《建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)》 教案 8-2螺桿式冷水機(jī)組系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)

螺桿式冷水機(jī)組系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑偻ㄟ^對(duì)螺桿式冷水機(jī)組及其系統(tǒng)變工況調(diào)節(jié)和實(shí)測(cè)，鍛煉對(duì)空調(diào)冷源系統(tǒng)操作、調(diào)節(jié)、測(cè)試的動(dòng)手實(shí)踐能力，掌握冷水機(jī)組、冷源系統(tǒng)性能測(cè)試的方法。②通過螺桿式冷水機(jī)組不同冷凍水溫度、冷凍水流量的工況測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，建立理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，深入了解冷水機(jī)組、冷源系統(tǒng)運(yùn)行性能的因素及其影響機(jī)理。③通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，鍛煉分析思考能力，小組協(xié)作能力，培養(yǎng)解決工程問題的能力。2.實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)水泵相似律，當(dāng)流體密度不變時(shí)，同一臺(tái)水泵，水泵水流量與水泵轉(zhuǎn)速為正比，即： QQ'=nn式中n，n'——水泵轉(zhuǎn)速，次/minQ——轉(zhuǎn)速為n時(shí)的水泵流量，m3/h；Q'——轉(zhuǎn)速為n'時(shí)的水泵流量，m3根據(jù)水泵相似律，當(dāng)流體密度不變時(shí)，同一臺(tái)水泵，水泵揚(yáng)程與水泵轉(zhuǎn)速的二次方為正比，即 HH’=nn式中n，n'——水泵轉(zhuǎn)速，次H——轉(zhuǎn)速為n時(shí)的水泵功率，mH2O柱；H'——轉(zhuǎn)速為n'時(shí)的水泵功率，mH2對(duì)于枝狀管網(wǎng)，按照管段之間的串并聯(lián)關(guān)系，可將管網(wǎng)簡化為一個(gè)管路。管網(wǎng)中的流體的流動(dòng)阻力與流量之間的關(guān)系可用下式表示： ?p=SQ2式中?p——管網(wǎng)的阻力，Pa；Q——系統(tǒng)管網(wǎng)的流量，m3/s；S——阻抗（s2S與管網(wǎng)的幾何尺寸、摩擦阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)、流體密度有關(guān)，當(dāng)這些因素確定并維持不變時(shí)，S為常數(shù)。管網(wǎng)的特性曲線可用下式表示： H=Hs+SQ式中H——管路系統(tǒng)流量流動(dòng)所需的總能量即管路水泵揚(yáng)程，mH2O柱；Hs——水泵克服重力作用對(duì)流體流動(dòng)影響所需的揚(yáng)程，mH2O柱；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中冷凍水管網(wǎng)輸送冷凍水時(shí)可忽略重力作用，Hs為水泵在管網(wǎng)中的實(shí)際性能曲線中的流量—壓頭曲線與其接入管網(wǎng)系統(tǒng)的管網(wǎng)特性曲線，用相同比例尺、相同單位繪制在同一直角坐標(biāo)圖上，兩條曲線的交點(diǎn)，即為該水泵在該管網(wǎng)系統(tǒng)中的工作狀態(tài)點(diǎn)，或稱為運(yùn)行工況點(diǎn)。當(dāng)水系統(tǒng)水泵通過變頻運(yùn)行改變轉(zhuǎn)速時(shí)，管網(wǎng)S值不變，如圖1所示。圖中A、B點(diǎn)分別為冷凍水泵轉(zhuǎn)速n、n'圖1管網(wǎng)系統(tǒng)中水泵工作點(diǎn)示意圖冷水機(jī)組的供冷量可通過進(jìn)、出機(jī)組蒸發(fā)器的冷凍水流量、冷凍水供回水溫差計(jì)算其換熱量獲得。 Q0=cVρt2式中Q0——冷水機(jī)組制冷量，WV——冷凍水平均流量，m3/h；t1——冷凍水出口平均溫度，℃t2——冷凍水進(jìn)口平均溫度，℃ρ——水平均密度，kg/m3；c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。理論上，冷水機(jī)組冷凝器換熱量應(yīng)等于蒸發(fā)器供冷量與機(jī)組耗電設(shè)備功率之和，但在實(shí)際測(cè)試過程中，由于存在測(cè)試誤差，其數(shù)值往往并不完全一致，可通過熱平衡校核檢驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。冷水機(jī)組冷凝器側(cè)換熱量可按以下公式計(jì)算： Q0’=cV式中Q0’——冷凝器側(cè)換熱量，V’——冷卻水平均流量，m3/ht2'——冷卻水出水溫度，t1'——冷卻水進(jìn)水溫度，ρ——水平均密度，kg/m3；c——平均溫度下水的比熱容，kJ/（kg·℃）。機(jī)組耗電設(shè)備功率按以下公式計(jì)算： P=3UIcosφ式中P——水冷式機(jī)組的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)、電加熱器等輸入功率，W；U——設(shè)備線電壓，V；I——設(shè)備線電流，A；cosφ——熱平衡計(jì)算公式如下： ?=Q0+P式中Δ——熱平衡率，冷水機(jī)組的校核試驗(yàn)熱平衡率偏差不得大于15％；Q0——蒸發(fā)器制冷量，W；Q0’——冷凝器換熱量，P——水冷式機(jī)組的壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)、油泵電動(dòng)機(jī)、電加熱器等輸入功率，W。冷水機(jī)組內(nèi)部的蒸發(fā)器、冷凝器，末端空調(diào)設(shè)備的表冷器等均屬于間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備，其換熱量計(jì)算如下式所示： Q=K0A0式中Q——間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的換熱量，W；K0，Ki——換熱器管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、換熱器管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，A0，Ai——換熱器管外表面面積、換熱器管內(nèi)表面面積，m?t——冷、熱流體總溫差。傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下： K0=1d0 Ki=1d0式中d0，di——λ——換熱器管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/K·℃；h0，hi——換熱器管外流體對(duì)流換熱系數(shù)、管內(nèi)流體對(duì)流換熱系數(shù)，根據(jù)傳熱學(xué)，流體溫度和流速均是影響流體對(duì)流換熱系數(shù)的重要因素。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷凍水溫度、流量發(fā)生變化時(shí)，冷水機(jī)組蒸發(fā)器、末端空調(diào)設(shè)備的換熱量都會(huì)發(fā)生變化，空調(diào)系統(tǒng)冷熱源與末端換熱耦合，對(duì)建筑的供冷量發(fā)生變化。冷水機(jī)組的性能系數(shù)按下式計(jì)算： COP=Q0Pi式中COP——水冷式機(jī)組的制冷性能系數(shù)，W/W；Q0——冷水機(jī)組測(cè)試工況下的平均制冷量，W；Pi——冷水機(jī)組測(cè)定工況下的總輸入的功率W；冷源系統(tǒng)的能效比按下式計(jì)算： COPcc=Q0P式中COPcc——冷源系統(tǒng)的能效比，W/WQ0——水冷式機(jī)組或風(fēng)冷熱泵機(jī)組的平均制冷量，W；Pj——冷源系統(tǒng)各設(shè)備的凈輸入功率總和，W3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由冷源系統(tǒng)和末端空調(diào)系統(tǒng)組成，本次實(shí)驗(yàn)主要對(duì)冷源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。冷源系統(tǒng)由螺桿式冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻塔、冷卻水泵等設(shè)備及管路、儀表組成?？照{(diào)冷凍水由分水器送至空調(diào)末端系統(tǒng)換熱升溫后通過集水器經(jīng)由冷凍水泵送回至冷水機(jī)組蒸發(fā)器，換熱降溫，再由分水器送至空調(diào)末端系統(tǒng)，如此反復(fù)循環(huán)制冷。冷水機(jī)組蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑吸收冷凍水熱量后升溫氣化，經(jīng)由壓縮機(jī)加壓升溫后，送至冷凝器中將熱量傳遞給冷卻水，并節(jié)流降溫后回到蒸發(fā)器吸收冷凍水熱量，如此循環(huán)換熱。冷卻水在冷凝器中吸收制冷劑熱量升溫后送至冷卻塔與室外空氣換熱，降溫后由冷卻水泵送回至冷水機(jī)組冷凝器吸收制冷熱量，如此反復(fù)循環(huán)換熱。系統(tǒng)中冷水機(jī)組控制面板可設(shè)置冷水機(jī)組冷凍水供水溫度，并實(shí)時(shí)讀取冷水機(jī)組電壓、總輸入電流和功率因素。系統(tǒng)冷卻水泵、冷凍水泵均為變頻泵，可通過調(diào)節(jié)變頻器頻率改變水泵轉(zhuǎn)速，并由電功率表檢測(cè)水泵耗電量。冷水機(jī)組冷凍水和冷卻水進(jìn)出口處設(shè)置有壓力表和溫度計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)試水壓和水溫。冷凍水回水和冷卻水回水干管上設(shè)置了流量計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)試干管水流量。冷源系統(tǒng)原理圖如下：圖2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖4.實(shí)驗(yàn)步驟及方法本實(shí)驗(yàn)可開展螺桿式冷水機(jī)組變供水溫度、變水流量的單因素或多因素變工況實(shí)驗(yàn)。水系統(tǒng)測(cè)試方法詳見第5章測(cè)試內(nèi)容。1）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生提前學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指示書，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作方法，復(fù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)所涉及的專業(yè)理論知識(shí)，并應(yīng)提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)教材設(shè)備及系統(tǒng)性能測(cè)試的相關(guān)內(nèi)容，掌握實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法和原理。2）啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)①檢查系統(tǒng)設(shè)備通電狀態(tài)是否正常，手動(dòng)閥門開閉狀態(tài)是否正常。②打開總電源開關(guān)。③按順序啟動(dòng)設(shè)備（末端設(shè)備——冷凍水泵——冷卻塔——冷卻水泵——冷水機(jī)組）。3）調(diào)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以冷凍水出水溫度7℃，冷凍水泵滿頻率運(yùn)行作為初始工況。（1）冷凍水水量調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)冷凍水泵變頻器，將頻率調(diào)節(jié)至100%。（2）冷水機(jī)組冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)冷水機(jī)組控制面板上進(jìn)行冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)，將冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)為7℃。（3）等待系統(tǒng)穩(wěn)定應(yīng)在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，穩(wěn)定狀態(tài)應(yīng)滿足一下條件：①冷水機(jī)組供水溫度達(dá)到設(shè)定值，并且在測(cè)試期間，溫度波動(dòng)不超±0.2℃；②風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)完成管路調(diào)節(jié)。測(cè)試期間，水流量波動(dòng)不超±0.2%，風(fēng)量波動(dòng)不超±10%；③測(cè)試期間室內(nèi)干球溫度波動(dòng)不宜超±1℃。④測(cè)量開始后不允許對(duì)機(jī)組和系統(tǒng)做任何調(diào)節(jié)。4）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試①在開始測(cè)試時(shí)，記錄測(cè)試開始時(shí)刻及冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)電功率表初始讀數(shù)，待測(cè)試結(jié)束時(shí)，記錄測(cè)試結(jié)束時(shí)刻及冷卻水泵、冷凍水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)的電功率表結(jié)束時(shí)刻讀數(shù)。②通過冷凍水、冷卻水回水干管流量計(jì)讀取記錄冷凍水和冷卻水流量，每隔10min讀1次數(shù)，連續(xù)測(cè)量60min，取每次讀數(shù)的平均值作為測(cè)試的測(cè)定值。③同時(shí)，通過冷水機(jī)組冷凍水出口、進(jìn)口處溫度計(jì)，冷卻水出口、進(jìn)口處溫度計(jì)讀取冷凍水和冷卻水的供回水溫度，每隔10min讀1次數(shù)，連續(xù)測(cè)量60min，取每次讀數(shù)的平均值作為測(cè)試的測(cè)定值。④在進(jìn)行以上測(cè)試的同時(shí)，通過冷水機(jī)組控制面板監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，記錄冷水機(jī)組壓縮機(jī)電壓、電流和功率因素，每隔10min讀1次數(shù)，連續(xù)測(cè)量60min，取每次讀數(shù)的平均值作為測(cè)試的測(cè)定值。⑤系統(tǒng)電功率測(cè)試、水流量和水溫測(cè)試應(yīng)在相同的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。⑥通過設(shè)置在室外的溫濕度自動(dòng)記錄儀和室內(nèi)溫濕度自動(dòng)記錄儀讀取室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度，每隔10min讀1次數(shù)，連續(xù)測(cè)量60min，取每次讀數(shù)的平均值作為測(cè)試的測(cè)定值。5）熱平衡校驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過熱平衡計(jì)算公式校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性。熱平衡率Δ不大于15％，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性滿足要求，可進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，如熱平衡率Δ超過15%，則需檢查測(cè)試儀器是否存在問題，測(cè)試過程是否不規(guī)范，或者系統(tǒng)尚未穩(wěn)定，排除問題后，再重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。6）變工況調(diào)節(jié)（1）冷凍水溫度調(diào)節(jié)通過冷水機(jī)組控制面板調(diào)整冷凍水出水溫度，調(diào)節(jié)范圍宜取5~12℃之間。（2）冷凍水流量調(diào)節(jié)通過冷凍水泵變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，將頻率調(diào)節(jié)范圍宜50~25Hz之間。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成單一因素調(diào)節(jié)或多因素組合調(diào)節(jié)后，按步驟3）、4）、5）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。7）關(guān)閉系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按順序關(guān)閉設(shè)備（冷水機(jī)組——冷卻水泵——冷卻塔——冷凍水泵——末端設(shè)備）并記錄冷水機(jī)組銘牌參數(shù)。5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1冷水機(jī)組銘牌參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定制冷量/kW額定制冷功率/kW額定冷凍水供回水溫度/℃額定冷凍水流量/(m3·h-1)額定冷卻水流量/(m3·h-1)機(jī)組COP表2初始工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表參數(shù)123456平均值冷凍水進(jìn)水溫度t1/℃冷凍水出水溫度t2/℃冷凍水流量L/(m3·h-1)冷凍水出水溫度t1’/℃冷凍水進(jìn)水溫度t2‘/℃冷凍水流量L‘/(m3·h-1)冷水機(jī)組實(shí)際電流I/V冷水機(jī)組實(shí)際電壓U/A冷水機(jī)組功率因數(shù)cosφ室內(nèi)溫度/℃室內(nèi)相對(duì)濕度/%室外溫度/℃室外相對(duì)濕度/%冷凍水泵功率表初始值/（W·h-1）冷凍水泵功率表結(jié)束值/（W·h-1）冷卻水泵功率表初始值/（W·h-1）冷卻水泵功率表結(jié)束值/（W·h-1）冷卻塔風(fēng)機(jī)功率表初始值/（W·h-1）冷卻塔風(fēng)機(jī)功率表結(jié)束值/（W·h-1）系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間h其他工況實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表同表2。6.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算表參數(shù)初始工況水溫：頻率：工況2水溫：頻率：工況3水溫：頻率：工況4水溫：頻率：工況5水溫：頻率：冷水機(jī)組制冷量Q0/W冷卻水側(cè)換熱量Q0’/W熱平衡率冷水機(jī)組電功率/W冷凍水泵電功率/W冷卻水泵電功率/W冷卻塔電功率/W冷水機(jī)組COP冷源系統(tǒng)能效比COPC室內(nèi)溫度/℃室內(nèi)相對(duì)濕度/%室外溫度/℃室外相對(duì)濕度/%