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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)翻譯） 第12頁
機(jī)床冷卻器的容量控制方案和系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究
摘要：在機(jī)械加工行業(yè)中，高度精確的制造只能獲得精確的溫度控制冷卻液（油或水）。穩(wěn)定和先進(jìn)的工作組件的精密機(jī)床工具需要適當(dāng)?shù)睦鋮s。然而，機(jī)床冷卻器所面臨的冷卻溫度控制和戲劇性的變化在于高精度加工中的熱負(fù)荷。本研究的主要目的是評(píng)估的熱氣體的影響，調(diào)節(jié)機(jī)床冷卻系統(tǒng)的控制能力。在這項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)研究都已提出計(jì)劃和控制調(diào)節(jié)容量的控制閥。毛細(xì)管和熱力膨脹的影響隨著不同容量的控制的閥門在環(huán)境試驗(yàn)室已被廣泛研究。冷卻系統(tǒng)的性能和功耗消費(fèi)的測(cè)量分析，已經(jīng)比較出不同的冷卻液溫度調(diào)節(jié)閥的百分比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功耗將減少使用熱氣旁路計(jì)劃控制能力，但整個(gè)系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）會(huì)減少。冷卻液溫度較低，將導(dǎo)致更高的壓縮機(jī)功耗。在進(jìn)行吸氣閥調(diào)節(jié)容量控制在10％-12％的范圍內(nèi)，可以得到不同條件下熱力膨脹閥蒸發(fā)器的負(fù)荷。它還表明，吸氣可以提供足夠的熱力膨脹。閥門調(diào)節(jié)穩(wěn)定的能力和節(jié)能效果已經(jīng)得到確認(rèn)。建議用不同容量的控制冷卻器系統(tǒng)計(jì)劃，不僅不超過逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本效益，而且還可以執(zhí)行節(jié)能和精確的溫度控制和特定的高精度機(jī)床冷卻。
關(guān)鍵詞：機(jī)床冷卻器，熱氣體通過PAS，吸力調(diào)節(jié)，控制能力
1. 引言
在啟閉軸承和齒輪產(chǎn)生的熱量高速加工機(jī)床的情況下，預(yù)熱機(jī)床主軸和主軸從列的中心偏離，從而導(dǎo)致精度差。此外，在機(jī)冷卻器的應(yīng)用中，可能因超過負(fù)荷，加工負(fù)荷或裝卸，周圍的天氣變化或其他因素，會(huì)影響一些控制計(jì)劃可取油（或水）溫度的準(zhǔn)確性。此外，機(jī)冷卻器最好的管理者是冷卻液溫度，所以應(yīng)避免偏離主軸中心線。但是，機(jī)器面臨的冷卻控制溫度和熱負(fù)荷的急劇變化會(huì)影響高精度的加工。容量調(diào)節(jié)可以減少壓縮機(jī)循環(huán)，降低起動(dòng)負(fù)荷，避免溫度波動(dòng)。因此，機(jī)冷卻器適當(dāng)?shù)娜萘靠刂剖潜夭豢缮俚?。高度精確的處理，可以得到如切削油，冷卻液溫度控制，磨油和純凈水。熱氣旁通計(jì)劃是廣泛被接受在小型制冷系統(tǒng)的容量控制。研究蒸汽的容量控制，注入熱氣體至壓縮制冷系統(tǒng)，制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的吸管，這樣可以減少蒸發(fā)器的負(fù)荷。對(duì)比研究還提出了不同系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）和經(jīng)營溫度。此外，還采用了熱氣旁通技術(shù)，以減少容量制冷系統(tǒng)的損耗?；谛阅芊治鰺崃W(xué)第一定律和第二定律的全面討論，提出展示制冷性能在循環(huán)測(cè)試的系統(tǒng)有三個(gè)蒸發(fā)器可以熱氣除霜。它還表明，熱氣體旁路方法提出了更高的制冷能力和甚至循環(huán)溫度波動(dòng)小于它需要的壓縮機(jī)功耗等。用調(diào)查的可行性和通熱氣體性能的方法來延緩熱泵系統(tǒng)結(jié)霜的速度。從結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱氣旁通方法不僅有阻礙霜凍的形成的功能，還有可提高COP的能力。抽吸氣體節(jié)流是另一種能力制冷系統(tǒng)的控制方法。它可以調(diào)整和減少通過壓縮機(jī)的制冷流量。提出了蒸發(fā)壓力的實(shí)驗(yàn)性能在開放式的調(diào)節(jié)閥中運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，蒸發(fā)器壓力調(diào)節(jié)閥方案是可行的。這種方法能改善內(nèi)閣溫度和減少結(jié)霜。此外，熱氣旁通和吸入閥的比較反映了調(diào)節(jié)控制能力是可以變化的。這表明，吸調(diào)方法被證明是更節(jié)能，特別是在低蒸發(fā)器負(fù)載條件的情況下。選型成本效益高的節(jié)流裝置對(duì)制冷系統(tǒng)的控制至關(guān)重要。毛細(xì)管作為一個(gè)小的擴(kuò)展設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于制冷和空調(diào)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，成本低。實(shí)證的相關(guān)性和評(píng)級(jí)圖表明絕熱毛細(xì)管替代制冷劑已經(jīng)研制成功。并且已經(jīng)制定了數(shù)值模型來模擬一個(gè)短暫的恒溫控制的冷卻水蒸發(fā)膨脹閥（TEV）。結(jié)果表明：蒸發(fā)器和TEV系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴TEV的特色和輸入性質(zhì)。在蒸發(fā)器中的突然變化對(duì)性能的影響是不言而喻的。分析表明，突然改變可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至在一段時(shí)間不能穩(wěn)定運(yùn)行。通過使用改進(jìn)的空氣冷水機(jī)組輔助毛細(xì)管，并且有了廣泛的應(yīng)用環(huán)境。在這項(xiàng)研究中，同時(shí)使用熱氣旁通計(jì)劃和吸氣閥調(diào)節(jié)的控制能力進(jìn)行評(píng)估一個(gè)HFC-407C機(jī)床冷卻器的性能。毛細(xì)管和熱力膨脹閥隨著不同容量的控制而改變。冷卻性能和功耗冷卻系統(tǒng)也將被測(cè)量和分析比較，不同的節(jié)流開口比例根據(jù)特定的冷卻水溫度的閥門而確定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以提供有價(jià)值的信息，對(duì)與機(jī)床冷卻器系統(tǒng)，機(jī)床成本效益的高低是最重要的。
2.實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測(cè)試
被廣泛用于防止機(jī)床冷卻器主軸熱變形的溫度已經(jīng)升高。典型機(jī)床冷卻器系統(tǒng)包括壓縮機(jī)，風(fēng)冷翅片式冷凝器，膨脹設(shè)備外殼和線圈冷卻器（蒸發(fā)器）。次要冷凍冷卻劑（水或油）被抽入機(jī)刀具時(shí)冷卻系統(tǒng)降溫，蒸發(fā)器負(fù)荷發(fā)電儲(chǔ)存在水箱加工過程中。機(jī)床冷卻系統(tǒng)的框圖如圖1。
圖1 機(jī)床冷卻系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)設(shè)施用于測(cè)試計(jì)劃和兩個(gè)容量控制方案的比較，即熱氣體通計(jì)劃和吸氣閥調(diào)節(jié)分別控制。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的上部由四個(gè)主要部件（包括壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹裝置和蒸發(fā)器）組成典型的蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)。環(huán)保HFC-407C制冷劑被用來作為工作液。有兩個(gè)分別安裝在節(jié)流裝置，以便比較系統(tǒng)的變化性能。在所有主要入口和出口，截止閥，溫度傳感器和組裝件安裝妥當(dāng)以便于更換部件和測(cè)量。二循環(huán)包括熱氣體通線和容量控制吸氣閥調(diào)節(jié)線的設(shè)計(jì)和調(diào)制一個(gè)PID（比例-積分-微分）控制比例閥。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的下部（見圖1）是冷卻液循環(huán)，產(chǎn)生冷凍水（或冷凍油）從而加工降溫產(chǎn)生的熱量。它由冷卻水箱，水泵，散熱器和硅控整流器（SCR）調(diào)制加熱器?？煽毓柝?fù)載模擬器是用于生成精確的熱負(fù)荷，一般模擬范圍從0千瓦到1千瓦。安裝調(diào)節(jié)閥流量計(jì)以便穩(wěn)定冷卻劑的流速。體積流率在20L / min內(nèi)，設(shè)置相匹配的商業(yè)流量可用機(jī)床冷卻器。冷卻水箱，加熱器和所有管道循環(huán)以及絕緣，熱損失可以忽略。在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試直到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件下，模擬器熱功率計(jì)可以測(cè)量負(fù)載對(duì)應(yīng)在蒸發(fā)器的冷負(fù)荷。這樣可提供精確的冷卻液溫度，控制精度為0.2℃，一個(gè)高品質(zhì)的RTD（PT-100Ω）傳感器與不確定性0.1℃的使用蒸發(fā)器出口。反饋控制通過PID控制器進(jìn)行不斷調(diào)整比例，熱氣旁路閥或吸氣調(diào)節(jié)閥可以在不同的操作模式下進(jìn)行。根據(jù)PID控制算法，我們可以實(shí)現(xiàn)精確的冷卻液溫度控制在固定蒸發(fā)器負(fù)荷下。圖2表示快實(shí)驗(yàn)設(shè)施。
圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)施快照
熱氣旁通回路組成一個(gè)比例閥，這是由一個(gè)PID控制器驅(qū)動(dòng)。它可以提供額外的負(fù)載，從壓縮機(jī)排出線，以彌補(bǔ)減少蒸發(fā)器的負(fù)荷，使冷卻液溫度能保持穩(wěn)定。如果蒸發(fā)器負(fù)荷閥門開啟的百分比下降，就會(huì)增加提供額外的熱氣體，以保持恒定的冷卻劑溫度，反之亦然。一個(gè)測(cè)試長度為1.0毫米毛細(xì)管，我們可以初步研究HFC-407冷卻系統(tǒng)的不確定性，也可以估計(jì)他的最佳性能，所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被記錄在穩(wěn)定狀態(tài)。功耗壓縮機(jī)能衡量一個(gè)具有功率計(jì)滿刻度的0.01％的不確定性。此外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)熱氣旁通閥可以由4-20毫安的Visual Basic編程的PID電流信號(hào)控制器控制。從電腦中比例閥的開度很容易被記錄。性能分析冷卻系統(tǒng)可以收集和比較不同蒸發(fā)器負(fù)荷和冷卻液溫度。控制能力的另一種選擇是吸氣閥調(diào)節(jié)方案，正如圖所示。同一比例閥被安裝在吸線壓縮機(jī)上，當(dāng)蒸發(fā)器負(fù)荷下降時(shí)，開放吸氣閥的百分比將減少，制冷劑質(zhì)量流量下降到一定值以便匹配冷負(fù)荷。不同的節(jié)流裝置，包括毛細(xì)管管和TEV進(jìn)行審查變異散熱時(shí)，功耗表現(xiàn)都能從冷卻系統(tǒng)中看出。此外，控制算法以及PID控制器的吸氣閥調(diào)控能用相同的熱氣體方案。所有的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行都在環(huán)境試驗(yàn)室（圖3所示），以確保環(huán)境條件的影響最小。測(cè)試房間溫度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范范圍從至45℃到0.5℃。不確定性PID控制器的相對(duì)濕度范圍控制從30％-90％RH。鹽水冷卻器是用來提供冷卻效果的，而SCR熱水器則是用來控制相對(duì)濕度環(huán)境試驗(yàn)室的。
圖3 環(huán)境實(shí)驗(yàn)室
3.結(jié)論
為了確定最佳毛細(xì)管長度HFC-407C的冷卻系統(tǒng)，我們應(yīng)該嘗試進(jìn)行固定冷卻液溫度為20℃，精度為0.2℃的條件。（TCW）毛細(xì)管的直徑約為0.75毫米。測(cè)試進(jìn)行中環(huán)境試驗(yàn)室環(huán)境溫度為27℃（CT）。功耗壓縮機(jī)隨長度的增加毛細(xì)管長度也增加（從L=100厘米L為120厘米）。功耗的增加而長度增加從L=120厘米至L=140厘米這樣有不斷冷卻的能力。此后，將毛細(xì)管長度與其他系統(tǒng)相比，固定在L=120厘米的參數(shù)。此外，熱氣體的變化，旁通閥打開壓縮機(jī)功耗的百分比不同的蒸發(fā)器負(fù)載條件下也說明這種情況。隨著蒸發(fā)器負(fù)荷的下降，熱氣旁通閥的比例將增加，這樣能提供裝載保持恒定冷卻液的蒸發(fā)溫度。這將導(dǎo)致功率下降壓縮機(jī)的消費(fèi)或多或少能影響著熱氣體的能力控制方案。
圖4 旁通閥開啟后熱氣體的變化
通閥門開度變化的熱氣體在不同的冷卻液溫度20℃和26℃的比例下，提出了不同的蒸發(fā)器負(fù)荷如圖4。這樣會(huì)導(dǎo)致冷卻液溫度較低（TCW= 20℃）。因?yàn)樵谳^高的壓縮機(jī)功耗的情況下能降低蒸發(fā)溫度。此外，由于蒸發(fā)器負(fù)載降低，不斷的冷卻液溫度將影響著蒸發(fā)負(fù)載。不同的冷卻液溫度下降的趨勢(shì)是類似（TCW=20℃和TCW=26℃）時(shí)的情況。它變得更加明顯，冷卻液溫度較低的情況下，減少冷卻的能力超過了降低功耗消費(fèi)。雖然功耗稍微減少但是由于容量控制，它將從2.1減少到1.0，因?yàn)槔鋮s能力急劇退化。
圖5 旁通閥在不同的冷卻液溫度下熱氣體的變化
圖6 比較在不同的冷卻液溫度下蒸發(fā)器負(fù)荷的變化
圖7描繪了吸氣閥調(diào)節(jié)的變化。電力的消耗和冷卻水溫度將毛細(xì)管作為節(jié)流裝置的管。電源壓縮機(jī)消耗的降低反而使開放吸力調(diào)節(jié)的百分比下降，不斷使蒸發(fā)器得負(fù)荷增加。它還表明，節(jié)能可通過吸調(diào)控能力控制，但它可能會(huì)導(dǎo)致增加冷卻液溫度升高。在進(jìn)行吸氣閥調(diào)節(jié)控制能力時(shí)，可以減少消費(fèi)從3％（在100％開放）至5％不等（在20％的開口），但是不能那么明顯。這些數(shù)據(jù)表明，仍然存在一些限制改善系統(tǒng)的性能，可以用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置。另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行使用TEV的冷卻系統(tǒng)可以改善系統(tǒng)的性能。測(cè)試結(jié)果如圖。所有的工作條件和除了使用TEV參數(shù)都是相同的。節(jié)能10％-12％可以得到不同蒸發(fā)器的負(fù)荷。它似乎在節(jié)能方面因?yàn)椴煌恼{(diào)節(jié)閥開口比例能更好地為TEV控制，比如毛細(xì)管。此外，它可以讓更大范圍的偏差對(duì)冷卻液溫度同時(shí)吸力調(diào)節(jié)，開啟的百分比變得更小（如20％開放的情況下）。
圖7 毛細(xì)管吸閥調(diào)節(jié)的變化
圖8 吸氣閥調(diào)節(jié)與變異功耗的變化
正如圖9所示，不同的吸氣閥開放的百分比不同，吸氣閥的性能在不同的冷卻液調(diào)節(jié)下毛細(xì)管溫度不同。在固定的冷卻液溫度TCW=20℃下，蒸發(fā)器的能力將降低，當(dāng)打開閥門的百分比下降時(shí)，它允許較少量的制冷劑流經(jīng)蒸發(fā)器。趨勢(shì)更加明顯，超過40％急劇上升，這可能造成成為在壓降和非線性特性比例調(diào)節(jié)閥。此外，較低的冷卻液溫度TCW=15℃下將導(dǎo)致較低的冷卻蒸發(fā)器，壓縮機(jī)的功率和更高的能力消費(fèi)。圖10描繪了吸性能調(diào)節(jié)閥在不同的冷卻液溫度與TEV的情況下的發(fā)展趨勢(shì)。減少蒸發(fā)器的能力，可以改善開放的比例。低于40％的情況下使用毛細(xì)管。
圖9 在不同的冷卻液溫度下吸氣閥的調(diào)節(jié)性能變化
圖10 吸氣閥調(diào)節(jié)性能熱力膨脹閥在不同的冷卻液溫度
圖11代表整體性能的變化毛細(xì)管和TEV機(jī)床冷卻系統(tǒng)。雖然可以減少功耗，但是蒸發(fā)器負(fù)荷降低更為顯著，比如有功耗系統(tǒng)的，即使在不同的吸入閥開口比例也不盡相同。然而，下降的制冷量和COP可以提高，特別是在應(yīng)用的TEV的比例低于40％的情況下，因?yàn)門EV可以提供更穩(wěn)定調(diào)控過熱的控制。它還表明隨著吸氣閥調(diào)節(jié)TEV足夠的選擇，可以提供另類選擇穩(wěn)定的能力控制。
圖11 不同節(jié)流裝置下吸氣閥的性能變化
4.結(jié)論
隨著蒸發(fā)器負(fù)荷下降，（1）熱氣旁通閥的比例將增加，提供更裝載保持恒定冷卻液的蒸發(fā)溫度。這將導(dǎo)致功率下降壓縮機(jī)的消費(fèi)或多或少在進(jìn)行熱氣體通過能力控制計(jì)劃。（2）冷卻液溫度下，將導(dǎo)致更高的壓縮機(jī)產(chǎn)生負(fù)荷，因?yàn)檩^低的功耗蒸發(fā)溫度比較低。此外，蒸發(fā)器負(fù)荷跌幅不斷冷卻液溫度的情況下，打開旁通閥的熱氣體的比例將增加，以補(bǔ)償蒸發(fā)器的負(fù)荷。（3）雖然耗電量將略有減少，由于控制能力，整個(gè)系統(tǒng)的性能將急劇退化，從2.1下降到1.0。（4）毛細(xì)管作為節(jié)流設(shè)備，壓縮機(jī)功耗降低反而使開放的吸百分比不斷降低。它也揭示了，節(jié)能可通過吸調(diào)控能力控制計(jì)劃，但它可能會(huì)導(dǎo)致冷卻水溫度的提高。進(jìn)行吸氣閥調(diào)節(jié)容量控制，從3％至5％，但是不能如此的明顯。（5）節(jié)能10％-12％，可以得到不同蒸發(fā)器負(fù)荷，利用吸氣閥調(diào)節(jié)計(jì)劃，可以更好的控制使用TEVTEV，比如毛細(xì)管......（6）從溫度控制的角度來看，這項(xiàng)研究的結(jié)果可以提供有價(jià)值的信息，以確定成本效益的方式的可行性，以便在機(jī)床冷卻器或其它小容量的情況下控制制冷系統(tǒng)。