改变蒸发器的水流量是否会负面影响主机能力

依照主机的负载率比例调降蒸发器的冰水流量，藉此提升空调系统的效率，降低泵浦耗电值，也就能省下业主的成本。经McQuay公司测试，结果显示成效良好。工程设计选用McQuay公司的产品（本人幷非在为McQuay做广告），能安全地省下能源金钱。


事实上，改变水流量对主机的性能及稳定性会不会有影响呢？过去我们都不甚了解，一直到近日分别以计算机仿真，并经实场测试后，才完全掌握这项技术。在过去，变流量系统( P-S系统 )指的是改变 2 次侧泵的水量，但仍然供给主机蒸发器固定的水流量。


McQuay 公司计算机仿真及实场测试的结果均吻合理论分析的结果，同样都证实到当蒸发器内冰水流量降到设计量的50%时，基本上并不改变主机的耗电率 千瓦 / 冷吨 ( KW / RT ) 值。这里指的是固定冰水，进出蒸发器的冰水温度差，让冰水流量随主机负载率比例调整。在许多案例中，就算降低到25%，也不致于造成问题。如果流进蒸发器的冰水流量再降到低于25% 就会造成操作上的不稳定。此外，不论 在任何一种负载条件下，急速的改变冰水流量均会不利于主机运转。一般而言，蒸发器内冰水流量每分钟不得减量超过2% 的变化量。


研究及实验 Testing And Research


为了解蒸发器内冰水流量和离心式主机操作稳定度及耗电率千瓦 / 冷吨 (KW / RT,Cop ) 的相互关系， McQuay工程专家分三种方式分别进行评估及研究。


1. 依热传学理论公式及压缩机效率参数来分析。

2. 计算机数值仿真。

3. 依据 ARI 认可的测试标准，实际操作主机，改变蒸发器冰水流量，取得实验数据和计算机数值仿真结果做比较分析。


现在简单说明一下这三种评估及研究的内容。


理论分析 Teachnical Review


当满液式蒸发器内冰水流量依主机负载比例减少，有几项改变跟着发生。首先是冰水温度差 LMTD ( log mean temperature difference ) 会变大。铜管内表面热传系数hi 随冰水流量变率的 0.8 次方而变化，因此总热传系数( overall heat transfer coefficient ) 也会变小。理论分析 Teachnical Review


当满液式蒸发器内冰水流量依主机负载比例减少，有几项改变跟着发生。首先是冰水温度差 LMTD ( log mean temperature difference ) 会变大。铜管内表面热传系数hi 随冰水流量变率的 0.8 次方而变化，因此总热传系数( overall heat transfer coefficient ) 也会变小。


1/U=1/ ho+ Rfo+x/Kw+RfiAo/Ai+1/Hi Ao/Ai

该公式中： hi—铜管内( 冰水侧 ) 表面热传系数


Ho—铜管外表面热传系数


Rfo，Rfi—污垢系数


如果减少冰水流量，则铜管内冰水流速也就跟着降低了，这意味蒸发器的热传率减少，而且蒸发器内冷媒温度变低了。因此压缩机在相同的负载条件下，压头(压缩功)会略为增加。此时压缩机的效率可能会增加或减少，但一般而言，主机效率千瓦 / 冷吨 ( KW / RT ) 值会略增加。蒸发器的水头压损随冰水流量变率的 1.8 次方变化。再看热传公式可写成：


Q=Ax(LMTD)xU


到此，我门看到了两个问题。第一个问题：LMTD 增加，U 值减小的程度其限度为何 ? 第二个问题：蒸发温度和压缩机效率所受影响程度有待再探讨。


McQuay 将在下一阶段的计划深入研究上述 2 个问题

数值模拟 Computer Simulation


藉用 McQuay 主机效能仿真程序软件，我们选用不同型式主机来试算操作状况&条件。假设空调负载 225 冷冻吨，研究蒸发器变水量，求得蒸发近接温度( evaporator approach temperatures )及 LMTD 的变化行为。首先是全量操作，接着是依负载比例改变蒸发器冰水量至75%、50%及25%，在每一个阶段均维持水温差10℉ 的条件下求得 各状态点性质，含 仟瓦 / 冷吨 ( kw / RT ) 值。冷凝器的部分冷却水流量及进水温度均保持固定不变。


计算机计算出来的结果显示在选定的负载操作点上，固定蒸发器内冰水流量求得之主机效率值和改变蒸发器冰水流量求得之主机效率值是相当吻合的。如下图所示。水侧压头损失则一如预期是流量的1.8次方关系式。


实机测试 Test Stand Verification


McQuay 选了一台225冷冻吨的离心式冰水主机，一ARI 测试标准程序测试，其中蒸发器的冰水流量依主机负载率等比例变化其水量，分别测得 100% 满载，及75%、50%、25%等部份负载的数据。在每一个负载比例点，先供给 100% 的蒸发器冰水量，再提供该等比例调降的蒸发器冰水量，藉此比较定流量 及变流量之下主机之性能。整个测试中，冷凝器的冷却水流量及进水温度均保持定值不变。


测试的结果非常近同于计算机所仿真的结果。当主机负载率在100%、75%及50%等三状态时，每一状态的定流量 ( 100% 供冰水 ) 及变流量 ( 冰水流量正比于主机负载率 ) 之主机效率差异均不超过1%。当主机负载率达25%时，定流量的主机仍可稳定运转，但变流量时就会造成一些问题了。


测试中，约略保持进入蒸发器的回水温度为定值，但是离开蒸发器的出水温度则呈现每 15 到 30 秒之间会有 4℉ 的波动变化。这意味热传的不稳定性，当然也可能混杂了铜管内水流速减低及整体热传行为减低的效应。

结论 Condusions


如果经适当的控制离心式冰水主机的蒸发器内冰水流量得依主机负载率等比例的调降。这一控制行为基本上并不影响主机单机的效率及操作的稳定性。