離心式冷水機(jī)組的結(jié)構(gòu)及原理

目前，用于中央空調(diào)的離心式冷水機(jī)組，主要由離心制冷壓縮機(jī)、主電動(dòng)機(jī)、蒸發(fā)器（滿液式臥式殼管式）、冷凝器（水冷式滿液式臥式殼管式）、節(jié)流裝置、壓縮機(jī)入口能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、抽氣回收裝置、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置、主電動(dòng)機(jī)噴液蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、油回收裝置及微電腦控制系統(tǒng)等組成，并共用底座。

1．離心式冷水機(jī)組特點(diǎn)

離心式冷水機(jī)組屬大冷量的冷水機(jī)組，它有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）       壓縮機(jī)輸氣量大，單機(jī)制冷量大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，單位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式機(jī)組輕80％以上，占地面積?。?/span>

（2）       性能系數(shù)高；

（3）       葉輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)小，噪聲較低；

（4）       調(diào)節(jié)方便，在較大的冷量范圍內(nèi)能較經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；

（5）       無(wú)氣閥、填料、活塞環(huán)等易損件，工作比較可靠。

離心式冷水機(jī)組的缺點(diǎn)主要是：

（1）       由于轉(zhuǎn)速高，對(duì)材料強(qiáng)度、加工精度和制造質(zhì)量要求嚴(yán)格；

（2）       單級(jí)壓縮機(jī)在低負(fù)荷時(shí)易發(fā)生喘振；

（3）       當(dāng)運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，效率下降較快；

（4）       制冷量隨蒸發(fā)溫度降低而減少的幅度比活塞式快，制冷量隨轉(zhuǎn)數(shù)降低而急劇下降。

2．離心式冷水機(jī)組的組成

構(gòu)成離心式冷水機(jī)組的部件中，區(qū)別于活塞式、螺桿式冷水機(jī)組的主要部件是離心壓縮機(jī)，此外，其他主要輔助設(shè)備比如換熱設(shè)備、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、抽氣回收裝置等均有自己特點(diǎn)，在這進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1）壓縮機(jī)

空調(diào)用離心式冷水機(jī)組，通常都采用單級(jí)壓縮，除非單機(jī)制冷量特別大(例如4500kW以上)，或者刻意追求壓縮機(jī)的效率，才采用2級(jí)或3級(jí)壓縮。單級(jí)離心制冷壓縮機(jī)由進(jìn)口調(diào)節(jié)裝置、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸室組成；多級(jí)離心制冷壓縮機(jī)除了末級(jí)外，在每級(jí)的擴(kuò)壓器后面還有彎道和回流界，以引導(dǎo)氣流進(jìn)入下一級(jí)。圖4.15示出了離心式制冷壓縮機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。

由于離心式冷水機(jī)組在實(shí)際使用中的一些特殊要求，使得離心式制冷壓縮機(jī)在結(jié)構(gòu)上有其一些特點(diǎn)：

①     離心式冷水機(jī)組采用的制冷劑的分子量都很大，音速低，在壓縮機(jī)流道中的馬赫數(shù)M比較高(特別是在葉輪進(jìn)口的相對(duì)速度馬赫數(shù)和葉輪出口的速度馬赫數(shù)一般都達(dá)到亞音速甚至跨音速)，這就要求在葉輪構(gòu)型時(shí)特別注意氣流組織，避免或減少氣流在葉輪流遭中產(chǎn)生激波損失，同時(shí)適應(yīng)制冷劑氣體的容積流量在葉輪內(nèi)變化很大的特點(diǎn)。

②     冷水機(jī)組在實(shí)際使用中，由于氣候和熱負(fù)荷的變化，需要的制冷量變化很大，并且要求在冷負(fù)荷變化時(shí)，機(jī)組的效率也盡可能高。作為制造廠來(lái)說(shuō)，對(duì)于不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，希望零部件的通用化程度越高越好。對(duì)于離心制冷壓縮機(jī)，其葉輪的出口角小，則壓縮機(jī)的性能曲線比較平坦，絕熱效率較高，還能減少因采用同一蝸室而造成的匹配失當(dāng)和效率降低，有利于變工況運(yùn)行。

③     離心式壓縮機(jī)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片肘制冷劑蒸氣做功而提高其壓力的。但是，如前所述，制冷劑蒸氣的分子量一般都很大，其音速很低，如果為了提高蒸氣能量頭的需要，葉輪中布置的葉片數(shù)過(guò)多，則葉片的厚度將使葉輪進(jìn)口的通流面積減小，使葉輪進(jìn)口的氣流速度很高，進(jìn)口氣流馬赫數(shù)達(dá)到或超過(guò)音速，引起效率的急劇下降。為此，對(duì)于葉片出口角大于40度，葉片進(jìn)口直徑較小時(shí)，往往采用長(zhǎng)、短葉片，解決必要的能量頭和效串之間的矛盾，效果十分明顯。

④     為了提高葉輪輪轂的強(qiáng)度，特別是為了消除健槽根部因開(kāi)、停產(chǎn)生的應(yīng)力集中疲勞破壞，近年來(lái)研制出葉輪與主軸采用三螺釘聯(lián)接、端面摩擦聯(lián)接等傳遞扭矩的方式，使葉輪運(yùn)行可靠。

⑤     多級(jí)壓縮機(jī)一般采取多次節(jié)流，中間加氣的形式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以提高循環(huán)效率而節(jié)能，對(duì)于低溫(蒸發(fā)溫度在0℃以下)離心式制冷機(jī)組還可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多種蒸發(fā)溫度，這在某些工藝流程中特別適宜。

2）主電動(dòng)機(jī)

離心式冷水機(jī)組多為半封閉式結(jié)構(gòu)。所謂半封閉式機(jī)組，是指壓縮機(jī)、增速器與主電動(dòng)機(jī)聯(lián)為一體，同處于制冷劑環(huán)境中，不需要軸封。機(jī)組的主電動(dòng)機(jī)是特殊設(shè)計(jì)的用制冷劑冷卻的封閉鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，冷卻用的制冷劑液體從冷凝器引來(lái)，分別引入主電動(dòng)機(jī)的定子腔和轉(zhuǎn)子中，冷卻了定子繞組和轉(zhuǎn)子，氣化后返回到蒸發(fā)器。這樣的冷卻條件比普通的風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)充分、有效，因此電動(dòng)機(jī)的壽命長(zhǎng)、故障率低。同時(shí)，由于設(shè)有冷卻風(fēng)扇，電動(dòng)機(jī)的噪聲低，減少了向機(jī)房的排熱量，改善了機(jī)房的工作環(huán)境。

3）蒸發(fā)器和冷凝器

離心式冷水機(jī)組的蒸發(fā)器、冷凝器均為臥式管殼式結(jié)構(gòu)，制冷劑都在殼側(cè)流動(dòng)。蒸發(fā)器、冷凝器換熱效果的好壞對(duì)機(jī)組的能耗、重量和尺寸影響。就光管而言，管外制冷劑側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)低于管內(nèi)水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。提高制冷劑側(cè)傳熱管外表面?zhèn)鳠嵝Ч闹饕椒ㄓ袃煞N：一是通過(guò)在管外表面噴涂金屬顆?；蛲ㄟ^(guò)機(jī)械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的傳熱面積；二是通過(guò)改進(jìn)管外去面翅片的形狀以改善表面?zhèn)鳠?，提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。比如，使冷凝管外表面加工成鋸齒肋，使管外表面形成的冷凝液膜易于形成珠狀很快滴下，不致覆蓋在冷凝管外表面形成新的熱阻，從而提高了冷凝換熱系數(shù)。又如，將蒸發(fā)管外表面按制冷劑核態(tài)沸騰特性設(shè)計(jì)，使冷媒蒸發(fā)氣泡連續(xù)生成，避免沸騰氣泡被再冷凝，同時(shí)氣泡在上升過(guò)程中又加大了對(duì)制冷劑液的擾動(dòng)，從而提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。目前，很多制造廠商的傳熱管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，有的為了進(jìn)一步提高管內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，甚至在管內(nèi)壁上也加工出了翅片。由于傳熱管技術(shù)的進(jìn)步?，F(xiàn)在蒸發(fā)溫度與冷水出水溫度之差，已可達(dá)到2℃左右，蒸發(fā)溫度的提高使壓縮機(jī)的壓縮比降低，減少了耗功，也減小了換熱器的尺寸和重量。

在蒸發(fā)器的上部有擋液網(wǎng)，以防止蒸發(fā)飛濺的制冷劑液滴直接被壓縮機(jī)吸入。

4）節(jié)流裝置

將冷凝器底部積存的高壓、常溫制冷劑液體節(jié)流降壓為低壓、低溫的制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷，以前都是用浮球閥來(lái)完成，現(xiàn)在普遍改用一個(gè)或多個(gè)固定孔口的節(jié)流孔板來(lái)控制流人蒸發(fā)器的制冷劑流量。由于無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，使系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠。

5）潤(rùn)滑油系統(tǒng)

潤(rùn)滑油系統(tǒng)由油泵、油冷卻器、油過(guò)濾器及調(diào)節(jié)閥門(mén)等組成，向壓縮機(jī)、齒輪軸、主電動(dòng)機(jī)軸的軸承和齒輪的嚙合面供油潤(rùn)滑、冷卻。由于離心式冷水機(jī)組的結(jié)構(gòu)日趨緊湊，其油泵一般為內(nèi)置式，浸沒(méi)于油箱中；油泵電機(jī)由于要與溶解有制冷劑的潤(rùn)滑油直接接觸，其繞組的絕緣材料也應(yīng)與制冷劑相容。油冷卻器一般為板式換熱器，利用制冷劑液體在板式換熱器中蒸發(fā)的汽化潛熱冷卻潤(rùn)滑油，因此尺寸小，也內(nèi)置于壓縮機(jī)機(jī)殼內(nèi)，便于蒸發(fā)后的制冷劑蒸氣返回壓縮機(jī)。油過(guò)濾器的過(guò)濾精度要求很高(一般為10～15μm)，其安裝位置應(yīng)盡量靠近供油口，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器被雜質(zhì)堵塞，機(jī)組運(yùn)行中應(yīng)監(jiān)視過(guò)濾鏡前后的壓力差。

在離心制冷壓縮機(jī)中，油箱也處于制冷劑環(huán)境中，潤(rùn)滑油與制冷劑是互溶的，且溫度越低，制冷劑在油中的溶解度越大。潤(rùn)滑油中溶有制冷劑后其粘度要降低，直接影響啟動(dòng)時(shí)機(jī)組正常供油壓力的建立。為此，在油箱中都設(shè)有一組供機(jī)組停機(jī)階段加熱潤(rùn)滑油的電加熱器。

2．離心式冷水機(jī)組分類

按總體結(jié)構(gòu)形式分為開(kāi)啟式、半封閉式和全封閉式。

按換熱器筒體結(jié)構(gòu)型式分為單筒式、雙筒式兩種型式。

3．離心式冷水機(jī)組制冷原理

同活塞式冷水機(jī)組類似，構(gòu)成離心式冷水機(jī)組的單級(jí)循環(huán)見(jiàn)圖4.17系統(tǒng)圖和雙級(jí)循環(huán)見(jiàn)圖4.18系統(tǒng)圖，其循環(huán)原理仍然是由蒸發(fā)、壓縮、冷疑和節(jié)流四個(gè)熱力狀過(guò)程所組成的單級(jí)和雙級(jí)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，其工作系統(tǒng)仍然是由蒸發(fā)器、離心式壓縮機(jī)(單級(jí)和雙級(jí))、冷凝器和節(jié)流機(jī)構(gòu)(裝置)四大部件所組成的封閉式工作系統(tǒng)，在滿液式臥式殼管式蒸發(fā)器中，制冷劑液體在較低的飽和溫度(2～5℃)狀態(tài)下吸收進(jìn)入蒸發(fā)器傳熱管內(nèi)冷水的熱量（汽化潛熱）而沸騰氣化(液態(tài)→氣態(tài))，相對(duì)的使管內(nèi)冷水出水溫度下降為7℃(標(biāo)準(zhǔn)工況)，提供給中央空調(diào)系統(tǒng)中的氣—水熱交換器(空氣調(diào)節(jié)箱中的表冷器和風(fēng)機(jī)盤(pán)管)冷卻送風(fēng)，通過(guò)管道輸送給空調(diào)對(duì)象，使其內(nèi)部氣溫維持在規(guī)定的26℃±2℃(標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況)人體舒適感范圍之內(nèi)，或其他工作室所要求的非標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況范圍，達(dá)到中央空調(diào)的目的。

在離心式冷水機(jī)組中無(wú)論采用高壓(R22)制冷劑、中壓(R134a)制冷劑和低壓(R123)制冷劑，制冷劑在工作循環(huán)的全過(guò)程中，存在氣態(tài)、液態(tài)、氣／液混合態(tài)三種物理狀態(tài)。制冷劑的氣液相變主要發(fā)生在冷凝器(氣→液)和蒸發(fā)器(液→氣)之中。在壓縮機(jī)中制冷劑呈過(guò)熱蒸氣狀態(tài)，在減壓膨脹閥或線性浮球閥室中，呈液態(tài)(少量氣態(tài))。

 1）關(guān)于部份負(fù)荷性離心式冷水機(jī)組通常是按負(fù)荷選型的，實(shí)際使用中，有70％以上的時(shí)間不在滿負(fù)荷下工作。而離心制冷壓縮機(jī)一般在滿負(fù)荷點(diǎn)附近效率高。當(dāng)前，評(píng)價(jià)冷水機(jī)組性能的好壞，已不僅僅是額定制冷量下消耗單位功率的制冷量(COP)要大，美國(guó)空調(diào)制冷學(xué)會(huì)在其標(biāo)準(zhǔn)ARl550／590--1998中，提出用綜合部分負(fù)荷值IPLV(或NPLV)作為評(píng)價(jià)單臺(tái)機(jī)組平均部分負(fù)荷效率的指標(biāo)。該IPLV是在ARl550／590規(guī)定的工況條件下，分別實(shí)測(cè)出在100％，75％，50％，25％額定制冷量下的性能系數(shù)COP，然后乘以各自的常數(shù)加權(quán)平均得到。使用IPLV(NPLV)為冷水機(jī)組的部分負(fù)荷性能提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)估方法，但是，由于地區(qū)差異，IPLV(NPLV)值并不能直接作為我國(guó)計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)用的依據(jù)。

2）冷卻水進(jìn)水溫度對(duì)機(jī)組性能的影響

冷卻水進(jìn)水溫度與機(jī)組的冷凝溫度直接有關(guān)，在其它條件相同時(shí)，冷卻水進(jìn)水溫度越高，冷凝溫度、冷凝壓力越高，機(jī)組的能耗也越高。一般冷卻水進(jìn)水溫度每升高1℃，能耗將增加滿負(fù)荷能耗的3％左右，制冷量將減少約3％。因此，對(duì)于全年極端溫度不很高，相對(duì)濕度不很大的我國(guó)北方地區(qū)，不必按全國(guó)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提出以32℃作為冷卻水進(jìn)水溫度的設(shè)計(jì)條件，這樣可以節(jié)省一次性投資。

3）冷水出水溫度對(duì)機(jī)組性能的影響

冷水出水溫度與機(jī)組的蒸發(fā)溫度直接有關(guān)。在其它條件相同時(shí)，冷水出水溫度越低，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力越低，機(jī)組的能耗增加、制冷量減少。一般冷水出水溫度降低1℃，機(jī)組的能耗將增加負(fù)荷能耗的3.5％左右，制冷量將減少約3％。對(duì)于中央空調(diào)系統(tǒng)，冷水出水溫度的確定必須十分仔細(xì)。一方面冷水溫度必須足夠低，以保證室內(nèi)合適的空氣參數(shù)；另一方面，冷水出水溫度又必須足夠高，使一次性投資和運(yùn)行費(fèi)用盡可能合理。另外，使用中的冷水機(jī)組，盛夏過(guò)后改用較高的冷水出水溫度，則可以得到明顯的節(jié)能效果。據(jù)對(duì)美國(guó)一些醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)查，在過(guò)渡季節(jié)，冷水出水溫度的設(shè)定值可以比設(shè)計(jì)值提高2.2～4.4℃。

4）水側(cè)污垢換熱管水側(cè)(內(nèi)表面)積垢會(huì)使傳熱熱阻增大，換熱效果降低，使冷凝溫度升高或使蒸發(fā)溫度降低，終使機(jī)組的能耗增加、制冷量減少。開(kāi)式循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)容易發(fā)生積垢，這主要是由于水質(zhì)未經(jīng)很好處理和水系統(tǒng)保管不善所致，由此在換熱管內(nèi)壁出現(xiàn)以下問(wèn)題：

①     形成結(jié)晶(碳酸鈣等無(wú)機(jī)物)；

②     鐵銹、沙、泥土等沉積物(特別是當(dāng)管內(nèi)水速較低時(shí))；

③     生成有機(jī)物(粘質(zhì)物、藻類等)

所以定期清洗換熱管是必要的。

對(duì)于按標(biāo)準(zhǔn)污垢系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造的離心式冷水機(jī)組，制造廠會(huì)提出相應(yīng)的水質(zhì)要求給用戶，只要能滿足對(duì)水質(zhì)的要求，并對(duì)換熱管內(nèi)表面作定期清洗，則機(jī)組可以長(zhǎng)期保證其額定性能。

4．離心式冷水機(jī)組的控制原理

離心式冷水機(jī)組的控制系統(tǒng)已相當(dāng)完善，大都采用微型計(jì)算機(jī)，配以可靠的參數(shù)傳感器、變送器，對(duì)機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)。對(duì)單臺(tái)機(jī)組，可隨時(shí)顯示運(yùn)行中的冷水進(jìn)出口溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、供油溫度、供油壓力、壓縮機(jī)排氣溫度、導(dǎo)葉開(kāi)度百分比、主電動(dòng)機(jī)電流、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、啟動(dòng)次數(shù)等參數(shù)；對(duì)運(yùn)行中發(fā)生故障可預(yù)先發(fā)出警告、指出故障名稱，并有故障診斷系統(tǒng)，提示產(chǎn)生故障的幾種可能原因。每臺(tái)機(jī)組的基本安全保護(hù)功能有：冷凝壓力過(guò)高、供油壓力過(guò)低、供油溫度過(guò)高、蒸發(fā)壓力過(guò)低、冷水出水溫度過(guò)低、冷水?dāng)嗨?、主電?dòng)機(jī)電流過(guò)大、主電動(dòng)機(jī)繞組溫度過(guò)高、主電動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)延時(shí)保護(hù)等。運(yùn)行中可根據(jù)熱負(fù)荷的變化，在保證冷水出口溫度的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)制冷量，以保持室內(nèi)空氣參數(shù)恒定。對(duì)多臺(tái)機(jī)組，可根據(jù)熱負(fù)荷的變化，按濟(jì)的原則，自動(dòng)開(kāi)、停幾臺(tái)。此外還備有遠(yuǎn)程通訊接口，與樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)(BAS)聯(lián)接，對(duì)冷水機(jī)組實(shí)行遠(yuǎn)程遙控。