高能效离心式冷水机组设计与试验研究

高能效离心式冷水机组设计与试验研究

王坚　马国裕　潘祖栋　何跃智　杨松杰　周仁刚

（浙江盾安人工环境股份有限公司）

摘要：为满足大型公共建筑节能降耗的要求，研发一种高能效离心式冷水机组。相对传统离心式冷水机组，该机组主要有３个方面的技术特点：平面多级射流配液技术，增效两级压缩技术，多重防喘振技术。综合以上技术制造一台两级压缩离心式冷水机组样机，并按美国标准和国内行业标准进行型式试验。试验结果表明：采用带经济器的增效两级压缩技术和依靠降膜蒸发器自带布液器的均匀射流配液技术，使机组能效比提升６％～８％，多重防喘振技术能够保证机组的稳定运行。
    关键词：离心式冷水机组；两级压缩；防喘振；性能系数
    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。目前国外离心式压缩机应用于制冷领域的技术已经非常成熟，各主要发达国家都在生产大型离心式冷水机组，采用新技术和新制冷剂，在机组节能、稳定和高效运行方面表现出各自的优势［１－２］。
    国内离心式制冷压缩机的发展相对较晚。我国从１９５８年开始生产离心式制冷压缩机，１９６３年重庆通用机器厂与西安交通大学合作开发了用于纺织厂的Ｒ１１冷水机组，从此开始了离心式制冷压缩机的发展历程［３］。凭借不断的技术引进和开拓创新，国内美的、格力等民族品牌离心机的发展取得了长足发展，国内市场长期被美资四大家垄断的格局被逐渐打破，国内其他品牌离心机发展也拥有了市场空间。
    离心式制冷压缩机的工作原理与容积式制冷压缩机有根本的区别。它不是利用汽缸容积减小的方式提高气体压力，而是依靠动能的变化提升气体压力。离心式压缩机具有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，不断地吸入制冷剂蒸气，叶片带动制冷剂蒸气运动使制冷剂蒸气获得动能，然后把部分动能转化为压力能从而提高气体压力。在空调领域，由于压力增高较少，一般都是采用单级压缩，随着高温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。笔者对两级压缩离心式冷水机组进行设计研究，目的在于解决离心机在大型建筑节能环保领域应用的技术难题。
    １·两级压缩离心式冷水机组设计
    图１给出了两级压缩离心式冷水机组系统示意图。该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。

    
    该机组的主要技术特点如下：
    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。
    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［４］。
    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［５］。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）多重防喘振技术
    喘振是离心式压缩机所固有的特性，当负荷降低，压缩机的排气量小于某一极限点时，压缩机叶轮和扩压器流道内的气体产生严重的气流旋转脱离，使气体流动严重恶化，压缩机出口压力低于冷凝器压力，气流倒流向压缩机，一直到冷凝压力低于排气压力，此时倒流停止，压缩机正常工作，而较低的负荷使压缩机的排量又慢慢减少，气体又发生倒流，如此周而复始，在系统中产生了周期性的气流振荡现象，称之为喘振［５－６］。喘振发生时，制冷剂从冷凝器倒流，经过压缩机回流到蒸发器。制冷剂流回蒸发器后，冷凝压力下降，蒸发压力上升，压比减小，压缩机再次开始按正确方向工作。但是，随着冷凝压力的升高，蒸发压力下降，机组将再次开始喘振。
    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。
    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［７］。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。本文中的两级离心式压缩机采用可调节扩压器，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［７］。本样机在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。
    ２·试验研究及结果讨论
    ２．１　样机简介
    针对以上提出的关于离心式冷水机组设计研究，笔者制作了样机，其机组外观图见图２。在样机中，压缩机采用两级离心式压缩机，蒸发器采用降膜式换热器，冷凝器采用满液式换热器，节流装置采用２个电子膨胀阀，另外系统配置中间经济器。

             
    在整个试验过程中，温度采用ＰＴ１００传感器测量，压力由压力传感器测量，压缩机耗功采用功率表（ＹＯＫＯＧＡＷＡ　ＷＴ１３０）测量。表１给出了测量仪表的不确定度，所有的采集数据通过Ａｇｉｌｅｎｔ　３４９７０Ａ数据采集仪传递到电脑上完成数据收集并显示。

            
    ２．２　试验结果与讨论
    １）工况
    名义制冷工况（中国标准）：冷却进／出水温度３０℃／３５℃，冷冻进／出水温度１２℃／７℃；试验制冷工况（美国标准）：冷却进／出水温度３２℃／３７℃，冷冻进／出水温度１２℃／７℃。
    ２）试验结果
    利用该样机测量了离心式冷水机组在国内行业标准和美国标准名义制冷工况下的性能参数，并以业内通用的美标工况（１２ ℃／７ ℃，３２ ℃／３７℃）下测试的性能数据为依据，对笔者所在公司制造的普通离心式冷水机组和改进后的两级压缩离心式冷水机组进行性能比较。为体现结论的科学性和准确性，普通离心式冷水机组选用与样机具有相同两器换热面积、单级压缩、不带经济器的离心式冷水机组。试验过程中对２台机组在同等工况下各测试了３组数据，测试过程中保证水温、水流量的一致性，并在测试前对实验室仪器设备做了校准。试验结果如表２所示。
 

    ３·结论
    笔者采用比较分析法，通过对设计改进前后２种同型号规格的离心式冷水机组进行性能测试和分析，得出以下结论：
    １）在同等工况条件下，两级压缩离心式冷水机组样机比普通离心式冷水机组制冷量输出平均增加１３３．９　ｋＷ，提高５．１％。说明平面多级射流配液技术对提高蒸发器的换热效率是有利的，同时采用中间经济器补气对提升制冷量是有效的。
    ２）在同等工况条件下，改进后的样机输入功率比同规格的普通离心式冷水机组减小１２．３ｋＷ，节能２．４％。说明两级压缩过程中对制冷剂进行中间冷却对降低机组功耗是有效的。
    ３）改进后的两级压缩离心式冷水机组样机比普通离心式冷水机组性能系数提高了７．７％。说明平面多级射流配液技术、增效两级压缩技术对提升离心式冷水机组的能效是可行的。
参考文献
［１］常嘉琳．国外离心式制冷机的发展概况［Ｊ］．制冷技术，１９９８（１）：３３－４５．
［２］于志强，袁卫星．高转速离心式制冷压缩机研究现状及前景［Ｊ］．制冷与空调，２００５，５（３）：１－３．
［３］周邦宁．空调用离心式制冷机的技术优势与生命力［Ｊ］．制冷技术，１９９７（１）：２３－２７．
［４］徐忠．离心式压缩机原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９０．
［５］吴业正，韩宝琦．制冷原理及设备［Ｍ］．２版．西安：西安交通大学出版社，１９９７．
［６］何灏彦．离心压缩机的喘振成因及防止措施［Ｊ］．化工设计通讯，２００３，２９（４）：４５－４８．
［７］孙国平．离心冷水机组的喘振和热气旁通防喘振控制［Ｊ］．制冷技术，２００１（４）：３６－４１．