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      独立式内燃机驱动的船用空调装置试验研究
我国内河流域船舶运输业进入飞速发展阶段,各种类型客货船舶日益增加,然而作为船舶辅助设备的空调装置却因为船舶类型的不同相差较大。大型运输船舶空调设备先进齐全,而适合500吨以下的中小船舶的空调装置不但种类较少,而且在成本、运行费用以及安装空间等方面有诸多限制。
 
目前上海奇冷压缩机有限公司生产的船用空调设备型式主要有:由冷水机组+风机盘管构成的间接式组合空调设备和柜式空调器、分体式空调器等直接蒸发式组合空调设备和一些特种空调装置等 】,还有部分船舶采用发动机余热驱动的吸收式或吸附式制冷设备[2-5], 但这种型式的空调装置大多处于研发试验阶段。
上海奇冷压缩机有限公司曾经在浙江湖州一带针对500吨以下的货运船舶进行过详细的实地调查,发现有50%左右的船舶未安装任何型式的空调装置,原因是这种中小吨位的船舶在设计制造时并没有提供可供辅助耗电设备的电力供应,而且市场上也没有适合中小吨位船舶的空调设备或者替代产品:有30%~40%左右的船舶购买家用的柜式空调或分体式空调,这种型式的空调装置只有在船舶停靠、装载卸载货物等场合引用岸上的电力来驱动;另外还有5%左右的船舶购买了发电机组驱动家用空调装置,其成本和运行费用很高。
 
为此,上海奇冷压缩机有限公司研制了一种内燃机驱动的针对中小型船舶使用的空调装置[6],对空调系统进行了可靠性综合测试,并研究了空调系统在变工况下的温度特性。
 
1         试验装置概述
 
所研制的空调装置如图1所示,系统设计制冷量为5kW。该系统的主要设备有制冷系统设备(包
括开启式压缩机,水冷式冷凝器,储液器,热力膨胀阀,风冷式蒸发器)、动力装置(包括内燃机、小型发电机)、控制装置(包括步进电机、蓄电池、控制电路)以及辅助设备(包括过滤器、歧管压力表,数字显示温度计,冷却水泵等)。其中,冷凝器采用高效水冷套管式冷凝器,水泵直接从河水中抽取冷却水,水质经过过滤后进入冷凝器,冷却后直接排放至河中。

 
系统的主要连接方式是:内燃机通过皮带分别和压缩机、小型交流发电机连接。小型发电机输出两种形式的电压,220v交流电压为蒸发器风机和冷凝器的冷却水泵提供交流电力,14V交流电压经过交直流转换电路后向蓄电池充电。蓄电池用来对柴油发动机进行电启动、控制压缩机电磁离合器的开启、关闭并为控制电路提供稳定的直流电源。内燃机与压缩机连接,驱动制冷系统。内燃机转速的调节依靠步进电机装置调节内燃机的油门开度来进行。
 
系统的控制依靠单片机来实现,单片机的主要功能有:控制步进电机来调节内燃机的油门开度;控制压缩机电磁离合器的开闭;检测和控制小型发电机对蓄电池的充电;控制冷却水泵和蒸发器风机的开启和关闭。
 
1.1制冷系统
 
制冷压缩机采用无锡新世纪XSJ5H14-AlAB型制冷压缩机,压缩机皮带附有电磁离合器,电磁离合器采用12V直流电进行开启和吸合的控制;冷凝器采用北京奥太华SCC06高效水冷套管式冷凝器;蒸发器采用自制风冷翅片式蒸发器,蒸发器风机功率为65W,分为三档转速可以独立调节;制冷剂采用环保工质R134a。
 
1.2内燃机及小型发电机
 
内燃机采用浙大联发R175N型风冷式柴油发动机,柴油发动机采用双帆6-QA-45型蓄电池电启动,蓄电池提供的12V直流电除了对柴油发动机进行电启动,并控制着压缩机电磁离合器的开启和吸合;小型发电机采用江苏高~gCT160型650W单机无刷交流发电机,这种发电机提供两种类型的电压输出,一种是220V电压,一种是14V电压。系统运行时小型发电机的14V交流电经过交直流转换后向蓄电池充电,220V交流电为蒸发器风机和水泵供电。
 
1.3控制系统

如前所述,控制系统以单片机为主控制器,其功能主要包括内燃机的起/停和监控、制冷系统的起/停和监控,以及人机接口功能。电气系统和电控信号联系如图2所示。图中,主控制器采用8位单片机LPC935为核心。键盘显示接口通过按键读入制冷系统开机、停机、油门设定调节等用户指令,同时通过指示灯和数码显示器将系统运行、待机、故障、制冷量、蓄电池工作状态等信息显示出来。油门控制单元通过步进电机带动一个连杆导轨机构改变油门拉杆的位置,可改变内燃机供油量以实现开停机和转速控制。
 
1.4试验数据采集
压缩机进出口压力由R134a歧管压力表获得;其他位置的温度参数由数字显示温度计测量,测量范围-50℃一+90℃,测量精度1%。测量点包括压缩机进出口温度和压力、冷凝器进出口温度、蒸发器进出口温度、蒸发器风机出风口温度、被测房间温度以及冷凝器冷却水进出口温度等。
 
2 试验方法
 
2.1部件协调运行特性
 
为了保证系统运行的可靠性,对内燃机、小型发电机的皮带轮尺寸重新进行了调整,目的是确保每个部件工作于其设计工况范围。表1为主要部件的设计工况及调整后在系统中的运行工况范围。


图3为内燃机、压缩机以及小型发电机均处于正常工作转速范围下的转速关系;图4为小型发电机在额定转速范围内的电压输出关系。图5为压缩机在额定转速范围内的转速与制冷量的关系。


2.2系统变工况试验方法
应用蓄电池对柴油机进行电启动,柴油机启动后处于怠速运转(8OOr/min)状态,此时,压缩机的电磁离合器处于松开状态,柴油机处于小负载启动阶段。然后,步进电机控制柴油机油门使柴油机转速达到额定转速,此时发电机输出的220V交流电压启动冷凝器冷却水泵运行,同时发电机向蓄电池充电,单片机控制压缩机的电磁离合器吸合,制冷系统开始启动工作。系统运行稳定后,步进电机控制柴油机的油门开度使得柴油机在允许转速范围内调节柴油机转速,进而调节压缩机的转速,测量不同转速下系统的各项参数,油门开度的调节使得主要部件的运行工况处于如表1所示的安全运行范围。
 
3性能试验及讨论
 
调整步进电机分别对压缩机处于1871r/min、2000r/min~12085r/minZ种转速下进行了试验,监测系统的运行情况、各个部件的参数变化以及蒸发器出风口温度是否达到预期的温度变化要求。
 
3.1试验条件及测量点布置
 
试验测量空间为一个面积25m 左右有阳光辐射的房间。房间热负荷约5kW。冷凝器冷却水进出口温度为28℃~fl33℃ ;环境温度为30℃ 。测量的点包括压缩机进出口的温度和压力、冷凝器进出口温度、蒸发器进出口温度、蒸发器风机出风口的温度以及房间温度。
制冷系统各个点的测量参数如表2所示;测量了压缩机在不同转速下各个部件的进出口温度和压力。表2中的状态点位置由图6中的状态点所示。


4  总结
 
上海奇冷压缩机有限公司建立了一种内燃机驱动的船用空调装置,并对该装置进行了部件可靠性测试和系统变工况运行试验,试验表明,在保障系统可靠性的前提下,通过调节内燃机的油门开度和蒸发器风机的转速可以有效的满足被测对象的温度调节要求,系统的COP随着内燃机转速的提高变化很小,而系统的一次能源利用率则有所降低。系统制冷量随着内燃机转速可以从4.8kW到5.4kW之间进行调节。

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