焓值法空调器性能检测实验室的研制-制冷及低温工程硕士论文.doc

中图分类号：TB663焓值法空调器性能检测实验室的研制李志强李瑛 副研究员 邬志敏 教授 二一三年一月学校代码：10252 学 号：0549302上海理工大学硕士学位论文焓值法空调器性能检测实验室的研制姓 名李志强系 别能源与动力工程学院专 业制冷及低温工程研究方向制冷检测与制动控制指导教师李瑛 副研究员 邬志敏 教授 学位论文完成日期 2013年1月University of Shanghai for Science and TechnologyMaster DissertationDevelopment of the enthalpy method air conditioner testing laboratoryName Li Zhi qiangDepartment School of Energy & Power EngineeringSpecialty Refrigeration and Cryogenic EngineeringResearch Direction Refrigeration detection and automatic controlSupervisor Professor Li Ying Wu Zhi minComplete Date January 2013学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密 年 不保密 本学位论文属于学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年 月 日摘 要制冷技术在为人们创造舒适的生活环境，为工业生产和科学试验创造稳定的温度、湿度工作环境方面，起到了越来越重要的作用。随着家用空调器正如其制造的规模化日趋扩大一样开始大踏步进入普通家庭，焓值法空调器性能检测这种检测房间空调器性能的重要手段和措施，由于其测试精度较高，检测速度快等优点，已被许多房间空调器生产厂家产品开发、优化设计以及有关质量检测部门所使用。本课题完成的主要工作是依据国家标准GB/T7725-2004的技术要求，设计并建造了一套焓值法空调器性能检测实验室，完成试验室制冷系统、自动测量控制系统的方案设计，并成功地进行了系统的调试与被测机的测试。在温湿度的测控系统中，以响应速度快，操作简便，控制精度高的要求为基准，采用热电偶和温湿度传感器对温度、湿度进行测量， PID控制器分别对室内侧温度、湿度，室外侧温度、湿度等进行自动控制；在电气控制系统中，针对温度、湿度、压力等信号的采集和反馈，采用PLC进行控制，使系统的运行更加安全可靠，操作更加直观简单。整套试验室测试系统的控制手段先进可靠，实现了工况控制与数据采集的自动化。经过最终的现场调试及被测机进行的测试的试验结果来看，该试验室能够以较高的控制精度，并较快的达到所需的稳定工况，满足了测试房间空调器的要求，整个试验室的设计达到了初步的要求。关键词：空调器 自动控制系统 性能测试ABSTRACTThe Refrigeration technology for people in creating the comfortable life environment for industrial production and scientific experiments creating stable temperature, humidity working environment and played more and more important role. As household air conditioner as its manufacturing scale of increasing great began to enter the average family, enthalpy method air conditioner testing laboratory room air properties of the important means and measures, due to its high precision, more and more be room air conditioner manufacturers product development, the optimization design and the relevant quality testing department attention.This subject is the main work is completed on the basis of the national standard GB/T7725-2004 and development designed and built a balance room environment type calorimeter lab, complete laboratory refrigeration system, automatic measurement control system design, and succeeded in system of debugging and measured machine of the test.The temperature and humidity in the test and control system, with fast response, easy operation, high control accuracy requirements as the benchmark, adopted thermocouple and temperature and humidity sensor to measure temperature, humidity, PID controller to indoor side respectively temperature, humidity, outdoor side temperature, humidity and so on for automatic control; At the electric control system, according to temperature, humidity and pressure signal collection and feedback, adopting PLC control, make the operation of the system more safe, reliable, and more intuitive operation simple.A complete set of lab testing system control means advanced, reliable, and realize the condition control and data collection of automation. After the final commissioning and testing machine being measured the test result, the laboratory with higher control precision can, and faster to the required stability conditions and meet the requirements of the test room air, the whole of the lab design to the preliminary requirements.Keywords: Air conditioner, Automatic control system, Performance testing目录摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1 房间空调器性能测试技术的意义11.2焓差法测试技术简介11.3国内外研究现状31.4本课题来源及主要工作31.4.1课题来源31.4.2技术要求31.5 课题主要研究内容41.6本课题主要工作5第二章 库房结构与空气系统设计62.1环境室设计62.1.1设计要求62.1.2 库房设计62.2环境室空气处理系统72.2.1环境室空气处理系统方案确定72.2.2环境室空气处理系统容量确定82.2.3环境室气流组织形式的设计92.3空气再处理设备的设计及选型132.3.1循环风机类型的选择132.3.2风压的计算132.3.3 风机的选择152.4冷冻机组的优化设计152.4.1 室内侧制冷系统设计152.4.2 室外侧制冷系统设计设计162.5除湿装置设计182.5.1除湿技术的介绍182.6冷却水塔设计20第三章 空气取样及测量装置的设计233.1空气取样及温湿度测量装置的设计233.1.1 装置的总体设计233.1.2 风速对湿球温度测量影响研究253.1.3 取样风机的选择273.2空气接收混合箱的设计303.2.1箱体整体布置303.2.2空气混合箱受风室的漏热系数计算303.3 循环风量测量箱313.3.1测量原理313.3.2 喷嘴介绍323.3.3风量测量箱多喷嘴测量流量33第四章 测控系统设计364.1测控系统的硬件组成364.2 控制系统主要硬件介绍37第五章 系统调试与性能测试445.1设备调试445.1.1电控设备的调试445.1.2制冷机组调试465.2 工况控制调试465.3测量元件校对485.3.1铂电阻校对485.3.2微差压变送器校对485.4测试精度测试485.4.1电热标定495.4.2与标准样机的比较505.4.3 重复性测试525.5 误差分析535.5.1误差分析535.5.2计算各分量标准误差53第六章 结论55主要符号表56参考文献57致 谢59I第一章 绪论第一章 绪论1.1 房间空调器性能测试技术的意义我国的空调器生产始于1978年，当年产量仅为223台。在1991-1993年我国空调器行业进入了起步阶段，在1994-1996年迎来了投资高峰，进入了高速发展阶段。经过这30多年的高速发展，中国成为名副其实的世界家用空调器的第一生产大国。从20世纪90年代初到现在，我国空调器产业的产量以平均每年48.21%的增长率高速增长。考虑空调器压缩机等关键零部件的供应能力，目前国内可实现的家用空调器总生产能力估计在2600-3100万台/年，远远超出现在的实际产量。房间空调器由于创造舒适的生活环境，在生产活动和科学试验中起到越来越重大的作用1。空调器生产的迅猛发展也相应带来了对空调器性能进行测试的实验装置的发展。按照我国房间空调器国家标准GB/T7725-2004，房间空调器制冷量和热泵制热量性能的测试方法有：空气焓值法、房间热平衡法和房间型量热计等多种形式。检测项目以规定工况下的制冷量、制热量为主，其他还包括最大运行制冷（制热）、制冷（制热）消耗功、能效比(EER)、性能系数(COP)等。目前，国内空调器的性能测试主要采用空气焓值法试验室(简称焓差试验室)，该方法试验速度快，精度稍差。焓差法实验室是检测房间空调器性能的重要手段和措施，是房间空调器生产厂家产品开发、优化设计和质量检测的设备。房间空调器技术的研究和优化设计，新型空调器系统的开发和设计，压缩机与换热器的性能匹配测定，性能测试系统自动控制技术的研究等都依赖于大量的试验。焓差法实验室的设计与工程应用是综合了好几门学科的交叉领域，它涵盖了制冷技术、暖通、自动控制和计算机软件以及检测与仪表技术，因而在科研实践方面有相当的难度。1.2焓差法测试技术简介12按照GB/T7725-2004中对焓值法测试技术的定义为：一种测定空调器制冷制热能力的方法，对空调器的送风参数回风参数以及循环风量进行测量，测出的风量与送风回风焓差的乘积以确定空调机的能力。目前，焓值法测测量试技术已成为空调器生产商对新产品开发和成品检测的主要测试方法，也是各级质量监督检验机构评定空调产品合格与否的重要工具。焓值法的测量精度直接影响到了产品的质量以及空调器企业的发展前途。因此，应不断加强对对焓差实验室的理论与实验研究，努力提高其测试精度，缩短实验时间进而减少其运行能耗。这样，不仅带来巨大的经济利益，而且对节能环保等有非常重要的影响。图1-2为房间空气调节器的国标GB7725-2004中房间式空气焓值法的试验装置的布置原理图。图1-1 房间式空气器焓值法测试试验装置空气焓值法试验装置主要由绝热库房（包括室内侧和室外侧、空气再处理系统、空气取样装置、空气接收混合装置、风量测量系统及电气控制系统六部分组成。其中空气再处理系统为焓值法的各项试验提供所需的试验环境条件，主要包括：对空气的冷却、加热、除湿、加湿设备，其中，所测空调的出风口和受风室的进风口都是使用风管来连接，要求具有很好的保温能力和相对对风量影响较小的空气阻力。空气取样装置是用来测量所取样本空气的干、湿球温度，所需测量的参数主要有：空调器进风口处空气参数；空调设备出风口处空气参数，被空调器室外侧进口处空气的参数。接收混合装置中段部分为空气混合器，其作用是使得受风室吸入的空气能够充分混合。接收室内的压力测量计用来测量空调器出风口处的空气压力值，试验过程中可以通过调零风机的调节调节作用，使得该压力值接近当地大气压力值。1.3国内外研究现状37美国暖通协会标准ANSI/ASHRAE 116-1983、日本冷冻空调工业会的TP02-96及我国的房间空气调节器标准GB/T 7725-2004中都对空气焓差法测试试验装置进行了总体性、原则性及相关精度等的规定，但其中的细节问题未有叙述。另外，国外主要研究机构有美国的ETL、佐竹、日本的大西等，他们均具有较为先进的测试技术研究，但其设计和制造费用较高，国内的企业很难接受，与此同时，国内也有众多机构从事此方面的研究，主要有广州电器科学研究所、合肥通用机械技术研究院、上海通用机械技术研究所、中国家用电器研究所、上海理工大学制冷技术研究所等。但这些研究机构所设计的焓差法测试系统在工况达到稳定的时间、精度及可靠性等方面与国外仍有一定的差距。国内一些学者对焓差法测试精度的提高方面有过不少的探索，其中北京工业大学的钟晓晖等提出采用风量测量和风速测量对温度进行加权的方法来代替传统的采用测流量法测量空气的流量和截面平均温度这种方法，减少受温度测量布点的限制，提高其测试精度；东南大学的张小松等提出一种基于焓值法基础上的热泵制热量测试方法， 称为比率法。综观国内外研究状况，发现研究热点主要集中在空气焓差法测试实验室中的环境温度、湿度等的测量方法、测试对象的拓展、测试精度的提高、测试系统软件的改进(其中具体体现在最新的自动化控制技术的应用上)、试验装置的设计和布置等上面。1.4本课题来源及主要工作1.4.1课题来源本课题苏州三星集团委托上海理工大学制冷研究所的一个校企合作项目，主要是根据国家标准GB/T7725-2004和用户实际需求研制一套空气焓值法测试系统。1.4.2技术要求14根据国家标准GB/T 7725-2004及实际测试需要，客户对焓值法空调器测试室提出如下技术要求：（1） 依据标准：国家标准GB/T 7725-2004；（2） 冷冻机采用水冷式，保证全年能正常运行（环境温度为-541）；（3） 被测空调器类型：窗式空调器、分体挂壁式空调器、分体落地式空调器；（4） 被测空调器负荷范围：15匹空冷型房间空调器（单相电/三相电），即制冷量范围为160014000W、制热量范围为180016000W、室内机循环量为1802400m3/h；（5） 测试精度：与样机标准值对比热/冷量2.0%、风量1.5%，一次装机的重复性1.0%，从室温到常规测试工况稳定过渡时间1.5小时；（6） 测试室工况要求：室内侧在干球温度545、湿度30%85%范围内任意可调，室外侧在干球温度-2055、湿度30%85%范围内任意可调，具体工况如下表1-1：表1-1 实验工况表工况条件室内侧室外侧干球温度 湿球温度 干球温度 湿球温度 制冷运行额定制冷T127193524T221152719T329194624最大制冷T132234326T227193524T332235231冻结T1211521/T210/T321/最小运行2115/凝露27242724制热运行热泵额定制热高温201576低温21超低温-7-8最大运行27/2418最小运行20/-5-6自动除霜201221在以上工况范围内,干球温度的控制精度要求0.2，测试精度要求0.1，湿球温度的控制精度0.2，测试精度0.11.5 课题主要研究内容 本课题需要完成下面的工作：在研究国内外现有相关测试技术资料的基础上，应用现代化计算机和自动化控制理论方法，研制出高性能、高精度、优化、合理、快捷、方便操作、计算准确、性能稳定的空调器性能测试实验室。1.6本课题主要工作 1.理论研究及计算，收集资料，选取测试方案，对系统整体进行理论计算；2按照国标以及技术要求，进行实验室检测及控制系统的设计 ；3.进行整个实验室系统的设备安装，确立设备选型，建造实验室；4.实验室的测试和调试，分析实验61焓值法空调器性能测试实验室的研制第二章 库房结构与空气系统设计根据国家标准GB/T 7725-2004要求，整个空气焓值法测试系统分成三部分：环境室、风量测量装置及测量控制系统，而环境室包括库房及空气处理装置，下面各节将对相关内容进行设计说明。2.1环境室设计2.1.1设计要求19在国标 GB/T 7725-2004 中对空气焓值法环境室有如下要求：1. 实验室需两个相邻的房间，一个作为室内侧，另一个作为室外侧，两个房间应能保持各自规定的试验条件，被测空调器的空气速度应低于2.5m/s。2. 试验房间应具有足够的容积，在室内侧除了空气测量装置的影响外，应不改变空调器正常空气循环的流场。试验房间的尺寸，除了正常安装所需的距地或墙之间的尺寸外，应使房间的任一表面到空调器的任一送风口的表面距离不小于1.8m，到空调器的其他任一表面的距离不小于0.9m, 每个实验房间的空气再处理机组的送风量应不小于空调器循环风量。在空调器送、回风方向的气流要求工况稳定，温度均匀，速度低。 2.1.2 库房设计 根据技术要求，环境室的室外侧工况要求-1060，而苏州地区室外温度大约为-539，两者的温度差大，如果库体的保温性能不好，将会给环境室带来很大的冷、热负荷干扰，影响环境室工况的稳定。故试验室库板以及门采用绝热性能良好、安装方便的100厚双面彩钢聚氨酯冷库板，其绝热层导热系数小于0.028W/m2。库房外形尺寸的确定需要考虑多个方面的因素，但主要是环境室内不能影响被测试机的正常运行，具体如下：1库房宽度的确定：根据标准要求库房表面到空调器任一非风口表面的距不小于0.9m，而最大被测机的室外侧宽度约1.0m，考虑到2台同时运行测试，故库房宽度应大于4.7m，再考虑到取样装置机及其他附件的影响和一定的余量，确定库房的宽度为6m。2库房高度的确定：根据最大被测机（5匹）的室内侧高度约2m、国标要求库房表面距离空调器表面不小于0.9m、吊顶层预留高度0.5m，故库房高度不应小于3.4m，再考虑到一定的余量及冷库板的规格，确定库房的高度为3.5m。3室外侧长度的确定：根据标准要求房间任一表面到空调器的任一送风口的表面距离不小于1.8m和被测空调器背面距房间表面不小于0.9m，所以室外侧长度应大于2.7m，再考虑到空气再处理箱预留厚度1m及一定的余量，确定室外侧长度为4.0m。4室内侧长度的确定：同理，确定室内侧长度为5.5m。综上所述，试验室外侧尺寸为400060003500(长宽高)，室内侧尺寸为550060003500（长宽高）。2.2环境室空气处理系统空气焓值法测试系统是利用空调器进出口空气的焓值差来计算制冷量/制热量，设计一套合理的空气处理系统对提高整个测试系统的精度有着重要的作用2.2.1环境室空气处理系统方案确定 在空气焓值法空调器测试系统的实际使用中，一般被测空调器以制冷模式运行或以制热模式运行。对空调器的性能进行检测时，需要对实验室的室内侧和室外侧营造一个恒温恒湿的环境，这样就要对实验室内的循环空气进行冷却、除湿、加热、加湿等一系列处理，以达到实验要求。综上所述，可以将环境室空气处理简单的归纳为两种情况，即送风温度比回风温度高和送风温度比回风温度低。而在空气调节中，为得到同一送风状态点，可能会有不同的处理途径10，但考虑到控制及实现的方便，这里冷却采用了蒸发器冷却减湿方式，加热采用电加热方式，加湿采用送蒸汽等温加湿的方法，空气处理过程在h-d图上表示如图21和图22 。图2-1 制冷工况室内侧空气处理过程 图2-2 制热工况室内侧空气处理过程如上两图所示，O点为室内送风状态点，N表示回风状态点，L为机器露点。图2-1中NI为等湿加热过程，IO为等温加湿过程；图2-4中NL为空气与蒸发器换热的降温降湿的过程，其余均与图2-1相同。上图2-2中空气的整个处理过程为ONLIO： 1.ON：加热过程O点为送风点，N点为回风点，在空气经过实验室时，由于实验室中存在的热负荷，空气在环境室中被加热，温度增加。2.NL：降温除湿过程实验室的回风经过蒸发器时，与蒸发器进行换热，当空气温度低于露点温度时，空气中的水蒸气产生凝结，进而降低空气的湿度。 3.LI：等湿加热过程空气经过蒸发器后，经电加热器加热，空气温度升高。该过程中空气的湿度没有变化。4.IO：等温加湿过程 空气经过干蒸汽喷管时，与水蒸气混合，含湿量增加，但其温度没有改变，该处理过程为等温加湿的过程。2.2.2环境室空气处理系统容量确定根据设计要求，要求同时进行2台能力为5匹的空调器测试，其最大累计制冷量25000W，累计制热量为26000W。室内侧部分：1冷冻机部分室内侧机组容量计算：按照空调器的制热运行模式，其热负荷为26000W，考虑到标准规定要求进行湿球温度的控制，初步估算湿负荷占20%的比率既为5200W；另外还需要包括风机、墙体漏热5500W，总计热湿负荷36700W。因此，至少配置15匹的制冷机组；考虑到安全余量，实际配置要18匹实际选配：4+7+7匹。2电加热部分室内侧负荷为25000W，考虑到实际使用的可调性，增加30%余量，因此总的加热管容量32500W。3加湿器部分 考虑到凝露工况，一般除湿量为冷量的一半12500W，考虑到实际使用的可调性，增加50%的余量，因此加湿器容量为18000W。室外侧部分：1室外侧机组容量计算：按照空调器的制冷运行模式，其中最大负荷工况为凝露工况湿度：91%，冷凝器释放热负荷为32500W，风机、墙体漏热5500W，估算湿负荷占制冷机组的40%比率。因此，至少配置25匹的制冷机组；考虑到安全余量，实际配置要27匹实际选配：7+10+10匹。2电加热部分室外侧除霜工况时，一般开1个10匹冷冻机，被测机2台，因此室外侧负荷为25000W，考虑到实际使用的可调性，增加30%余量，因此总的加热管容量32500W。3加湿器部分 考虑到凝露工况，一般除湿量为冷量的一半12500W，考虑到实际使用的可调性，增加50%的余量，因此加湿器容量为18000W。2.2.3环境室气流组织形式的设计合理的气流组织能充分发挥送风的冷却或加热作用，均匀地消除室内热量，使室内温度分布均匀，温度波动范围小，为提高测试系统的精度创造条件。1送风方式的确定一般空调空间气流组织的常用送风方式主要有三种【10】【11】，即侧送风、孔板送风、散流器送风，其主要性能间表2.1。表2.1 各送风方式性能表项 目送风口位置回风口位置工作区应有的流型混合层高度房间高度下限区域温差工作区平均风速单 位-mmm/s侧 送侧上方侧下方或上方回流0.30.52.53.0较小0.050.4散流器送风平送顶棚侧下方、下方回流0.20.52.53.0较小0.050.4下送顶棚侧下方、下方或顶棚直流1.03.03.04.0较大0.020.2孔板送风顶棚侧下方或地板不稳定流或直线流0.150.32.22.5很小0.020.10实验室中最常用的是侧面上送下回与孔板顶送下回方式。图2-3所示的是侧面上送下回送风方式，实验室的空气处理设备置于环境室的一侧，空气从下部百叶窗进入，从顶部水平或略上斜百叶进入环境室，根据空气动力及空气自重，将空气分配到整个环境室。这种送风方式具有设备布置简单，施工方便的优点，而且能保证工作区的速度场与温度场趋向一定的均匀和稳定；但这种送风方式射流很快与房间空气充分混合，射流衰减较快。而被测空调器一般安装在空气再处理柜的另一侧靠近库体的截面上，送风距离要求较远，所以要保证在该工作区有一定的气流速度，就必须加大循环风量，而提高环境室内空气流速，也就提高了接收室及空气测量装置壁面的换热系数，从而增加了其漏热量。另外当测试除制冷量/制热量的被测机其他性能时，被测空调器的出风与循环送风正对，将会增加被测空调器出风的空气阻力，使其循环风量减小，从而影响测试的真实性。对于常见的焓差实验室来说，不管是室内侧还是室外侧，都希望它的空气的速度场和温度场能够尽可能的保持均匀良好。由表2.1可知，孔板送风的射流的扩散和混合性能相对其它方式要好，而且射流的特点是空气的混合过程相对较短，温度和风速衰减快，因而能够使室内的空气保持温度和速度分布较均匀。综上所述，本试验室的室内侧和室外侧均采用孔板顶送下回的送风方式。这里具体介绍下室内侧房间孔板顶送下回风的送风方式，空气首先从房间底部一侧进入空气处理柜，空气处理柜主要对进来的空气进行降温（加热）和加湿的处理，然后通过风机将处理过的空气流经空气导流板进入实验室房间顶部稳压室，在这里，由于流动阻力的作用使其静压下降，然后空气逐渐通过孔板流到房间的其他地方，这样空气在稳压室内由于孔板泄压透风的作用，使空气流量如水流一样，顺序减少，这样它的动压就会逐渐降低，相反，静压却会反向增大，保证了稳压室内部空气的静压处处相等，保证了送风的均匀。 蒸发器蒸发器图2-4 孔板顶送下回方式示意图图23侧面下回上送方式示意图2孔板设计计算（1） 室内侧送风量的确定：循环风量不小于冷冻机组的最小配风量，也不小于的换气次数，考虑到减小空气再调节惯性，取换气量为80次/h。18匹冷冻机组最大循环风量为9000m3/h；另外，室内侧房间的容积约为5.563.5115.5 m3，则循环风量为280115.518480m3/h，两者取大，则再调节机组送风量应大于18480 m3/h。（2） 室外侧送风量的确定：循环风量不小于冷冻机组的最小配风量，也不小于的换气次数，考虑到室外侧进行低温工况和减小空气再调节惯性，取换气量为100次/h。27匹冷冻机组最大循环风量为16200m3/h；另外，室外侧房间的容积约为463.584 m3，则循环风量为21008416800m3/h，两者取大，则再调节机组送风量应大于16800 m3/h。（3）其他参数的确定：经过计算，现将孔板送风参数汇总于如表2.2表2-2 孔板送风计算结果汇总No名 称单位计算公式结果参 数 说 明1送风速度v0 m/s3.93V: 20时空气运动粘性系数，15.7X10-6/sd0: 孔板孔径，m (取6)L: 循环风量，m3/h: 空口流量系数，0.740.82（取0.78）F: 总面积，54=20S: 稳压层内有孔板的最大流程，m2开孔总面积Fk0.633净孔面积比KK=Fk / F0.034孔中心距lm315工作区最大风速Vxmm/s0.606稳压层净高hm0.48由以上计算结果确定孔板参数如下：孔径dS=6，孔口中心距L=3030，稳定层净高0.5m。由于室外侧情况与室内侧相差不大，故设计时与室内侧一样。根据以上分析，环境室布置如图2-5图2-5 环境室布置图1室内侧蒸发器 2室内侧电加热器 3室内侧加湿管4室内侧循环风机 5室外侧循环风机 6室外侧加湿管7室外侧电加热器 8室外侧蒸发器 9室外侧前加热器10被测机室外机11被测机室内机 12混合箱13风量测量箱 14调零风机2.3空气再处理设备的设计及选型为满足实验所需环境要求，须对实验室的室内侧和室外侧的循环空气进行一系列的处理，主要包括降温降湿、加热、加湿、风机送风。这里主要对空气进行加热、加湿和风机的选型与设计进行介绍。该实验室空气处理系统中的空气处理柜如下图2-6所示。2.3.1循环风机类型的选择21根据其工作原理，循环风机可分为离心式、轴流式、贯流式三种。离心式风机的工作原理为，高速旋转的叶轮带动叶片间的气体转动，然后将气体径向甩出，同时在叶轮的吸气口形成真空，在压差的作用下外界空气被吸入叶轮。离心式风机有噪声低、压头较高的优点，适用于风阻大的通风系统。 轴流式风机的工作原理为，高速旋转的风叶带动空气，空气在叶片和扩压器的作用下压力增加，并轴向排出。其缺点为：产生的风压较低，风量较大，但噪声较大，适用于风阻较小的通风系统。 贯流式风机风量大、风压小、噪声低转子。其一般用在家用空调器的室内机中。 由于在此空气再处理系统中空气阻力较大，故综合利弊采用离心式风机。2.3.2风压的计算如上节所述可知，整个空间流道中的设备布置较多，而且其运行条件变化十分大，使流道变得较为复杂，要直接较精确地计算循环风道的压力损失则十分困难；同时由于实际试验条件所限，也无法精确的模拟出此系统实际运行的风道阻力。故抓住系统对风阻影响较大的部分，忽略其他次要部分，从而简化整个风道计算模型，估算整个系统循环的风量是有效、可行的。根据流场中设备分布的情况，将风道及其阻力部件形式加以简化得出一压损计算用结构示意图2-6如室内侧。cdaba进风格栅，b蒸发器，c风道，d出风口扩大图2-6 如图2-6所示，作如下简化：（1） 电加热器为网状平板结构，垂直于风道中气流方向布置，其主平面即为风道迎风面，可简化为网栅结构。（2） 风道中气流方向改变900的地方以及风道截面面积发生变化的地方简化为弯头和渐括口，使得风管扩散与折弯得以分离进行处理，简化计算。（3）风道中的风机是整个气流循环中最大的阻力部件，一是因为风机处风速最大，二是风机迎风布置，其有限的排风面积使风道严重受阻。在此把它简化为一过风面积比很低的网栅结构。（4）空气再处理系统的表冷器为矩形翅片套管方式，其主平面为风道迎风面，将其简化为网格结构，其5排管即简化为5层网格相叠，因蒸发器参数未定，可先按常用风速2.5m/s 计算。根据以上分析，将对整个风道的阻力进行估算，因整个风道为短流程，并且根据实际工程经验，光滑风道的沿程阻力对风道的总阻力影响非常小，可以忽略。故可将风道的局部阻力近似为总阻力。局部阻力的计算公式： （2-1）式中局部阻力系数；v空气入口流速 m/s；空气密度kg/m3取1.2 kg/m3整个流程总压力为290 Pa，循环风机所需风压H为： （2-2）其中为出口动压，即为5Pa，所以H=295Pa。2.3.3 风机的选择空气流量大于等于18480 3/h，全压大于295Pa，并考虑到空气再处理系统的表冷器要凝露、结霜，风阻将增大，故选用上海南泰通风机设备有限公司生产的离心外转子风机，型号为KTQ4.0，风量为10000 m3/h，全压为360Pa，功率为2.2kW，转速为657 r/min。2.4冷冻机组的优化设计1214由于需要保持实验室的室内外侧恒温恒湿状态的稳定，为了能够在一定的工况条件下的试验的进行，我们分别在室内外侧各设置了一套制冷机组(AHU)，来实现冷量调节的目的。另外，室内外侧还设置了加热器和加湿器来进行温度和湿度的对应调节。以上两者结合使用，最终实现了恒温恒湿的控制要求。2.4.1 室内侧制冷系统设计 1.最大冷负荷的计算制热工况时室内侧为热端，工况稳定时有如下能量平衡式： （2-3）公式2-1中： ：被测机的最大制热量，最大为16kW；E1、E3：分别为电加热器和电加湿器输入功率，其作用是为了便于工况的节和稳定。 E2：循环风机输入功率，为2.2kW；E4：取样风机输入功率，因功率较小，可以忽略；（hW1-hW2）mw：冷凝水与加湿用水温度差引起的热负荷，两者温差不大，可以忽略；q1、q2：分别为围护、中间隔墙漏热，其中围护内外温差最大位15，q1为0.39kW， q2可以忽略。 Q=16+2.2+0.39=18.59 kW，再考虑E1、E3及工况转换时降温速度，实际最大负荷应大于18.59 kW。2.制冷系统的设计根据上面的计算及分析，同时考虑经济性，冷负荷由三套制冷系统来提供，两套选用MT32JF4C美优乐全封压缩机配28、10管的FNH-8.1/28风冷冷凝器和15.3、10管的蒸发器，另一套系统用MT50HK4B美优乐全封压缩机配60、10管的FNH-17/60风冷冷凝器和30.2、10管的蒸发器，其系统原理图如图2-7，图2-7 室内侧制冷系统原理图1压缩机 2油分离器 3冷却系统 4冷却系统 5冷凝器 6温度开关 7储液器 8干燥过滤器 9电磁阀 10膨胀阀 11分液器 12蒸发器 13吸气压力调节阀14气液分离器 15低压压力表 16高低压压力开关 17高压力表2.4.2 室外侧制冷系统设计设计最大冷负荷计算与室内侧最大冷负荷计算基本相同，这里就不在赘述，下面介绍室外侧制冷系统的设计。1. 制冷系统优化设计根据合作方技术要求，室外侧环境温度范围为-2055。为了满足此工作范围，一般采用高温机组与低温机组，根据实际环境室温度要求进行设计。室外侧制冷系统原理如图2-8所示：图2-8 室外侧制冷系统原理图1-压缩机 2-油分离器 3-冷却系统 4-冷却系统 5-冷凝器 6温度开关7-储液器 8-干燥过滤器 9-电磁阀1 10-电磁阀2 11-膨胀阀1 12-膨胀阀2 13-单向阀 14-分液器 15-蒸发器 16-吸气压力调节阀 17-气液分离器 18-低压压力表 19-高低压压力开关 20-高压压力表在图2-8中，大部分部件的作用与室内侧制冷系统相同。另外，针对高温工况与低温工况，系统中设置了一套蒸发管路，当工况温度高于35时使用膨胀阀12，此时电磁阀10打开，电磁阀9关闭，并采用单向阀13来减小蒸发面积，使蒸发温度控制在压缩机允许的工作范围内；其他温度时则使用膨胀阀11，此时电磁阀9打开，电磁阀10关闭。由于制冷系统使用负荷变化较大，为防止压缩机超负荷运转，回气管路上安装了吸气压力调节阀16。2. 防止霜层成长的措施 空气流过蒸发器被冷却时，如果蒸发温度低于0，空气中水分就会析出并固化成霜，附在蒸发器的表面，这样就会引起空气流动阻力增加，风量减小，使得蒸发器与空气换热能力降低，蒸发温度降低，更加剧霜层的成长，使冷冻机出现排温过高或吸气压力过低等故障而无法正常工作。同时，除霜又将增加额外的干扰，引起工况的波动，影响工况的稳定性。于是，防止或减慢霜层的成长使冷冻机组在测试周期（按国标要求至少6小时）内能正常工作对于提高工况的稳定性非常重要。根据结霜的机理，可以通过两方面来加以改善，即提高蒸发温度和减小通过蒸发器的空气相对湿度。为此采用以下三种措施：a.增大蒸发面积，改善换热条件，提高蒸发器表面温度。b.放大空气流通面积。c.空气再处理蒸发器放置前加热器，当开启低温工况时，开启前加热器，提高空气温度，降低了空气的相对湿度。2.5除湿装置设计2.5.1除湿技术的介绍1518根据工作原理，空气除湿技术大致可以分为四类：升温降湿、通风除湿、吸湿剂除湿、冷却除湿。升温除湿是通过等湿加热空气，以降低空气的相对湿度，在常温常压下，每升高1，相对湿度相应降低45。通风降湿是将控制区内的高湿空气排出，吸入自然界或经过处理的湿度相对低的空气，使控制区内空气湿度减小，实现除湿。吸湿剂除湿是利用吸湿剂与水的亲和力，吸收或吸附水分，从而除去空气中的部分水分，其除湿效果较好，但吸湿剂再生需要热源。冷却除湿是利用冷水喷淋、蒸发器冷却等冷却设备将空气冷却到露点温度以下，大于饱和含湿量的水蒸气将冷凝析出，以降低空气的含湿量，从而达到除湿效果。根据实际情况，升温、通风除湿都无法满足要求，而吸湿剂除湿又缺少使吸湿剂再生的热源，所以只有采用蒸发器冷却除湿方式。2.5.2除湿装置的设计1. 蒸发器除湿的分析根据蒸发器除湿的原理可知，蒸发器表面温度越低（冰点以上），穿过蒸发器的空气相对湿度越高，对于空气除湿越有利。通常为了强化表冷器除湿有三种方法：a. 降低蒸发器表面的空气流速，增加蒸发器与周围空气的换热时间；b. 对空气进行预冷，提高空气的相对湿度；c. 降低蒸发器表面温度。2. 室内侧除湿方案根据国标，室内侧环境室工况为常规空调工况，除湿最恶劣工况为自动除霜工况，即干/湿球温度20/15，此工况下露点温度约5.5，而且环境室内无湿负荷，除湿量有限，故使用空调机组来冷却除湿，不再增加单独的除湿机组。3. 室外侧除湿方案设计室外侧环境室工况范围宽，除湿最恶劣工况为T3气候下的SASO过负荷条件（特殊要求），即干湿球温度54/24，相对湿度约5。高温低湿工况时，由于蒸发条件好，蒸发器表面温度较高，除湿相当困难；如减小循环风量，又将提高环境室的热惯性，减慢调节速度，故采用增加一套独立的除湿装置转轮式除湿机，并将改变循环风量作为辅助措施。转轮式除湿机布置如图2-9，相应空气处理过程如图2-10所示。图2-9室外侧环境室空气再处理设备布置图图2-10 转轮除湿机原理示意图如图2-10所示，转轮除湿机的核心结构为一不断转动的蜂窝状干燥转轮，它是除湿机吸收水分的最关键的部件，是由含有少许金属钛的特殊玻璃纤维载体和活性硅胶复合而成，其蜂窝状的结构设计，不仅能够极大限度的附着吸湿剂，增加湿空气与吸湿剂相互接触的表面积，提高除湿机的工作效率，而且具有很高的强度，能够很好的适用于各种复杂的工作环境。转轮的两侧，由高度密封性能的硅橡胶制成的隔板将整个表面分成两个扇区： 270度的处理扇区；90度的再生还原扇区。当需要除湿的潮湿空气(称处理空气)进入处理区域， 湿空气中的水蒸气被转轮中的活性硅胶所吸附， 从而得到干燥，干燥后的空气则通过送风机送出。 随着吸收水分的增加， 处理扇区渐渐趋于饱和