高能效美国户式机系统研究

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1、引　言

美国户式机是针对美国开发的机型,它其实是一种风冷冷风型机组,又称美国别墅机,是目前美国市场上最为畅销的机组,每年的销量大概有680万套,故而目前许多知名空调厂商都看中此机型的开发研制工作,但美国能源部申明自2006年1月起,美国将推行新的空调能效标准,家用中央空调的季节能效比标准(seasonal energy efficiency rating,sEER)将强制提升至13(Btu/w.h)

(约相当于国标名义制冷工况下3.7的能效比),这将比其现有市场中出售的空调能效提高30%。提高强制执行标准,对空调与相关制造业都提出了新的挑战。

2、机型简介

按美国ARI标准Standard 210/240要求,机组必须在AI况下达到额定制冷量的95%以上,同时美国季节能效比SEER不能小于13的95%。按此要求进行转换成国内标准要求的话,机组性能在名义制冷的情况下EER必须要达到3.4以上,同时能力还要满足要求,特别是大冷量如60机组其开发难度相当大。

3、系统开发的主要方法

美国户式机属于风冷冷风型分体武商用空调器,其系统组成由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流元件、内外机电机组件,系统较为简单,如果想在保证AT况下的能力的前提下。提升机组能效,只有从以上几个元件,使其每个元件都能充分发挥出各自最佳的性能。设计开发思路是:首先从机组额定制冷能力情况下,计算出要达到能效比EER=3.45时,机组所需的整机功率。第二,从目标功率人手,合理对系统所需的压缩机及内外电机进行合理分配,选定合适的内外机风量,从中选择合适的压缩机、内电机、外电机。第三,在此基础上对两器进行合理的设计。第四,对机组进行系统性能匹配,根据实验数据进行分析,检验各内外电机功率、压缩机实际投入功率是否与目标值相符。如若相符,在基础上对系统冷凝器与蒸发器的分路进行合理的调整以及冷媒的灌注量调整。通过实验所得经验,笔者认为应具体从以下几个方面进行考虑。

(1)压缩机选型问题

压缩机是空调产品的心脏,压缩机选取的好坏直接影响着空调产品的性能。对与压缩机选择,大家都觉得学系统的没有问题,但是实际上在做高能效的机型时,压缩机的选取是最为关键的,一旦压缩机选用不合适,将给匹配实验增加许多难题。具体来讲,主要考虑两个方面的因素,一个是压缩机的制冷额定能力,另一方面考虑此款压缩机本身的能效比为多少,一般压缩机标况下能效比不能低于3.05。对于压缩机制冷能力来讲,其标况下的额定制冷量确一般在所做机型标定值的85%-87%之间,如果选得太大,压缩机的功率将太大,不利于提升整机性能,反之若太小,不利于达到额定制冷量的要求。如下是两款压缩机在相同两器及测试条件下的测试数据对比。

(2)冷凝器设计

冷凝器的设计,大家都知道注意几点:(a)逆流热交换(b)避免复热存在(c)各支路的换热均衡等等问题,但笔者就本次高能效户式机冷凝器设计谈另两点注意事项。

(一)冷凝器的分路数及管路的压降损失。

对于冷凝器分路一定注意在允许压降下(一般控制在2.5kgf以下)分路数,通过HW24-D机组实验得知,当分5路时,其冷凝器的整体换热效果很差,当减小分路后,其冷凝器的换热性能大大提高。具体数据如下:

这种做法的好处是增大每个分路制冷剂流速,增加每个管路的换热器长度,使其冷凝器的换热性能充分发挥出来。48机在匹配时总是在A工况下能效较高,在3.5左右,但一转入B工况下其能效只有3.9左右,后来经分析数据,发现冷凝器出液温度相对较低(主要是由于此处的压降较大而产生节流效果引起的),但从外出风温度却可以看出冷凝效果却不佳,另外发现由于过冷段过长,过冷段处压降很大,最后也是通过改变冷凝器的分路数(原先8路后改为6路)及减小过冷段的长度(主要是降低此处的压降)效果很好,在A、B工况下的能力和性能均有所提高。具体前后数据如下:

(二)冷凝器的迎面风速的问题

在设计时往往都会考虑冷凝器的风量,但是在实际匹配过程中,有时大家往往会不注意冷凝器的迎面风速问题,虽然有时总体风量很大,但是平均下来,其迎面风速往往低于lm/s,这样的话整个冷凝器的换热效果将会受到很大的限制,具体来讲,有时增大冷凝器的高度,冷凝面积增加很多,但得不到应有的换热效果,对此机组的冷凝器进行风速测定,发现迎面风速很低,一般在0.9m/s。具体实例就是在做60机时,将机组高度增加了100mm后,其实测冷凝器换热效果与原先换热器换热效果一样,有时甚至还觉得差一些。

另外在设计冷凝器尽量考虑冷凝器的各处风量均匀,不要有太大的偏差,如果发现冷凝器各处风量存在较大的差距。应该在结构设计时加以考虑,如果受结构所限,则在系统分路体现,以便使各路的冷凝效果相当。

(三)蒸发器设计

对于蒸发器设计大家都比较清楚,一般考虑以下几个方面:(1)逆流热交换(2)避免复热存在(3)各支路的换热均衡(4)分路数及压降。由于平常大家对此都有研究笔者在此就不再讲述。

(四)节流元件安装位置注意事项

高能效美国户式机均采用毛细管节流,在开发美国户式机HWl8-D时,当机组试制完成后,对所有机组进行复测时,发现冷量比先前测试少了400W左右,导致机组能效比下降0.3左右。分析认为可能原因有二:①内机本身差异和实验台本身精度(将节流毛细管按开发匹配时方式外接,保证节流元件与分液头之间管程,性能同样无法改善可证明此观点);②节流毛细管改装到内机接水盘上方后,节流毛细管与分液头之间的管程很短,尤其分液头接管本身垂直高度约只有30cm(φ9.52管),以致节流后的闪发气体较多进入其中几路(蒸发器共分8路,各出口处往往6路在20℃左右,两路在12℃左右)的隐患暴露,蒸发器换热能力不能完全发挥。后经过更改节流毛细管至分液头之间走管和微调分液毛细管,机组能力恢复。

(五)风量的选取

机组风量的选取一般在每w为0.15-0.25m3/h,根据不同的机组特性,大家选取不同的系数。

对于机组风量选取通过实验测定发现,当风量小时,制冷量与功率均较小,当提高风量时功率会增大,同时冷量也在增大,但整机的性能EER也在上升,但随着风量的继续增大,制冷增大越来越小,甚至没增大,但功率却越来越大,整体能效呈现下降趋势,通过实验测得风量系数控制在0.19左右较为合适。

4、总　结

对于高能效机组的开发,应从以下几点进行:

(1)选取合适的、能效较高的压缩机

(2)选取合适的内外机风量,合理设计蒸发器与冷凝器的尺寸

(3)对蒸发器、冷凝器进行合理的走管