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医院手术室专用空气源热泵宽工况运行的研究

时间:2016-09-13 09:18:36; 来源:V客暖通网 作者:吴 松

(山东雅士股份有限公司,山东 潍坊 261000)

摘  要:空气源热泵机组在制冷过程中受低温环境的影响不能稳定运行,对该机组在低温环境状态下制冷系统的性能及可靠性进行了实验研究。实验结果表明:在空气源热泵系统中利用环境温度控制电子膨胀阀的开度,保证节流阀的宽范围运行;利用制冷系统中冷凝后液体的温度来控制冷凝风机的转速,确保一定的冷凝压力,两者技术的使用可使空气源热泵机组在低温状态得以可靠的运行。

关键词:空气源热泵;低温环境;电子膨胀阀;冷凝风机

0  引言

医院建筑功能复杂,门诊、急诊、手术、医技、病房和后勤等各部门使用时间与空调负荷特性并不相同。病房楼和急诊楼等为季节性空调负荷,中央空调在春秋过渡季节一般均停止使用。而洁净手术部、无菌病房和重症监护病房等是全年空调负荷,在环境温度低于20 ℃时还需要制冷,若单独为这些区域开启整栋大楼的空调冷热源,其能耗相当大,因此医院建筑这类区域一般设独立冷热源。此冷源一般要求适应范围比较广(制冷环境0~45 ℃),故采用空气源热泵机组来满足此类的需求。

本文针对医院类的建筑,提出了一种宽工况空气源热泵,对该机组在低温环境状态下制冷系统的性能及可靠性进行了实验研究。 

1  研究思路 

本文主要针对空气源热泵机组的节流装置及冷凝风机的控制进行分析和实验研究。

压缩机采用VRI 125KS-TFD涡旋压缩机,翅片管换热器共有两片成V型排布。冷凝风机采用直流无刷风机,根据冷凝后液体的温度调节风机的转速,来保持一定的冷凝压力,确保系统的蒸发压力,避免由于蒸发压力过低,造成换热器冻坏。节流阀采用电子膨胀阀节流,根据环境温度的变化来开启电子膨胀阀的开度,达到宽工况系统节流的要求。从这两方面来保证机组在0~45 ℃正常运行。机组流程如图1所示。

图1  机组流程示意图

1—压缩机  2—四通阀  3—气液分离器  4—干式蒸发器  5—电子膨胀阀  6—过滤器  

7—翅片换热器  8—冷凝风机  9—针阀  10—高压控制器  11—低压控制器

注:此图为单个系统示意;表示制冷工况制冷剂流向。

1.1  冷凝系统

常规空气源热泵机组的系统中冷凝风机是定频控制的,具有一定转速一定风量的排热风机;在标准工况下(18430.1-2007中5.6.4)能够满足使用要求。但在环境温度低需要一定冷凝压力的情况下,改变其转速,让其排热量减小,就没办法满足。其会由于冷凝压力降低影响节流阀前后两端的压降,蒸发压力降低,致使蒸发温度降低,低于冰点以下,蒸发器易结冰影响其安全性能。而使用直流无刷风机可解决以上不足之处。由于制冷系统中冷凝后液体的温度是可以反映冷凝效果的一个温度值,那就可以根据这个温度值转化为电压信号,传输给冷凝风机,来调节直流无刷风机的转速,以维持一定的冷凝压力,确保节流阀前后的压降,保证蒸发压力不受环境的变化而降低。

1.2  节流系统

节流系统(图1)冷凝器出来的中温制冷剂经电子膨胀阀节流进入蒸发器,而电子膨胀阀的开度则是根据环境温度变化的大小来决定的。在环境温度低的状态下,其冷凝温度相对较低,机组的制冷量会提高很多(表1),故节流阀要比常规的调节范围要宽,才能满足系统的要求,但常规的热力膨胀阀基本满足不了0~45 ℃的工况使用。而电子膨胀阀可根据环境温度的变化自动调节开度,以满足系统的正常运行。

表1  某品牌压缩机在两种温度下的性能参数表


环境温度35 ℃

环境温度15 ℃

备注

冷凝温度/

50

30


过冷度/

2

2


蒸发温度/

2

2


过热度/

5

5


制冷量/kW

26

31.6


2  实验分析

实验采用了两台空气源热泵机组。一台为本文的试验样机,另一台为山东雅士空调设备有限公司的AAFM-R-53机组作为对照机组。对比实验工况为GB/T18430.1-2007的制冷名义工况、低环温制冷工况(环境温度0~20 ℃)。

2.1  制冷名义工况

在制冷名义工况下分别测试试验样机和对照机组,实验数据如表2所示。

表2  制冷名义工况a实验数据


试验样机

对照机组

制冷量/kW

53.35

53.19

功率/kW

18.48

18.21

能效

2.94

2.92

低压/MPa

0.43

0.43

注a:按照GB/T18430.1—2007中4.3.2.1和5.6的制冷工况要求进行测试。

实验表明在标准工况及变工况下,试验样机和对照样机的性能都符合设计要求;且低压压力对应的饱和温度已经高于冰点以上,不会发生冰冻的现象。

2.2  低环温制冷工况

两台空气源热泵机组在环境温度0~20 ℃分别进行测试。对照样机在环境温度低于20 ℃时,低压就低于0.38 MPa以下,不能保证机组的运行可靠性。试验样机根据环境温度控制风机的转速及节流阀的开度试验数据如表3所示。

表3  试验样机(0~20 ℃)低温制冷数据

序号

环境温度/

液体温度/

高压/MPa

低压/MPa

输出电压/V

制冷量/ kW

进出水温度/

1

20

36

1.35

0.43

8.3

60

GB/T18430.1-2004.3.2.1规定

2

18

35

1.3

0.43

7.9

61

3

16

33

1.3

0.43

6.9

62

4

14

32

1.28

0.43

6.8

62

5

12

31

1.2

0.43

6.6

63

6

10

30

1.2

0.43

6.45

63

7

8

29

1.2

0.42

6.3

63

8

6

27

1.13

0.42

6.1

63

9

4

26

1.1

0.42

5.7

63

10

2

25

1.1

0.42

5.46

64

11

1.5

24

1.1

0.4

5

65

12

0.5

18

1.0

0.4

4.6

65

随着环境温度的降低,液体温度相应降低,并转化为对应的电压信号,来控制风机的转速,以保证低压压力高于0.4 MPa,提高机组运行的安全可靠性。 

3  结语

试验机组与对照机组相比,增加了环境温度控制电子膨胀节流的开度及利用液体温度控制冷凝风机的转速,来保证低温制冷的安全可靠运行。

从以上试验样机与对照样机的实验结果可以分析得出如下结论:试验样机在空气源热泵低环温的工况下均能较好的工作。

 

[参考文献]

[1] 凌睿,郭宪民,赵硕.低温空气制冷系统性能的数值模拟研究[C]//2013中国制冷学会学术年会论文集,2013.

[2] 申江,李园园.低环温空气源热泵系统的试验研究[J].工程热物理学报,2008(6).

[3] 李苏.空调系统在恶劣工况下运行时调节方法探讨[J].制冷与空调,2005,5(2).

[4] 陈文俊,闫志恒,卢志敏.空气源热泵系统低温制热量改善途径实验分析[J].制冷学报,2009(2).

 

收稿日期:2016-08-13

作者简介:吴松(1976—),男,江苏徐州人,工程师,研究方向:制冷系统。


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