论文部分内容阅读
摘 要：当前国内制冷站的工程管理模式主要采用各设备公开招标采购，暖通、机械、电气等各专业工种分别进行安装的形式。由于没有按照整个工程系统来操作，所以造成制冷站占地面积过大，施工质量、设备运行管理以及制冷站的整体性能都不甚理想。文章以实际工程案例的集成式制冷站为研究对象，将制冷站当成一个整体系统来操作。整个制冷站从设计、采购、制造、测试、安装、调试皆由一家单位来主导，系统集成化操作，避免了传统制冷站各工种各自为政，各部件兼容性差而带来的问题，从而提高能源的利用率。
关键词：集成式 制冷站 水力计算 有限元分析
中图分类號：TU243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0092-02
当前在我国中央空调系统的设计及运行管理中，必要的引导和管理有所缺乏，在运行效率方面我国的中央空调系统总体不高，有比较严重的浪费[1]。
1 集成式制冷站的系统设计
1.1 设计参数及安装现场分析
在项目前期，充分地与设计院沟通，从而得到有关制冷站的详细技术要求。查阅该建筑物的土建图纸，以及到现场勘察，熟悉集成式制冷站的安装现场。在充分与设计院沟通后，确定集成式制冷站可安装在该建筑屋顶，施工方会预留安装平台。
1.2 设备的最优选型
在确定了制冷站的设计参数及安装方式后，可绘制出集成式制冷站的系统原理图并对其部件进行选型。集成式制冷站并不是简单地将各部件进行拼装，而是充分考虑设计院的要求和各部件的性能进行选型匹配，以达到整体最优的效果。
（1）冷水机组。采用两台开利高效螺杆机组，该冷水机组在保证高效稳定的前提下，做到了结构紧凑，占地面积较小。
（2）吸入导流器及多功能阀。传统制冷站为保证水泵运行平稳高效以及检修方便，水泵两端需安装过多的系统部件。该项目通过采用吸入导流器及多功能阀的方式，整合传统水泵两端各部件的功能，做到结构简单紧凑，安装方便。
（3）冷却塔。该项目中集成式制冷站安装在屋顶且上面无任何障碍物遮挡，故选择某公司生产的开式冷却塔作为集成式制冷站的冷却系统。
（4）水泵。集成式制冷站可视为模块化产品，充分收集各部件的技术参数，可以比较准确地计算出冷冻、冷却水系统的压降，从而有利于选择出最合适的水泵型号。
1.3 集成式制冷站的技术参数
设计完成集成式制冷站的系统原理图，选定了系统各主要部件的型号及充分考虑设计院的技术要求后，集成式制冷站的相关技术参数也就确定了下来。
2 集成式制冷站的整体结构设计
在完成集成式制冷站系统设计的基础上，利用系统集成化的概念对集成式制冷站进行整体结构设计，主要包括系统部件布局、管道排布、底座及支吊架的设计、模块划分、节能控制系统布置。最后，根据设计结果，利用三维仿真技术对制冷站进行三维模拟和优化，避免各部件之间的碰撞，以达到制冷站布局合理、结构紧凑、占地面积小的目的。
3 集成式制冷站的结构仿真校核
管道支架是集成式制冷站的主要受力部件，故应该对该部件的强度、刚度以及模态进行计算分析，并充分考虑到制冷站将会进行模块化运输，故支架运输过程中的受力情况也要进行计算分析。
3.1 支架的受力分析
（1）建立有限元模型。在建立有限元模型之前，必需对支架的三维模型进行简化，如去除一些装配孔和圆角，因为这些特征对计算结果的影响微乎其微，移除能加快计算速度。
（2）划分网格。将支撑架的三维模型导入到ANSYS中，采用Solid185单元对模型进行网格划分。一般构造三维固体结构采用Solid185单元，通过使用8个节点就可以来定义这个单元，这8各节点每一个都有3个互相垂直方向的自由度，单元具有大变形、大应变、超弹性、蠕变和应力钢化的能力。
（3）载荷边界条件。支架所受最主要的荷载为管路的重量及管路中水的重量以及运输过程中水平方向的加速度。假设管路跟水泵、冷机等部件的连接点是自由的，即管路所有重量都附加在支撑架上，这样便能计算出加载在支架上的力。查阅相关资料，得出运输过程中水平方向的加速度。
（4）位移边界条件。由于支撑架的底部与底板采用螺栓紧固的连接方式，为计算方便，假定支撑架的底脚全部为刚性连接，即支架下端全面约束。
（5）位移边界、载荷的施加及计算。将载荷边界条件和位移边界条件加载到支架有限元模型上并启动计算功能，得出计算结果。
（6）强度刚度评定。根据以上步骤计算结果，支架运输过程中的最大位移量为13.468 mm，所受的最大应力343.075 MPa，满足刚度强度的要求。
3.2 支架的模态分析
根据设计要求，为研究支架的动态性能，以防其自身的固有特征频率与运输过程中的激扰频率及工作频率接近而造成的疲劳破坏，因此需对此管道支架进行模态计算分析，以便求出管道支架的固有频率和振型。此次分析计算了管道支架的前20阶模态，结果良好。
4 集成式制冷站的工厂预制生产及运行结果
集成式制冷站与传统制冷站相比，还有一个大的区别就是可以在工厂内预制生产。集成式制冷站经过优化设计、设备的最优选型、整体结构设计以及受力的仿真校核，已经具备了生产加工的条件。在制造的过程中，可以进一步发现设计时没有考虑周全的地方，为以后完善产品设计提供参考。
在工厂完成预制生产后，可先行对集成式制冷站进行强度试验、严密性试验和运行测试。待制冷站通过这些测试后，将制冷站分模块运输到现场，因为在结构设计时已考虑到模块化安装[2]。这样可以大大减少现场安装及调试时间，避免各专业工种交叉作业，降低施工难度，提高工作质量，从而有利于制冷站的整体性能。
待集成式制冷站正常运行后，可对其运行状态进行监测，得到检测数据后可得出结论运行状况满足制冷站的设计要求。制冷站的检测数据如表1所示。
综上所述，集成式制冷站拥有以下几点优势。
（1）节能高效。系统整体化设计，部件最优化选型，提高系统各部件兼容性，使制冷站整体高效运行。
（2）节省空间。通过三维仿真技术及结构仿真校核，优化制冷站的整体布局，减少安装现场的占地面积和材料的浪费，灵活适应现场安装要求。
（3）缩短安装调试周期。集成式制冷站已在工厂预制生产并通过了相关测试及检测。在现场可快速地完成安装调试工作，避免了传统制冷站交叉施工，调试周期长的问题。
（4）方便维护。通过节能控制系统及智能控制技术实现了自动控制和远程监控，操作简单，及时发现问题，降低系统运行成本和维护难度。
5 结语
该文主要讨论了将制冷站各部件整合起来，当成一个系统性的产品来设计，以达到提高效率、节能减排的目的。采用理论分析、优化设计、仿真计算、测试试验相结合的方法对集成式制冷的可行性进行了讨论，实际应用中效果良好。
参考文献
[1] 马娟丽.中央空调系统的最优化运行[D].西安科技大学，2006.
[2] 杨丹，宗文波，范志远，等.集成制冷站系统集成技术与工程应用[J].暖通空调，2014（3）：89-92.
关键词：集成式 制冷站 水力计算 有限元分析
中图分类號：TU243 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（b）-0092-02
当前在我国中央空调系统的设计及运行管理中，必要的引导和管理有所缺乏，在运行效率方面我国的中央空调系统总体不高，有比较严重的浪费[1]。
1 集成式制冷站的系统设计
1.1 设计参数及安装现场分析
在项目前期，充分地与设计院沟通，从而得到有关制冷站的详细技术要求。查阅该建筑物的土建图纸，以及到现场勘察，熟悉集成式制冷站的安装现场。在充分与设计院沟通后，确定集成式制冷站可安装在该建筑屋顶，施工方会预留安装平台。
1.2 设备的最优选型
在确定了制冷站的设计参数及安装方式后，可绘制出集成式制冷站的系统原理图并对其部件进行选型。集成式制冷站并不是简单地将各部件进行拼装，而是充分考虑设计院的要求和各部件的性能进行选型匹配，以达到整体最优的效果。
（1）冷水机组。采用两台开利高效螺杆机组，该冷水机组在保证高效稳定的前提下，做到了结构紧凑，占地面积较小。
（2）吸入导流器及多功能阀。传统制冷站为保证水泵运行平稳高效以及检修方便，水泵两端需安装过多的系统部件。该项目通过采用吸入导流器及多功能阀的方式，整合传统水泵两端各部件的功能，做到结构简单紧凑，安装方便。
（3）冷却塔。该项目中集成式制冷站安装在屋顶且上面无任何障碍物遮挡，故选择某公司生产的开式冷却塔作为集成式制冷站的冷却系统。
（4）水泵。集成式制冷站可视为模块化产品，充分收集各部件的技术参数，可以比较准确地计算出冷冻、冷却水系统的压降，从而有利于选择出最合适的水泵型号。
1.3 集成式制冷站的技术参数
设计完成集成式制冷站的系统原理图，选定了系统各主要部件的型号及充分考虑设计院的技术要求后，集成式制冷站的相关技术参数也就确定了下来。
2 集成式制冷站的整体结构设计
在完成集成式制冷站系统设计的基础上，利用系统集成化的概念对集成式制冷站进行整体结构设计，主要包括系统部件布局、管道排布、底座及支吊架的设计、模块划分、节能控制系统布置。最后，根据设计结果，利用三维仿真技术对制冷站进行三维模拟和优化，避免各部件之间的碰撞，以达到制冷站布局合理、结构紧凑、占地面积小的目的。
3 集成式制冷站的结构仿真校核
管道支架是集成式制冷站的主要受力部件，故应该对该部件的强度、刚度以及模态进行计算分析，并充分考虑到制冷站将会进行模块化运输，故支架运输过程中的受力情况也要进行计算分析。
3.1 支架的受力分析
（1）建立有限元模型。在建立有限元模型之前，必需对支架的三维模型进行简化，如去除一些装配孔和圆角，因为这些特征对计算结果的影响微乎其微，移除能加快计算速度。
（2）划分网格。将支撑架的三维模型导入到ANSYS中，采用Solid185单元对模型进行网格划分。一般构造三维固体结构采用Solid185单元，通过使用8个节点就可以来定义这个单元，这8各节点每一个都有3个互相垂直方向的自由度，单元具有大变形、大应变、超弹性、蠕变和应力钢化的能力。
（3）载荷边界条件。支架所受最主要的荷载为管路的重量及管路中水的重量以及运输过程中水平方向的加速度。假设管路跟水泵、冷机等部件的连接点是自由的，即管路所有重量都附加在支撑架上，这样便能计算出加载在支架上的力。查阅相关资料，得出运输过程中水平方向的加速度。
（4）位移边界条件。由于支撑架的底部与底板采用螺栓紧固的连接方式，为计算方便，假定支撑架的底脚全部为刚性连接，即支架下端全面约束。
（5）位移边界、载荷的施加及计算。将载荷边界条件和位移边界条件加载到支架有限元模型上并启动计算功能，得出计算结果。
（6）强度刚度评定。根据以上步骤计算结果，支架运输过程中的最大位移量为13.468 mm，所受的最大应力343.075 MPa，满足刚度强度的要求。
3.2 支架的模态分析
根据设计要求，为研究支架的动态性能，以防其自身的固有特征频率与运输过程中的激扰频率及工作频率接近而造成的疲劳破坏，因此需对此管道支架进行模态计算分析，以便求出管道支架的固有频率和振型。此次分析计算了管道支架的前20阶模态，结果良好。
4 集成式制冷站的工厂预制生产及运行结果
集成式制冷站与传统制冷站相比，还有一个大的区别就是可以在工厂内预制生产。集成式制冷站经过优化设计、设备的最优选型、整体结构设计以及受力的仿真校核，已经具备了生产加工的条件。在制造的过程中，可以进一步发现设计时没有考虑周全的地方，为以后完善产品设计提供参考。
在工厂完成预制生产后，可先行对集成式制冷站进行强度试验、严密性试验和运行测试。待制冷站通过这些测试后，将制冷站分模块运输到现场，因为在结构设计时已考虑到模块化安装[2]。这样可以大大减少现场安装及调试时间，避免各专业工种交叉作业，降低施工难度，提高工作质量，从而有利于制冷站的整体性能。
待集成式制冷站正常运行后，可对其运行状态进行监测，得到检测数据后可得出结论运行状况满足制冷站的设计要求。制冷站的检测数据如表1所示。
综上所述，集成式制冷站拥有以下几点优势。
（1）节能高效。系统整体化设计，部件最优化选型，提高系统各部件兼容性，使制冷站整体高效运行。
（2）节省空间。通过三维仿真技术及结构仿真校核，优化制冷站的整体布局，减少安装现场的占地面积和材料的浪费，灵活适应现场安装要求。
（3）缩短安装调试周期。集成式制冷站已在工厂预制生产并通过了相关测试及检测。在现场可快速地完成安装调试工作，避免了传统制冷站交叉施工，调试周期长的问题。
（4）方便维护。通过节能控制系统及智能控制技术实现了自动控制和远程监控，操作简单，及时发现问题，降低系统运行成本和维护难度。
5 结语
该文主要讨论了将制冷站各部件整合起来，当成一个系统性的产品来设计，以达到提高效率、节能减排的目的。采用理论分析、优化设计、仿真计算、测试试验相结合的方法对集成式制冷的可行性进行了讨论，实际应用中效果良好。
参考文献
[1] 马娟丽.中央空调系统的最优化运行[D].西安科技大学，2006.
[2] 杨丹，宗文波，范志远，等.集成制冷站系统集成技术与工程应用[J].暖通空调，2014（3）：89-92.