CN102914108B - 涡轮制冷机的性能评价装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种在将实际产生的设备损失量作为修正项向没有损失的理想环境下的COP特性赋予而算出目标COP的情况下，通过赋予与蒸发器的性能相应的损失相当温度差，来提高目标COP的算出精度的涡轮制冷机的性能评价装置及其方法。运算部(103)使用运算式算出涡轮制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到。用于算出目标COP的运算式中作为修正项包括蒸发器的换热损失，从而将蒸发器的换热损失反映到目标COP中，所述蒸发器的换热损失使用以负载率为参数的函数算出。

Description

涡轮制冷机的性能评价装置及其方法
技术领域
本发明涉及涡轮制冷机的性能评价装置及其方法。
背景技术
以往，作为对涡轮制冷机的性能进行评价的方法，已知有专利文献1公开的方法。在专利文献1中公开了一种如下方法：着眼于没有损失的理想环境下的COP特性近似于逆卡诺循环的点，在表示逆卡诺循环的式子中加入表示压缩机特性的修正系数而算出涡轮制冷功能够发挥的最大COP(以下称为“目标COP”)的方法。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】：日本特开2011-106792号公报
专利文献1公开的目标COP的算出方法基于将实际产生的设备损失量作为修正项向由逆卡诺循环的式子表示的没有损失的理想环境下的COP特性赋予这样的技术思想。
在专利文献1公开的方法中，压缩机产生的设备损失作为以相对负载率为参数的修正系数Cf而被赋予，但关于构成涡轮制冷机的压缩机以外的设备、例如蒸发器或冷凝器等换热器的损失量，以损失相当温度差Td这样的项作为恒定值被赋予。
发明内容
本发明目的在于提供一种在将实际产生的设备损失量作为修正项向没有损失的理想环境下的COP特性赋予而算出目标COP的情况下，通过赋予与蒸发器的性能相应的损失相当温度差，来提高目标COP的算出精度的涡轮制冷机的性能评价装置及其方法。
为了解决上述课题，本发明采用以下的方法。
本发明提供一种涡轮制冷机的性能评价装置，该涡轮制冷机具备压缩机及作为换热器的蒸发器，在所述涡轮制冷机的性能评价装置中，具备运算机构，该运算机构使用运算式算出该制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到，所述运算式中作为所述修正项包括所述蒸发器的换热损失，所述蒸发器的换热损失使用以负载率为参数的函数算出。
根据本发明，使用运算式算出制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到。这种情况下，该运算式中作为修正项包括蒸发器的换热损失，且该蒸发器的换热损失使用以负载率为参数的函数表示，因此，能够使取决于负载率的蒸发器的换热损失反映到目标COP的算出中。由此，能够提高目标COP的算出精度。
在上述涡轮制冷机的性能评价装置中，优选的是，按照冷却水入口温度求出负载率与所述蒸发器的换热损失的关系，并根据该关系导出用于算出所述蒸发器的换热损失的函数。
如此，由于使用按照冷却水入口温度求出负载率与所述蒸发器的换热损失的关系并从该关系导出的函数来算出蒸发器的换热损失，因此能够得到高可靠性的蒸发器的换热损失。
在上述涡轮制冷机的性能评价装置中，可以是，所述函数由将表示各冷却水入口温度下的负载率与蒸发器的换热损失的关系的多个特性近似于一个特性的函数提供。
由此，无论冷却水入口温度如何，换言之，无论离心式压缩机的隔热头如何，都能够使用一个特性根据负载率唯一确定蒸发器的换热损失。上述函数例如是负载率越高而蒸发器的换热损失越大的函数。
在上述涡轮制冷机的性能评价装置中，可以是，所述没有损失的理想环境下的COP特性由表示逆卡诺循环的式子来表示。
如此，通过使用表示逆卡诺循环的式子作为表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子，能够简化目标COP的运算式，能够缩短目标COP的算出需要的时间，减轻处理负担。
在上述涡轮制冷机的性能评价装置中，可以是，将所述压缩机的性能引起的机械损失作为所述修正项向所述运算式赋予。
通过将压缩机的性能引起的机械损失作为修正项向算出目标COP的运算式赋予，能够将压缩机引起的机械损失反映到目标COP中。由此，能够进一步提高目标COP的算出精度。
本发明提供一种涡轮制冷机的性能评价方法，该涡轮制冷机具备压缩机及作为换热器的蒸发器，在所述涡轮制冷机的性能评价方法中，具备运算工序，该运算工序使用运算式算出该制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到，使所述运算式中作为所述修正项包括所述蒸发器的换热损失，使用以负载率为参数的函数来算出所述蒸发器的换热损失。
【发明效果】
根据本发明，起到能够提高目标COP的算出精度这样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的变频涡轮制冷机的简要结构的图。
图2是将本发明的一实施方式的变频涡轮制冷机的性能评价装置具备的功能展开表示的功能框图。
图3是表示满液式蒸发器的传热状态的图。
图4是表示使冷却水入口温度变化时的负载率与蒸发器的换热性能的关系的图。
图5A是用于说明蒸发器中的管和制冷液的状况的图，是表示负载率100％时的管和制冷液的状况的图。
图5B是用于说明蒸发器中的管和制冷液的状况的图，使表示部分负载时的管和制冷液的状况的图。
【符号说明】
1涡轮制冷机
11涡轮压缩机
12冷凝器
13蒸发器
14控制装置
101数据取得部
102存储部
103运算部
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的涡轮制冷机的性能评价装置的一实施方式。而且，在本实施方式中，说明将涡轮制冷机的性能评价装置设置在进行涡轮制冷机的控制的控制装置上的情况。需要说明的是，在以下的说明中，例示变频涡轮制冷机进行说明，本发明的涡轮制冷机的性能评价装置并不局限于变频涡轮制冷机，对于固定速的涡轮制冷机也能够适用。
图1是表示变频涡轮制冷机1的简要结构的图。变频涡轮制冷机1主要具备：对制冷剂进行压缩的涡轮压缩机11；对由涡轮压缩机11压缩过的高温高压的气体制冷剂进行冷凝的冷凝器12；使经由冷凝器12的液体制冷剂蒸发的蒸发器13；进行变频涡轮制冷机1的控制的控制装置14。
另外，在变频涡轮制冷机1设有测定冷水入口温度Tin的温度传感器30、测定冷水出口温度Tout的温度传感器31、测定冷水流量F1的流量传感器32、测定冷却水入口温度Tcin的温度传感器33、测定冷却水出口温度Tcout的温度传感器34、测定冷却水流量F2的流量传感器35等。这各传感器30～35的计测值向控制装置14发送。
需要说明的是，图1所示的变频涡轮制冷机1的结构是一例，并未限定为该结构。例如，也可以取代冷凝器12而配置空气换热器，在冷却后的外部空气与制冷剂之间进行换热。而且，变频涡轮制冷机1并未限定为仅具有制冷功能的情况，例如，也可以仅具有制热功能，或具有制冷功能及制热功能这两者。
控制装置14具有基于从各传感器接收到的测定值和从上位系统传来的负载率等而控制涡轮压缩机11的转速等的功能、及进行涡轮制冷机的性能评价的功能。
控制装置14例如由未图示的CPU(中央运算装置)、RAM(RandomAccess Memory：随机存取存储器)、及计算机能够读取的记录介质等构成。用于实现后述的各种功能的一连串的处理的过程以程序的形式记录在记录介质等上，CPU将该程序读出到RAM等中，执行信息的加工·运算处理，由此实现后述的各种功能。
图2是将控制装置14具备的功能中的与性能评价相关的功能展开表示的功能框图。如图2所示，控制装置14具备数据取得部101、存储部102、运算部103。
数据取得部101取得变频涡轮制冷机1的运转数据作为输入数据。作为运转数据，例如，列举有通过温度传感器30计测到的冷水入口温度Tin、通过温度传感器31计测到的冷水出口温度Tout、通过温度传感器33计测到的冷却水入口温度Tcin、通过温度传感器34计测到的冷却水出口温度Tcout、及当前的负载率等。
在存储部102中存储有用于算出变频涡轮制冷机1在各运转点上能发出的性能上的最大COP即目标COP的运算式等。以下，说明存储在存储部102中的运算式。
COPct＝{(Tout+273.15)/(Tcout-Tout+Td)}/Cf
                                      (1)
上述(1)式是将实际产生的设备损失量作为修正项Cf、Td向由逆卡诺循环的式子表示的没有损失的理想环境下的COP特性(以下称为“实机理想COP”)赋予而得到的运算式。通过使用该(1)式，而算出目标COPct。
在(1)式中，修正项Cf是用于将涡轮压缩机11的设备特性引起的设备损失反映到实机理想COP中的修正项，Td是用于将蒸发器及冷凝器引起的损失相当温度差反映到实机理想COP中的修正项。而且，Tout是冷水出口温度，Tcout是冷却水出口温度，并代入上述温度传感器31、34的计测值。
修正项Cf具体而言由以下的(2)式求出。
Cf＝f(Qfr)        (2)
在此，Qfr由以下的(3)式表示。
Qfr＝Qf/Qr   (3)
上述(3)式是基于涡轮压缩机11的设备特性而导出的运算式，是用于计算相对负载率Qfr的运算式，该相对负载率Qfr以相对值来表示相对于作为运转基准点而设定的规定的冷却水出口温度与规定的冷水出口温度之差的规定的负载率的、当前的冷却水出口温度与当前的冷水出口温度之差的当前的负载率。在(3)式中，Qf为当前的负载率，Qr由以下的(4)式得到。
(4)式中的Had根据热力学的特性由以下的(5)式得到。
Had＝(-2.7254×10-4Tout2-9.0244×10-3Tout+47.941)×{log10Pc-log10Pe}×1000/9.8067
                                   (5)
在上述(5)式中，Pc是冷凝器的饱和压力[MPa]，Pe是蒸发器的饱和压力[MPa]，Tout是冷水出口温度[℃]。
另外，修正项Td具体而言由以下的(6)式求出。
Td＝Tde+Tdc      (6)
在(6)式中，Tde是考虑了蒸发器13的换热损失的损失相当温度差，Tdc是考虑了冷凝器12的换热损失的损失相当温度差。在此，考虑了蒸发器13的换热损失的损失相当温度差Tde是本发明的主要特征之一，关于其导出方法，在后面详细叙述。而且，关于考虑了冷凝器12的换热损失的损失相当温度差，可以根据负载率与损失相当温度差的关系而设定适当的值，并采用该值作为常数，也可以使用具有负载率等作为参数的规定的函数来算出。
如上所述，在存储部102中，除了为了运算目标COP而主要发挥功能的运算式之外，还存储有用于运算在这些运算式中使用的各种参数的附属运算式。
运算部103在通过数据取得部101取得输入数据时，从存储部102读出各种运算式，使用这些运算式，算出当前的运转点的目标COP。具体而言，运算部103使用上述(2)式至(5)式得到与当前的运转点对应的修正项Cf，并使用(6)式得到与当前的运转点对应的修正项Td。然后，通过将得到的修正项Cf及Td代入(1)式，而得到与当前的运转点对应的目标COP。
接着，参照图3至图5B，说明考虑了上述(6)式中的蒸发器13的换热损失的损失相当温度差的导出方法。在此，本实施方式的蒸发器13是满液式蒸发器，使由膨胀阀减压后的制冷液流入，并在该制冷液与通过管内的冷水和盐水之间进行换热。在换热的作用下，制冷液蒸发，通过其蒸发潜热而将通过管内的冷水和盐水冷却。
在此，蒸发器13中的换热的一般性式子由(7)式表示。
Q＝K×A×ΔTm    (7)
在上述(7)式中，Q是换热量(kW)，K是平均热通过率(kW/m2·K)，A是有效传热面积(m2)，ΔTm是平均温度差(K)，由以下的(8)式得到。
ΔTm＝(ΔT1+ΔT2)/2     (8)
ΔT1＝冷水入口温度-蒸发温度＝Tw1-Te(K)
ΔT2＝冷水出口温度-蒸发温度＝Tw2-Te(K)
在上述(7)式中可知，当平均热通过率K及有效传热面积A恒定时，若冷水入口温度Tw1、冷水出口温度Tw2被提供，则相对于交换热量Q而蒸发温度Te唯一确定。而且，在平均热通过率K及有效传热面积A恒定时，用于进行换热的传热推进力成为制冷液与在管内流动的冷水或盐水的温度差。因此，交换热量Q越大，需要越大的传热推进力，换言之，需要越大的温度差。
图3是表示上述满液式的蒸发器13中的传热状态的图。在图3中，蒸发温度恒定为规定值Te。可知，在蒸发器13的入口处，温度Tw1的冷水(图3中的A点)由于在蒸发器13中与冷却水进行换热而被逐渐冷却(图3中的区域B)，在蒸发器13的出口处，被冷却至温度Tw2(图3中的C点)。表示冷水出口温度Tw2与蒸发温度Te的温度差ΔT2越小而蒸发器的换热损失越小的情况。
发明者们根据负载率越大而冷水出口温度Tw2与蒸发温度Te的温度差ΔT2越大的经验上的见解，考虑到了蒸发器13的换热损失是否取决于负载率，更具体而言，是否负载率越高而蒸发器13的换热损失也越大这一情况，为了验证负载率与蒸发器的换热损失的关系，实际进行了实验。
图4是表示各冷却水入口温度下的负载率与蒸发器13的换热损失的关系的图。在图4中，横轴为负载率，纵轴为蒸发器13的换热损失，由冷水出口温度与蒸发温度的差量表示。而且，在图4中，表示冷却水入口温度分别为13℃、15℃、20℃、25℃、29℃、32℃时的关系。
如图4所示，验证了负载率越大而蒸发器13的换热损失越大这一情况。
在此可知，虽然预测到了部分负载的区域、尤其是负载率20％等的低负载区域中的换热损失表示更稍小一些的数值(即，在图4所示的图形中，Y轴的值是更稍小一些的值)的情况，但与预测相反地，并未表示小到那种程度的数值。
关于该点，进行了研究，得到了在负载率比规定的值低的区域中产生了有效传热面积减少引起的性能下降这样的新的见解。
例如图5A所示，在负载率为100％时，由于蒸发而气化的制冷剂的体积，而制冷剂的起泡面上升，管整体与制冷液相接并进行换热。另一方面，如图5B所示，在部分负载的情况下，制冷剂循环流量及蒸发而气化的制冷剂的量减少，蒸发器13内的制冷剂液位下降，因此与制冷液相接的面积这一管的有效传热面积减小。
另外，发明者们着眼于有效传热面积的变化，关于各运转点的蒸发器13的换热性能进行了实验。其结果是可知，对于某有效传热面积，当有效传热面积下降20％时，为了确保交换热量Q所需的平均温度差ΔTm成为1.2倍，换言之，换热性能下降。
根据以上的情况可知，在图4所示的负载率与蒸发器13的换热损失的关系中也包括取决于有效传热面积的换热性能的变化。
另外，当研究图4所示的各冷却水入口温度下的负载率与蒸发器的换热损失的关系时可知，虽然冷却水入口温度变化，但是负载率越高而蒸发器的换热损失越大这一倾向相同，且各冷却水入口温度下的特性大致重合。即，可知负载率与蒸发器13的换热损失的关系不取决于冷却水入口温度，因此，由一个函数表示。
根据以上的情况，表示各冷却水入口温度下的负载率与蒸发器13的换热损失的关系的特性由近似曲线表示，使用该特性算出(6)式中的蒸发器13的损失相当温度差Tde。由此，具有使用与冷却水入口温度无关的共有的特性能够求出蒸发器的损失相当温度差Tde这样的优点。
在本实施方式中，算出各负载率下的各冷却水入口温度的换热损失的平均值，作成了符合算出的平均值的近似式。近似式例如由以下的(9)式表示。
Tde＝a×Qf+b   (9)
在(9)式中，Tde是蒸发器13的损失相当温度差，Qf是当前的负载率，a、b是常数。而且，在(9)式中，表示作为以负载率为参数的1次函数，但也可以由多项式表示。
接着，说明本实施方式的涡轮制冷机的性能评价装置的作用。
首先，数据取得部101取得变频涡轮制冷机1的运转数据作为输入数据，将取得的输入数据向运算部103输出。运算部103使用存储在存储部102中的上述运算式和从数据取得部101输入的运转数据，算出当前的运转点的目标COP。
具体而言，使用上述(2)式至(5)式得到与当前的运转点对应的修正项Cf，并且使用(6)式及(9)式算出换热器的换热损失Td。更具体而言，通过将当前的负载率代入到(9)式的Qf中，而算出蒸发器13的损失相当温度差Tde，通过将算出的蒸发器13的损失相当温度差Tde代入(6)式，而得到蒸发器13及冷凝器12产生的损失相当温度差Td。
并且，当得到修正项Cf和Td时，通过将该修正项代入(1)式而算出与当前的运转点对应的目标COP。
算出的COP经由通信介质而向未图示的监控装置发送。而且，在控制装置14中，与上述的目标COP的算出处理并行地运算例如输出热量、当前的运转点的实测COP(将输出热量[kW]除以消耗电力[kW]而得到的值)等，并将它们的运算结果也经由通信介质向监控装置发送。
在监控装置中，从控制装置14接收到的目标COP、实测COP、输出热量等显示在显示器上，从而将这些信息提供给使用者。
以上，如说明所述，根据本实施方式的涡轮制冷机的性能评价装置及其方法，相对于以往作为常数提供的换热器的换热损失，由于采用考虑了负载率的蒸发器13的换热损失，因此能够提高目标COP的算出精度。由此，能够提高涡轮制冷机的性能评价的精度。
需要说明的是，在上述的实施方式中，叙述了控制装置14具有涡轮制冷机的性能评价装置的功能的情况，但涡轮制冷机的性能评价装置也可以作为单独的系统成立。这种情况下，涡轮制冷机的性能评价装置经由规定的通信介质从控制装置14接收与涡轮制冷机相关的运转数据，使用这些信息算出目标COP等。而且，本发明的涡轮制冷机的性能评价装置也可以将其功能内置在对涡轮制冷机的运转控制进行监控的监控装置中。

Claims (6)

1.一种涡轮制冷机的性能评价装置，该涡轮制冷机具备压缩机及作为换热器的蒸发器，在所述涡轮制冷机的性能评价装置中，
具备运算机构，该运算机构使用运算式算出该制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到，
所述运算式中作为所述修正项包括所述蒸发器的换热损失，
所述蒸发器的换热损失使用以负载率为参数的函数算出。
2.根据权利要求1所述的涡轮制冷机的性能评价装置，其中，
按照冷却水入口温度来求出负载率与所述蒸发器的换热损失的关系，并根据该关系导出用于算出所述蒸发器的换热损失的函数。
3.根据权利要求2所述的涡轮制冷机的性能评价装置，其中，
所述函数由将表示各冷却水入口温度下的负载率与蒸发器的换热损失的关系的多个特性近似于一个特性的函数来提供。
4.根据权利要求1所述的涡轮制冷机的性能评价装置，其中，
所述没有损失的理想环境下的COP特性通过表示逆卡诺循环的式子来表示。
5.根据权利要求1所述的涡轮制冷机的性能评价装置，其中，
所述运算式中作为所述修正项包括所述蒸发器的换热损失和所述压缩机的性能引起的机械损失。
6.一种涡轮制冷机的性能评价方法，该涡轮制冷机具备压缩机及作为换热器的蒸发器，在所述涡轮制冷机的性能评价方法中，
具备运算工序，该运算工序使用运算式算出该制冷机能够发挥的最大的COP即目标COP，该运算式通过将实际产生的设备损失量作为修正项向表示没有损失的理想环境下的COP特性的式子赋予而得到，
使所述运算式中作为所述修正项包括所述蒸发器的换热损失，
使用以负载率为参数的函数来算出所述蒸发器的换热损失。
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