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K型热电偶

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K型热电偶AHRI 认证测试解析

来源:www.camelsaust.com作者:发表时间:2019-11-12

    摘要:本文基于 AHRI 标准 551/591-2018(SI)《蒸汽压缩循环冷水和热泵热水机组的性能等级》,对K型热电偶 AHRI 认证的检测仪表和检测设备进行了详细介绍和分析。同时,对K型热电偶 AHRI 认证的测试方法和测试工况进行了解读,为使用者正确理解标准条款、对K型热电偶进行准确的 AHRI 认证提供指导。

    美国空调供热制冷工业协会 (Air-Conditioning, Hea ting & Refrigeration Institute,以下简称 AHRI) 对空调产品的性能认证以其诚信和为客户服务的宗旨已成为在国际上很多地区享有盛名的品牌,相关产品如果没有获得 AHRI空调产品的性能认证,就很难在这些地区销售,冷水机组作为工商业用空调中量大面广的一类产品,是 AHRI 性能认证的重要部分,也是 AHRI 认证管理最成功的认证产品之一。目 前 AHRI 基于标准 550/590-2018(I-P) 《Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Waterheating Packages Using the Vapor Compression Cycle》( 以下简称 550/590 (I-P)-2018) 和 551/591-2018(SI)《Performance Rating of Water-chilling and Heat Pump Water-heating Packages Using the Vapor Compression Cycle》( 以下简称 551/591 (SI)-2018) 对冷水机组进行性能认证,其中,标准 550/590 (I-P)-2018用于针对北美市场 ( 如美国、加拿大、墨西哥等国 ) 冷水机组的性能认证,标准中采用英制单位制,而标准 551/591 (SI)-2018 用于针对其它地区冷水机组的性能认证,标准中采用国际单位制,但随着 AHRI 冷水机组认证的全球化推进,目前拟申请 AHRI 认证的企业可以选择 550/590 (I-P)-2018或 551/591 (SI)-2018 对其冷水机组性能进行认证。AHRI 认证的引入对中国冷水机组产品性能水平的提高起到了重要的促进作用,国内许多企业已申请或正在申请 AHRI冷水机组认证,尽管 AHRI 标准 550/590 (I-P) 和 551/591 (SI) 已对冷水机组性能测试的工况进行了详细的规范和要求,但在 AHRI 冷水机组认证执行过程中,有企业相关人员对标准中的测试条款和要求理解上常出现歧义,导致现场目击检测结果与样机提供的技术参数存在差异,给实际的产品开发能否达到设计要求增加了不确定性,严重时可能对产品做出不合理的判定结论。基于此,本文将主要针对 AHRI 标 准 551/591 (SI) 中K型热电偶的测试设备、测试方法进行详细分析,以帮助使用者更好的理解标准中对测试设备和测试方法的规范和要求,确保检测结果能准确反映产品的真实性能。

    1  空气侧测试描述
    1.1  空气取样装置
    空气取样装置包括取样器、取样耙、隔热软管,取样耙通过隔热软管与取样器连接,每个取样器最多可连接 4 个取样耙,为了按比例将气流分配到各个取样耙,连接至同一个取样器的各隔热软管长度必须相同。取样器内部通常设置2 根温度传感器 ( 通常选用铂电阻温度传感器 ) 以测量被试机的进风干球温度,1 根用于试验测量,1 根用于校核,标准 551/591 (SI)-2018 中并未对两根干球测试温度传感器之间的测试偏差进行规范,目击测试时通常保证其测试偏差在±0.2℃范围内,当被试机制冷量小于等于 703kW 时,干球温度传感器每次测量的进风温度必须控制在其取样器平均干球温度的 ±1.11℃范围内,当被试机制冷量大于 703kW 时,干球温度传感器每次测量的进风温度必须控制在其取样器平均干球温度的 ±2.22℃范围内。对于空气湿球温度有要求的工况,取样器内部还需要设置两根温度传感器以测量湿球,1 根用于试验测量,1 根用于校核,湿球温度传感器每次测量的进风温度必须控制在其取样器平均湿球温度的 ±0.56℃范围内,标准 551/591 (SI)-2018 中并未对 2 根湿球测试温度传感器之间的测试偏差进行规范,目击测试时通常保证其测试偏差在 ±0.1℃范围内。

    取样耙的典型结构如图 1 所 示, 结 构 尺 寸 为 1.2m ×1.2m,也可以使用其它的结构尺寸,但必须保持高度和宽度的比值不超过 2:1。取样耙必须使用不锈钢、塑料或其它适合的、耐用的材料制成,在取样耙主管道两侧上均布有 10~ 20 个分支管,每根分支管上均布有适当数量的取样孔,为保证均匀的气流,每根分支管上由内向外孔径逐渐增大,取样耙上总的取样孔数必须大于 50 个,通过取样孔的平均最小风速应大于等于 0.75m/s,取样孔内平均速度可通过取样器气流面积、取样耙上开孔的面积总和与取样器的平均速度的比例关系进行换算。

 

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    取样耙必须放置在离被试机组 152 ~ 305mm,在最小化对机组损坏的同时,确保取样耙测量到被试机的进风温度而不是被试机周围的温度。同时,取样耙的结构必须至少覆盖冷凝器空气入口高度方向的 80% 和宽度方向的 60%( 对于水平方向较长的盘管 ),或者覆盖冷凝器空气入口宽度方向的80% 和高度方向的 60%( 对于垂直方向较高的盘管 ),如取样耙较大且超出冷凝器空气入口名义迎风面积,则堵住超出冷凝器空气入口迎风面积的所有空气取样孔。当冷凝器迎风面积较大,单个取样耙无法覆盖时,可设置多个取样耙,此时,依据取样耙的结构尺寸,将冷凝器空气入口名义迎风面积划分为多个面积相同的矩形面,每个矩形面的高度和宽度的比值不得超过 2:1( 尽可能与取样耙结构相似 ),每个矩形面积必须在其几何中心布置一个取样耙。当被试机有多个冷凝器进风面时,为了确保所测温度场的一致性,建议布置相应数量的取样器,取样器上连接数量不等的取样耙以实现对冷凝器迎风面积的覆盖,对于底部有进风的被试机,其底部必须布置独立的取样器和取样耙。另外,为了校核取样耙周围环境的温度场,通常在每个取样耙上布置有一个热电偶堆,每个热电偶堆至少包括 16 个热电偶,16 个热电偶均布在取样耙上,热电偶堆的平均温度值必须控制在对应取样器平均干球温度值的 ±0.83℃范围内。

    1.2  试验室温度场要求
    试验室必须设计有足够的空间以保证被试机运行后房间内空气的流通和均匀的空气温度场分布,为了保证测试房间内足够的空气流通,可以使用混合风扇,如果使用混合风扇,风扇必须水平,且远离冷凝器空气吸入口,通常将混合风扇排气方向与冷凝器空气入口设定一个 90°~ 270°的角度,以避免混合风扇排气对冷凝器吸入空气的影响,试验室工况设备的气流设定也要避免冷凝器排风再循环影响冷凝器进风,为了核查冷凝器排出空气流进冷凝盘管再循环,可使用下面的方法:在被试机组空气排出周围安装多个独立的可读热电偶 ( 至少每个取样耙正上方空气排出周围对应布置一个 ),可读热电偶通常置于冷凝排气风扇所在平面之下且位于冷凝盘管顶部的位置,独立热电偶每次测量的温度值必须控制在对应取样器平均干球温度值的 ±2.8℃范围内。

    2  水侧测量描述
    2.1  测试设备要求
    K型热电偶冷凝器侧的换热方式与水冷式冷水机组冷凝侧不同,风冷式冷水机组其冷凝器侧换热量无法进行测量,不能对蒸发器侧换热量进行校核,因此 AHRI 要求对风冷式冷水机组测试时采用并行冗余测试方法 ( 见标准 551/591 (SI)-2018 在附录 C 中 C4.5 节 ),即一套设备用于测试,一套设备用于校验。整机配置两套电功率测量装置 ( 校核电功率测量装置与测试电功率测量装置的偏差必须控制在 ±2%范围以内 ),同时,在蒸发器换热系统配置两套测量系统,包括两台流量计 ( 校核流量计与测试流量计的偏差必须控制在 ±2% 范围以内 )、两根进水温度传感器 ( 校核传感器与测试传感器的偏差必须控制在 ±0.11℃范围以内 )、两根出水温度传感器 ( 校核传感器与测试传感器的偏差必须控制在±0.11℃范围以内 ),流量计可选用质量流量计也可选用体积流量计,当选用体积流量计时,为计算蒸发器侧换热量,需要将体积流量换算为质量流量,此时,需要知道流经流量计水的密度,因此,在体积流量计上游或下游需要布置一个温传感器以测量水温,用于计算水的密度。对于测量水侧压力损失的装置仅需提供一套即可。

    2.2  水压降测试分析
    冷水机组水侧压力损失是冷水机组的一个重要参数,它是由制造商提供给空调系统设计人员作为空调系统水阻力计算的重要依据,因此,AHRI 认证将其列为必测项目之一。标准 551/591 (SI)-2018 在附示 G 中规定冷水机组的水压降通过外部上下游管道的静压来决定,并给出了静压孔测试点的位置,如表 1 所示,静压孔通常布置于连接机组进出水管道的刚性直管段上,并等圆周角均布在统一截面上,静压孔数量至少 3 个,图 2 给出了标准 551/591 (SI)-2018 中3种典型静压孔布置图,图中 Pring 表示静压。需要注意在标准551/591 (SI)-2018 中并没有对静压孔的尺寸进行规范,通常参考 GB/T 18430.1-2007《蒸气压缩循环冷水 ( 热泵 ) 机 组 第 1 部分:工业或商业用及类似用途的冷水 ( 热泵 ) 机组》附录 B 中 B2.1.3 的要求,即静压孔直径取 2 ~ 6mm,与管内壁垂直,内表面应光滑,孔内缘应无毛刺,长度为孔径的两倍以上。

 

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    对于结构尺寸较小的冷水机组,其外接管道与机组的连接容易实现无变径、无弯头连接,同时满足表 1 的要求,但限制,机组与直管段的连接通常要借助变径、弯头等辅件,由此会导致附加的压力损失,因此,要对水侧压降的测试结果进行修正,修正计算公式如下:

 

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    式 (1) 中:f 为直管段摩擦阻力系数 ( 无量纲 ),Re 为管道内流体的雷诺数 ( 无量纲 ),ε 为绝对粗糙度 (m), d 为连接管道的内径 (m);式 (2) 中:hL 为直管段的水阻力(kPa),L 为机组到静压取样孔的长度 (m),V 为管道弯头、收缩管段、扩张管段入口的平均流速 (m/s),g 为重力加速度 9.80665m/s2;式 (3) 中:hm 为变径管和弯头局部阻力(kPa),K 为弯头、收缩管段、扩张管段的局部阻力系数 ( 无量纲 );式 (4) 中:Δpadj 为水侧压力降修正值 (kPa),ρ为水的密度 (kg/m3)。实测水压降减去由式 (4) 计算得到的修正值即为认证要求的水侧压降值。为了减小水侧压力降修正值,通常选用内壁光滑的钢管或塑料管道作为连接管。

    2.3  水侧性能测试分析
    AHRI 标准 551/591 (SI)-2018 在附录 C 中给出了K型热电偶的蒸发器侧性能测试方法,并规定蒸发器侧的净制冷量由进出水的温度、密度、流量以及水的平均比热容确定,其试验方法与 GB/T 10870.1-2014 中液体载冷剂法相似,计算公式如下:

 

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    式中:te 和 tl 分别为蒸发器侧进出水温度 (℃ );Qc 为机组的制冷量 (kW);△ p 为环境空气传入使用侧换热器水侧的热量修正项,厂家一般均对使用侧换热器进行了保温隔热处理,因此,热量修正项△ p 一般可以将其忽略;C 为水的平均比热容 (kJ/(kg·℃ ));ρ 为水的密度 (kg/m3);mv 为水的质量流量 (kg/h)。式 (5) 中水的平均比热容和密度通常将其视为常数,因此,理论上使用侧水流量和进出水温差一旦确定,机组的换热量即可得到。目前,拟申请 AHRI 认证的企业可以选择 550/590 (I-P)-2018 或 551/591 (SI)-2018 对其冷水机组性能进行认证,认证的核心内容主要包括两个工况:一个是标准额定工况;一个是应用额定工况。

    (1)标准额定工况。AHRI 标准 551/591 (SI)-2018 在5.2节和5.4节中给出了K型热电偶的标准额定测试工况,该工况包括 100% 负荷工况和部分负荷测试工况,100% 负荷工况需要测试机组的制冷量、效率和水阻力,部分负荷工况需测试机组的 IPLV 或 NPLV,工况整理如表 2 所示。

 

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    表 2 中明确了 100% 负荷测试工况蒸发器侧按进水和出水温度来进行测试 ( 进出水温差保持 5.00℃ ),风冷冷凝器侧进风干球温度保持 35℃;对于部分负荷工况:蒸发器侧按出水温度和 100% 负荷测试时确定的流量来进行测试,风冷冷凝器侧进风干球温度保持 AHRI 标准 551/591 (SI)-2018中表 3 的规定值。对于不能在标准部分负荷点 ( 除 100%、75%、50% 和 25% 之外的其他部分负荷点 ) 运行的冷水机组,蒸发器侧出水温度仍然为 7.00℃,风冷冷凝器侧进风干球温度按式 (6) 进行计算:

 

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    式中 EDB 表示冷凝器进风干球温度值。目前,AHRI 冷水机组性能测试均需考虑水侧污垢修正温差,标准 551/591 (SI)-2018 在附录 C 中规定:为了模拟污垢对机组性能的影响,蒸发器侧污垢系数的修正温差须从蒸发器出水温度中减去,K型热电偶为风冷冷凝器侧,因此,冷凝器侧不涉及污垢修正。蒸发器侧水侧污垢系数的修正温差计算方法与 GB/T 18430.1-2007 中相同。但值得注意的是:在进行污垢修正计算前,还需要知道各负荷点蒸发器进水温度,标准551/591 (SI)-2018 中给出了各负荷点蒸发器侧出水温度,同时还给出了 100% 负荷点蒸发器侧进水温度,但并没有给出其它部分负荷点蒸发器侧进水温度。因此,在进行污垢修正前需要换算出其他部分负荷点的进水温度。由式 (5) 可以推导出蒸发器侧进水温度 te 的表达式:

 

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    式中:Qc 为 100% 负荷时的制冷量,kW;(Qc×C1) 为使用侧水流量,m3/h;C1 为流量系数,m3/(h·kW);Qp(=(25%~ 100%)Qc) 为各负荷点制冷量,kW。由于部分负荷工况流量与 100% 负荷时流量一致,因此,流量系数 C1 可根据 100% 负荷时进出蒸发器的水温来进行计算,将表 2 中 te=12.00℃,tl=7.00℃代入式 (7) 得:

 

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    由式(8)可知,蒸发器侧流量系数为常数。蒸发器侧流量系数一旦确定,由式(7)即可获得相应的进水温度,根据机组的相关技术参数即可求得模拟水侧污垢系数修正后的水侧修正温差值。

   (2)应用额定工况。AHRI 标准 551/591 (SI)-2018 在5.3 中给出了K型热电偶满负荷和部分负荷应用额定测试工况,如表 3 所示。由表 3 可知,应用额定工况蒸发器侧按进出水温差进行测试,且测试工况范围较大,目前,K型热电偶 AHRI 认证测试时,为方便企业测试,AHRI 均指定采用应用额定工况的 100% 负荷作为认证测试点。

 

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    应用额定工况测试需要注意以下两点:(1)应用额定制冷量与标准额定制冷量是不同的概念,其对应的部分负荷制冷量也不一样。(2)应用额定工况也可能涉及水侧污垢修正,其计算方法与标准额定工况污垢修正计算方法相似,蒸发器侧进出水温度已经给定,蒸发器侧水污垢修正可直接按标准 551/591 (SI)-2018 附录 C 的方法计算即可。

    需要注意的是,经污垢修正后测试得到的机组制冷量必须满足:(1)对于连续卸载机组的制冷量,其 100% 负荷 (包括标准额定工况和应用额定工况 ) 的实测制冷量必须在名义满负荷制冷量的 ±5.16% 以内,对于不能连续卸载机组的制冷量,其 100% 负荷的实测制冷量必须大于等于名义满负荷制冷量的 94.84%。(2)其他部分负荷点的实测制冷量必须在名义满负荷制冷量的 ±2% 以内,并非部分负荷点目标制冷量的 ±2% 以内,其它性能参数要求可参见标准 551/591 (SI)-2018 中表 11 的要求。

    3  性能参数的大气压修正
    考虑到冷凝风机的运行特性会受大气压力的影响,因此,为了确保同一产品性能测试参数的一致性,标准 551/591 (SI)-2018 中规定采用修正因子 CFQ 和 CFη 将K型热电偶的实测性能参数修正至标准大气压下 (101.325kPa),标准551/591 (SI)-2018 中仅给出了标准额定工况点性能参数的大气压修正,应用额定工况点性能参数可采用相同的方法进行修正。制冷量修正系数 DQ 和性能系数修正系数 Dη 以实测大气压的二阶多项式经验公式表述如下:

 

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    式 (11) 和 (12) 中:Qev100% 和 ηtest,100% 分别为机组在100% 负荷点的实测制冷量和性能系数,Qev%Load 为机组在任意部分负荷点的实测制冷量。将式 (11) 和 (12) 计算得到的修正因子 (CFQ 和 CFη) 分别乘以实测制冷量和性能系数即可得到标准大气压下的制冷量和性能系数,修正计算公式如下:

 

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    别表示标准大气压下的制冷量和性能系数,Qtest 和 ηtest 分别表示实际大气压下的制冷量和性能系数。

    4  运行工况的稳态描述
    K型热电偶的测试必须保持在标准 551/591 (SI)-2018 中表 12 规定的允差和稳态要求范围内进行,稳态运行状态至少要保持 15min,且涉及标准偏差的测量参数和测试结果都要满足标准 551/591 (SI)-2018 中第 5.6 条规定的允差条件和稳态要求,如果不在允差条件和测试范围内,则认为工况是不稳定的,测试继续到在允差限和测试范围内为止。为了最小化瞬态条件的影响,所有测试都要尽可能同时进行( 如流量、温度、功率等 ),整个测试过程中的时间采样数据需要使用软件或其他记录方法保存,在同一时间间隔内,每个参数至少记录 30 个数据点,采样数据之间尽量不要有间隔,如有间隔,则数据采样的平均间隔不允许超过整个测试时间的 1/60。K型热电偶的测量值包括温度 ( 包括水温和环温 )、流量、压差、功率、电压、电流、频率、功率因素和大气压,计算每个值的平均值和标准偏差,且结果必须满足标准 551/591 (SI)-2018 中表 12 规定要求,测试结果包括净制冷量、能效和水压降,使用测量值的平均值计算测试结果,制冷量可以采用每个测点计算以方便试验台控制,但制冷量的最终结果需要用所有测量结果的平均值计算。

    5  结语
    详细解读了 AHRI K型热电偶空气侧和水侧在测试过程中的注意事项,同时对K型热电偶在标准额定工况和应用额定工况时的性能测试方法进行了详细解析,并推导了水侧污垢修正时用于计算部分负荷点蒸发器侧进水温度的计算公式和相应的流量系数计算公式。