管、彎頭,有利于提高工作效率,并且回氣集管上支管間距均勻,易做成通用件,可降低采購與生產(chǎn)管理成本。

仔細(xì)觀察圖1可發(fā)現(xiàn),氣流路徑與制冷劑流向形成交叉,容易導(dǎo)致表面溫度不均勻,影響蒸發(fā)器換熱效率。一般認(rèn)為氣流流向與制冷劑流向平行時蒸發(fā)器換熱效率*高,此時蒸發(fā)器各回路換熱比較均勻,蒸發(fā)器表面溫度分布也比較均勻,如圖2所示。

由圖2可見,雖然由于結(jié)構(gòu)的限制,在蒸發(fā)器靠上部和下部的小部分回路不能完全與氣流路徑平行,但大部分回路的制冷劑流向與空氣流向基本平行,蒸發(fā)器表面溫度分布均勻,有助于提高機房空調(diào)能效比與顯熱比。

1.3進(jìn)液端的分液設(shè)計

蒸發(fā)器進(jìn)口為干度較小(干度x<0.2)的兩相制冷劑,出口為過熱氣體,密度相差較大,因此位置越高的蒸發(fā)器回路內(nèi)制冷劑流量越小;再者,由于蒸發(fā)器迎面風(fēng)速不均勻,也會使蒸發(fā)器各回路因換熱不均而引起制冷劑流量分配不均。為盡量減少蒸發(fā)器的分液不均,一般需要用到分液器和分液毛細(xì)管。圖3為機房空調(diào)蒸發(fā)器主要部件示意圖。

1.3.1分液器

機房空調(diào)中一般采用分液器來實現(xiàn)膨脹閥后制冷劑向蒸發(fā)器各回路的均勻分配。常用的分液器有節(jié)流型和文丘里型兩種,材質(zhì)一般為黃銅。制冷劑流過節(jié)流型分液器時會產(chǎn)生壓降,引起湍流,從而保證分液器各輸出口均勻分液。節(jié)流型分液器所分擔(dān)的制冷量不同,節(jié)流孔徑就不同。

文丘里型分液器內(nèi)部實際為一個漸縮漸擴(kuò)管。制冷劑進(jìn)分液器后先收縮至*小截面處,再減速擴(kuò)壓至*大截面處,靠壓力能實現(xiàn)均勻分流。因管內(nèi)收縮與擴(kuò)張段采用平滑過渡,整個流動過程中不發(fā)生湍流,壓力損失較小。JHF32機組蒸發(fā)器選擇節(jié)流型分液器。為保證分液器正常發(fā)揮均勻分液的功能,需保證分液頭垂直布置,避免重力差對分液均勻性的影響。

分液頭與膨脹閥之間的管段應(yīng)盡可能短,并避免二者之間安裝閥件或有狹窄部位,膨脹閥出口距分液頭進(jìn)口200mm以內(nèi)應(yīng)避免彎曲,否則會因離心力破壞分液器中的制冷劑流型和流動均勻性,也會造成分液不均。另外,分液頭中的分液孔數(shù)量應(yīng)與蒸發(fā)器回路數(shù)量相等。例如,不能用堵死1個分液孔的辦法來把21孔的分液頭將就用在20個回路的蒸發(fā)器上,那樣也會導(dǎo)致分液不均。

1.3.2分液毛細(xì)管

分液器必須有分液毛細(xì)管的配合才能發(fā)揮其均勻分液的作用。分液毛細(xì)管位于分液器出口與蒸發(fā)器之間,通過制冷劑在其中的流動壓降來自動調(diào)節(jié)蒸發(fā)器各回路的流量分配。分液毛細(xì)管中的壓降包括摩擦壓降、加速壓降與重力壓降,制冷劑在分液毛細(xì)管中的加速壓降、摩擦壓降對流量的變化反應(yīng)靈敏,特別是在制冷劑兩相狀態(tài)下,加速壓降、摩擦壓降隨質(zhì)量流量的增加迅速增大,當(dāng)分液毛細(xì)管與蒸發(fā)器相應(yīng)回路串聯(lián)后,制冷劑在分液管中的流動特性使得流量大的回路有流量減小的趨勢,流量較小的回路有流量增大的趨勢,這樣就形成一個制冷劑流量分配的負(fù)反饋,使得各回路制冷劑流量分配趨于均勻。文獻(xiàn)[3]說明,蒸發(fā)器各回路*大流量偏差隨分液毛細(xì)管內(nèi)徑的增大而增大,隨分液管長度的增大而減小。理論上,只要將分液毛細(xì)管無限加長,或采用內(nèi)徑不等的分液毛細(xì)管,可消除蒸發(fā)器各回路的流量不均。但機房空調(diào)實際運行過程中要保證制冷劑經(jīng)過膨脹閥時有一定的壓降,以保證膨脹閥可利用過熱度來調(diào)節(jié)供液量,因此不能完全靠分液毛細(xì)管達(dá)到均勻分配蒸發(fā)器流量的目的。

JHF32機組蒸發(fā)器選用內(nèi)徑為3mm、長度為1m的紫銅光管為分液毛細(xì)管,毛細(xì)管兩端擴(kuò)口后與分液頭和蒸發(fā)器換熱管連接。另外,也可考慮調(diào)整各個回路的換熱面積,經(jīng)分液頭與分液毛細(xì)管的聯(lián)合調(diào)節(jié)后流量仍然較大的回路應(yīng)該增大其所占換熱面積的比例。但此方法一般不常用,本文不展開討論。

1.4回氣端的集管設(shè)計

蒸發(fā)器回氣集管設(shè)計需要考慮的主要問題是集管管徑及回氣總管的相對位置對分液均勻性、回油的影響?；貧饧艿慕孛娣e原則上應(yīng)不小于各分支管截面積之和,但由于機組內(nèi)部空間有限,集管面積一般也不能完全按照支管截面積之和來選取。實踐證明,對于JHF32機組的蒸發(fā)器,只要集管內(nèi)徑不小于38mm,一般不會對蒸發(fā)器的分液均勻造成明顯影響?；貧饪偣芤话阄挥诨貧饧艿闹虚g位置,如圖3所示。一般認(rèn)為制冷劑回路越短流動阻力越小,而蒸發(fā)器中間部位風(fēng)速*大,換熱效果*好,此部分換熱盤管流動阻力就應(yīng)盡量減小,因此將回氣總管設(shè)在回氣集管中間,以適應(yīng)蒸發(fā)器的換熱特點。

而回氣總管設(shè)在回氣集管中間的一個*大問題是:如何使蒸發(fā)器集管下部積存的潤滑油順利通過回氣總管回到壓縮機?

機房空調(diào)一般不設(shè)排氣油分離器,隨排氣帶出的潤滑油直接進(jìn)入冷凝器,潤滑油在常規(guī)冷凝溫度范圍內(nèi)與制冷劑完全互溶,并隨液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中制冷劑吸熱蒸發(fā),而潤滑油在正常蒸發(fā)溫度下不能氣化,仍呈液態(tài),并在一定速度的制冷劑氣體帶動下沿著管壁緩慢流動,*后經(jīng)吸氣管回到壓縮機。

蒸發(fā)器下部幾個回路制冷劑氣體從換熱盤管進(jìn)入回氣集管后,由于流道截面積驟然增大,制冷劑流速驟然降低,可能不足以帶動附著于管壁上的潤滑油繼續(xù)向上流動至回氣總管,潤滑油就可能在回氣集管下半部聚積,造成蒸發(fā)器下半部換熱盤管回氣口的阻塞,影響蒸發(fā)器各回路分液的均勻性并可能造成壓縮機失油。為解決回氣集管積油的問題,有人提出如圖4所示的解決方案,在回氣集管底部接出一根回油毛細(xì)管,引至壓縮機吸氣口,在蒸發(fā)器與壓縮機吸氣口之間壓差的作用下,將積油引回壓縮機。

這種方案只要設(shè)計得當(dāng),是可以解決集管下部的積油問題的。但回氣集管底部焊接回油毛細(xì)管有困難,而且將回油毛細(xì)管連接至壓縮機吸氣口的安裝工藝也比較麻煩。因此,該方案不是理想的回油解決方案。

筆者認(rèn)為解決回氣集管底部積油問題的較好方案是將回氣總管的位置由集管中部移至集管下部,如圖5所示。

也許有人會問:將回氣總管移至蒸發(fā)器下部是否會導(dǎo)致蒸發(fā)器分液不均勻?持這種疑問的人可能忽略了分液頭、分液毛細(xì)管對蒸發(fā)器分液均勻的重要作用。實際上,只要回氣集管管徑不是特別小,制冷劑回氣在集管中流動所產(chǎn)生的阻力基本可以忽略。因此,將回氣總管移至集管下部一般不會影響蒸發(fā)器的均勻分液,卻可很方便地解決回氣集管積油的問題。JHF32機組即采取此方案。

2冷凝器的優(yōu)化設(shè)計

冷凝器優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容同樣是換熱盤管回路的數(shù)量與長度的選取。其優(yōu)化設(shè)計方法與第1章所述類似,但細(xì)節(jié)處理又不盡相同。在蒸發(fā)器中,制冷劑的加速阻力和摩擦阻力方向相同,兩者同時使壓降增加;而對于冷凝器來說,由于加速阻力和摩擦阻力方向相反,也就是說加速阻力能在一定程度上抵消摩擦阻力,使得制冷劑流經(jīng)冷凝器的壓降不會很大,一般取冷凝器壓降不超過0104MPa(0.4kg/cm2),冷凝器的回路長度可以比蒸發(fā)器長一些。但是冷凝器的換熱量并不像蒸發(fā)器那樣一直隨換熱盤管回路長度的增大而增大,而是存在一個使冷凝器換熱量達(dá)到*大的臨界回路長度,對R22制冷劑該臨界長度約為20m,因此,冷凝器每個回路長度的上限以不超過30m為宜。

冷凝器單回路長度的下限自然受到過冷度的限制。機房空調(diào)的過冷度一般不應(yīng)小于5℃。經(jīng)計算,滿足此過冷度要求的回路長度應(yīng)不小于12m。需要特別說明的是,冷凝器中空氣的流向必須與制冷劑流向相反,如圖6所示。不然已冷卻的制冷劑液體會被流經(jīng)過熱區(qū)的高溫氣流重新加熱,導(dǎo)致過冷度減小。

JHF32機組的冷凝器為40排4列,每根銅管的有效長度為1.44m,因此滿足要求的冷凝器回路數(shù)為10路或16路。JHF32機組冷凝器的設(shè)計原則同樣為效率優(yōu)先,冷凝器管路阻力降應(yīng)盡量減小,冷凝器出液過冷度不小于5℃即可適應(yīng)大多數(shù)安裝環(huán)境,有特殊要求的可非標(biāo)設(shè)計,因此回路長度取下限,回路數(shù)取16路,每個回路有10根銅管(或5根U形管),長度為10×1.44m=14.4m。

在豎直放置的冷凝器中,位置越高的回路制冷劑流量越大。這同樣可從冷凝器的進(jìn)口過熱氣體與出口過冷液體密度的不同而導(dǎo)致各回路受重力影響的不同得到解釋,由于在冷凝器中氣液制冷劑密度差較蒸發(fā)器中更大,使得在冷凝器中由于各回路重力差而引起制冷劑流量分配的不均勻度約為蒸發(fā)器的2倍[3]。

由于絕大多數(shù)機房空調(diào)冷凝器的進(jìn)氣、出液均采取集管形式,如圖7所示。若冷凝器豎直放置,則由于重力影響而導(dǎo)致的各換熱盤管回路的制冷劑流量不均勻性將得不到任何改善。因此,推薦冷凝器水平放置(即室外機下進(jìn)風(fēng)、上出風(fēng))。

機房空調(diào)冷凝器之所以如此設(shè)計,有方便加工安裝和控制生產(chǎn)成本的考慮,另外,也考慮到出液如果加分液頭的話,在改善制冷劑流量分配均勻度的同時,也增大了冷凝器出液端的壓降,這樣將使膨脹閥的可用壓頭進(jìn)一步減小,又使膨脹閥調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力受到限制。

3儲液器與氣液分離器的配置原則

3.1儲液器的配置

機房空調(diào)行業(yè)內(nèi)有一種說法:單冷空調(diào)機組中只有四大關(guān)鍵部件是必需的,其他部件都可以不用,因此可不必配高壓儲液器。關(guān)于高壓儲液器的配置問題,筆者認(rèn)為不能一概而論。關(guān)鍵是要清楚儲液器在不同制冷系統(tǒng)中的具體作用,權(quán)衡利弊后再作取舍。

原則上制冷系統(tǒng)除四大部件是必需的以外,其余部件是為了達(dá)到機組的特殊功能要求而增加的。空調(diào)機組內(nèi)部的空間很寶貴,儲液器的體積不小,在一個狹小的空間內(nèi)要布置各種制冷劑管路、帶有三通或兩通調(diào)節(jié)閥的水路(水冷機組),還要留出維修(如擰扳手、換壓縮機、平時的維護(hù)檢查等)的空間,對設(shè)計師來講,在如此狹小的空間布置這么多的部件,有一定難度。而且配置儲液器至少要增加百元左右的材料成本,并至少增加兩個故障點。因此,高壓儲液器只能用在必須應(yīng)用的場合。比如帶有制冷劑側(cè)冷凝壓力調(diào)節(jié)裝置的機房空調(diào),其工作原理是在寒冷季節(jié)使得液態(tài)制冷劑占據(jù)部分冷凝器盤管,通過減少冷凝器的有效冷凝面積來維持足夠的冷凝壓力,這樣就必須配置儲液器來儲存溫暖季節(jié)時多余的制冷劑,而且儲液器容積不能太小。如果用板式換熱器作冷凝器,一般的做法是在板式換熱器后面配儲液器,其主要作用就是避免壓縮機啟動時板式換熱器中一些來不及排出的液體占據(jù)有效換熱面積而造成排氣壓力過高。但有些廠家還是試圖通過變通方法解決啟動排氣壓力高的問題,而盡量避免使用儲液器。一個辦法是用電磁閥將壓縮機排氣短時間旁通一下。雖然電磁閥也有一定成本,但比起儲液器,幾乎不占空間,沒有復(fù)雜的管路,這種方法是可以選擇的。另一個辦法是先啟動一下壓縮機,幾秒后停止,然后再啟動一次,如此短暫啟動2～3次,以排出板式換熱器中積存的液態(tài)制冷劑,避免排氣壓力過高。

這種方法不增加成本,僅僅是完善控制程序,也是一種比較不錯的取代儲液器的軟件解決方案。對于水冷機房空調(diào),如果是用殼管式或套管式冷凝器,由于冷凝器容積相對較大,本身就具備一定的儲液能力,儲液器不是必需的。對于風(fēng)冷機房空調(diào),儲液器并不是必須配置的部件。但是,風(fēng)冷機房空調(diào)中如果不配置儲液器,對于不同的機房空調(diào)安裝環(huán)境中制冷劑充注量準(zhǔn)確性的要求就比較高,而且此時機組對于制冷劑泄漏會比較敏感。權(quán)衡利弊之后,JHF32機組需一只小容量儲液器作為標(biāo)配(容積不超過5L),以保證JHF32機組能在各種工況下穩(wěn)定運行。

3.2氣液分離器的配置

氣液分離器的作用是容納偶爾可能出現(xiàn)的蒸發(fā)器回氣帶液,以防止液態(tài)制冷劑對壓縮機渦盤的沖擊。另外,使用氣液分離器后,機組的過熱度可以設(shè)定得稍低一些,有利于提高蒸發(fā)器的換熱效率,進(jìn)而提高整機能效比。

機房空調(diào)作為單冷型空調(diào),并且熱力膨脹閥過熱度控制在5～8℃,高于安全過熱度(3℃左右),一般不會出現(xiàn)液擊危險。而且絕大多數(shù)機房空調(diào)配置的是ZR系列壓縮機,ZR壓縮機是柔性渦旋的,對偶爾液擊的耐受能力比較強,所以絕大多數(shù)機房空調(diào)都不配置氣液分離器。

但JHF32機組需配置一個小容積(容積不大于5L,對所有型號機組均如此)的氣液分離器,因為在JHF32機組中取消了被絕大多數(shù)機房空調(diào)作為標(biāo)配的液管電磁閥。具體分析詳見第4章液管電磁閥的配置原則。

3.3換熱式儲液器/氣液分離器的配置

之所以將高壓儲液器和氣液分離器的配置放到同一章,主要是因為JHF32機組所配置的其實是一個將高壓儲液器和氣液分離器合二為一的一個部件———換熱式儲液器/氣液分離器,如圖8所示。

該換熱式儲液器/氣液分離器優(yōu)點如下:

1)高溫制冷劑液體與低溫回氣間可進(jìn)行一定的換熱。換熱量取決于液體制冷劑與氣態(tài)制冷劑間的溫差和外層儲液器中積存的液態(tài)制冷劑高度。在夏季高溫工況時,該裝置可使制冷劑回液過冷4℃、回氣過熱6℃左右。這樣雖對于提高能效比并無直接幫助,但增加過冷可防止膨脹閥前出現(xiàn)閃發(fā)氣體,使得室外機的液態(tài)制冷劑上行距離可進(jìn)一步增加;回氣過熱則可進(jìn)一步減小膨脹閥過熱度的設(shè)定值而不用擔(dān)心回氣帶液的問題。

2)占據(jù)空間較小。該裝置不但體積小,而且由于外層容器是容納高于室溫制冷劑液體的儲液器,不像氣液分離器那樣需包裹厚10mm以上的保溫棉。因此,該裝置所占空間僅為同體積的儲液器和氣液分離器總和的60%左右。該裝置的缺點是目前成本相對較高。JHF32機組所用的JRAH-411型換熱式儲液器/氣液分離器的成本大約400元,比儲液器和氣液分離器的價格總和還高1倍。但相對于機房空調(diào)幾萬元的材料成本來說,只要能發(fā)揮應(yīng)有的作用,增加這些成本還是值得的。

4液管電磁閥的配置原則

液管電磁閥是多數(shù)機房空調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)配件。個別小型機房空調(diào)廠家為了降低成本省去液管電磁閥時,總有些忐忑,生怕保修期內(nèi)發(fā)生壓縮機液擊故障而招致更大的損失。筆者認(rèn)為,不管實際是否需要,一律配置液管電磁閥的做法是設(shè)計者懶惰的表現(xiàn)。電磁閥的線圈和閥芯都是易損部件,電磁閥不管是螺紋連接還是焊接的,都相當(dāng)于增加了2個制冷劑泄漏故障點,1只電磁閥的價格雖然只有幾百元,但如果用在制冷系統(tǒng)中卻不能發(fā)揮作用,只能說是既增加成本又增加機組故障率的失敗設(shè)計。

筆者設(shè)計的風(fēng)冷機房空調(diào)除極特殊情況外均不配置液管電磁閥。下面將說明無液管電磁閥的機房空調(diào)避免壓縮機液擊的系統(tǒng)設(shè)計方案。圖9是JHF機組制冷系統(tǒng)各主要部件示意圖。

圖中室內(nèi)機中與管路走向有關(guān)的一個防止液擊的關(guān)鍵設(shè)計是:蒸發(fā)器回氣管并不是直接進(jìn)氣液分離器,而是向上行至超過蒸發(fā)器*高點后再向下進(jìn)入氣液分離器。這樣的設(shè)計可使蒸發(fā)器在停機時成為一個可儲存盡量多液態(tài)制冷劑的儲液器。

另外,曲軸箱加熱帶對防止液擊也有積極作用。壓縮機停機時,曲軸箱加熱帶投入使用,使得壓縮機曲軸箱內(nèi)部溫度比空調(diào)環(huán)境溫度高4℃以上,而蒸發(fā)器盤管內(nèi)部溫度不會高于空調(diào)環(huán)境溫度,這樣氣態(tài)制冷劑將在蒸發(fā)器中而不是在壓縮機曲軸箱內(nèi)部凝結(jié)。

也許有人會問:如果停機時蒸發(fā)器充滿制冷劑液體,再次開機時制冷劑是否會來不及蒸發(fā)而進(jìn)入氣液分離器,然后沖進(jìn)壓縮機導(dǎo)致液擊?只需簡單地作一下計算,就可知道發(fā)生上述情況的可能性很小。

對于JHF32機組,可算得蒸發(fā)器盤管內(nèi)容積為11.2L,冷凝器盤管內(nèi)容積為28.6L,儲液器容積為8L,氣液分離器容積為8L。機組充液量為16kg,若全部為液態(tài),則制冷劑體積約13L。壓縮機停機后,因蒸發(fā)器回氣管處制冷劑立即變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),過熱度為0,膨脹閥立即關(guān)閉,雖然膨脹閥的關(guān)閉不如電磁閥嚴(yán)密,可能有微量制冷劑從冷凝器側(cè)流向蒸發(fā)器側(cè),但這足以將制冷系統(tǒng)分隔為兩個壓力不同的區(qū)域。自壓縮機排氣管至膨脹閥前的制冷系統(tǒng)內(nèi)壓力近似等于室外溫度下的制冷劑飽和壓力;膨脹閥后至蒸發(fā)器、氣液分離器、壓縮機曲軸箱之間的壓力近似等于空調(diào)室內(nèi)溫度下的制冷劑飽和壓力。下面分析一下16kg制冷劑在JHF32機組各部件內(nèi)的分布情況。

*不利的情況是在室外溫度極高(如50℃)的時候。此時室外機可能容納的制冷劑量*少,室內(nèi)機容納的制冷劑量*多。即使室外側(cè)全部為制冷劑飽和氣體,冷凝器也可容納2kg以上制冷劑飽和氣體(計算過程從略),儲液器表面溫度為室內(nèi)溫度,內(nèi)部壓力則等于冷凝器壓力,故高壓側(cè)制冷劑會在其中凝結(jié)一部分,容積為8L的儲液器至少可容納2kg左右的氣液混合制冷劑,則剩余12kg制冷劑中約有1kg左右會以飽和態(tài)存在于氣液分離器和以輕微過熱態(tài)存在于壓縮機曲軸箱內(nèi),剩余11kg左右液態(tài)制冷劑將以氣液混合態(tài)占據(jù)蒸發(fā)器80%左右的空間。

當(dāng)壓縮機再次啟動時,吸氣壓力降低,低于蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑飽和壓力,蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑將氣化放熱實現(xiàn)制冷,但由于蒸發(fā)器大部分被液態(tài)制冷劑占據(jù),而液態(tài)制冷劑開始進(jìn)入蒸發(fā)器,在壓縮機剛啟動的幾十秒內(nèi),進(jìn)入蒸發(fā)器的液體量大于由于制冷劑蒸發(fā)而減少的液體量,蒸發(fā)器內(nèi)存液量可能會繼續(xù)增大,當(dāng)制冷劑液體充滿蒸發(fā)器后將流入氣液分離器。而氣液分離器的容積為8L,足夠容納9kg左右液態(tài)制冷劑。在氣液分離器中液態(tài)制冷劑質(zhì)量不斷增加時,室外機存液量也不斷增加,蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)制冷劑量也在不斷減少,待蒸發(fā)器內(nèi)液態(tài)制冷劑所占容積為總?cè)莘e的40%～50%左右時,膨脹閥即可根據(jù)過熱度正?？刂浦评鋭┝髁?有一定過熱度的氣態(tài)制冷劑將取代液態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器回氣總管進(jìn)入氣液分離器,此時氣液分離器中*多會積存5kg左右液態(tài)制冷劑,液態(tài)制冷劑所占容積不會超過氣液分離器容積的一半,并不會影響壓縮機的安全運行。

由上述*不利工況下液態(tài)制冷劑在制冷系統(tǒng)各部件中的含量的粗略定量分析結(jié)果可知,即使在*不利環(huán)境工況下,按圖9設(shè)計的JHF機組也不會產(chǎn)生液擊的危險。而如果室外機在室內(nèi)機下部,液態(tài)制冷劑在冷凝器及儲液器內(nèi)積存的比例更大;在室外溫度低于室內(nèi)溫度的時候,液態(tài)制冷劑主要積存在冷凝器與儲液器內(nèi),那樣機組將更無液擊的危險。

需要說明的是,不少機房空調(diào)即使配置了液管電磁閥也不能保證機組在運行過程中一定不發(fā)生液擊。因此,在風(fēng)冷機房空調(diào)中取消液管電磁閥并采取上述系統(tǒng)設(shè)計方案,是一種主動而非被動的防液擊策略。實踐證明,采用該方案的JHF系列機房空調(diào)在常見各種工況下均可穩(wěn)定可靠運行。

5機房空調(diào)的快速除濕方法

機房空調(diào)要實現(xiàn)對濕度的精確控制,就需要保證在室內(nèi)濕負(fù)荷過大時能迅速除濕。當(dāng)然,機房空調(diào)的快速除濕主要還是用在我國南方等室內(nèi)環(huán)境熱濕比較小的地區(qū),至于西北等室內(nèi)熱濕比較大的地區(qū),完全可以按常規(guī)制冷方式進(jìn)行除濕。機房空調(diào)快速除濕主要有減小送風(fēng)量、減小蒸發(fā)器面積這兩類方法。另外,近年來還出現(xiàn)一種利用電子膨脹閥進(jìn)行快速除濕的方法。

5.1減小送風(fēng)量的快速除濕方法

送風(fēng)機風(fēng)量減小后,空氣流經(jīng)蒸發(fā)器肋片表面的速度降低,肋片上流過的空氣分子團(tuán)靠氫鍵作用所吸附的水分子與肋片所產(chǎn)生的分子聚合力大于氣體流動的推動力,使得肋片上已經(jīng)吸附的氣態(tài)水分子數(shù)量遠(yuǎn)大于從肋片上蒸發(fā)的液態(tài)水分子數(shù)量,也就使液態(tài)水分子能快速聚集成肉眼可見的水珠,*后變成凝結(jié)水排出機外,達(dá)到快速除濕的目的。減小送風(fēng)機風(fēng)量一般有兩種方法:

1)使用雙速或三速風(fēng)機。正常運行時用高速或中速,在需要快速除濕時,風(fēng)機轉(zhuǎn)速自動降一擋,即可實現(xiàn)有級風(fēng)量調(diào)整,且成本增加不多。

2)使用無級調(diào)速風(fēng)機,并配置調(diào)速模塊,需要除濕時可將風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)整到需要值。風(fēng)機風(fēng)量無級調(diào)節(jié)的一個好處是可根據(jù)過濾器積塵的情況自動增大風(fēng)機轉(zhuǎn)速,可在機組內(nèi)部流道阻力增加時保證送風(fēng)量不減少。但這種快速除濕方式的弊端也是顯而易見的。首先大功率的調(diào)壓調(diào)速模塊成本不菲,比如1只適用負(fù)荷4kW的三相調(diào)速模塊的價格為4000元左右;其次,交流電壓離心風(fēng)機在低電壓下的效率將比滿負(fù)荷時大大降低。EC(電子換向)直流風(fēng)機在部分負(fù)荷時效率較高,但EC風(fēng)機加整流模塊的造價是一般交流風(fēng)機的數(shù)倍。

減小風(fēng)量雖然能得到較好的快速除濕效果,但機房環(huán)境內(nèi)空氣循環(huán)量的大幅波動會影響到室內(nèi)已形成的穩(wěn)定的溫濕度場,并且在發(fā)熱設(shè)備比較集中且機房空調(diào)送風(fēng)距離比較遠(yuǎn)的場合,送風(fēng)量的減少會導(dǎo)致遠(yuǎn)端發(fā)熱設(shè)備得不到充分冷卻,使得機房局部溫度超高。

所以,在機房環(huán)境中,減小送風(fēng)量除濕不是理想的首選方案,但可采取變通方法。比如在蒸發(fā)器旁邊安裝一個旁通氣流調(diào)節(jié)閥。在正常制冷狀態(tài)下此閥門是關(guān)閉的,所有氣流均需流經(jīng)蒸發(fā)器表面。當(dāng)需要進(jìn)行除濕操作時,此旁通閥便打開,使1/3的回風(fēng)不經(jīng)過蒸發(fā)器直接旁通至送風(fēng)口,另外2/3的回風(fēng)均勻地通過蒸發(fā)器表面。這樣可達(dá)到與減小風(fēng)量同樣的除濕效果,并可保持送風(fēng)量不變。

5.2減小蒸發(fā)器面積的快速除濕法

蒸發(fā)器換熱面積減小,蒸發(fā)溫度降低,肋片溫度降低,同樣可使肋片上已吸附的氣態(tài)水分子數(shù)量大于從肋片上蒸發(fā)的液態(tài)水分子數(shù)量,達(dá)到快速除濕目的。減小蒸發(fā)器面積一般用切斷蒸發(fā)器上部1/3回路的方法,具體做法有3種:膨脹閥后分液法、膨脹閥前分液法、回氣總管分液法,見圖10～12。

由圖10～12可看出,回氣總管分液法與膨脹閥前分液法都比膨脹閥后分液法更易于實現(xiàn)制冷劑的均勻分配,但膨脹閥前分液法需要增加1只小膨脹閥,回氣總管分液法需要配置1只大口徑的氣管電磁閥,都會增加一定成本。減小蒸發(fā)器面積除濕法由于除濕效果好,且不對室內(nèi)溫、濕度場的分布造成不良影響,在機房空調(diào)中得到了越來越多的應(yīng)用。JHF32選配膨脹閥后分液的減小蒸發(fā)器面積的快速除濕法。但JHF32機組與一般機房空調(diào)的處理方法稍有不同,由于JHF32機組配置的蒸發(fā)器面積較一般機房空調(diào)大20%以上,所以采取JHF32機組切斷1/2而不是1/3蒸發(fā)器回路的方法來實現(xiàn)快速除濕。

快速除濕如果設(shè)計不當(dāng),會導(dǎo)致肋片溫度低于0℃,肋片表面易結(jié)冰,因此少數(shù)機房空調(diào)設(shè)置肋片表面溫度傳感器,以保證在除濕導(dǎo)致蒸發(fā)溫度過低時能提前結(jié)束快速除濕過程,防止蒸發(fā)器結(jié)冰。

另外,采用減小蒸發(fā)器面積法進(jìn)行快速除濕的下送風(fēng)機房空調(diào)蒸發(fā)器的傾斜角度需保證不小于65°,以防止送風(fēng)帶露。

5.3應(yīng)用電子膨脹閥的快速除濕方法

應(yīng)用電子膨脹閥的快速除濕法是隨著電子膨脹閥在機房空調(diào)中的應(yīng)用而出現(xiàn)的一種比較新穎的除濕方法。采用這種快速除濕法的機房空調(diào)無需在制冷系統(tǒng)和送風(fēng)機上作任何調(diào)整,只在程序中稍作處理即可。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出除濕開始指令后,電子膨脹閥自動將過熱度設(shè)定值調(diào)高。例如,原先過熱度設(shè)定值為3℃左右,需要快速除濕時可把目標(biāo)過熱度設(shè)定值提高至15℃。這樣電子膨脹閥開度將變小,蒸發(fā)溫度將降低,肋片表面溫度降低,除濕效果增強。

由電子膨脹閥快速除濕的工作原理可知,機組在進(jìn)行除濕時,蒸發(fā)器回氣過熱度會比較高。在比較低的蒸發(fā)壓力和比較高的回氣過熱度的共同作用下,壓縮機排氣溫度會較高,這樣可能會對壓縮機排氣口的塑料連接件造成影響,還可能導(dǎo)致潤滑油炭化等問題;另外,由于制冷劑流量減少,對采用吸氣冷卻的全封閉渦旋壓縮機來說,會影響壓縮機電動機的散熱,導(dǎo)致電動機溫度升高,影響壓縮機電動機的壽命。

采用電子膨脹閥的機房空調(diào)整機成本至少要提高2000元左右,而且電子膨脹閥作為一個動作頻繁的機電一體部件,故障率也要比熱力膨脹閥高得多。這些都是采用此方案的設(shè)計師們所需要面對的實際問題。

6排氣再熱

6.1排氣再熱方法產(chǎn)生的背景

機房空調(diào)除濕的過程附帶了產(chǎn)生顯冷量的過程,如果機房內(nèi)濕負(fù)荷比較大,熱負(fù)荷相對較小,且除濕過程如果不加任何溫度補償措施,勢必會導(dǎo)致室內(nèi)溫度的過度下降。由于機房空調(diào)一般都采用溫度優(yōu)先的控制策略,若室內(nèi)溫度達(dá)到機房所允許的下限,則無論室內(nèi)濕度是否降到設(shè)定值,都需機房空調(diào)立即停止除濕。這樣,常常會導(dǎo)致室內(nèi)濕度超標(biāo)。所以一般機房空調(diào)都具備除濕再熱功能。常用的再熱方式有電加熱、蒸汽加熱、熱水加熱3種。這3種再熱方式的共同特點是必須消耗能源才能使已降溫的空氣再升溫,提高室內(nèi)溫濕度控制精度的同時也暴露了其能耗較高的缺點。而利用壓縮機的排氣熱量作為除濕后送風(fēng)溫度補償?shù)募夹g(shù)則可彌補這種缺憾。雖然各大主流機房空調(diào)均將排氣再熱作為機組的選配設(shè)計,而在我國市場上很少見到配置排氣再熱的機房空調(diào)。可見,排氣再熱方法對于機房空調(diào)來說,適用范圍并不是很廣,但在我國南方或東南亞氣候比較潮濕的地區(qū)有一定的應(yīng)用前景。

6.2排氣再熱關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

再熱盤管的設(shè)計是排氣再熱系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。常用的方案是使一部分排氣進(jìn)入蒸發(fā)器后面的再熱盤管,放熱后再與另外一部分排氣混合后排至室外冷凝器。這種方法雖然增加了一個盤管,但管路布置、控制邏輯都很簡單。而且再熱盤管既可用于除濕時的溫度補償,也可用于部分負(fù)荷下的制冷量削減(即卸載),使壓縮機連續(xù)運行,以達(dá)到精確控制溫度的目的。排氣流量的準(zhǔn)確控制是排氣再熱方式的難點。常規(guī)的控制方法是在排氣口設(shè)置1只比例式三通調(diào)節(jié)閥,根據(jù)送風(fēng)溫度控制該閥的流量分配,進(jìn)而控制再熱量的大小,達(dá)到精確控制溫度的目的。這種方法還是容易出現(xiàn)調(diào)節(jié)滯后、流量控制準(zhǔn)確度低等問題。

6.3一種新型排氣再熱設(shè)計方案

下面簡要介紹一個筆者自行開發(fā)的排氣再熱優(yōu)化設(shè)計方案。圖13是該設(shè)計方案的系統(tǒng)示意圖。在正常制冷狀態(tài),三通閥A,B的管路223之間連通;快速除濕時,三通閥A,B的管路123之間連通。此時,從壓縮機排氣口出來的部分排氣通過電磁閥進(jìn)入蒸發(fā)器部分盤管內(nèi),放出熱量、溫度降低后出蒸發(fā)器與壓縮機其余排氣混合后進(jìn)入冷凝器。這種排氣再熱流程設(shè)計的獨特之處是:通過2個三通閥的切換,巧妙地利用除濕后被切斷的部分蒸發(fā)器回路作為排氣再熱的換熱器,從而不必單獨配置再熱盤管。

7針對不同氣候條件的機房空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

機房的廣泛分布及其機房高密度發(fā)熱量的特點決定了機房空調(diào)需在不同地點、不同季節(jié)可靠穩(wěn)定運行。本章就應(yīng)用在嚴(yán)寒、高溫、高濕等惡劣氣候條件下的機房空調(diào)設(shè)計方法進(jìn)行探討。

7.1嚴(yán)寒地區(qū)

在黑龍江省的海拉爾地區(qū),冬季*低溫度可達(dá)-40℃,此時機房空調(diào)仍需間斷制冷運行,以維持機房內(nèi)的正常溫度。機房空調(diào)要保證在如此低的室外溫度下可靠地制冷運行,除了需配置冷凝壓力調(diào)節(jié)裝置以保證工作時冷凝壓力適合之外,還必須保證壓縮機能在低溫下順利啟動。

機房空調(diào)低壓保護(hù)設(shè)定值一般為表壓0.2MPa(2kg/cm2)),雖然因為壓縮機對于偶爾的吸氣壓力過低有一定的承受力而設(shè)置了低壓報警延時,但報警延時一般不宜超過2min,即吸氣壓力低于0.2MPa的時間不宜超過2min。而機房空調(diào)在-40℃的環(huán)境溫度下停機一段時間后,由于室內(nèi)外溫差懸殊,絕大部分制冷劑將遷移至室外機中,機房空調(diào)制冷系統(tǒng)內(nèi)部壓力已達(dá)到表壓0左右(R22在-40℃下的飽和壓力)。壓縮機啟動后,由于此時的壓縮機吸氣比體積是常規(guī)工況的5倍左右,因此吸氣質(zhì)量非常低,即使冷凝風(fēng)機停轉(zhuǎn),也難以在幾分鐘內(nèi)建立起足夠高的冷凝壓力,膨脹閥也因閥前后壓差不足而無法向蒸發(fā)器供液,壓縮機又在不斷地吸氣,導(dǎo)致蒸發(fā)壓力進(jìn)一步降低,形成惡性循環(huán),吸氣壓力不可能在2min內(nèi)恢復(fù)到0.2MPa(2kg/cm2)以上,機組將因低壓報警而停機。

也就是說,常規(guī)配置的機房空調(diào)只能應(yīng)用于夏熱冬暖地區(qū),為使應(yīng)用于寒冷地區(qū)的機房空調(diào)能夠順利啟動,應(yīng)如圖14所示,采取下列技術(shù)措施:在儲液罐前配置止回閥,在儲液罐后增加液管電磁閥,并且儲液罐內(nèi)要保證一定存液量。

上述設(shè)計目的是通過止回閥和液管電磁閥的聯(lián)合作用,保證停機時儲液罐內(nèi)能儲存一定質(zhì)量的液態(tài)制冷劑。壓縮機啟動的同時液管電磁閥也打開,儲液罐內(nèi)液態(tài)制冷劑迅速氣化后通過吸氣管被壓縮機吸入,這樣可保證機房空調(diào)啟動初期的吸氣壓力不至過低,并有助于迅速建立起適當(dāng)?shù)睦淠龎毫?使機組順利啟動,盡快投入正常制冷運行。壓縮機能否順利啟動的關(guān)鍵因素是儲液罐中所積存的液態(tài)制冷劑能否滿足需求,需對儲液罐的容積和機組的充液量進(jìn)行仔細(xì)計算。

7.2高溫地區(qū)

我國南方地區(qū)夏季*高氣溫可能超過40℃,屋頂溫度有時會達(dá)到50℃以上。應(yīng)用于高溫環(huán)境中機房空調(diào)的設(shè)計需注意以下幾點:

1)室外機應(yīng)根據(jù)室外溫度的高低合理選配,一般不宜再按35℃環(huán)境溫度選配冷凝器,機組冷量也需考慮冷凝溫度升高的影響后重新計算,以免機組制冷能力達(dá)不到要求。

2)為使機組停機一段時間再啟動瞬間的負(fù)載不至于過大,機組控制邏輯應(yīng)有冷凝器高壓保護(hù)功能,當(dāng)檢測到停機時冷凝壓力高于某設(shè)定值時,令冷凝風(fēng)機啟動,直到冷凝器壓力低于該設(shè)定值。

3)在高溫環(huán)境下,壓縮機運行工況惡劣、負(fù)荷大、運轉(zhuǎn)時間長,一旦機房空調(diào)出現(xiàn)故障,機房溫度將急劇升高,危及機房內(nèi)設(shè)備的安全,因此,應(yīng)選用高可靠性的壓縮機,并盡量配置雙系統(tǒng)機房空調(diào)。條件許可的機房應(yīng)盡量增設(shè)備用機組。

7.3高濕地區(qū)

機房環(huán)境允許濕度變化范圍相對較大,文獻(xiàn)[4]規(guī)定,主機房的相對濕度為45%～65%;基本工作間相對濕度變化范圍可在40%～70%內(nèi)。但在一些空氣含濕量非常高的地區(qū),普通機房空調(diào)制冷循環(huán)所附帶的除濕作用不足以維持正常的室內(nèi)相對濕度。因此,應(yīng)用于高濕地區(qū)機房空調(diào)的設(shè)計需注意以下幾點:

1)適當(dāng)提高冷風(fēng)比,以降低機房空調(diào)的顯熱比,增強除濕效果,并可在一定程度上防止送風(fēng)帶露,從而能更好地適應(yīng)熱濕比較小的機房環(huán)境;

2)適當(dāng)提高再熱功率,以保證在低溫高濕的室外環(huán)境中不至于因溫度優(yōu)先的控制策略導(dǎo)致除濕循環(huán)中斷,此時若應(yīng)用排氣再熱技術(shù)可取得可觀的節(jié)能效果;

3)蒸發(fā)器應(yīng)采用親水鋁箔肋片,因親水鋁箔肋片在其表面凝結(jié)水量較多時一般不易在肋片間形成水橋,氣流經(jīng)過肋片表面的損失較小,一般氣流經(jīng)過親水肋片的阻力損失可比非親水肋片每排減少5～10Pa;

4)采用如第5章所述的快速除濕方法;

5)對于下送風(fēng)機組,為盡量減少送風(fēng)帶露,可將蒸發(fā)器傾斜角度適當(dāng)加大,并可考慮設(shè)置擋水板。

8結(jié)語

產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計向來是仁者見仁,智者見智,筆者愿與大家多多交流,共同提高。

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