调温除湿机性能试验平台设计_庄克鹏.pdf

第9卷 第1期制 冷 与 空 调 2 0 0 9年2月REFRIGERATION AND AIR2CONDITIONING53256 收稿日期:2008207222 通信作者:庄克鹏,Email :zkpeng1982 调温除湿机性能试验平台设计 庄克鹏 缪小平 彭福胜 (解放军理工大学) 摘 要 分析调温除湿机性能试验平台性能测试的基本原理,介绍试验平台总体设计结构,设计基于PRO2 FIBUS2DP的分布式测控系统,并介绍西门子公司S72300系列PLC及其组态软件WinCC6.0在此性能平 台上的应用。 关键词 调温除湿机;试验平台;PLC;WinCC6.0 Design of performance test platform for temperature adjustable dehumidifier Zhuang Kepeng Miao Xiaoping Peng Fusheng (PLA University of Science and Technology) ABSTRACT Analyzes the performance test principle of the test platform for temperature adjustable dehumidifier ,introduces the whole design frame ,designs the distributed meas2 urement and control system based on the PROFIBUS2DP field bus technology , and also introduces the application of SIEMENS S72300series PLC and the configuration software WinCC6.0to the test platform. KEY WORDS temperature adjustable dehumidifier ; test platform ; PLC; WinCC6.0 随着各种工程对空气温湿度的要求越来越 高,调温除湿机在我国经济建设中的应用也越来 越广泛,尤其是在国防、 人防工程中得到普遍应 用。调温除湿机是在高湿度变室内热负荷条件下 保障国防、 人防工程内部热湿环境质量的一种重 要设备,其性能直接影响国防、 人防工程的维护管 理水平。根据GB/ T194112003除湿机 1 ,除 湿机的性能参数主要包括:名义工况、 最大负荷工 况、 凝露、 低温工况、 输入功率等。这些性能参数 是在一定的环境下通过测量干湿球温度、 空气流 量等相关物理量,再经过计算,得到相应的结果。 计算结果能够反映机组的工作状态及其性能,为 机组进行性能试验及研发分析提供依据。 1 性能测试的基本原理及方法 调温除湿机除湿的原理是冷冻除湿,制冷系 统中冷凝器由水冷冷凝器和风冷冷凝器串联而 成2。在不消减除湿能力的前提下,调温除湿机可 以减少能量损耗,蒸发器取得的被处理空气的部 分热量和压缩机工作作功产生的热量可以全部或 部分通过风冷冷凝器又返回给经过冷冻除湿的空 气,即可以用机组的冷凝热量作为空调器的二次 加热源,降低机组的运行成本及运行能耗。调温 除湿机分为降温除湿、 升温除湿和调温除湿3种运 行工况,因此调温除湿机同时具有中央空调机和 除湿机2种功能。 根据调温除湿机的功能,依据GB/ T19411 2003除湿机 和GB/ T177581999单元式空气 调节机 3 ,设计了调温除湿机性能试验平台。该 试验平台建立在恒温恒湿环境基础之上,测试方 法选用室内侧空气焓差法,可以进行包括名义工 况、 最大负荷工况、 凝露、 低温工况、 制冷量和输入 功率等在内的多项性能试验,并可以通过水侧量 热计法对室内侧空气焓差法的测试结果进行校 核。测试平台原理图如图1所示。 54 制 冷 与 空 调第9卷 图1 测试平台原理图 实测除湿量按下式计算 1 : G= G1 T 1 + 0.045(27 - t)+ 0.022(60 -) (1) 式中:G为名义工况下的实测除湿量(kg/ h) ;G1为 试验持续时间内收集的凝结水量(kg) ;T为试验 记录持续时间 (h) ; t为除湿机进风平均干球温度 ( ) ; 为相对湿度。 相对湿度按下式计算: =1+1 + 1.860 310 - 3 (101.325 - B1 ) (2) 式中:1为实测相对湿度,按实测干球温度平均 值求得;B1为试验期间大气压(kPa)。 调温除湿机的输入功率是通过电参数仪直接 测量,单位输入功率除湿量SM ER(kg/ (hkW) ) 的计算公式如下: SM ER = G/ P(3) 式中:P为除湿机输入功率,包括风机功率(kW)。 被测机组的制冷量是机组在降温除湿工况 下,通过测定被测机组进出口空气的干湿球温度 和空气的流量等参数来确定的。被测机组的制冷 量计算公式如下 3 : Q0= qm(ha1- ha2)/ (1 + dn)Vn(4) 式中:Q0为制冷量(kW) ;qm为空气流量 (m 3/ s) ; ha1为机组进口处空气的焓值(kJ/ kg干空气 ) ; ha2为机 组出口处空气的焓(kJ/ kg干空气 ) ; dn为喷嘴处空气 的含湿量(kg/ kg干空气 ) ; Vn 为喷嘴处空气的比容 (m 3/ kg干空气) 。 2 试验平台总体设计 2. 1 空气温湿度调节与测量 该性能试验平台是建立在恒温恒湿环境基础 之上的,稳定的送风参数是保证机组性能试验结 果准确的关键,空气再处理系统对试验室循环空 气进行相应的热湿处理,以此来保证机组测试时, 空气干球温度和湿球温度达到相应的试验工况要 求。空气再处理系统主要由水冷式冷水机组、 喷 水室、 电加热器、 加湿器、 风机、 变频器及送风孔板 等组成。室内送风温度采用电加热器控制,电加 热器采用分级控制与可调控制相结合的方式:分 级控制通过4组接触器分别控制不同组数的电加 热管,功率分配为2kW ,4kW ,6kW ,6kW ;可调 控制功率为12kW ,采用光电隔离三相交流调压 模块,结合配套的同步变压器实现三相负载电压 从0V到380V的无级可调,最终实现了温度的 无级可调。湿度采用喷水室定露点控制方式。通 过调节喷淋水水温控制喷淋后空气的露点温度实 现送风湿度的控制,同时采用电极式加湿器作为 辅助加湿设备,额定功率为4.431.66kW ,蒸汽 加湿量为5.942.1kg/ h。加湿量由电极加湿器 自带的恒湿器进行控制,加湿过程为等温加湿过 第1期庄克鹏 等:调温除湿机性能试验平台设计55 程;风机风量为12 000m 3/ h。 根据GB/ T177581999的规定,为了测量机 组进出口处的空气温湿度,本试验在室内人工气 候环境中距离被测机组空气入口150mm处及机 组送风管道之后的扩散挡板出口分别放置了典型 空气取样器,其中空气流经湿球温度计的流速控 制在5m/ s左右。取样器得到的空气干球温度和 湿球温度数据分别传送至计算机进行集中处理。 2. 2 空气静压及风量测量 风量测量装置由进风室、 喷嘴、 排风室、 引风 机、 压力变送器及变频器等设备组成,选用1台离 心风机作为被测试机组空气流量的引风机;采用4 个喷嘴,通过调节风机变频器的频率和合理选择 喷嘴数量及尺寸,确保喷嘴喉部的风速在1535 m/ s之间;选用2个压力变送器分别测量喷嘴前后 的压差P和喷嘴前的压力 P2,再根据送风温度, 按下面的公式即可计算出空气流量qm。 通过单个喷嘴的空气流量为 qm= 1.414CiAai(PVn) 0.5 (5) 其中:Vn= 1.013 25Vn / ( 1 + dn)P2(6) 式中:Ci为喷嘴的流量系数;Aai为喷嘴面积 (m 2 ) ; Vn 为在喷嘴进口处的干湿球温度下,标准大气压下空气 的比容 (m 3/ kg干空气) 。 在采用多个喷嘴测量风量时,通过机组的风 量等于各喷嘴风量之和。 2. 3 除湿量及电功率测量 试验持续时间内收集的凝结水量由电子秤测 得,机组的相电流、 电压及输入功率由电参数仪 测量。 2. 4 测量允差 机组试验工况允差按表1的规定。 表1 机组试验工况允差 项 目 试验运行允差 (观察范围) 试验工况允差 干球温度/1.00.3 湿球温度/0.50.2 水温/0.50.2 电压 电流 输入功率 电源频率 2.0% 时间 质量 0.2% 平均值与规定工况的波动值。 3 测试与控制系统 图2 测控原理图 3. 1 硬件设计 试验台测试与控制系统采用西门子S72300系 列PLC与PROFIBUS2DP现场总线技术的分布式 测控系统,系统主要由上位机、 主站和分布式I/ O 从站组成,选用DELL工控机作为系统上位机,选 用西门子公司S72300系列PLC作系统主站,选用 ET200系列分布式I/ O模块作系统从站。风机变 频器通过自带的PROFIBUS2DP接口模块,也可 以直接连接到现场总线,作为系统的一个从站,选 用高精度温湿度传感器和相关的压力传感器检测 相关的数据参数。 上位机通过工业以太网与主站PLC进行数据 交换与指令传递,主站PLC通过PROFIBUS2DP 现场总线技术将分布于各分布式I/ O从站的的设 备控制与状态点温湿度和测力测点连接起来,实 现对测试平台各种设备的启停控制、 状态监控和 温湿度及压力等参数的采集。电参数仪自带RS2 232接口,通过与上位机的RS2232通讯接口形成 串行总线通讯。 3. 2 软件设计 机组性能试验平台软件设计分为主站PLC程 序设计和上位机WinCC6.0组态软件程序设计。 本系统主站PLC程序通过SIMA TIC2300的 配套编程工具STEP7完成硬件组态、 参数设置、 设备启停控制、 温湿度及压力仪表参数采集等程 序的编制、 测试和调试。编制PID程序可以代替 PID数字调节器,根据设定参数和检测到的参数, 56 制 冷 与 空 调第9卷 可以实现对相应设备的闭环控制。试验数据的处 理也是通过主站PLC程序编制计算得到。 上位机程序开发采用西门子公司的工业组态软 件WinCC6.0。WinCC(windows control center ,窗口 控制中心)是西门子公司开发的HMI和数据采集 (SCADA)软件,集成了SCADA ,组态、 脚本(Script) 语言和OPC等先进技术,是目前所有组态软件中功 能比较强大的一个 5 。WinCC610采用了标准的 Microsoft SQL Server2000数据库进行数据归档。 采用VB6.0开发了WinCC对电参数仪串口 设备的数据采集。 试验台上位机监控界面共由5个子界面组成, 分别为:系统登录,系统平台,空气再处理系统,数 据实验,历史数据及报表打印。 4 应用效果 该试验平台自建成后,进行了多次除湿机工 况试验。笔者根据运行效果,不断进行系统优化, 系统的测试精度不断提高,并且根据规定进行了 多次对比试验,证明应用效果良好,完全满足规范 设计要求。表2为对同一台除湿机分别在国家级 空调型式试验室和本试验台的对比试验的部分主 要数据。 5 结束语 依据国家标准规定设计了调温除湿机性能试 验平台,能够满足机组不同工况下性能测试的要 表2 与国家级空调型式试验室对比试验数据 ( CGZ220除湿机) 测试项目 测试数据 国家级试验室本试验平台 差异 / % 名义除湿量/ (kg/ h)19.4219.310.57 输入功率/ kW10.06610.43.32 SM ER/ (kg/ (hkW)1.931.863.63 求,为调温除湿机性能测试提供了全面系统的试 验平台,并且可以取得较为完善而精确的机组性 能参数及状态参数的试验数据,为调温除湿机组 的模拟与研发提供了试验依据。该试验平台测控 系统自动化程度高,测试功能全面,将PROFI2 BUS2DP现场总线技术引进测控系统,不仅使安 装、 调试更加容易,并且提高了系统的稳定性,利 用WinCC6.0组态软件开发了丰富的上位机人机 界面,操作简单方便。 参 考 文 献 1 GB/ T194112003除湿机. 2 朱培根.空气调节.南京:工程兵工程学院,1999. 3 GB/ T177581999单元式空气调节机. 4 李雄林,曹小林,王伟,等.焓差法空调器性能测试平 台的研制.流体机械,2007,35(1 ) : 69273. 5 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅 出西门子WinCC. V6.2版.北京:北京航空航天大 学出版社,2005. (下接第58页) 气动力学的相似换算原理将风机的实测值转化到 转速为960r/ min时的性能值,此时风机实际性能 和设计值能够很好地吻合。所以风机生产厂在设 计风机时必须选择合适的合格电机。 1. 3 试验设备对风机测量的影响 准确的测试数据与科学的测试方法、 精确的测 试仪器是分不开的。这就要求生产厂必须严