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摘 要：针对冷水机组的应用现状，结合高等学校冷水机组的教学实训情况，开发了一套教学与工程并用的冷水机组性能测试实验台，对设备进行性能检测，在计算机控制下实现数据采集与输出，绘制出压缩机性能检测曲线与冷水机组在不同工况下的性能曲线，可提升学生对冷水机组性能指标计算和热力过程分析的理解，对企业职工培训、高校专业实训教学和教学科研有很大的促进作用。
关键词：冷水机组;软件测试;性能曲线;数据采集
0 引言
当前，随着我国经济的高速增长和人们生活水平的不断提高，中央空调的应用越来越广泛，成为商用建筑物的基本配套设施。其中，中央空调水机中冷水机组的选用，直接影响中央空调的制冷效果、使用寿命和工作效率，进而影响整个中央空调的工作性能。冷水机组各项参数的检测对于改善工作性能，提高制冷效率有着重要意义，是衡量冷水机组带负荷运转能力的重要标志，是产品出厂检验、质量抽检不可缺少的环节，也是高校开展专业教学时不可缺少的教學内容。鉴于此，结合企业应用情况和专业的实训教学情况，尝试开发了一套适合企业实际应用和教学实训使用的冷水机组性能检测设备[1]。
1 冷水机组及其性能测试实验台的应用现状
1.1 活塞式冷水机组和螺杆式冷水机组的应用现状
常用的冷水机组分为活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组和离心式冷水机组，大中型机组常用螺杆式压缩机，小型机组多用活塞式压缩机。活塞式冷水机组对变工况运行具有较好的适应性，对气体带液运行不敏感，并且运转时力矩变化小，动力平衡性好。螺杆式冷水机组易损件少、振动小、噪声低、运行寿命长、可靠性高，滑阀还可以实现无级调节，比起活塞式压缩机的能量调节方式更具优越性。近年来，随着机械生产能力的提高，螺杆式冷水机组应用越来越广泛，从性能比较上看，螺杆式冷水机组的耗功较活塞式的小，CUP值比活塞式的高，因而其性能也较活塞式冷水机组优良。
1.2 溴化锂吸收式冷水机组与离心式冷水机组的应用现状
溴化锂吸收式冷水机组也有许多独特的优点，近年发展十分迅速，特别是在水机中应用广泛。我国的溴化锂机组产品的制造水平和产量位居世界前列。直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的一次能效普遍高于其他类型的热水机组，以一台3 200 kW的冷水机组为例，国产离心式冷水机组耗电量为900 kW，而溴化锂吸收式冷水机组除功率较小的屏蔽泵以外，没有其他运动部件，仅耗电20 kW，可节电880 kW[2]，所以溴化锂吸收式制冷机的应用可以缓解电力的紧缺，平衡冬夏电力负荷，具有现实意义。离心式冷水机组的运行寿命长，机组冷量大，大大高于其他类型机组，在一些石油化工企业更具优越性。
冷水机组各具特点，就当前性能检测来看，活塞式冷水机组应用更加广泛，在实验检测方面，主要应用动力学计算软件、热力学和冷水机组工作过程模拟软件等检测手段，目的是提高冷水机组的产品性能。因此，检测手段多样化，积极开发适合高校和企业使用的冷水机组综合性能测试实验台具有重要意义。
2 高校冷水机组性能测试实验台现状分析
当前，性能测试实验台的创新趋势主要体现在制冷量优化、效率提高与节能、应用范围拓宽、结构优化、环境保护和自动控制等方面[3]，这些方面的发展与突破给冷水机组教学实验台的开发提供了方向。高校的性能测试实验台一般是从生产企业买入，存在交互性差、基础理论研究作用不强、产品的二次技术开发能力低等缺点，工艺装备和实验手段有限制、实训台更新不及时，与企业应用的冷水机组检测实验台还存在一定差距。但冷水机组性能检测在提升产品质量、专业教学和技能训练方面都很重要，所以，高校自己动手开发冷水机组性能检测实验台对提升企业产品合格率、产学研的广泛开展都具有深远影响。
3 活塞式冷水机组性能检测实验台的研制
3.1 实验台的开发思路
开发的实验台主要包括：冷水机组、冷凝器冷却水系统、蒸发器冷媒水系统、测量参数系统及数据采集系统。在典型测点处安装压力传感器和温度传感器，利用微机的测试软件对冷水机组参数进行实时动态采集，包括压力、温度、流量等瞬态信号，经桥式整流后通过动态应变仪放大，经过控制器转换为数值量送到计算机，经计算机的测试软件处理后得到冷水机组工作过程的有关数据。这些检测点通过数据卡进行数据采集，可利用计算机可视化界面实现人机交互、远程控制。开发思路如图1所示。
3.2 冷水机组性能测试
冷水机组实验台由活塞式压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、循环水泵、水温控制器、冷凝器冷却水系统、蒸发器冷媒水系统组成，参数测量系统由温度传感器、压力传感器、流量计等测量仪器组成，开发系统图如图2所示。冷水机组包括冷媒水系统测试和冷却水系统测试，每个系统参数均通过传感器进行传输，并通过参数的设置来控制冷水机组的能量调节。实验台通过设置不同的冷媒水和冷却水的温度、流量、压力得到冷水机组不同的工况，分别通过调节恒温器中的传感器进行控制。冷水机组的输入功率通过电流表和电压表测得，制冷量通过蒸发器冷媒水的进出口温度和流量计的流量得出，冷凝器放热量可通过冷却水进出口温度及流量计算。为了便于实时监控，在系统中加入了温度测点和压力测点，可以使学生更加深入地掌握冷水机组的工作过程。通过该教学实验台不仅可以进行冷水机组的运行特性研究、工作过程实时控制，还可以开展冷水机组的数据采集、测试诊断和运用测试软件进行远程控制系统开发。此外，还可以测试冷水机组产品在实际工况下的性能参数，根据计算机绘制的性能曲线对比产品性能，提升冷水机组产品开发的成功率[4]。
3.3 压缩机性能检测 压缩机是冷水机组内部的重要部件，压缩机性能检测可以确定压缩机的理论输气量、输入功率、容积效率、转速等参数，实验台包括活塞式制冷压缩机、压缩机电机及测试系统，辅助以温度、压力、流量等传感器和计算机搭建的测试实验台，测试系统包括应变式压力传感器、磁脉冲式传感器、818HD型PLC控制器、动态应变仪等。压缩机性能检测系统如图3所示，采用2AZ100系列制冷压缩机，制冷剂采用R410A，压缩机吸排气阀门处安装压力传感器及压力表，联轴器安装磁力脉冲传感器。利用测试软件对活塞式压缩机参数进行实时动态采集，经计算处理得到展开的和封闭的示功图，从而获得其平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。
3.4 实验数据采集
测试软件采用WinXP平台下的Visual Basic语言编写，由PLC控制器进行数据采集与转换，由ACCESS数据库软件进行数据库的存储与组织，运用MODBUS通信进行数据传输，可实现对冷却水进出口温度、冷媒水进出口温度、冷却水流量、冷媒水流量、功率、制冷量的实时监测，还可以下载App进行远程控制。实验台以25 min的测量周期对冷水机组的数据进行采集，采样后的数据以图形的形式显示，可以进行冷水机组制冷量的计算，也可以远程对机组进行参数的设定、机组开启和关闭等。
为了方便对机组检测数据的测定，计算机对以上参数进行保存，并具备打印功能。软件的测试界面提供了主界面、性能曲线界面、参数计算界面等，可以直观地表现冷水机组运转过程的性能参数与性能曲线[5]，如图4所示。冷水机组压缩机为2AZ100系列压缩机，缸径D=100 mm，活塞行程70 mm，轴功率标准工况8.12 kW，转速n=1 960 r/min，标准制冷量26.7 kW，电压380 V，电机功率15 kW。压缩机性能检测与冷水机组性能检测二者可同时实现，压缩机性能测试曲线如图5所示，冷水机组综合性能测试实验台的运行记录如图6所示。
实验测试过程方便快捷、准确，实验台采用高精度的温度压力控制器、压差变送器，测量的温度值、压力值可以准确转换，提高了压缩机和冷水机组产品测试的准确性与可靠性;818HD型PLC控制器采用Visual Basic语言进行编程，学生在自主条件下可以完成;整个实验装置采用一体化操控界面，可以實现对设备组件参数的实时监控;实验台的曲线界面增设了实时曲线测定界面、历史曲线测定界面以便用户查阅使用;冷却水性能曲线可方便操作者对系统运行情况展开全面研究，为冷水机组的产品数据分析提供了依据[6]。
4 结语
冷水机组综合性能测试实验台的研制可以满足企业检测需要和专业教学要求，还可以进行多项冷水机组实验项目的技能训练，综合性和交互性强;可应用于冷水机组产品的检验，真正实现专业教学、科学研究、对外服务的一体化。实验台的开发过程充分考虑了专业实训教学和企业产品测试的需要，及时更新了企业数据，弥补了高校现行冷水机组实训设备的不足，能够对高等院校技能人才和企业工程技术人员的培养起到关键作用。
[参考文献]
[1] 谢治祥，周详，刘光远.空调换热设备综合实验装置的研究与建设[J].实验室研究与探索，2007，26（2）：18-20.
[2] 曲云霞，杨勇，李爱景.水源热泵机组变工况性能的实验研究[J].山东建筑大学学报，2007，22（3）：222-225.
[3] 刘孝刚.三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件开发[J].船舶职业教育，2013，1（2）：17-20.
[4] 王恕清，张昕，许立华，等.不同冷却方式制冷系统的热点问题分析[J].制冷与空调，2020，20（6）：84-89.
[5] 蔡亮，张小松，李舒宏，等.多功能开放式空调创新平台建设[J].实验技术与管理，2006，23（5）：49-52.
[6] 赵军朋，张薇，王智忠，等.空调压缩机制冷量测量及其不确定度分析[J].压缩机技术，2004（2）：5-6.
收稿日期：2021-06-02
作者简介：刘孝刚（1978—），男，黑龙江海林人，硕士，副教授，专业负责人，研究方向：热能与动力工程。
关键词：冷水机组;软件测试;性能曲线;数据采集
0 引言
当前，随着我国经济的高速增长和人们生活水平的不断提高，中央空调的应用越来越广泛，成为商用建筑物的基本配套设施。其中，中央空调水机中冷水机组的选用，直接影响中央空调的制冷效果、使用寿命和工作效率，进而影响整个中央空调的工作性能。冷水机组各项参数的检测对于改善工作性能，提高制冷效率有着重要意义，是衡量冷水机组带负荷运转能力的重要标志，是产品出厂检验、质量抽检不可缺少的环节，也是高校开展专业教学时不可缺少的教學内容。鉴于此，结合企业应用情况和专业的实训教学情况，尝试开发了一套适合企业实际应用和教学实训使用的冷水机组性能检测设备[1]。
1 冷水机组及其性能测试实验台的应用现状
1.1 活塞式冷水机组和螺杆式冷水机组的应用现状
常用的冷水机组分为活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组和离心式冷水机组，大中型机组常用螺杆式压缩机，小型机组多用活塞式压缩机。活塞式冷水机组对变工况运行具有较好的适应性，对气体带液运行不敏感，并且运转时力矩变化小，动力平衡性好。螺杆式冷水机组易损件少、振动小、噪声低、运行寿命长、可靠性高，滑阀还可以实现无级调节，比起活塞式压缩机的能量调节方式更具优越性。近年来，随着机械生产能力的提高，螺杆式冷水机组应用越来越广泛，从性能比较上看，螺杆式冷水机组的耗功较活塞式的小，CUP值比活塞式的高，因而其性能也较活塞式冷水机组优良。
1.2 溴化锂吸收式冷水机组与离心式冷水机组的应用现状
溴化锂吸收式冷水机组也有许多独特的优点，近年发展十分迅速，特别是在水机中应用广泛。我国的溴化锂机组产品的制造水平和产量位居世界前列。直燃型溴化锂吸收式冷热水机组的一次能效普遍高于其他类型的热水机组，以一台3 200 kW的冷水机组为例，国产离心式冷水机组耗电量为900 kW，而溴化锂吸收式冷水机组除功率较小的屏蔽泵以外，没有其他运动部件，仅耗电20 kW，可节电880 kW[2]，所以溴化锂吸收式制冷机的应用可以缓解电力的紧缺，平衡冬夏电力负荷，具有现实意义。离心式冷水机组的运行寿命长，机组冷量大，大大高于其他类型机组，在一些石油化工企业更具优越性。
冷水机组各具特点，就当前性能检测来看，活塞式冷水机组应用更加广泛，在实验检测方面，主要应用动力学计算软件、热力学和冷水机组工作过程模拟软件等检测手段，目的是提高冷水机组的产品性能。因此，检测手段多样化，积极开发适合高校和企业使用的冷水机组综合性能测试实验台具有重要意义。
2 高校冷水机组性能测试实验台现状分析
当前，性能测试实验台的创新趋势主要体现在制冷量优化、效率提高与节能、应用范围拓宽、结构优化、环境保护和自动控制等方面[3]，这些方面的发展与突破给冷水机组教学实验台的开发提供了方向。高校的性能测试实验台一般是从生产企业买入，存在交互性差、基础理论研究作用不强、产品的二次技术开发能力低等缺点，工艺装备和实验手段有限制、实训台更新不及时，与企业应用的冷水机组检测实验台还存在一定差距。但冷水机组性能检测在提升产品质量、专业教学和技能训练方面都很重要，所以，高校自己动手开发冷水机组性能检测实验台对提升企业产品合格率、产学研的广泛开展都具有深远影响。
3 活塞式冷水机组性能检测实验台的研制
3.1 实验台的开发思路
开发的实验台主要包括：冷水机组、冷凝器冷却水系统、蒸发器冷媒水系统、测量参数系统及数据采集系统。在典型测点处安装压力传感器和温度传感器，利用微机的测试软件对冷水机组参数进行实时动态采集，包括压力、温度、流量等瞬态信号，经桥式整流后通过动态应变仪放大，经过控制器转换为数值量送到计算机，经计算机的测试软件处理后得到冷水机组工作过程的有关数据。这些检测点通过数据卡进行数据采集，可利用计算机可视化界面实现人机交互、远程控制。开发思路如图1所示。
3.2 冷水机组性能测试
冷水机组实验台由活塞式压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、循环水泵、水温控制器、冷凝器冷却水系统、蒸发器冷媒水系统组成，参数测量系统由温度传感器、压力传感器、流量计等测量仪器组成，开发系统图如图2所示。冷水机组包括冷媒水系统测试和冷却水系统测试，每个系统参数均通过传感器进行传输，并通过参数的设置来控制冷水机组的能量调节。实验台通过设置不同的冷媒水和冷却水的温度、流量、压力得到冷水机组不同的工况，分别通过调节恒温器中的传感器进行控制。冷水机组的输入功率通过电流表和电压表测得，制冷量通过蒸发器冷媒水的进出口温度和流量计的流量得出，冷凝器放热量可通过冷却水进出口温度及流量计算。为了便于实时监控，在系统中加入了温度测点和压力测点，可以使学生更加深入地掌握冷水机组的工作过程。通过该教学实验台不仅可以进行冷水机组的运行特性研究、工作过程实时控制，还可以开展冷水机组的数据采集、测试诊断和运用测试软件进行远程控制系统开发。此外，还可以测试冷水机组产品在实际工况下的性能参数，根据计算机绘制的性能曲线对比产品性能，提升冷水机组产品开发的成功率[4]。
3.3 压缩机性能检测 压缩机是冷水机组内部的重要部件，压缩机性能检测可以确定压缩机的理论输气量、输入功率、容积效率、转速等参数，实验台包括活塞式制冷压缩机、压缩机电机及测试系统，辅助以温度、压力、流量等传感器和计算机搭建的测试实验台，测试系统包括应变式压力传感器、磁脉冲式传感器、818HD型PLC控制器、动态应变仪等。压缩机性能检测系统如图3所示，采用2AZ100系列制冷压缩机，制冷剂采用R410A，压缩机吸排气阀门处安装压力传感器及压力表，联轴器安装磁力脉冲传感器。利用测试软件对活塞式压缩机参数进行实时动态采集，经计算处理得到展开的和封闭的示功图，从而获得其平均压缩指数、容积效率、指示功、指示功率等性能参数。
3.4 实验数据采集
测试软件采用WinXP平台下的Visual Basic语言编写，由PLC控制器进行数据采集与转换，由ACCESS数据库软件进行数据库的存储与组织，运用MODBUS通信进行数据传输，可实现对冷却水进出口温度、冷媒水进出口温度、冷却水流量、冷媒水流量、功率、制冷量的实时监测，还可以下载App进行远程控制。实验台以25 min的测量周期对冷水机组的数据进行采集，采样后的数据以图形的形式显示，可以进行冷水机组制冷量的计算，也可以远程对机组进行参数的设定、机组开启和关闭等。
为了方便对机组检测数据的测定，计算机对以上参数进行保存，并具备打印功能。软件的测试界面提供了主界面、性能曲线界面、参数计算界面等，可以直观地表现冷水机组运转过程的性能参数与性能曲线[5]，如图4所示。冷水机组压缩机为2AZ100系列压缩机，缸径D=100 mm，活塞行程70 mm，轴功率标准工况8.12 kW，转速n=1 960 r/min，标准制冷量26.7 kW，电压380 V，电机功率15 kW。压缩机性能检测与冷水机组性能检测二者可同时实现，压缩机性能测试曲线如图5所示，冷水机组综合性能测试实验台的运行记录如图6所示。
实验测试过程方便快捷、准确，实验台采用高精度的温度压力控制器、压差变送器，测量的温度值、压力值可以准确转换，提高了压缩机和冷水机组产品测试的准确性与可靠性;818HD型PLC控制器采用Visual Basic语言进行编程，学生在自主条件下可以完成;整个实验装置采用一体化操控界面，可以實现对设备组件参数的实时监控;实验台的曲线界面增设了实时曲线测定界面、历史曲线测定界面以便用户查阅使用;冷却水性能曲线可方便操作者对系统运行情况展开全面研究，为冷水机组的产品数据分析提供了依据[6]。
4 结语
冷水机组综合性能测试实验台的研制可以满足企业检测需要和专业教学要求，还可以进行多项冷水机组实验项目的技能训练，综合性和交互性强;可应用于冷水机组产品的检验，真正实现专业教学、科学研究、对外服务的一体化。实验台的开发过程充分考虑了专业实训教学和企业产品测试的需要，及时更新了企业数据，弥补了高校现行冷水机组实训设备的不足，能够对高等院校技能人才和企业工程技术人员的培养起到关键作用。
[参考文献]
[1] 谢治祥，周详，刘光远.空调换热设备综合实验装置的研究与建设[J].实验室研究与探索，2007，26（2）：18-20.
[2] 曲云霞，杨勇，李爱景.水源热泵机组变工况性能的实验研究[J].山东建筑大学学报，2007，22（3）：222-225.
[3] 刘孝刚.三维实体虚拟仿真环境下压缩机拆装课件开发[J].船舶职业教育，2013，1（2）：17-20.
[4] 王恕清，张昕，许立华，等.不同冷却方式制冷系统的热点问题分析[J].制冷与空调，2020，20（6）：84-89.
[5] 蔡亮，张小松，李舒宏，等.多功能开放式空调创新平台建设[J].实验技术与管理，2006，23（5）：49-52.
[6] 赵军朋，张薇，王智忠，等.空调压缩机制冷量测量及其不确定度分析[J].压缩机技术，2004（2）：5-6.
收稿日期：2021-06-02
作者简介：刘孝刚（1978—），男，黑龙江海林人，硕士，副教授，专业负责人，研究方向：热能与动力工程。