冷热水控制系统研究

冷热水控制系统研究

万莉,吴文静,李肖雯

商丘工学院 476000

摘  要: “双碳”目标的提出强力助推了全球可持续发展和后疫情时代绿色复苏的历史潮流，屠宰场行业正以绿色方式实现转型升级。屠宰场需要同时满足65℃热水和10℃冷水要求，若屠宰场应用冷热水控制系统则极大地减少了能源消耗及碳排放。该系统控制器采用PLC，运行稳定可靠，系统连接上网络后可以进行远程操作和监控。系统采用板式换热器进行制冷剂与水的换热，并配置有回热器，可提升系统整体效能。通过对冷热水控制系统的研究，为实现碳达峰碳中和目标贡献力量，助力实现地区产业的调整与升级。

关键词:双碳目标;PLC;水流量

1 系统设计

机组控制器采用PLC，机组连接上网络后可以进行远程操作和监控。主要设计参数：制冷剂侧设计压力，高压14.5Mpa、中压6.8 Mpa；制冷侧温度范围，进口温度12~35℃、出口温度7~15℃；加热侧温度范围，进口温度5~35℃、出口温度50~90℃；制热能力为100kW；制冷能力为75 kW，COP为4.0。

系统配置有回热器，可提升系统整体效能；系统采用板式换热器进行制冷剂与水的换热，板换相对于管式换热器有着更好的换热效果与更小的体积，逆流情况下换热系数可达3000，结构紧凑，减少热损失，选用的板换内置分配器，能够优化各通道制冷剂均匀分配，减少压损，有利于系统能力的提升；系统中配置了CO2收集器，气液混合的CO2在内部挡板内进行高速运动分离，一方面保证了压缩机吸入气态冷媒，一方面可以将CO2携带的油进行收集并且通过回油阀送回压缩机内，防止压缩机缺油；使用侧水泵配有调节阀调节热水进水量，蒸发侧靠外侧控制冷水进水量，通过膨胀阀及变频压缩机调节系统能力及出水温度、出水量，设有回油阀控制回油，注气阀设置在收集器端[2]。

该系统的主要特点：

（1）状态监控：实时显示水箱液位及温度，回水管、进水管上的电磁阀、供水泵、机组的运行情况和手/自动状态，以及各水表的状态及数据。

（2）单机操作：在手动状态下可以实现电磁阀、供水泵、机组的单机操作。

（3）历史趋势：可以随时调出水箱液位、温度、用水量及用电量的值。

（4）实时报警：当各电机、机组出现故障或其他达到限位时，自动弹出报警条，同时控制系统发出声光报警。在故障条件消失前，按“确认”按钮系统停止报警；在故障条件消失后，按“复位”按钮系统状态复位。

（5）报表管理：对功耗等数据进行数据统计和汇总分析，并具有历史数据查询功能（历史数据存储时间不小于三个月），支持报表打印功能。

（6）参数设置：对系统各测量值和状态进行设置和修改（如工程量上、下值，手/自动切换等）。

2  主要设备选型

2.1 压缩机

机组采用CD500系列压缩机，为意大利都凌二氧化碳跨临界压缩机，最低蒸发温度为-40℃，可以在环境温度-30℃的条件下运行；压缩机排气量最大可以达到60m3/h，为同类压缩机排量最大的系列。压缩机有过载保护、缺油保护及排气温度过高保护等，运行安全可靠。

2.2水泵

系统机组是在热水侧进水28℃，出水65℃；冷水侧进水15℃，出水10℃的条件下计算的水流量。

按温差流量法计算制热、制冷负荷Q，如公式2-1所示[6]。

           （2-1）

其中，Cp：定压比热，r：介质比重，Vs：介质流量

△T：温差。

（1）气冷侧流量

进水温度28℃，出水温度65℃，制热量按照100kw计算，流量计算如公式2-2所示。

  （2-2）

（2）蒸发侧流量计算：

进水温度15℃，出水温度10℃，制冷量按照75kw计算，流量计算如公式2-3所示。

 （2-3）

根据公式2-2和2-3可知气冷侧选择DN32不锈钢管，流速为0.81m/s，管道流量为2.32m3/h；蒸发侧选择DN50不锈钢管，流速为1.10m/s,管道流量为12.85 m3/h。

（3）扬程计算

（2-4）

其中：H1=管长*比摩阻，为管路沿程阻力；

H2=局部阻力系数*单位阻力*流速的2次方，为管路局部阻力；

H3：气冷器（蒸发器）阻力。

气冷器侧扬程计算如公式2-5所示：

（2-5）

蒸发器扬程计算如公式2-6所示：

（2-6）

综上所述，气冷器侧水泵选择流量大于2.32m3/h、扬程大于7.6m可以满足设计要求；蒸发侧水泵选择流量大于12.85m3/h、扬程大于9m可以满足设计要求。

3 系统测试

进水温度为15℃时，系统调试实验数据如下所示。

热水出水温度：55、65、80、90；冷水出水温度：10.07、10.6、11.1、11.6；膨胀阀开度：200、200、200、200；压缩机频率：46、46、46、46；气冷水流：1.95、1.5、1.05、0.85；吸气压力：38.14、38.36、39.16、39.85；排气压力：84.44、91.98、103.11、111.61；蒸发进温度：45.8、6.1、7.2、8；蒸发出温度：12.5、13.2、13、13.3；输入功率：20、21.91、24.67、26.8；制热量：69.5、63.26、53.83、46.7；

COP：4.48、3.39、3.2、2.75。

4  结语

天然工质CO2单位容积制冷量大，能够实现5℃-15℃的冷水和65℃的热水。可应用于屠宰场、宾馆、学校、海洋馆等方面。CO2跨临界冷热水系统采用自然工质二氧化碳作为制冷剂，极大地减少了能源消耗及碳排放，助力实现地区产业的调整与升级，助力实现“双碳”目标；CO2跨临界冷热水系统加入了回热器提高系效能；通过软件仿真验证系统的可行性。

参 考 文 献

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[4]徐希爱,宋明刚,孙承良.CO_2跨临界制冷系统的运用研究[J].现代制造技术与装备,2021,57(08):94-95.

[5]徐希爱,宋明刚,孙承良.CO_2跨临界制冷系统的运用研究[J].现代制造技术与装备,2021,57(08):94-95.

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[7]魏晋,李涛,唐黎明,陈琪,陈光明,韩晓红.四种跨临界CO_2压缩式热泵系统的热力性能研究[J].制冷与空调,2014,14(10):94-103.