一种新型节能冷水机的设计

吴峻睿，谢仲铭，黄伟钊

（东莞信易电热机械有限公司，广东东莞 523000）

0 引言

在制冷系统中是否存在过冷度和过热度是评判制冷系统是否稳定和性能高低的重要指标，过冷度存在减少了干度，提高单位制冷量。通过曾冬琪[1]对冷库氨压缩蒸发制冷系统进行了能量分析和㶲分析，在制冷系统中设计过热度与过冷度的重要意义。若没有过冷度，因制冷剂在管路中存在压力损失，管路内饱和液体由于压力降低便会变为不平衡状态，液体蒸发，从而进入蒸发器的制冷剂干度会变大，系统的单位制冷量便会降低，影响机组的性能系数。因此，机组设计时需取适当的过冷度，同时，将冷凝器出口液管中的高温液体与外界冷介质进行热交换也可减少闪蒸气体；若机机组不存在过热度时，系统会存在制冷剂液滴进入制冷压缩机造成液击等事故。过热度太高也有缺点，过热度偏高会引起压缩机排气温度（排气过热度）升高，压缩机运行工况恶化寿命降低，所以过热度应该控制在一定范围内。研究过冷度和过热度的在制冷系统内的设计，对提高冷水机的系统性能和稳定性有重要意义。

秦研等[2]表明采用内螺纹管的冷凝器，换热量增大2.5%，能效比增加3.3%。陈芝久等[3]表明了蒸发器与热力膨胀闪各参教的动态分布数学模型，建立了调节回路的传递函数，分析了回路的稳定性，提出了若干改善系统稳定性避免振荡的新意见，并作了试验验证；综上所述，国内对冷媒系统局部的性能研究较多，但是对整体冷水机的问题研究较少。

本文通过参照理论计算冷媒系统模型，通过实验测试数据，对冷凝器和蒸发器计算进行优化，设计并制造新型节能冷水机并提高冷水机能效，使冷水机运行时无论负载怎么变化，都能保证机组存在过冷过热度，使机组能够长期正常运行、控温准确且无故障的运行。

1 设备工作原理

本文主要研究单级压缩蒸汽制冷循环，提出一种制冷循环[4]，如图1 所示。制冷剂在压缩机1 作用下把低温低压气体变成高温高压气体，往BC 的方向进入冷凝器2，在风扇3作用下，加速与空气发生热交换，制冷剂由气态变为液态，同时热量被空气带走；C-D-E-F 过程，从冷凝器2 中出来的液体制冷剂经过干燥过滤器6，干燥、过滤杂质后通过液管电磁阀7、视液镜8后到达膨胀阀9，F-G 过程中，高压液体制冷剂通过热力膨胀阀9节流降压后，温度降低，G-A 过程中，低温低压的制冷剂经过蒸发器11与冷冻水发生热交换，使冷冻水到达设定温度；经蒸发器11后出来的低温气体制冷剂回到压缩机1，制冷系统如此循环。

图1 冷水机原理

2 传统冷水机结构及性能

如图2 所示，传统冷水机由压缩机、冷凝器、壳管式蒸发器、热力膨胀阀组成。使用的冷凝器一般是光管的翅片冷凝器和壳管式蒸发器或者是盘管水箱式一体的蒸发器，且水箱为矩形不利于水温恒定，保护压缩机的效果较差，此种设计方式大大降低了换热效率，即浪费了成本，又不利于冷水机整体结构设计。盘管蒸发器实际中会因为运行中，铜管壁上会容易付着污垢，温度低时会有一层薄冰，由于种种原因会大大降低了换热效率，引起系统总体的不稳定性。由于传统的冷水机这种换热效率低引起的系统不稳定，系统中的过冷过热度也会随系统一样表现出不稳定，极大地损害压缩机的寿命和降低系统的制冷性能。

图2 传统冷水机结构

3 新型冷水机结构及性能

针对目前市场冷水机存在的缺陷，根据秦研等[1]对关于内螺纹管及光管冷凝器换热效果的实验分析，更改了冷凝器结构，有利于提高过冷度及减小冷凝器面积；根据相关研究对制冷原理的研究更换使用了板式换热器，有利于提高系统过热度减小蒸发器面积；根据谢仲铭[4]提出的圆形水箱理论，设计可以充分利用水箱中所储存的媒介水，提高机器的控温精度的同时也增加了对压缩机的保护；辅助设备根据[5]选择匹配的节流机构和[6]设计制冷装置管道设计。综上所述方法，结合冷水机对各大件在不同工况条件下测试所得数据进行计算及优化。设计了新型节能冷水机，以提高冷水机的运行稳定性节能为目的。从用户使用角度出发，严格按照行业标准JB/T 12788 测试条件，设计出通过使用内螺纹管冷凝器和板式换热器提高换热效率，设计出换热效率高、能效高且占地面积相对较小的冷水机。如图3所示。

图3 新型冷水机内部结构

3.1 内螺纹管冷凝器替换光管冷凝器模型

内螺纹管和普通光管如图4～5所示。本文设计冷凝器使用翅片式冷凝器，通过相关传热计算确定主体结构和尺寸[7]。市场传统冷水机是使用光管冷凝器和壳管式换热器。与光管相比，螺纹管的优势在于螺纹槽的形成，管内的气流形成涡流，增强了湍流状态下对流换热的能力；由于螺纹槽的存在，管表面变得粗糙，破坏了空气流动的边界层，明显地改进了层流状态下空气的对流换热；由于均匀的螺纹槽，可以使传热管的传热表面积变大了很多；螺纹管的固有频率高于光管，减小了换热器的振动。

图4 内螺纹管

图5 普通光管

通过实验测试，使用控制变量法，只更换相同面积的两块冷凝器测试。以内螺纹管翅片冷凝器和光管翅片冷凝器为变量，保持其他测试条件环温35 ℃、水流量、温差等参数不变，测试得出数据对比如表1 所示。实验结果表明，在同等条件下测试得冷凝温度、高压压力值，过冷度和能效比COP 等重要参数值效果都明显优于普通的光管。证明使用内螺纹管即可提高换热效率，又可减小冷凝器面积。

表1 内螺纹管冷凝器与普通光管冷凝器测试参数对比

3.2 板式换热器替换壳管式蒸发器

如图6～7所示，板式换热器相对壳管式蒸发器具有传热系数高、体积小的特点。传热系数高：由于不同的波纹板是反向的，形成复杂的通道，使波纹板之间的流体在三维旋转流中流动，在较低雷诺数下可产生湍流，因此传热系数较高，一般为壳管式的3～5倍。占地面积小：板式换热器结构紧凑，单位体积传热面积是管壳式换热器的2～5倍。因此，为了达到相同的传热能力，板式换热器占地面积约为管壳式换热器的1/5～1/8。所以由于换热器的换热效率高，新型冷水机设计的结构紧凑，占地面积小[8]。

图6 板式换热器

图7 壳管式换热器

从使用相同8HP 的压缩机的新旧型冷水机资料对比。使用壳管式蒸发器的占地面积（长×宽×高）906 mm×220 mm×370 mm，而使用的板式蒸发器的体积（长×宽×高）则为191 mm×38 mm×616 mm。占地面积远小于壳管式换热器，相关测试数据如表2 所示。结合实际案例可分析，板式换热器不仅传热系数高，体积小，为结构紧凑、占地面积小的新型冷水机设计提供了条件。

表2 新旧机型参数对照表

3.3 储存合适水量圆形水箱

圆形水箱使水的进出水角度沿水箱的切线方向流动，提高水箱冷冻水的利用效率，同时由于回水的压力会搅动水往同一方向旋转，使水箱水的温度更均匀，控温更加稳定，增加对压缩机的保护；配合使用热气旁通，使机器在50%～100%的负荷下水温都能稳定在±1.5 ℃运行。

如图8所示的圆形水箱，水箱进水管1、水箱出水管3均与箱体2 相切，因而其进水方向及出水方向均与箱体2 相切，从而带动箱体2 内的水转动，即使得箱体2 内的冷冻水在水动力的作用下在圆柱形的箱体2 内自发搅动，最终使得箱体2 内各个部位的水温稳定无温差，箱体2内的冷冻水得以充分利用。

图8 圆形水箱

4 关键技术和特色创新

（1）水管路系统采用PVC 管，节能节材、环保、轻质高强，耐腐蚀，且使用寿命长。增加前置过滤器，过滤水中杂质，提高蒸发器的换热效率；冷冻水出水温度稳定均匀，缩小压缩机启停过程中出现的出水温差。

（2）通过计算优化模型和严格的测试标准，解决了使冷水机在任何工况下都能有过冷度与过热度的问题，保护了压缩机，提高机器的可靠度，保证机器的安全。为了避免偶然性，用同样方法设计测试了3 款新型冷水机。表3～5 所示为新型冷水机SIC-25A-R2、SIC-33A-R2、SIC-49A-R2 在不同工况下的过冷度/过热度，参照标准GB/T18430。通常冷水机过冷过热度范围3～6 ℃为佳。

表3 SIC-25A-R2国标工况下过冷过热度

表4 SIC-33A-R2国标工况下过冷过热度

表5 SIC-49A-R2国标工况下过冷过热度

（3）根据谷波等[8]热力膨胀阀与板式蒸发器的匹配问题包括容量匹配和系统稳定性要求两方面的要求。两者匹配有利于提高制冷效果，降低系统噪声，并且对于系统的稳定运行和提高控制精度等有很重要的意义。采用高效翅片螺纹冷凝器和钎焊式板式蒸发器增加换热效果，并测试选择匹配最佳的热力膨胀阀同时设计新型外观，优化了整体结构。

5 结束语

本文结合冷水机制冷原理，基于传统冷水机存在的缺陷，通过理论计算冷媒系统模型结合实验测试数据，对冷凝器和蒸发器计算进行优化。通过实验验证及对比，不仅使冷水机的任何工况都存在合理过冷度和过热度，而且系统制冷量及能效COP 较优化之前均有改善。进一步验证了新型冷水机设计方法的合理性，为冷水机的性能改善在方法上提供了实际的参考价值。