| 摘要：本文根据笔者的研发经验,结合制冷、供热、流体力学等基本原理,详细论述了机房空调制冷气流和控制系统关键部件的优化设计方案。 |
另外,曲轴箱加热带对防止液击也有积极作用。压缩机停机时,曲轴箱加热带投入使用,使得压缩机曲轴箱内部温度比空调环境温度高4℃以上,而蒸发器盘管内部温度不会高于空调环境温度,这样气态制冷剂将在蒸发器中而不是在压缩机曲轴箱内部凝结。
也许有人会问:如果停机时蒸发器充满制冷剂液体,再次开机时制冷剂是否会来不及蒸发而进入气液分离器,然后冲进压缩机导致液击?只需简单地作一下计算,就可知道发生上述情况的可能性很小。
对于JHF32机组,可算得蒸发器盘管内容积为11.2L,冷凝器盘管内容积为28.6L,储液器容积为8L,气液分离器容积为8L。机组充液量为16kg,若全部为液态,则制冷剂体积约13L。压缩机停机后,因蒸发器回气管处制冷剂立即变为饱和状态,过热度为0,膨胀阀立即关闭,虽然膨胀阀的关闭不如电磁阀严密,可能有微量制冷剂从冷凝器侧流向蒸发器侧,但这足以将制冷系统分隔为两个压力不同的区域。自压缩机排气管至膨胀阀前的制冷系统内压力近似等于室外温度下的制冷剂饱和压力;膨胀阀后至蒸发器、气液分离器、压缩机曲轴箱之间的压力近似等于空调室内温度下的制冷剂饱和压力。下面分析一下16kg制冷剂在JHF32机组各部件内的分布情况。
最不利的情况是在室外温度极高(如50℃)的时候。此时室外机可能容纳的制冷剂量最少,室内机容纳的制冷剂量最多。即使室外侧全部为制冷剂饱和气体,冷凝器也可容纳2kg以上制冷剂饱和气体(计算过程从略),储液器表面温度为室内温度,内部压力则等于冷凝器压力,故高压侧制冷剂会在其中凝结一部分,容积为8L的储液器至少可容纳2kg左右的气液混合制冷剂,则剩余12kg制冷剂中约有1kg左右会以饱和态存在于气液分离器和以轻微过热态存在于压缩机曲轴箱内,剩余11kg左右液态制冷剂将以气液混合态占据蒸发器80%左右的空间。
当压缩机再次启动时,吸气压力降低,低于蒸发器内制冷剂饱和压力,蒸发器内制冷剂将气化放热实现制冷,但由于蒸发器大部分被液态制冷剂占据,而液态制冷剂开始进入蒸发器,在压缩机刚启动的几十秒内,进入蒸发器的液体量大于由于制冷剂蒸发而减少的液体量,蒸发器内存液量可能会继续增大,当制冷剂液体充满蒸发器后将流入气液分离器。而气液分离器的容积为8L,足够容纳9kg左右液态制冷剂。在气液分离器中液态制冷剂质量不断增加时,室外机存液量也不断增加,蒸发器内液态制冷剂量也在不断减少,待蒸发器内液态制冷剂所占容积为总容积的40%～50%左右时,膨胀阀即可根据过热度正常控制制冷剂流量,有一定过热度的气态制冷剂将取代液态制冷剂从蒸发器回气总管进入气液分离器,此时气液分离器中最多会积存5kg左右液态制冷剂,液态制冷剂所占容积不会超过气液分离器容积的一半,并不会影响压缩机的安全运行。
由上述最不利工况下液态制冷剂在制冷系统各部件中的含量的粗略定量分析结果可知,即使在最不利环境工况下,按图9设计的JHF机组也不会产生液击的危险。而如果室外机在室内机下部,液态制冷剂在冷凝器及储液器内积存的比例更大;在室外温度低于室内温度的时候,液态制冷剂主要积存在冷凝器与储液器内,那样机组将更无液击的危险。
需要说明的是,不少机房空调即使配置了液管电磁阀也不能保证机组在运行过程中一定不发生液击。因此,在风冷机房空调中取消液管电磁阀并采取上述系统设计方案,是一种主动而非被动的防液击策略。实践证明,采用该方案的JHF系列机房空调在常见各种工况下均可稳定可靠运行。
5机房空调的快速除湿方法
机房空调要实现对湿度的精确控制,就需要保证在室内湿负荷过大时能迅速除湿。当然,机房空调的快速除湿主要还是用在我国南方等室内环境热湿比较小的地区,至于西北等室内热湿比较大的地区,完全可以按常规制冷方式进行除湿。机房空调快速除湿主要有减小送风量、减小蒸发器面积这两类方法。另外,近年来还出现一种利用电子膨胀阀进行快速除湿的方法。
5.1减小送风量的快速除湿方法
送风机风量减小后,空气流经蒸发器肋片表面的速度降低,肋片上流过的空气分子团靠氢键作用所吸附的水分子与肋片所产生的分子聚合力大于气体流动的推动力,使得肋片上已经吸附的气态水分子数量远大于从肋片上蒸发的液态水分子数量,也就使液态水分子能快速聚集成肉眼可见的水珠,最后变成凝结水排出机外,达到快速除湿的目的。减小送风机风量一般有两种方法:
1)使用双速或三速风机。正常运行时用高速或中速,在需要快速除湿时,风机转速自动降一挡,即可实现有级风量调整,且成本增加不多。
2)使用无级调速风机,并配置调速模块,需要除湿时可将风机转速调整到需要值。风机风量无级调节的一个好处是可根据过滤器积尘的情况自动增大风机转速,可在机组内部流道阻力增加时保证送风量不减少。但这种快速除湿方式的弊端也是显而易见的。首先大功率的调压调速模块成本不菲,比如1只适用负荷4kW的三相调速模块的价格为4000元左右;其次,交流电压离心风机在低电压下的效率将比满负荷时大大降低。EC(电子换向)直流风机在部分负荷时效率较高,但EC风机加整流模块的造价是一般交流风机的数倍。
减小风量虽然能得到较好的快速除湿效果,但机房环境内空气循环量的大幅波动会影响到室内已形成的稳定的温湿度场,并且在发热设备比较集中且机房空调送风距离比较远的场合,送风量的减少会导致远端发热设备得不到充分冷却,使得机房局部温度超高。
所以,在机房环境中,减小送风量除湿不是理想的首选方案,但可采取变通方法。比如在蒸发器旁边安装一个旁通气流调节阀。在正常制冷状态下此阀门是关闭的,所有气流均需流经蒸发器表面。当需要进行除湿操作时,此旁通阀便打开,使1/3的回风不经过蒸发器直接旁通至送风口,另外2/3的回风均匀地通过蒸发器表面。这样可达到与减小风量同样的除湿效果,并可保持送风量不变。
5.2减小蒸发器面积的快速除湿法
蒸发器换热面积减小,蒸发温度降低,肋片温度降低,同样可使肋片上已吸附的气态水分子数量大于从肋片上蒸发的液态水分子数量,达到快速除湿目的。减小蒸发器面积一般用切断蒸发器上部1/3回路的方法,具体做法有3种:膨胀阀后分液法、膨胀阀前分液法、回气总管分液法,见图10～12。
由图10～12可看出,回气总管分液法与膨胀阀前分液法都比膨胀阀后分液法更易于实现制冷剂的均匀分配,但膨胀阀前分液法需要增加1只小膨胀阀,回气总管分液法需要配置1只大口径的气管电磁阀,都会增加一定成本。减小蒸发器面积除湿法由于除湿效果好,且不对室内温、湿度场的分布造成不良影响,在机房空调中得到了越来越多的应用。JHF32选配膨胀阀后分液的减小蒸发器面积的快速除湿法。但JHF32机组与一般机房空调的处理方法稍有不同,由于JHF32机组配置的蒸发器面积较一般机房空调大20%以上,所以采取JHF32机组切断1/2而不是1/3蒸发器回路的方法来实现快速除湿。
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