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模擬研究冷水機組減溫器與冷卻塔熱水的可逆使用
文獻翻譯
題 目 模擬研究冷水機組減溫器與
冷卻塔熱水的可逆使用
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模擬研究冷水機組減溫器與冷卻塔熱水的可逆使用
模擬研究冷水機組減溫器與冷卻塔熱水的可逆使用
Kunxiong Tan, Shiming Deng?
Department of Building Services Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hong Kong
Received 30 May 2001; accepted 17 August 2001
摘要
在亞熱帶地區(qū), 一個標準的水冷卻塔可以可逆地使用，使用熱水供熱是減溫器熱回收系統(tǒng)的一部分，在寒冷季節(jié)當建筑冷負荷降低時，從空氣中提取自由熱。部分冷卻水被泵入一個RUWCT，用來加熱周圍環(huán)境潮濕的空氣。本文提出了一種仿真研究，一個已開發(fā)的完整的、穩(wěn)態(tài)RUWCT減溫器熱回收系統(tǒng)這樣的數(shù)學模型?；谝粋€實際的冷水機組的結果表明開發(fā)的模型是穩(wěn)定的，正如預期的模擬。
對模型開發(fā)、制冷系統(tǒng)的運行特性與減溫器和RUWCT進行了研究。為了滿足一定的熱負荷的冷水被泵入RUWCT所需的速率。對該系統(tǒng)操作條件下的最大的加熱能力進行了評價。模擬結果還表明，當建筑空間更高時，使用一個RUWCT比使用電加熱備份規(guī)定在構建空間冷負荷低。
關鍵詞 仿真/水冷卻器/減溫器/冷卻塔/熱水供熱
1 介紹
在這兩種熱帶和亞熱帶地區(qū)，可以使用減溫器，從中央冷水機組熱回收用于建筑空調維修熱水加熱。然而，在亞熱帶地區(qū)，有可能是冷凝熱，是由于減少建筑制冷的建筑物在冬季負荷恢復。為了提供全年無休 服務熱水供應，備用水通常是由電力加熱的，是必需的規(guī)定。鑒于亞熱帶在較冷的月份，周圍空氣溫度通常在大約15度，一個標準的水冷卻塔可能是運行樣本對熱水在減溫器熱回收系統(tǒng)從周圍空氣中提取熱量作為熱源。如冷水機組仍然是按空調部分在經營，比如7?C冷水被泵送至塔加熱至12 ?C。其中水是由環(huán)境空氣加熱的。在寒冷季節(jié)，空氣調節(jié)系統(tǒng)通常是在部分負荷條件下操作，從而使現(xiàn)有的水冷卻塔可作為一個RUWCT。
許多減溫器熱回收熱水采暖系統(tǒng)RUWCTs已經安裝在亞熱帶地區(qū)，在中國南部和讓人滿意的操作若干年[1,2]?？梢匀菀自谀赀B續(xù)提供服務熱水約60??，而不需要任何備份水加熱的規(guī)定。
為了更好地了解整個系統(tǒng)的運行特性，穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型——實際在中國南部的水冷卻器安裝完成與一個過熱蒸汽降溫器和一個RUWCT已經發(fā)展的基礎上。該模型的可用性，有許多感興趣的操作參數(shù)，以及各種系統(tǒng)組件之間的相互作用，例如，冬季建筑冷負荷下降，而水的熱負荷增加，通過減溫器產生的服務熱水可以不在日常使用。因此，重要的是確定可用的最小冷負荷，以滿足在這樣一個熱回收制度所需的最大熱負荷。
以前的相關工作包括廣泛的文獻審查，申請減溫器回收熱量用于熱水供應[3]和的一個詳細的理論分析熱與質量傳遞發(fā)生在一個RUWCT[4]。該審查表明，有沒有報告引用關于水冷卻器的數(shù)學模型完成了減溫器和RUWCT。
K. Tan, S. Deng/建筑與環(huán)境37 (2002) 741–751
一個穩(wěn)定狀態(tài)的推導本文報道對于冷水機組完成一個減溫器和一個RUWCT用于熱水供應的數(shù)學模型。根據冷水機組的技術規(guī)格模擬結果表明該模型是穩(wěn)定的，并且結果與預期相同。用該模型對一些熱回收系統(tǒng)重要操作參數(shù)完整的進行了評價。
2 模型開發(fā)
開發(fā)的模型是基于現(xiàn)有的水冷冷凍機組完成了減溫器和RUWCT用于熱水供應，其示意圖示于圖 1。他在制冷循環(huán)中使用的制冷劑是R22。然而，應該指出的是，植物是一個實際的現(xiàn)場沒有安裝足夠的交流，模型有適當?shù)膬x器精度驗證。
圖1 水冷式冷水機組減溫器和一個RUWCT用于熱水供應的示意圖。
2.1 假設
以下假設在模型發(fā)展取得。
?制冷劑壓降在所有熱交換器（減溫器，冷凝器和蒸發(fā)器）是可忽略的。
?發(fā)生在熱力膨脹過程閥門為等焓過程。
?有從系統(tǒng)中沒有熱量損失到周圍的組件。
?制冷劑的過熱在蒸發(fā)器中的程度插座是固定的。
?制冷劑的過冷的濃度的程度
該系統(tǒng)模型分為五個部分（詳細制冷循環(huán)如圖所示2）：
?壓縮機 ?減溫器 ?冷凝器 ?蒸發(fā)
圖2 制冷循環(huán)完成與一個過熱蒸汽降溫器。
2.2 壓縮機
一種壓縮機模型來模擬基于給定的冷卻負荷的制冷劑質量流量。對于建模的往復式封閉壓縮機中，一個恒定的索引壓縮N，假設和用于1.18的值R22。與已知的吸入和排出壓力和入口制冷劑溫度，壓縮機排出的制冷劑溫度在可以計算出來。
(1)
制冷劑的質量流率是由壓縮機的工作容積和得到！該壓縮機轉速。容積效率？可見由下式給出
(2)
(3)
2.3 減溫器
一個殼管式換熱器，工作作為一個減溫器，作為在第一階段的冷凝制冷空調
化周期。會議一直跟著叫熱換熱器研究了減溫器。實際上，會發(fā)生制冷劑的冷凝在這個單元在某些操作條件。在過熱蒸汽降溫器，熱量從熱的制冷劑氣體輸送到水在服務熱水電路。同 一個總的傳熱系數(shù)，烏德和傳熱面積，阿德，該減溫器中，制冷劑與水的傳熱描述如下：
(4)
(5)
式（4）根據臺大或有效性的方法。和制冷劑和自來水溫度進入減溫器，分別為式（5），導出了熱交換器與流體之一發(fā)生相變排他地，僅是一個近似值，因為所研究的減溫器可能已減溫及相變發(fā)生在它里面的制冷劑的過程如[6]。
與來自壓縮機和制冷劑的溫度在進入過熱降溫器，任何制冷劑速率在減溫器的模擬是看有無的熱量在過熱蒸汽降溫器的制冷劑和熱水之間交換的量超過了所需的加熱負荷。這一數(shù)額熱交換，QDE的，依賴烏德和阿德，熱水的質量流率，MH，以及水進入過熱降溫器，氏溫度。在一個較低的熱回收的效率更高。通常情況下，QDE較大
的大于或等于加熱負載系統(tǒng)中，因為一進入過熱降溫器的制冷劑的相當高的溫度，即
(6)
有回收制冷劑留下的減溫器可以是過熱蒸汽或飽和蒸汽和液體，這取決于所需的加熱負荷的系統(tǒng)。如果熱量回收該減溫區(qū)是足夠的熱水，即熱交換只發(fā)生過熱制冷劑蒸汽和供水之間的減溫器時，制冷劑離開過熱降溫器，溫度T3可以在由計算
(7)
否則，水被加熱到時，它首先滿足飽和制冷劑液體和飽和制冷劑中的兩相區(qū)，且混合物再加熱比高，當它遇到過熱的溫度在降低過熱區(qū)域的制冷劑[7]。因此，在仿真的第二次檢查，是確保減溫器回收的能量應有足夠的用于加熱水至所需水 溫度，，通常是基于服務熱需水量。判別是
(8)
其中Q是熱可從過熱制冷劑蒸汽?？晒烙嬋缦拢?
(9)
水流入降溫器加熱到接近的溫度，并進一步加熱成過熱蒸汽。因此，能量回收減溫器被分成兩部分，且總能量的第二部分須回收熱水系統(tǒng)。Q可以通過以下方式評估
(10)
基于方程（8），如果校驗失敗，則制冷劑的流率需要進行調節(jié)，直到公式成立。因此，壓縮機的模擬和減溫器必須重復修改的估計壓縮機排出壓力。
為制冷劑和服務的熱水熱平衡由方程進行描述。（11）和（12）。制冷劑離開降溫器的值H3，可以由下式計算式（11）
(11)
熱水排率，MH，由所需的水分測定熱負荷。
(12)
2.4 聚光器
未通過熱水在過熱蒸汽降溫器吸收的熱量排放至冷凝器的冷卻水。該模擬冷凝器的目的是尋求冷卻水流量和其從冷凝器離開溫度。
恒定的總傳熱系數(shù)，的基礎上，最大溫度差，是假定的。傳熱過程在冷凝器是由以下四個公式：
(13)
在冷凝器中，被拒絕的熱量，可以使用公式來計算。 （13）。在過熱蒸汽降溫器出口的制冷劑狀態(tài)從過熱降溫器的結果知仿真和制冷劑的值在冷凝器出口一個固定的程度的條件下可以進行評估過冷。
(14)
(15)
(16)
方程（14）計算由冷卻水吸收的熱量，而式（15）描述的制冷劑之間的傳熱
和冷凝器中的冷卻水。冷卻水流速MC，和水的溫度離開冷卻塔，控煙辦公室，通過求解三同時計算方程。（14），（15）和（16）。一個超越方程的解從這些方程解得，并通過割線法求解。
2.5 擴展設備
目前的發(fā)展集中在恒溫膨脹閥是保持恒定的程度過熱度在蒸發(fā)器出口處。使蒸發(fā)器的過熱度，專家組，作為輸入到模型中，避免了建模閥本身。因此
(17)
在膨脹閥的熱力學過程可以是被視為絕熱。沒有完成的工作，或熱傳遞，該制冷劑膨脹前后的值不變。
(18)
2.6 蒸發(fā)器
蒸發(fā)器，干式殼管式蒸發(fā)器，是建模，假設總傳熱系數(shù)，對于兩相和過熱區(qū)兩者是該方程的蒸發(fā)器，如下所示：
(19)
(20)
(21)
(22)
制冷劑在蒸發(fā)器的仿真與執(zhí)行的已知的值在蒸發(fā)器入口和假設在蒸發(fā)器出口處制冷劑狀態(tài)。通過在蒸發(fā)器中的制冷劑所吸收的熱量應該等于與從冷卻水傳送到蒸發(fā)器。就是說
(23)
如果能量平衡是沒有達到的，即方程。 （23）是不滿足時，新的計算被調用，帶有蒸發(fā)溫度來，（蒸發(fā)器的估計飽和溫度）。通常經過幾次迭代中，蒸發(fā)溫度，可以發(fā)現(xiàn)，在該能量平衡存在。
2.7 可逆使用水冷卻塔（RUWCT）
的熱量通過在制冷劑吸收的總量蒸發(fā)器，是由兩個空調風機盤管
和RUWCT。的冷卻水的流速泵送進入RUWCT，捷運，可以將上面的仿真分析后得到，當?shù)某醪焦烙嫼鸵驯淮_認。
其中是從冷卻盤管的負荷，并且也可以是最低或冬季冷負荷的建筑。被張志賢分別設定為12 ?C和7 ?C。
方程（1） - （25）形成一個減溫器熱回收熱水采暖系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型完成一個RUWCT。仿真結果將在下一節(jié)介紹一節(jié)。
3 模擬
在中國南方所開發(fā)的模型是基于安裝在現(xiàn)有冷水機組廠房的技術規(guī)范進行測試。
3.1.數(shù)據輸入
該冷水機組擁有116千瓦的額定制冷量,當它有34千瓦總功率消耗，根據空氣調節(jié)條件。它的制冷輸出可在四個階段調控：額定25-50-75-100％外放。所用的RUWCT有一個正常的進氣流量330立方米每分鐘。由冷水機組提供服務的酒店大樓有20個標準的客房，總空調面積760平方米。
該模型需要的其他數(shù)據描述如下，服務熱水采暖負荷可通過下面的等式[8]確定：
(26)
其中，熱水比熱; =3:4，系數(shù)為熱水每小時使用的變化; N =40床位數(shù); Q =200千克每D，標準水消費; T =24，每天供水時間和ET，服務熱水溫度差。
每年冬季熱水的平均溫度差40 ??，最大為45 ?。因此，平均和最大水加熱負載分別是52:56千瓦和59:13千瓦。哪里 QCL=0:14千瓦= M2，假定冷卻負載每單位空調面積[9]和AAC=760平方米，空調區(qū)建筑的冷負荷計算所，
(27)
表1在模擬中使用的操作條件
操作條件 冬天 過渡季節(jié) 夏天
因此，最大的冷卻負荷估計為106:4千瓦，這被看作是在夏季冷負荷。在冬季的冷負荷被認為是夏季負荷的四分之一。
5 攝氏度為蒸發(fā)溫度的初始估計值，及在該近似式壓縮機的壓力比為3。對于水冷卻器，其正常的凝結溫度不高于55更高?C，它被設置為上在仿真中的壓縮機的排出壓力的上限
仿真是在一個年度內四個不同的工作條件下進行。因為氣候變化，
空間冷卻和水加熱負載的建設，QCL和的Qh，以及進水溫度來減溫器和冷凝器氏和TCI，是多種多樣的。這些都是詳列于表1。
供暖負荷（kW）
圖3 入口冷卻水流速的RUWCT變化和用水熱負荷的冷卻負載的變化。
3.2 仿真結果和討論
下四種不同的冷卻負荷水平，即25％，50％，75％和滿負載的100％時，系統(tǒng)模擬在不同的建筑熱水負荷下形成的。中仿真中，壓縮機排出壓力保持在17時04分酒吧和減溫器出口制冷劑溫度結算45:27?C。制冷系統(tǒng)是運納入樣本內以4:6的平均蒸發(fā)溫度?C和壓縮機排放溫度不顯著從66:41改變，范圍?C至67:86?C。
仿真結果表明，水冷冷水機組系統(tǒng)的操作特性增加一個過熱蒸汽降溫器和連接到RUWCT后，雖然也有變化，但也能如預期般運作。
圖3示出了不同的冷卻負載下，需要泵入RUWCT的冷卻水熱回收時，熱水采暖負荷增加。在冬天，當冷水機組的部分負荷下運行，需要更多的冷卻水被泵送到RUWCT。但在消夏，通常冷水機組是滿負荷下運行，該RUWCT開始只在較高熱負荷運轉，因此，幾乎需要對冷卻水在大多數(shù)熱負荷的RUWCT。
由于受限于冷水機組的總制冷量，有各操作條件下的最大的水加熱能力。他們是36:9，40:1，43:1和46:2千瓦為4的操作條件，分別作為在圖1所示。 3由虛線表示。比較來加熱在表1所示的負載，它們比需要哪些小。這表明，根據改造冷水機組研究有最大的水加熱要求的酒店建筑能力不足。仿真可以提供有用的信息為一個大小冷水機組時，同時用于空間冷卻和服務的熱水加熱。
在水熱負荷的增加將導致增加的制冷劑質量流量循環(huán)中的制冷循環(huán)，如圖4所示，壓縮機章，通過改變制冷劑循環(huán)量組裝相應的輸出能力。大量制冷劑流量，需要在較高的水熱負荷。值得注意的是，相同的最大的制冷劑質量流量，0:708公斤每s時，是在冷凍機的最大水加熱能力的四個不同的操作條件下。
圖5示出制冷劑在離開過熱降溫器的溫度用的兩個空間的變化而變化冷卻和水加熱負荷。當冷水機組操作在較高的空間的冷卻負荷，用較小的熱負荷在該系統(tǒng)中，制冷劑離開過熱降溫器仍在過熱蒸汽形式。作為加熱負載的增加，過熱制冷劑蒸汽被冷卻了更多水通過減溫器，并且變得要么飽和蒸汽或飽和液體制冷劑的飽和蒸汽的混合物于減溫器出口，這取決于對水的熱負荷。它的溫度，然后降低并保持以45:27的飽和溫度?C。值得注意的是，當該冷水機組在滿負荷的25％運行在冬天，制冷劑被充分降溫在過熱蒸汽降溫器出口即使一個非常小的加熱負載被添加到系統(tǒng)中。
供暖負荷（kW）
圖4 制冷劑流率與熱負荷而變化。
供暖負荷（kW）
圖5 制冷劑溫度在減溫器出口的變化。
3.3節(jié)能性能的比較與電熱水降溫器熱回收系統(tǒng)加熱器
一種制冷系統(tǒng)，完成了對減溫器產生服務的熱水，通常配有備用電熱水器。為了便于引用后，該系統(tǒng)被稱為系統(tǒng)E.電熱水器投入運憂思每當熱回收的減溫器不足以滿足熱水加熱要求在建筑物。開發(fā)的模型也能夠評估過熱降溫器熱回收系統(tǒng)的性能與備用電加熱器。在本研究中，一個過熱蒸汽降溫器
建筑冷負荷（千瓦）
圖6 締約方會議的兩個減溫器熱回收系統(tǒng)的比較。
供暖負荷（kW）
圖7 COP為在滿負荷的25％這兩個系統(tǒng)的比較。
熱回收系統(tǒng)再次完成一個RUWT，方便引用后，系統(tǒng)R的兩個系統(tǒng)的能量效率由也系數(shù)評估的性能（COP），它被定義為在一個比總系統(tǒng)有用的凈功，如下所示：
（28）
（29）
（30）
在計算締約方會議，有用的制熱量服務熱水是作為總系統(tǒng)輸出的一部分。為系統(tǒng)E，如果電熱水器相加，術語（QH-QDE）被認為是消耗的功率。此外，該RUWCT的風扇馬達的功率消耗是被忽視的，因為它是最小的[10]。
COP的算術平均值為兩種類型減溫器熱回收系統(tǒng)，即系統(tǒng)R和系統(tǒng)E，如圖6所示。它是從圖中可以看出該締約方大會是系統(tǒng) R的高，這表明系統(tǒng)能量高效率，從而降低運營成本可以通過操作RUWCT實現(xiàn)。
該曲線表明，在較低的冷卻負荷的結果COP的兩個系統(tǒng)之間的較大差異。特別是，當冷卻器在滿負荷的25％操作時，假設最低的冷負荷，在締約方會議的最大區(qū)別在兩個系統(tǒng)之間（44％）觀察到。這表明當冷卻器是在一個較低的冷負荷工作時，如在冬天，有一個較大的節(jié)能潛力進行操作系統(tǒng)R的操作體系E。
圖7-10顯示了詳細的COP變化根據四種不同的操作條件下兩種制度。的COP和熱負荷之間的關系示于每一個人物。
當水加熱負荷小，而且也沒有必要以經營RUWCT或電加熱器，締約方大會是相同的對于這兩個系統(tǒng)。在這個階段，的COP也越來越因為在制冷使用減溫器的趨勢制度。
供暖負荷（kW）
圖8 締約方會議下滿負載的50％這兩個系統(tǒng)的比較。
供暖負荷（kW）
圖9 締約方會議下滿負荷的75％這兩個系統(tǒng)的比較。
供暖負荷（kW）
圖10 締約方會議全負荷下的兩個系統(tǒng)的比較
當通過單獨的過熱降溫器中回收的熱量是不足，從而使備用加熱規(guī)定需進行操作。從這些圖中，供締約方大會系統(tǒng) R總是高于對系統(tǒng)E然而，應當注意的是，起點操作備用加熱 四種不同的冷卻負載下的規(guī)定是不同的。較高的冷卻負荷，較大的熱負荷在該備份系統(tǒng)啟動。
TDB（℃）
圖11 通過熱RUWCT在不同的環(huán)境空氣的干球溫度提取。
另一方面，當一個RUWCT或電加熱器啟動備份加熱規(guī)定，整個系統(tǒng)的進展情況通報，因為消耗的額外功率降低這兩個系統(tǒng)。然而，系統(tǒng)的R締約方會議具有更小的降低比系統(tǒng)E的傾向因此，本系統(tǒng)的R平均COP較高，如圖6所示。
3.4 為有效環(huán)境天氣的限制具有一個過熱蒸汽降溫器熱回收系統(tǒng)的操作RUWCT
據觀察，用RUWCT過熱降溫器的熱回收系統(tǒng)的有效運作可能會受到限制由環(huán)境天氣狀況。在正常冷凍7供水溫度?C，當環(huán)境空氣溫度下降到12?C以下，觀察將是較少甚至無熱量，可以提取出可能從空氣中。
另一方面，基于開發(fā)的模型，該冷卻水的流速供給到RUWCT可以獲得的。通過采用冷凍水流量（LPS）RUWCT和其他水和空氣的狀態(tài)在塔的入口輸入，也可以以應用詳細的理論分析在RUWCT傳熱傳質[4]計算的熱交換容量，質量保證。結果示圖 11，這表明更高的LPS導致較大的熱量由RUWCT萃取量。
據推測，在最壞的情況下在冬天，當冷卻器是在僅25％的滿負荷操作時，較低的周圍空氣的溫度和較高的熱負荷。從圖11，RUWCT不能正常工作，空氣的干球時，氣溫下降到12?C以下。這與協(xié)議早期的觀察。的熱交換容量的QA是31.4和49:5千瓦，分別在15 ?C和18?C環(huán)境空氣的溫度。
因此，考慮到水的加熱要求和進行有效的熱傳遞適當?shù)臏囟炔罾鋮s水和周圍空氣中RUWCT之間，它認為是最低環(huán)境空氣溫度應不低于15 ?C連接，以便使用一個RUWCT的將是可行的。
4 結論
減溫器的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型熱回收系統(tǒng)完成一個RUWCT一直開發(fā)的。制冷的工作特性系統(tǒng)具有一個過熱蒸汽降溫器和一個RUWCT進行了研究。冷水所需的流速被泵入該RUWCT計算為了滿足一定的熱負載。系統(tǒng)下的最大加熱能力不同的操作條件進行了評價。根據一個實際的制冷機的規(guī)格的模擬結果工廠已經證明，建立的模型是穩(wěn)定的和行為與預期相同。其進一步的實驗工作驗證在正確檢測的植物是必需的。
締約方會議的一個熱減溫器之間的比較回收系統(tǒng)完成一個RUWCT（系統(tǒng)R）和 隨著電熱水器（系統(tǒng)E）已進行出來。它表明系統(tǒng)的R COP為高于系統(tǒng)E的，且有較大的節(jié)能潛力 操作系統(tǒng) R的比操作系統(tǒng)E，當制冷系統(tǒng)是在較低的冷卻負荷運轉。
致謝
向自香港理工大學對該項目的基金支持表示感謝。
參考文獻
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