简析高能效离心式冷水机组设计

简析高能效离心式冷水机组设计

孙为刚

身份证号：32092519821225xxxx510530

摘要：制冷空调已经日益成为普及性应用的产品。据初步估计，目前有超过15%的世界生产的电能用于制冷空调设备。在我国，国民经济高速发展已经使我国成为了世界排名第二的能耗大国。制冷空调产品更是消耗了约20%的电能。冷水机组作为最主要的空调产品，其能耗占空调系统总能耗的60%-70%，其效率的提高对实现节能降耗尤为重要，基于此，本文就高能效离心式冷水机组的设计要点进行简要分析探讨。

关键词：高能效；离心式；冷水机组设计

1.离心式冷水机组原理及特点

离心式冷水机组是利用电作为动力源，氟利昂制冷剂在蒸发器内蒸发吸收载冷剂水的热量进行制冷，蒸发吸热后的氟利昂湿蒸汽被压缩机压缩成高温高压气体，经水冷冷凝器冷凝后变成液体，经膨胀阀节流进入蒸发器再循环。从而制取7℃-12℃冷冻水供空调末端空气调节。离心式冷水机组的特点如下：①采用两组后倾式全封闭铝合金叶轮的制冷压缩机。②半封闭电机：以液态冷媒冷却，恒温高效。③运动部件少，故障率低，可靠性高。④性能系数值高，一般在6.1以上。15%-100%负荷运行可实现无级调节，节能效果更加明显。

2.离心式冷水机组的应用现状

离心式冷水机组是大、中型空调工程中应用得最多的机型，尤其是单机制冷量在1000kW以上时，设计时宜选用离心式机组。离心式冷水机组单机容量大、COP值高、重量轻、占地面积小。由于制冷剂中不混有润滑油，蒸发器和冷凝器中不存在油膜影响，传热性能好，能量调节方便，大多是离心式冷水机组可以在15%-100%的范围内能较经济地实现无级调节，部分采用多级压缩的离心式冷水机组还可以改善低负荷时的喘振现象。但离心式冷水机组对材料强度、加工精度和制造质量要求严格。当运行工况偏离设计工况时效率下降较快，而且单级压缩机在低负荷下容易发生喘振，产生能耗问题，这对于我国当前节能能源且走可持续发展道路是相悖的，所以本文分析了一种高能效离心式冷水机组。

3.高能效离心式冷水机组设计分析

在空调领域，由于压力增高较少，一般都是采用单级压缩，随着高效离心机组的推广，两级压缩离心机在大型中央空调领域的应用越来越广泛。两级压缩离心式冷水机组系统主要由四大部件组成：离心式压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置，系统整体示意图如下图1所示。这种离心式冷水机组的高能效主要体现在以下几个方面：

图1

3.1平面多级射流配液技术

为进一步提高机组换热性能，采用降膜式蒸发器，在蒸发器筒体顶部设计具有平面多方向性射流配液功能的布液器。布液器将节流后的气液两相制冷剂从蒸发器长度和宽度方向均匀分配，液滴均匀滴落在蒸发管上并能够立即平铺，有良好的表面润湿能力和成膜能力。同时，经布液器分配的液态制冷剂，须以较低的速度滴落到蒸发管上，避免造成飞溅。因为飞溅的液滴可能随气流吸入压缩机造成湿压缩，引起机组电流的剧烈波动甚至喘振；同时大量的液滴飞溅会造成蒸发器底部蒸发管的干烧，影响换热性能。

3.2增效两级压缩技术

两级离心式压缩机的构件主要包括前后两级叶轮、扩压器、弯道、回流器和蜗壳。对于离心式压缩机而言，叶轮是主要部件，通过叶轮对制冷剂气体做功，使气体获得速度和能量。本样机叶轮采用后弯叶片式叶轮，叶轮的叶道较长，叶片弯曲度较小，叶道截面积逐渐增大，气体在叶道内流动时不容易产生边界层的分离，可以减少叶轮内的气体流动损失，从而提高压缩机的效率。扩压器主要实现气体能量形式的转换，从叶轮出来的具有较大速度的气体进入扩压器后流速减小，动能有效地转换为压力能。从扩压器出来的气体经弯道和回流器进入第二级压缩区，经后级叶轮压缩后，气体压力进一步提高，高压气体汇集到蜗壳内，通过排气口排出，完成整个压缩过程。

在这个两级压缩制冷循环中，第一阶段的压缩过程是将来自蒸发器的低压制冷剂蒸气带入前级叶轮工作区，气体在前级叶轮驱动下做离心运动，气流速度和压力得到提升。这部分经初级压缩的气体与来自经济器的闪蒸气体进行中间冷却过程，液体制冷剂回到蒸发器，气体进入第二级压缩区。第二级压缩区的制冷剂流量因加入了中间经济器产生的闪蒸气体而大于低压级的制冷剂流量，相比于单级压缩而言可以产生更大的制冷量。同时经前级压缩的制冷剂气体在进入下一级压缩前经过了中间冷却过程，即将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气后再进入下级压缩，可以使压缩机的耗功输出减小。由于以上两方面的优化，机组能效比会有明显提升。

3.3多重防喘振技术

喘振是离心式压缩机所固有的特性，当负荷喘振会使压缩机性能严重恶化，气流参数（如流量、压力）出现周期性脉动，噪声加剧，整个机器强烈振动，可能损坏机器的轴承和密封，甚至造成严重的事故。所以在实际操作中必须采用防喘振控制和安全保护措施，使压缩机工作在稳定的工作区。可见防止喘振是确保离心式压缩机正常工作的关键。

而采用可调节的扩压器可以有效防止喘振发生。从流体动力学的角度分析，流道内的气体流量过小引发喘振的主要原因是流量过小会使叶道进口的气流方向与叶片进口角度很不一致，冲角大大增加，在非工作面引起流道内气流边界层严重分离。流量变化时，如果能够相应改变扩压器流道的进口几何角，以适应变化的工况，使冲角不是很大，就可以使压缩机的性能曲线向小流量区大幅度移动，扩大稳定工况的运行范围，从而达到防止喘振的目的。

同时，还可以采用可调节扩压器，根据压缩机进气导叶的开度控制扩压器的开度，保证压缩机在各种负荷工况下的稳定运行。机组通过配置热气旁通阀也可以有效防止喘振的发生。从喘振产生的机制看，在离心式冷水机组中压比和负荷是影响喘振的两大因素，当负荷越来越小，小到某一极限点时会发生喘振；当压比大到某一极限点时也会发生喘振。通过监测机组蒸发压力、冷凝压力和压比的变化情况，控制热气旁通阀的开启或关闭，可以达到预防喘振的目的。

另外，设计中从冷凝器连接一根管到蒸发器，当运行点达到喘振保护点而未达到喘振点时，通过控制系统打开热气旁通阀，将冷凝器的热气排到蒸发器，减小系统压差，降低压比，既能够有效防止喘振的发生，也有利于提高机组的制冷量。

结束语：总之，当前随着国民经济发展和工业化程度的不断深入，我国面临的资源和能源瓶颈问题越来越突出，提高资源利用率、加快发展可再生能源成为节能领域的重要课题。为此，本文从平面多级射流配液技术、增效两级压缩技术以及多重防喘振技术三个方面分析了一种高能效离心式冷水机组的设计，以期为冷水机组在节能、稳定和高效方面提供一点参考意见。

参考文献：

[1]李燕.离心式冷水机组变频调速的节能效果研究[J].科技与企业.2015.

[2]王顶东，曹成林.双压缩机离心式冷水机组的高效设计方案探讨[J].制冷与空调.2017.