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1、1,冷水机组原理第一部分,DES700,2,目 标,通过这部分你将学会：1-列出典型水冷机组的部件；2-计算冷冻水和冷却水流量；3-在压焓（P-H）图上画出基本的制冷循环过程；4-列出3个影响冷水机组能耗和尺寸的因素；5-理解蒸发器和它的换热情况；6-理解冷凝器和它的换热情况；7-理解压缩机的压力控制；8-了解过冷器，闪发器和经济器；9-会选择往复式、螺杆式和离心式机组；10-理解机组部分负荷控制。,水冷系统的冷源是一台或多台冷水机组。理解如何从市场中选择不同的冷水机组并正确使用是必须的。这部分将给你一个冷水机组的概况容量大小从13冷吨到10000冷吨不等。,3,目 标,列出典型的冷水机组的组
2、成部件计算冷冻水和冷却水的流量在压焓（P-H）图上画出基本的制冷循环过程列出3个影响冷水机组能耗和尺寸的因素了解蒸发器和它的传热了解冷凝器和它的传热了解压缩机的压力控制了解过冷器，闪蒸器和经济器会选择往复式，螺杆式和离心式冷水机组了解冷水机组的部分负荷控制,4,设计步骤,在风机盘管冷水系统的设计中，已经涉及选择冷水机组。在选型之前，先要了解可用机组的型号和技术参数。只有了解机组的性能，才能正确地选对型号。,5,设计步骤,选择控制区计算峰值冷热负荷选择室内风机盘管末端设备选择末端控制类型水管路设计冷凝水管路设计选择冷水机组选择辅助设备,6,水冷机组基本原理,下图是一个典型的冷水机组运用冷却塔运行
3、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。冷凝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。,7,基本
4、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,8,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
5、 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。,9,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,10,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
6、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
7、-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。,11,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）。,12,确定水的流量
8、,如果流过的液体是盐水，那么方程要改变比热和比重：Tons=(GPM X Rise X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（12000 X 1.20）=14400Btuh。方程将变为：Tons X 14400Btuh=500 X GPM X Drop Tons X 28.8=GPM X Drop 冷凝器GPM=(28.8 X Tons)/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=（24 X1.25）X Tons/Drop=
9、(30 X Tons)/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=（24 X tons）/Rise=（24 X 100）/10=240GPM冷凝水 GPM=（28.8 X tons）/Drop=（28.8 X 100）/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=（2000 lbs X 144Btu/lb）/24hrs 1ton=12000Btu/h传入传出水的热量如下计算：热量Btuh=500 X GPM
10、X Rise 由于1ton=12000Btu/h Tons X 12000Btu/h=500 X GPM X Rise Tons(12000/500)=GPM X Rise Tons X 24=GPM X Rise Tons=(GPM X Rise)/24 GPM=(24 X Tons)/Rise,13,确定水的流量,冷水机组用冷吨（tons）来评价（冷负荷）冷冻水量 1 ton=12,000 Btu/h tons x 12,000=500 x 冷冻水量 x 温升 温升=（24 x tons）/温升压缩机产生20%的热量 tons x 12,000 x 1.2=500 X 冷却水量 x 温降
11、冷却水量=（28.8 x tons）/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=（24 x 100）/10=240 GPM 冷却水流量=（28.8 x 100）/10=288 GPM旧的低效机组（25%压缩产热）冷却水流量=（30 x 100）/10=300 GPM,14,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
12、设备在建筑成本上升价后又被重视。因此，上面三项做改进的任何设备和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。,15,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”,制冷效率（R.E.）压缩产热（H.C.）（压缩机效率）压力增加（Pc-Pb）,16,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
13、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。,17,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）,18,摘要:提高饱和蒸发温度,提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。,19,摘要: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:
14、-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,20,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
15、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
16、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。,21,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,22,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.）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
17、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）将会升高。这样，为了减少MTD，无论通过产品的应用或设计，冷水机组必须增加热交换面积（A）或增加传热系数（U）。我们来看看增加的传热系数（U）。,可以看到在热交换过程中有两种基本的热量平衡。它们是：1-通过管子的流体释放的热量。2-从管中的流体到管壳中的制冷剂的总换热量。总换热量 在定压过程中加给或从制冷剂中提取热量导致制冷剂的状态变化。使蒸发器内制冷剂状态从液体到蒸气的热量称为“汽化潜热”。在蒸发器中，蒸发在恒温（SET）下进行。SE
18、T是饱和蒸发温度。热交换速率直接和进水温度差及出水温度差有关。冷凝器和蒸发器中流体和制冷剂间总换热量都可以表达为：Q=U*A*MTD,23,基本的蒸发器传热,冷冻水在蒸发器的流动 进入时温度为T1(约54F)流出时温度为T2(约44F)蒸发器中制冷剂在饱和蒸发温度时沸腾(约34F)热量由水传向制冷剂Q=U X A X MTD MTD=对数平均温差 U=传热系数 A=蒸发器面积饱和蒸发温度随着MTD的减少而升高“U”或“A”必须增加,24,增加“U”,管子中流体和制冷剂之间的温度差（MTD）是克服传热阻力进行热交换的推动力。传热阻力由四部分组成，它们都和传热系数（U）有关。这四种阻力是：1-水膜
19、热阻，它取决于流体通过热交换器的流态和速度。我们将假设。2-流体污垢热阻，它取决于通过管子的流体的质量。3-管壁金属热阻，它取决于材料的类型和管子的表面结构。4-制冷剂膜热阻，它来自制造商的测试数据，是热交换器设计、使用的制冷剂和管表面几何特性的函数。前三项阻力是变化的，约占全部阻力的75-80%。这三项阻力由应用或选择热交换器来控制。下文来描述这些变化对（SET）的影响。,25,增加“U”,热流经过四项阻力要素-水膜-水中杂质(“污垢)-金属(铜管壁)-制冷剂膜前三者占总量的 75%到 80%-在应用或设计冷水机组时它们可以被控制减小这四项热阻中的任何一个都可以增加“U”，降低 对数平均温差
20、和提高饱和蒸发温度我们逐项研究,26,水膜热阻,对高流速的限制基于合理的压降并使可能的管路腐蚀减到最低。为造成腐蚀，某种作用因子必须穿透流体边界层。导致管路损坏的作用因子可以是化学的、机械的、或两者皆有。化学因子扩散通过流体薄膜作用到管子。机械作用因子是气泡或悬浮粒子撞击管壁。开利研究部门的测试表明流体本身的速度并不损坏管子甚至流速达到24FPS。当然，如果流体携带有害因子，提高流速就会加大损害。另一方面，压降以速度的平方增加。速度越高，泵能耗越高。设计速度的选择应该包括经济性的评估。传热系数与速度的0.8次幂成正比，大的流速可以导致更小的设备初投资少。但是这必须与高速度下的泵能耗增加相平衡。
21、,流过管子的流体形成一层静态的薄膜或边界层，在管壁处有零速度。薄膜类似于绝缘体而阻碍来自管壁的热流。速度越低，薄膜越厚，热阻也就越高。和10英尺/秒的速度相比，4英尺/秒的流速增加了水膜热阻，从总热阻的37%增到55%。同时，因为总热阻增加了，为了以低于4FPS的速度传送同样的热量，MTD将不得不升高且SET下降。对给定的热交换器来说，管路速度通常可以由制造商的目录或计算程序得到。在应用热交换器时，管速通常应该保持在3到12FPS之间。速度低于3FPS导致层流（厚的边界层），水膜热阻（RW）急剧增加。,27,水膜热阻,水膜热阻随着水流速的增加而减少-小于 3 fps:层流-Rw迅速增加-大于
22、12 fps-腐蚀问题-范围(3 fps速度 12 fps)压降与流速平方成正比水流速的影响-管的流通面积-水的流程数,28,流 程 数,可以增加或减少流程数来提高或降低管速。例如：120GPM流过热交换器，K值为10，对应1，2，3流程将会有6，12，18FPS的管速。流程数越多速度越高是因为水流通的截面积减少了。由于对管速的最高限制，一种实用的方法是给定合理的压降限制（15到30英尺wg）。只要压降允许，热交换器可选择大到12FPS的管速。这种方法可以确定合适的运行费用，最小的腐蚀，并选择较低成本的热交换器。,管内速流由下式决定：V=（GPM/K）*（N/2）其中：GPM=流量（gal/m
23、in）N=热交换器的流程数 K=速度因子速度因子K对每一台热交换器型号是一个常数，并且是流体通过的管子截面积的函数。,29,流 程 数,管内流速随下列因素变化:-蒸发器水流量-流程数（N）-K是与管道断面积有关的 常数-假设K是10，流量是120以1流程通过蒸发器-速度(120/10)X(1/2)=6fps以2流程通过蒸发器-速度=(120/10)X(2/2)=12fps在合理的压降范围内选择最大的流程数-（15 ft wg至30 ft wg）,30,污垢热阻,对于较高的污垢系数要求使用较大型的热交换器，这样会增加冷水机组的初装费用。另一方面，条件允许时，设备选择应基于小的污垢系数，否则，将会
24、导致容量不足和运行不稳定。蒸发器是封闭式水循环的典型部分，并不产生很多的污垢。美国制冷学会ARI，一个自我控制的工业组织，已经提出蒸发器用0.00025污垢系数作为评估冷水机的标准。在最终的分析中，它应由水处理专家和顾问工程师共同按既定应用的蒸发器工况去建立最终的污垢系数。,污垢是由流体中的矿物质或悬浮物沉淀在热交换器管表面形成。热交换器一旦投入运行，污垢就开始形成了。污垢用一个数字表示（.0005）污垢热阻占全部热阻的百分比随着污垢的增加而升高。0.0005时污垢占全部热阻的39%，在0.002时将升高到72%。随着污垢热阻的升高，传热系数（U）将降低。这样，为了传送同样的热量（Q），必须增
25、加温度推动力（MTD），最后的结果是饱和蒸发温度的降低。污垢的数量级取决于通过管子的流体的质量以及悬浮物的数量和特性。热交换器选择的合理污垢系数是很重要的，并且必须对每一项工程单独评估，决定合理的污垢系数。,31,污垢热阻,污垢是管表面沉积物的累积-由水质决定-污水，净水等由一个数字表示（0.00025或0.0005或0.002）0.0005时占总的传热热阻的39蒸发器中值最小-封闭管路循环ARI要求是0.00025-冷水机组的基本条件设计人员应视具体情况而定,32,金属壁面热阻,制造商可以选用任何材料，从通常使用的铜到奇特的品种，象钛制成的制冷机。金属热阻力有很大的不同，而且能深深影响设备的
26、尺寸和能耗。例如，和铜管相比，使用70-30铜镍合金管的热阻会从占全部热阻的2%提高到23%。总热阻的增长导致饱和蒸发温度的下降。一般在蒸发器中使用铜管，它是封闭管路循环的一部分。其它类型的材料很少在蒸发器中使用。,33,金属壁面热阻,铜通常用于蒸发器中-闭式管路循环很少采用其他材料7030铜镍管的效果-铜：全部热阻的2-7030铜镍管：全部热阻的23工程师应按要求选择材料,34,制冷剂膜热阻,我们现在从这一领域最新技术发展的角度来看制冷剂薄膜的热阻。制冷剂沸腾或冷凝时的热交换系数小于水流过管子的好几倍。因此，通常在管子的外表面制作翅槽。结果使外表面积增加到管内表面积的4或5倍。这些超出的面积
27、减小了热交换通量（Btu/sq.ft.），并减少了制冷剂薄膜热阻。高效能管（增加了每英寸的翅数）进一步减小了热交换通量。此外，已经发现弯曲翅的顶端可以急剧减小制冷剂薄膜。另一个表面构造也有显著效果，制造商现在也开始在标准生产线上采用这些技术。,35,制冷剂膜热阻,制冷剂膜热阻是四个热阻中最小的沸腾热阻因下列因素减少：-增加的翅片数量-弯曲翅片的顶端-将管表面弄粗糙厂商认为这些方法都是可行的,36,增加传热表面积,在所有影响饱和蒸发温度升高的变量中,增加热交换表面积是人们使用和选择冷水机组最常用的控制方法。面积可以从四个方面增加：1-增加每英寸的翅片数2-在既定的热交器中使用更多的管子3-选用断
28、面更大的热交换器4-如果可以，采用更长的热交换器 有些冷水机组在所有四个方面都有灵活性，有些就受限制了。无论你选择了什么，增加蒸发器热交换面积可以提高饱和蒸发温度并且改善机器性能。了解制造商提供的产品并根据需要决定选择。,37,增加传热表面积,主要由选择冷水机组时确定增加管表面积的方法：-增加单位长度的翅片数-增加管数-增加热交换器的断面-增加热交换器的长度-水压降提高所有的方法都可以减小对数平均温差，提高饱和蒸发温度,38,摘要：降低饱和冷凝温度,降低冷凝器的饱和冷凝温度的因素与我们研究蒸发器的同样：1-提高传热系数“U”2-增加热交换面积此外，冷凝器允许考虑其它因素3-降低冷凝流体温度我们
29、来详细分析这些因素。,39,摘要：降低饱和冷凝温度,制造商和应用的选择用与蒸发器同样的方法：-提高传热系数“U”-增加热交换器中管的表面积特别对冷凝器：-降低冷却流体的温度我们来看详细情况,40,基本的冷凝器类型,冷凝器可有两种基本设计：水冷：水沿管内流动时，从压缩机出来的热的制冷剂气体在管子的管壳侧凝结。外面有鳍的铜管通常在两端用机械扩管以保证热交换器内的制冷剂和水之间的密封。卸掉端盖可以从任何一端更换或清洗管束。不像蒸发器，冷凝器几乎总是像冷却塔一样采用开放式循环。有时候像河、湖、井或城市用水都可以采用。可用的水温度根据水源和季节而变化。因此，管子内部要不断的通过定期清洗来清除污垢。和蒸发
30、器一样，压降超过35ft就被认为太高了。水流速保持在3ft/s和12ft/s间可以使压降和水中微粒引起的管子腐蚀最小。,冷却塔通常使冷凝器进水温度达到85F并且出水温度达到95F。这使饱和冷凝温度达到105F。采用水冷冷凝器的冷水机组类型往复式、螺杆式和离心式。风冷：制冷剂沿管内流动，管子外面有机械固定的金属翅片。周围的空气靠冷凝风扇通过管束。空气一般以95F进入，105F排出。饱和冷凝温度大约在125F左右高于通常的水冷设计。往复式和螺杆式制冷机可以采用风冷冷凝器-离心式制冷机不用。往复式和螺杆式制冷机采用风冷冷凝器，因为它们是固定排量的机器，并且以较高的压缩比运行。离心式制冷机对高压缩比敏
31、感，通常不采用风冷冷凝器。,41,基本的冷凝器类型,两种类型-水冷-风冷水冷-浸没式设计-冷却塔-一次式水源-一般从85F 升高到95F-一般饱和冷凝温度为105F-各种类型的冷水机组风冷-用室外空气-一般是95F进风，115F出风-一般是125 F的饱和冷凝温度-往复式和螺杆式,42,基本的冷凝器热交换,在水冷冷凝器中，冷却塔的水流过冷凝器管子。水通常以85F进入并且当它通过冷凝器后被加热到95F。制冷剂释放热量给水从气体冷凝成液体。冷凝过程发生在饱和冷凝温度105F。冷凝器采用的热交换方程和蒸发器一样：Q=U*A*MTD减少冷凝器MTD将导致较低的饱和冷凝温度。为了减少冷凝器MTD，传热系
32、数（“U”）或热交换面积（A）必须增加。这和前面我们在蒸发器设备中采用的一样。,43,基本的冷凝器热交换,冷却塔处理后的水通过冷凝器-以T1进入（一般是85 F）-以T2流出（一般是95 F）制冷剂在饱和冷凝温度时冷凝（105 F）热量由制冷剂传给水和蒸发器一样-Q=U x A x MTD饱和冷凝温度随着对数平均温差的减小而降低-“U”或“A”都要增加,44,增加“U”和“A”,所有提高冷凝器“U”和热交换面积的方法和蒸发器一样。然而，当考虑冷凝器时，一个因素更显著了水侧的污垢热阻。冷凝器使用开放式的水系统并由冷却塔、湖水、河水等供水。所有这些来源造成了冷凝器管子内的污垢沉积，冷凝器必须定期清
33、洗。不仅污垢随时间增加，而且许多应用场合需要使用像铜镍合金或不锈钢这样的特殊管材，造成了更高的金属热阻。当考虑增加冷凝器面积时，蒸发器已讨论过的原理同样可用于水冷机组中。对风冷机组来说，机组尺寸的增加通常是提高冷凝器面积唯一的方法。,45,增加“U”和“A”,增加“U”和“A”-和蒸发器的因素相同污垢阻力更加重要-开式管路循环-河水、湖水等-定期进行管路清洗金属热阻更高-铜镍管-不锈钢管面积增加-水冷-与蒸发器中相同-风冷-冷水机组体积要大,46,降低进入冷凝器的水温,这样，对于特殊的水冷机组和机组负荷，塔的水温可以降到55F。携带微处理器的制冷机可以处理所有参数并确保机器安全运行。这个（85
34、-55=30F）的多余30F的冷凝温度的减少直接导致压缩机动力的显著减少。风冷机组同样，除了它们在超出室外空气条件的范围运行。设计冷凝温度是大约125F，伴着95F的冷凝器进风温度。随着外界温度的下降，冷凝器风扇要运转以维持机组压力。直至外界温度低到零度。从零度到大约-20F，称为马达控制器的附件可以用于冷凝器以确保制冷机的安全运行。微处理器控制一台变速风扇来维持机组压力。压缩机能量显著节省了-特别是北方气候下，那里大部分运行时间都为较低的外界条件。,在设计负荷下，水冷冷凝器将以105F的饱和冷凝温度运行。冷却塔将送回大约85F的水。在部分负荷下，冷却塔可以生产更低的水温，因为室外空气有更低的
35、干球和湿球温度。维持冷却塔返回水温在85F的控制已经实现了即便在能产生更低的水温时。保持塔回水温度是为了确保冷凝器中制冷剂压力维持比蒸发器压力足够高。这压力差用于满足蒸发器内制冷剂的合适流量。如果流量不足，蒸发器将会“挨饿”，压缩机会提供比原先通过节流装置的更多的制冷剂。蒸发器压力将下降而且机组在较低的制冷剂温度下会跳闸或者更糟一些管子被冻裂。随着直接数字控制和电子膨胀阀的出现，可以比以前更好地实现更精确的制冷剂供给控制。,47,降低进入冷凝器的水温,最小的压差（1）以确保液体制冷剂通过节流装置进入蒸发器中。,48,冷却水的控制,城市水控制：当城市水或其它的像湖水或河水等用作冷却用水时，一个两
36、通调节阀装在冷凝器进水管上。水越冷，送到冷凝器的水就越少。设在冷凝器进水管上的传感器反馈信号给冷水机组的微处理器。这个微处理器控制了所有的机器运行参数并且调节两通阀来确保机器的安全运行。变速泵：取代两通阀，微处理器可以控制变速冷却水泵来达到同样的效果。随着冷凝器进水温度的下降，泵的速度也降低以维持机组的安全运行。,冷却塔控制：一个三通阀装在冷凝器出水管上。旁通管可旁通部分冷却水。从冷却塔返回的水较冷时，减少进入塔的水，更多的水旁通。设在冷凝器进水管上的传感器反馈信号给冷水机组的微处理器。这个微处理器控制了所有的机器运行参数并且调节三通阀来确保机器的安全运行。,49,冷却水的控制,3通阀使冷却水
37、旁通来保证最低的冷却水温度(不低于55F)面板上的DDC控制调节阀.,2通阀调节城市用水来保证最小的冷凝温度（不低于60F的饱和冷凝温度）.面板上的DDC控制调节阀.或者采用可变速的泵.,50,作 业,1一台500冷吨的冷水机组产生12F温升的44F的水。冷凝器有85F的进水和97F的出水，计算蒸发器和冷凝器水流量。假设排热系数1.2。2冷水机组有两种类型的蒸发器，请写出它们的名称：3写出冷水机组中蒸发器和冷凝器中的热交换的基本方程：4写出在管壳式换热器中水和制冷剂之间热交换的四种热阻：,5如果通过1流程冷凝器的速度是5fps，那么如果流程增加到3时速度将是多少？6冷水机组有两种类型的冷凝器，
38、写出它们的名称：7冷水机组冷凝器的最低的冷却水进口水温可能是多少？8风冷冷水机组能够工作的最低的室外空气温度是多少？9写出两种控制水冷冷凝器最低进水温的方法：10为什么水冷冷水机组的进水温度必须保持在等于或高于某一温度？,51,制冷机原理第二部分,给水系统设计,DES700,52,提高制冷效果,现在我们来讨论影响制冷机能耗和尺寸的三个因素提高制冷效果。制冷循环的压缩功率和最终的机组尺寸是下列三个因素的函数：1-制冷剂流量2-通过压缩机的压力升高（Pc-Pb）。压缩比或压升。3-压缩机的实际效率。在如今的市场上，能源的费用和可行性已经成为购买冷水机组的重要考虑因素。廉价能源的时期已经过去了。也需
39、要小型设备来适应不断增长的建筑费用。我们来看制造商们用来提高制冷效果进而改善制冷机效率并缩小尺寸的常用方法。,53,提高制冷效果,制冷效率(RE)压缩热(HC)压力升高（Pc-Pb）,压缩机的功耗受3方面因素的影响-制冷剂的质量流量-通过压缩机的压力升高-压缩机的效率任何能够改善上面三个方面的装置都可以降低冷水机组的能耗.先来看提高制冷效果RE.,54,提高制冷效果,基本上，制造商有三种方法来设计设备以提高商业制冷机的循环制冷效果：1-使用过冷器2-使用闪发器3-使用经济器在我们仔细了解这每一种选择和这些硬件看起来像什么之前，我们先来看看理想膨胀过程-从冷凝器回到蒸发器的高压液态制冷剂的返回过
40、程。,55,提高制冷效果,提高制冷效果的方法:-用过冷器-用闪蒸器-用节能器我们先看一个理想的膨胀过程.,56,理想的膨胀过程,在制冷循环中，制冷剂释放热量给冷却介质并被冷凝成液态（1），离开冷凝器。通常，液态制冷剂通过节流装置并“膨胀”，压力降低到（2）进入蒸发器。一些液态制冷剂在膨胀过程中蒸发。进入蒸发器的闪蒸气和液体的混合物有混合焓（2）。一般大约有20%的液体闪发成蒸汽，并且，可用来吸收通过蒸发器的水中热量的汽化潜热损失了，。理想地，希望液态制冷剂离开冷凝器并沿饱和液体线以100%液态进入蒸发器点（3）。离点3有多近，决定了循环的效率。我们来看使膨胀过程接近点（3）的方法。,57,理想
41、的膨胀过程,制冷剂在(1)时已被冷凝到液态并准备离开冷凝器.制冷剂通常在(2)进入蒸发器.理想状态将是制冷剂保持液体状态并且在(3)处进入蒸发器.制冷效果将最大.让我们来看看怎么到达状态点(3),58,利用过冷器,在简单制冷循环中，液态制冷剂会冷凝到点1。过冷器是将液态制冷剂冷却到低于它饱和点（从1到2）的装置。通常来说，膨胀过程会从1到3并得到制冷效果RE1。使用过冷器，膨胀过程可以从2到4并得到制冷效果RE2。RE2比RE1更大，循环效率提高了。每磅以4点达到蒸发器的液体可以从管内流动的水中吸收更多的热量。从另一角度看，同样的蒸发器负荷下压缩机就需要较少的制冷剂来循环。商用过冷器通常被设计
42、为15F的过冷度。这是一经济合理的数值，额外的过冷器增加了投资。但提供了足够的循环效率的改善。我们来看看过冷器是什么样子的。,59,利用过冷器,过冷器看起来象什么?,过冷器是可以将制冷剂冷却到低于饱和冷凝温度的设备（1到2）普通的膨胀是1到3新的膨胀是2到4新的RE2 旧的RE1在蒸发器中,单位质量的制冷剂吸收更多热量更少的制冷剂用来循环15F的过冷度是常用和经济的,60,典型过冷器,从机械结构看，过冷器位于冷凝器的底部。在水冷冷凝器中，一道隔板将冷凝器的底部隔开，隔板下的小管束就是过冷器管束。压缩机来的制冷剂气体从顶端进入冷凝器。通过冷凝器部分的水将气体冷却为饱和液体。饱和液态制冷剂降到隔板
43、上并因重力沿着隔板的小孔流到过冷器里。制冷剂然后以迂回逆流方式沿过冷器流动。从冷却塔中来的最冷的水先送入过冷器，并且将液态制冷剂冷却到它的饱和温度下是水过冷了制冷剂。过冷的液态制冷剂然后被送到蒸发器的底部。过冷提高了流过蒸发器的单位制冷剂的制冷效果。,风冷冷凝器的过冷器是非常相似的。制冷剂气体进入风冷冷凝器几个环路中的顶部管子，并且以迂回的方式朝底部管路流动时被冷凝。底部每根管的最后段充满了液态制冷剂，并且被通过管子的空气冷却到饱和状态下。过冷器的全部作用是：对每度过冷度，可将循环效率提高大约7%-12%。还有一种与过冷器作用相同的装置 闪发器。我们来看看这种装置是如何工作的。,61,典型的过
44、冷器,隔板将冷凝器底部隔开 制冷剂气体在冷凝器的上部冷凝 液体流入隔板下面的过冷器 最冷的水先进入过冷器，将制冷剂液体过冷至饱和冷凝温度以下,62,闪 发 器,开利开发了一种不同于过冷器，但是功能与过冷器相同的设备，叫闪发器。如下图所示，闪发器的下部有两个小孔。其工作过程如下：从压缩机来的制冷剂进入冷凝器，与冷凝器中冷水接触被冷凝至状态点（1）。积聚于底部的饱和制冷剂状态点为（2）。进入闪发器孔口的饱和制冷剂状态点为（3）。当制冷剂通过闪发器的小孔时，由于压力下降，部分制冷剂又变为气体（4，闪蒸汽）。其余的液态制冷剂被冷却，焓值低于状态点（2）。冷水经过冷凝器水管（5）将闪蒸汽冷凝至点（6），
45、所有制冷剂在状态点（6）都为饱和液态，但是在低压下饱和。此时焓值比（2）点要低。,浮阀维持着闪发器内的液位并向蒸发器供液。当压力降低时，制冷剂再次闪发。闪蒸气与液体同时进入蒸发器（8）。闪发器可以提高约7%的制冷效率，与过冷器的基本相同。这样，制冷效果提高了。闪发器的作用与过冷器相同，但是占用冷凝器的体积比传统的过冷器更小，也使冷凝器的费用比采用过冷器的小。,63,闪 发 器,(1)蒸汽(5)冷却水使闪蒸气冷凝(2)饱和液体（SCT）(6)低压下的饱和液体(3)液体进入闪发孔口(7)浮阀保持闪发器内液位(3)闪发膨胀过程(8)在比(2)低的焓值下进入蒸发器(4)少量液体蒸发 RE增加,64,闪
46、发饱和循环,可以在下页的压焓图中表示采用闪发器的效果。接下来我们再看另一个提高制冷效果的设备经济器。,65,闪发饱和循环,Enthalpy-h,像过冷器一样运行-(1)制冷剂蒸汽冷凝-(2)在105F时的饱和液体-(3)液体进入闪蒸孔口-(4)闪蒸器中的液体(2)从膨胀 到(4)在闪蒸器中产生闪蒸气-(6)冷却水通过闪蒸器的管子把闪蒸气冷凝至饱和-(8)液体膨胀进入蒸发器(6到8)RE增加,66,经济器：增加 RE,许多制冷却设备不止使用一级压缩。这样，我们可以使用经济器来提高循环效率。在这个循环中，离开冷凝器的液态制冷剂（6）在进入蒸发器之前经过两个减压装置。在通过第一个减压装置后(2)，一
47、些制冷剂液体由于压力的突然降低而汽化，然后被抽入第二级压缩的进口（4）。这样，在中间压力下气化的闪蒸气体通过第二级压缩循环，减少了第一级压缩的流量，因此，马力由第一级压缩控制。余下的液体由闪蒸气冷却至饱和状态（7）。余下的饱和液体经第二个节流装置进入蒸发器。让我们看一下P-H图来研究经济器的作用制冷剂效果提高810,67,经济器：增加 RE,饱和液体(6)离开冷凝器制冷液流过第一个节流装置-压力降低在(2)处产生闪蒸汽闪蒸汽进入第二级压缩(4)的中间接口剩余液体(7)冷却后进入蒸发器制冷效果提高8%到10,68,经济器循环：提高RE,下页的 PH图表示了由于在基本循环中附加了经济器提高了制冷效
48、果。其净效应是提高了循环的COP值约810，任何多级压缩机都可验证此结果。,69,经济器循环：提高RE,饱和液体离开冷凝器(6)制冷液首先通过节流装置-压力降低产生闪蒸气(4)闪蒸气进入第二级压 缩机(3)剩余的液体(7)被冷却至饱和并通过蒸发器制冷效果提高8%至10,70,压缩机效率,现在我们来讨论影响制冷机能耗和尺寸的三个因素中的最后一个压缩机效率。制冷循环的压缩功率和最终的机组尺寸是下列三个因素的函数：1-制冷剂流量2-通过压缩机的压力升高（Pc-Pb）。压缩比或压升。3-压缩机的实际效率。在如今的市场上，能源的费用和可行性已经成为购买冷水机组的重要考虑因素。廉价能源的时期已经过去了。也
49、需要小型设备来适应不断增长的建筑费用。因此，任何设备或方法，只要它能提高压缩机效率，就能降低能耗，缩小机组尺寸。让我们看一些制造商用来使设备变得更小和更有效的常用方法。我们将从降低压缩机的压升开始。,71,压缩机效率,制冷效果(R.E.)压缩热(H.C.)(压缩机的效率)压升(Pc-Pb),压缩机能耗分为三项：-通过压缩机的制冷剂流量lb/min(R.E.)-压缩机的压升lift(Pc-Pb)-压缩机效率(压缩热)改善上述三项能耗的任何方案都能使冷水机组能耗和(或)尺寸降低我们来看压缩机效率,72,压缩机效率,显然，压缩机的机械设计是影响它效率的一个主要因素。公差、摩擦、材料等都必须准确地设计
50、。当然，进入压缩机的制冷剂情况也影响压缩机的效率，这是由与压缩机设计参数无关的外部设备决定的。所有的压缩机被设计成压缩气态而非液态制冷剂。为了保证气态而非液态的制冷剂到达压缩机进口，一般热膨胀阀被用于固定排量的压缩机。依靠其机械控制，可以保证有15F的过热度。从下面的PH图可以看到，增加过热度会使制冷剂气体的比容（ft3/磅）增加。这意味着每一磅的制冷剂占据了更多的空间。由于压缩机压缩制冷剂的体积，在过热度很大时通过压缩机的制冷剂会稀薄一些，压缩机的制冷剂质量流量（磅/秒）会降低。,很明显，当过热度增加时，压缩循环效率会降低。现代电子技术带来了解决办法。开利已经设计了电子膨胀阀，它可以提供非常
