《建筑环境与能源应用工程专业综合实验》 教案 8-2螺杆式冷水机组系统综合实验

螺杆式冷水机组系统综合实验1.实验目的①通过对螺杆式冷水机组及其系统变工况调节和实测，锻炼对空调冷源系统操作、调节、测试的动手实践能力，掌握冷水机组、冷源系统性能测试的方法。②通过螺杆式冷水机组不同冷冻水温度、冷冻水流量的工况测试和数据分析，建立理论知识与实际应用的联系，深入了解冷水机组、冷源系统运行性能的因素及其影响机理。③通过实体实验学习，锻炼分析思考能力，小组协作能力，培养解决工程问题的能力。2.实验原理根据水泵相似律，当流体密度不变时，同一台水泵，水泵水流量与水泵转速为正比，即： QQ'=nn式中n，n'——水泵转速，次/minQ——转速为n时的水泵流量，m3/h；Q'——转速为n'时的水泵流量，m3根据水泵相似律，当流体密度不变时，同一台水泵，水泵扬程与水泵转速的二次方为正比，即 HH’=nn式中n，n'——水泵转速，次H——转速为n时的水泵功率，mH2O柱；H'——转速为n'时的水泵功率，mH2对于枝状管网，按照管段之间的串并联关系，可将管网简化为一个管路。管网中的流体的流动阻力与流量之间的关系可用下式表示： ∆p=SQ2式中∆p——管网的阻力，Pa；Q——系统管网的流量，m3/s；S——阻抗（s2S与管网的几何尺寸、摩擦阻力系数、局部阻力系数、流体密度有关，当这些因素确定并维持不变时，S为常数。管网的特性曲线可用下式表示： H=Hs+SQ式中H——管路系统流量流动所需的总能量即管路水泵扬程，mH2O柱；Hs——水泵克服重力作用对流体流动影响所需的扬程，mH2O柱；实验系统中冷冻水管网输送冷冻水时可忽略重力作用，Hs为水泵在管网中的实际性能曲线中的流量—压头曲线与其接入管网系统的管网特性曲线，用相同比例尺、相同单位绘制在同一直角坐标图上，两条曲线的交点，即为该水泵在该管网系统中的工作状态点，或称为运行工况点。当水系统水泵通过变频运行改变转速时，管网S值不变，如图1所示。图中A、B点分别为冷冻水泵转速n、n'图1管网系统中水泵工作点示意图冷水机组的供冷量可通过进、出机组蒸发器的冷冻水流量、冷冻水供回水温差计算其换热量获得。 Q0=cVρt2式中Q0——冷水机组制冷量，WV——冷冻水平均流量，m³/h；t1——冷冻水出口平均温度，℃t2——冷冻水进口平均温度，℃ρ——水平均密度，kg/m³；c——平均温度下水的比热容，kJ/（kg·℃）。理论上，冷水机组冷凝器换热量应等于蒸发器供冷量与机组耗电设备功率之和，但在实际测试过程中，由于存在测试误差，其数值往往并不完全一致，可通过热平衡校核检验测试的准确性。冷水机组冷凝器侧换热量可按以下公式计算： Q0’=cV式中Q0’——冷凝器侧换热量，V’——冷却水平均流量，m³/ht2'——冷却水出水温度，t1'——冷却水进水温度，ρ——水平均密度，kg/m³；c——平均温度下水的比热容，kJ/（kg·℃）。机组耗电设备功率按以下公式计算： P=3UIcosφ式中P——水冷式机组的压缩机电动机、油泵电动机、电加热器等输入功率，W；U——设备线电压，V；I——设备线电流，A；cosφ——热平衡计算公式如下： ∆=Q0+P式中Δ——热平衡率，冷水机组的校核试验热平衡率偏差不得大于15％；Q0——蒸发器制冷量，W；Q0’——冷凝器换热量，P——水冷式机组的压缩机电动机、油泵电动机、电加热器等输入功率，W。冷水机组内部的蒸发器、冷凝器，末端空调设备的表冷器等均属于间壁式热质交换设备，其换热量计算如下式所示： Q=K0A0式中Q——间壁式热质交换设备的换热量，W；K0，Ki——换热器管外表面传热系数、换热器管内表面传热系数，A0，Ai——换热器管外表面面积、换热器管内表面面积，m∆t——冷、热流体总温差。传热系数计算公式如下： K0=1d0 Ki=1d0式中d0，di——λ——换热器管壁导热系数，W/K·℃；h0，hi——换热器管外流体对流换热系数、管内流体对流换热系数，根据传热学，流体温度和流速均是影响流体对流换热系数的重要因素。当空调系统冷冻水温度、流量发生变化时，冷水机组蒸发器、末端空调设备的换热量都会发生变化，空调系统冷热源与末端换热耦合，对建筑的供冷量发生变化。冷水机组的性能系数按下式计算： COP=Q0Pi式中COP——水冷式机组的制冷性能系数，W/W；Q0——冷水机组测试工况下的平均制冷量，W；Pi——冷水机组测定工况下的总输入的功率W；冷源系统的能效比按下式计算： COPcc=Q0P式中COPcc——冷源系统的能效比，W/WQ0——水冷式机组或风冷热泵机组的平均制冷量，W；Pj——冷源系统各设备的净输入功率总和，W3.实验系统及装置实验系统由冷源系统和末端空调系统组成，本次实验主要对冷源系统进行测试。冷源系统由螺杆式冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵等设备及管路、仪表组成。空调冷冻水由分水器送至空调末端系统换热升温后通过集水器经由冷冻水泵送回至冷水机组蒸发器，换热降温，再由分水器送至空调末端系统，如此反复循环制冷。冷水机组蒸发器内制冷剂吸收冷冻水热量后升温气化，经由压缩机加压升温后，送至冷凝器中将热量传递给冷却水，并节流降温后回到蒸发器吸收冷冻水热量，如此循环换热。冷却水在冷凝器中吸收制冷剂热量升温后送至冷却塔与室外空气换热，降温后由冷却水泵送回至冷水机组冷凝器吸收制冷热量，如此反复循环换热。系统中冷水机组控制面板可设置冷水机组冷冻水供水温度，并实时读取冷水机组电压、总输入电流和功率因素。系统冷却水泵、冷冻水泵均为变频泵，可通过调节变频器频率改变水泵转速，并由电功率表检测水泵耗电量。冷水机组冷冻水和冷却水进出口处设置有压力表和温度计，可实时测试水压和水温。冷冻水回水和冷却水回水干管上设置了流量计，可实时测试干管水流量。冷源系统原理图如下：图2实验系统原理图4.实验步骤及方法本实验可开展螺杆式冷水机组变供水温度、变水流量的单因素或多因素变工况实验。水系统测试方法详见第5章测试内容。1）实验前的准备实验前，学生提前学习实验指示书，了解实验内容，实验系统操作方法，复习本实验所涉及的专业理论知识，并应提前预习实验教材设备及系统性能测试的相关内容，掌握实验测试方法和原理。2）启动实验系统①检查系统设备通电状态是否正常，手动阀门开闭状态是否正常。②打开总电源开关。③按顺序启动设备（末端设备——冷冻水泵——冷却塔——冷却水泵——冷水机组）。3）调试系统实验以冷冻水出水温度7℃，冷冻水泵满频率运行作为初始工况。（1）冷冻水水量调节调节冷冻水泵变频器，将频率调节至100%。（2）冷水机组冷冻水出水温度调节通过调节冷水机组控制面板上进行冷冻水出水温度调节，将冷冻水出水温度调节为7℃。（3）等待系统稳定应在系统达到稳定状态下进行测试，稳定状态应满足一下条件：①冷水机组供水温度达到设定值，并且在测试期间，温度波动不超±0.2℃；②风系统、水系统完成管路调节。测试期间，水流量波动不超±0.2%，风量波动不超±10%；③测试期间室内干球温度波动不宜超±1℃。④测量开始后不允许对机组和系统做任何调节。4）进行实验测试①在开始测试时，记录测试开始时刻及冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔风机电功率表初始读数，待测试结束时，记录测试结束时刻及冷却水泵、冷冻水泵和冷却塔风机的电功率表结束时刻读数。②通过冷冻水、冷却水回水干管流量计读取记录冷冻水和冷却水流量，每隔10min读1次数，连续测量60min，取每次读数的平均值作为测试的测定值。③同时，通过冷水机组冷冻水出口、进口处温度计，冷却水出口、进口处温度计读取冷冻水和冷却水的供回水温度，每隔10min读1次数，连续测量60min，取每次读数的平均值作为测试的测定值。④在进行以上测试的同时，通过冷水机组控制面板监测数据，记录冷水机组压缩机电压、电流和功率因素，每隔10min读1次数，连续测量60min，取每次读数的平均值作为测试的测定值。⑤系统电功率测试、水流量和水温测试应在相同的时间段内进行，以保证实验的准确性。⑥通过设置在室外的温湿度自动记录仪和室内温湿度自动记录仪读取室内温度、相对湿度，每隔10min读1次数，连续测量60min，取每次读数的平均值作为测试的测定值。5）热平衡校验对实验测试数据进行处理，通过热平衡计算公式校验实验测试准确性。热平衡率Δ不大于15％，则认为实验测试准确性满足要求，可进行后续实验，如热平衡率Δ超过15%，则需检查测试仪器是否存在问题，测试过程是否不规范，或者系统尚未稳定，排除问题后，再重新进行实验。6）变工况调节（1）冷冻水温度调节通过冷水机组控制面板调整冷冻水出水温度，调节范围宜取5~12℃之间。（2）冷冻水流量调节通过冷冻水泵变频器调节水泵转速，将频率调节范围宜50~25Hz之间。（3）根据实验设计内容，完成单一因素调节或多因素组合调节后，按步骤3）、4）、5）进行实验。7）关闭系统实验结束后，按顺序关闭设备（冷水机组——冷却水泵——冷却塔——冷冻水泵——末端设备）并记录冷水机组铭牌参数。5.实验数据记录表1冷水机组铭牌参数参数数值额定制冷量/kW额定制冷功率/kW额定冷冻水供回水温度/℃额定冷冻水流量/(m3·h-1)额定冷却水流量/(m3·h-1)机组COP表2初始工况实验数据记录表参数123456平均值冷冻水进水温度t1/℃冷冻水出水温度t2/℃冷冻水流量L/(m3·h-1)冷冻水出水温度t1’/℃冷冻水进水温度t2‘/℃冷冻水流量L‘/(m3·h-1)冷水机组实际电流I/V冷水机组实际电压U/A冷水机组功率因数cosφ室内温度/℃室内相对湿度/%室外温度/℃室外相对湿度/%冷冻水泵功率表初始值/（W·h-1）冷冻水泵功率表结束值/（W·h-1）冷却水泵功率表初始值/（W·h-1）冷却水泵功率表结束值/（W·h-1）冷却塔风机功率表初始值/（W·h-1）冷却塔风机功率表结束值/（W·h-1）系统测试时间h其他工况实验数据记录表同表2。6.实验数据处理及分析1）实验数据处理表3实验数据计算表参数初始工况水温：频率：工况2水温：频率：工况3水温：频率：工况4水温：频率：工况5水温：频率：冷水机组制冷量Q0/W冷却水侧换热量Q0’/W热平衡率冷水机组电功率/W冷冻水泵电功率/W冷却水泵电功率/W冷却塔电功率/W冷水机组COP冷源系统能效比COPC室内温度/℃室内相对湿度/%室外温度/℃室外相对湿度/%