高能效離心式冷水機組設計與試驗研究

王堅　馬國裕　潘祖棟　何躍智　楊松杰　周仁剛

（浙江盾安人工環境股份有限公司）

摘要：為滿足大型公共建筑節能降耗的要求，研發一種高能效離心式冷水機組。相對傳統離心式冷水機組，該機組主要有３個方面的技術特點：平面多級射流配液技術，增效兩級壓縮技術，多重防喘振技術。綜合以上技術制造一臺兩級壓縮離心式冷水機組樣機，并按美國標準和國內行業標準進行型式試驗。試驗結果表明：采用帶經濟器的增效兩級壓縮技術和依靠降膜蒸發器自帶布液器的均勻射流配液技術，使機組能效比提升６％～８％，多重防喘振技術能夠保證機組的穩定運行。
    關鍵詞：離心式冷水機組；兩級壓縮；防喘振；性能系數
    隨著國民經濟發展和工業化程度的不斷深入，我國面臨的資源和能源瓶頸問題越來越突出，提高資源利用率、加快發展可再生能源成為節能領域的重要課題。目前國外離心式壓縮機應用于制冷領域的技術已經非常成熟，各主要發達國家都在生產大型離心式冷水機組，采用新技術和新制冷劑，在機組節能、穩定和高效運行方面表現出各自的優勢［１－２］。
    國內離心式制冷壓縮機的發展相對較晚。我國從１９５８年開始生產離心式制冷壓縮機，１９６３年重慶通用機器廠與西安交通大學合作開發了用于紡織廠的Ｒ１１冷水機組，從此開始了離心式制冷壓縮機的發展歷程［３］。憑借不斷的技術引進和開拓創新，國內美的、格力等民族品牌離心機的發展取得了長足發展，國內市場長期被美資四大家壟斷的格局被逐漸打破，國內其他品牌離心機發展也擁有了市場空間。
    離心式制冷壓縮機的工作原理與容積式制冷壓縮機有根本的區別。它不是利用汽缸容積減小的方式提高氣體壓力，而是依靠動能的變化提升氣體壓力。離心式壓縮機具有帶葉片的工作輪，當工作輪轉動時，不斷地吸入制冷劑蒸氣，葉片帶動制冷劑蒸氣運動使制冷劑蒸氣獲得動能，然后把部分動能轉化為壓力能從而提高氣體壓力。在空調領域，由于壓力增高較少，一般都是采用單級壓縮，隨著高溫高效離心機組的推廣，兩級壓縮離心機在大型中央空調領域的應用越來越廣泛。筆者對兩級壓縮離心式冷水機組進行設計研究，目的在于解決離心機在大型建筑節能環保領域應用的技術難題。
    １·兩級壓縮離心式冷水機組設計
    圖１給出了兩級壓縮離心式冷水機組系統示意圖。該系統主要由四大部件組成：離心式壓縮機、蒸發器、冷凝器和節流裝置。

    
    該機組的主要技術特點如下：
    １）平面多級射流配液技術
    為進一步提高機組換熱性能，采用降膜式蒸發器，在蒸發器筒體頂部設計具有平面多方向性射流配液功能的布液器。布液器將節流后的氣液兩相制冷劑從蒸發器長度和寬度方向均勻分配，液滴均勻滴落在蒸發管上并能夠立即平鋪，有良好的表面潤濕能力和成膜能力。同時，經布液器分配的液態制冷劑，須以較低的速度滴落到蒸發管上，避免造成飛濺。因為飛濺的液滴可能隨氣流吸入壓縮機造成濕壓縮，引起機組電流的劇烈波動甚至喘振；同時大量的液滴飛濺會造成蒸發器底部蒸發管的干燒，影響換熱性能。
    ２）增效兩級壓縮技術
    兩級離心式壓縮機的構件主要包括前后兩級葉輪、擴壓器、彎道、回流器和蝸殼。對于離心式壓縮機而言，葉輪是主要部件，通過葉輪對制冷劑氣體做功，使氣體獲得速度和能量。本樣機葉輪采用后彎葉片式葉輪，葉輪的葉道較長，葉片彎曲度較小，葉道截面積逐漸增大，氣體在葉道內流動時不容易產生邊界層的分離，可以減少葉輪內的氣體流動損失，從而提高壓縮機的效率。擴壓器主要實現氣體能量形式的轉換，從葉輪出來的具有較大速度的氣體進入擴壓器后流速減小，動能有效地轉換為壓力能。從擴壓器出來的氣體經彎道和回流器進入第二級壓縮區，經后級葉輪壓縮后，氣體壓力進一步提高，高壓氣體匯集到蝸殼內，通過排氣口排出，完成整個壓縮過程［４］。
    在這個兩級壓縮制冷循環中，第一階段的壓縮過程是將來自蒸發器的低壓制冷劑蒸氣帶入前級葉輪工作區，氣體在前級葉輪驅動下做離心運動，氣流速度和壓力得到提升。這部分經初級壓縮的氣體與來自經濟器的閃蒸氣體進行中間冷卻過程，液體制冷劑回到蒸發器，氣體進入第二級壓縮區［５］。第二級壓縮區的制冷劑流量因加入了中間經濟器產生的閃蒸氣體而大于低壓級的制冷劑流量，相比于單級壓縮而言可以產生更大的制冷量。同時經前級壓縮的制冷劑氣體在進入下一級壓縮前經過了中間冷卻過程，即將低壓級的排氣冷卻到中間壓力下的飽和蒸氣后再進入下級壓縮，可以使壓縮機的耗功輸出減小。由于以上兩方面的優化，機組能效比會有明顯提升。
    ３）多重防喘振技術
    喘振是離心式壓縮機所固有的特性，當負荷降低，壓縮機的排氣量小于某一極限點時，壓縮機葉輪和擴壓器流道內的氣體產生嚴重的氣流旋轉脫離，使氣體流動嚴重惡化，壓縮機出口壓力低于冷凝器壓力，氣流倒流向壓縮機，一直到冷凝壓力低于排氣壓力，此時倒流停止，壓縮機正常工作，而較低的負荷使壓縮機的排量又慢慢減少，氣體又發生倒流，如此周而復始，在系統中產生了周期性的氣流振蕩現象，稱之為喘振［５－６］。喘振發生時，制冷劑從冷凝器倒流，經過壓縮機回流到蒸發器。制冷劑流回蒸發器后，冷凝壓力下降，蒸發壓力上升，壓比減小，壓縮機再次開始按正確方向工作。但是，隨著冷凝壓力的升高，蒸發壓力下降，機組將再次開始喘振。
    喘振會使壓縮機性能嚴重惡化，氣流參數（如流量、壓力）出現周期性脈動，噪聲加劇，整個機器強烈振動，可能損壞機器的軸承和密封，甚至造成嚴重的事故。所以在實際操作中必須采用防喘振控制和安全保護措施，使壓縮機工作在穩定的工作區。可見防止喘振是確保離心式壓縮機正常工作的關鍵。
    采用可調節的擴壓器可以有效防止喘振發生。從流體動力學的角度分析，流道內的氣體流量過小引發喘振的主要原因是流量過小會使葉道進口的氣流方向與葉片進口角度很不一致，沖角大大增加，在非工作面引起流道內氣流邊界層嚴重分離［７］。流量變化時，如果能夠相應改變擴壓器流道的進口幾何角，以適應變化的工況，使沖角不是很大，就可以使壓縮機的性能曲線向小流量區大幅度移動，擴大穩定工況的運行范圍，從而達到防止喘振的目的。本文中的兩級離心式壓縮機采用可調節擴壓器，根據壓縮機進氣導葉的開度控制擴壓器的開度，保證壓縮機在各種負荷工況下的穩定運行。
    機組通過配置熱氣旁通閥也可以有效防止喘振的發生。從喘振產生的機制看，在離心式冷水機組中壓比和負荷是影響喘振的兩大因素，當負荷越來越小，小到某一極限點時會發生喘振；當壓比大到某一極限點時也會發生喘振。通過監測機組蒸發壓力、冷凝壓力和壓比的變化情況，控制熱氣旁通閥的開啟或關閉，可以達到預防喘振的目的［７］。本樣機在設計中從冷凝器連接一根管到蒸發器，當運行點達到喘振保護點而未達到喘振點時，通過控制系統打開熱氣旁通閥，將冷凝器的熱氣排到蒸發器，減小系統壓差，降低壓比，既能夠有效防止喘振的發生，也有利于提高機組的制冷量。
    ２·試驗研究及結果討論
    ２．１　樣機簡介
    針對以上提出的關于離心式冷水機組設計研究，筆者制作了樣機，其機組外觀圖見圖２。在樣機中，壓縮機采用兩級離心式壓縮機，蒸發器采用降膜式換熱器，冷凝器采用滿液式換熱器，節流裝置采用２個電子膨脹閥，另外系統配置中間經濟器。

             
    在整個試驗過程中，溫度采用ＰＴ１００傳感器測量，壓力由壓力傳感器測量，壓縮機耗功采用功率表（ＹＯＫＯＧＡＷＡ　ＷＴ１３０）測量。表１給出了測量儀表的不確定度，所有的采集數據通過Ａｇｉｌｅｎｔ　３４９７０Ａ數據采集儀傳遞到電腦上完成數據收集并顯示。

            
    ２．２　試驗結果與討論
    １）工況
    名義制冷工況（中國標準）：冷卻進／出水溫度３０℃／３５℃，冷凍進／出水溫度１２℃／７℃；試驗制冷工況（美國標準）：冷卻進／出水溫度３２℃／３７℃，冷凍進／出水溫度１２℃／７℃。
    ２）試驗結果
    利用該樣機測量了離心式冷水機組在國內行業標準和美國標準名義制冷工況下的性能參數，并以業內通用的美標工況（１２ ℃／７ ℃，３２ ℃／３７℃）下測試的性能數據為依據，對筆者所在公司制造的普通離心式冷水機組和改進后的兩級壓縮離心式冷水機組進行性能比較。為體現結論的科學性和準確性，普通離心式冷水機組選用與樣機具有相同兩器換熱面積、單級壓縮、不帶經濟器的離心式冷水機組。試驗過程中對２臺機組在同等工況下各測試了３組數據，測試過程中保證水溫、水流量的一致性，并在測試前對實驗室儀器設備做了校準。試驗結果如表２所示。
 

    ３·結論
    筆者采用比較分析法，通過對設計改進前后２種同型號規格的離心式冷水機組進行性能測試和分析，得出以下結論：
    １）在同等工況條件下，兩級壓縮離心式冷水機組樣機比普通離心式冷水機組制冷量輸出平均增加１３３．９　ｋＷ，提高５．１％。說明平面多級射流配液技術對提高蒸發器的換熱效率是有利的，同時采用中間經濟器補氣對提升制冷量是有效的。
    ２）在同等工況條件下，改進后的樣機輸入功率比同規格的普通離心式冷水機組減小１２．３ｋＷ，節能２．４％。說明兩級壓縮過程中對制冷劑進行中間冷卻對降低機組功耗是有效的。
    ３）改進后的兩級壓縮離心式冷水機組樣機比普通離心式冷水機組性能系數提高了７．７％。說明平面多級射流配液技術、增效兩級壓縮技術對提升離心式冷水機組的能效是可行的。
參考文獻
［１］常嘉琳．國外離心式制冷機的發展概況［Ｊ］．制冷技術，１９９８（１）：３３－４５．
［２］于志強，袁衛星．高轉速離心式制冷壓縮機研究現狀及前景［Ｊ］．制冷與空調，２００５，５（３）：１－３．
［３］周邦寧．空調用離心式制冷機的技術優勢與生命力［Ｊ］．制冷技術，１９９７（１）：２３－２７．
［４］徐忠．離心式壓縮機原理［Ｍ］．北京：機械工業出版社，１９９０．
［５］吳業正，韓寶琦．制冷原理及設備［Ｍ］．２版．西安：西安交通大學出版社，１９９７．
［６］何灝彥．離心壓縮機的喘振成因及防止措施［Ｊ］．化工設計通訊，２００３，２９（４）：４５－４８．
［７］孫國平．離心冷水機組的喘振和熱氣旁通防喘振控制［Ｊ］．制冷技術，２００１（４）：３６－４１．