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高能效離心式冷水機組設(shè)計與試驗（技術(shù)分享）
隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)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，資源利用率、加快發(fā)展可再生能源成為節(jié)能領(lǐng)域的重要課題。目前國外離心式壓縮機應(yīng)用于制冷領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，各主要發(fā)達(dá)都在生產(chǎn)大型離心式冷水機組，采用新技術(shù)和新制冷劑，在機組節(jié)能、和運行方面出各自的優(yōu)勢。
國內(nèi)離心式制冷壓縮機的發(fā)展相對較晚。我國從1958年開始生產(chǎn)離心式制冷壓縮機，1963年重慶通用機器廠與西安交通大學(xué)合作了用于紡織廠的R11冷水機組，從此開始了離心式制冷壓縮機的發(fā)展歷程。憑借不斷的技術(shù)引進和開拓創(chuàng)新，國內(nèi)美的、格力等民族品牌離心機的發(fā)展取得了長足發(fā)展，國內(nèi)市場長期被美資四大家壟斷的格局被逐漸打破，國內(nèi)其他品牌離心機發(fā)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(qū)別。它不是利用汽缸容積減小的氣體壓力，而是依靠動能的變化氣體壓力。離心式壓縮機具有帶葉片的工作輪，當(dāng)工作輪轉(zhuǎn)動時，不斷地制冷劑蒸氣，葉片帶動制冷劑蒸氣運動使制冷劑蒸氣動能，然后把部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能從而氣體壓力。在空調(diào)領(lǐng)域，由于壓力較少，一般都是采用單級壓縮，隨著高溫離心機組的推廣，兩級壓縮離心機在大型空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。筆者對兩級壓縮離心式冷水機組進行設(shè)計研究，目的在于解決離心機在大型建筑節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)難題。
為進一步機組換熱性能，采用降膜式蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器筒體頂部設(shè)計具有平面多方向性射流配液功能的布液器。布液器將節(jié)流后的氣液兩相制冷劑從蒸發(fā)器長度和寬度方向均勻分配，液滴均勻滴落在蒸發(fā)管上并能夠立即平鋪，有良好的表面能力和成膜能力。同時，經(jīng)布液器分配的液態(tài)制冷劑，須以較低的速度滴落到蒸發(fā)管上，避免造成。因為的液滴可能隨氣流壓縮機造成濕壓縮，引起機組電流的波動甚至喘振;同時大量的液滴會造成蒸發(fā)器底部蒸發(fā)管的干燒，影響換熱性能。
2)增效兩級壓縮技術(shù)

兩級離心式壓縮機的構(gòu)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(nèi)流動時不容易產(chǎn)生邊界層的分離，可以葉輪內(nèi)的氣體流動損失，從而壓縮機的效率。擴壓器主要實現(xiàn)氣體能量形式的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為壓力能。從擴壓器出來的氣體經(jīng)彎道和回流器進入第二級壓縮區(qū)，級葉輪壓縮后，氣體壓力進一步，高壓氣體匯集到蝸殼內(nèi)，通過排氣口，完成整個壓縮。
在這個兩級壓縮制冷循環(huán)中，階段的壓縮是將來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑蒸氣帶入前級葉輪工作區(qū)，氣體在前級葉輪驅(qū)動下做離心運動，氣流速度和壓力。這部分經(jīng)初級壓縮的氣體與來自經(jīng)濟器的閃蒸氣體進行中間冷卻，制冷劑回到蒸發(fā)器，氣體進入第二級壓縮區(qū)。第二級壓縮區(qū)的制冷劑流量因加入了中間經(jīng)濟器產(chǎn)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(chǎn)生更大的制冷量。同時經(jīng)前級壓縮的制冷劑氣體在進入下一級壓縮前經(jīng)過了中間冷卻，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，機組能效比會有明顯。
3)多重防喘振技術(shù)
喘振是離心式壓縮機所固有的特性，當(dāng)負(fù)荷，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(nèi)的氣體產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流脫離，使氣體流動嚴(yán)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(fù)荷使壓縮機的排量又慢慢，氣體又發(fā)生倒流，如此周而復(fù)始，在中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，稱之為喘振。喘振發(fā)生時，制冷劑從冷凝器倒流，經(jīng)過壓縮機回蒸發(fā)器。制冷劑流回蒸發(fā)器后，冷凝壓力下降，蒸發(fā)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(fā)壓力下降，機組將再次開始喘振。
喘振會使壓縮機性能嚴(yán)重惡化，氣流參數(shù)(如流量、壓力)出現(xiàn)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(yán)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，使壓縮機工作在的工作區(qū)。可見防止喘振是確保離心式壓縮機正常工作的關(guān)鍵。
采用可調(diào)節(jié)的擴壓器可以有效防止喘振發(fā)生。從流體動力學(xué)的角度分析，流道內(nèi)的氣體流量過小引發(fā)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，在非工作面引起流道內(nèi)氣流邊界層嚴(yán)重分離。流量變化時，如果能夠相應(yīng)改變擴壓器流道的進口幾何角，以適應(yīng)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(qū)大幅度，擴大工況的運行范圍，從而達(dá)到防止喘振的目的。本文中的兩級離心式壓縮機采用可調(diào)節(jié)擴壓器，根據(jù)壓縮機進氣導(dǎo)葉的開度控制擴壓器的開度，保證壓縮機在各種負(fù)荷工況下的運行。

機組通過配置熱氣旁通閥也可以有效防止喘振的發(fā)生。從喘振產(chǎn)生的機制看，在離心式冷水機組中壓比和負(fù)荷是影響喘振的兩大因素，當(dāng)負(fù)荷越來越小，小到某一極限點時會發(fā)生喘振;當(dāng)壓比大到某一極限點時也會發(fā)生喘振。通過監(jiān)測機組蒸發(fā)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(guān)閉，可以達(dá)到預(yù)防喘振的目的。本樣機在設(shè)計中從冷凝器連接一根管到蒸發(fā)器，當(dāng)運行點達(dá)到喘振保護點而未達(dá)到喘振點時，通過控制打開熱氣旁通閥，將冷凝器的熱氣排到蒸發(fā)器，減小壓差，壓比，既能夠有效防止喘振的發(fā)生，也有利于機組的制冷量。
2、試驗研究及結(jié)果討論
2.1 樣機簡介 針對以上提出的關(guān)于離心式冷水機組設(shè)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(fā)器采用降膜式換熱器，冷凝器采用滿液式換熱器，節(jié)流裝置采用2個電子閥，另外配置中間經(jīng)濟器。
在整個試驗中，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(shù)據(jù)通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀傳遞到電腦上完成數(shù)據(jù)收集并顯示。
2.2 試驗結(jié)果與討論
1)工況
名義制冷工況()：冷卻進/溫度30℃/35℃，冷凍進/溫度12℃/7℃;試驗制冷工況(美國)：冷卻進/溫度32℃/37℃，冷凍進/溫度12℃/7℃。
2)試驗結(jié)果
利用該樣機測量了離心式冷水機組在國內(nèi)行業(yè)和美國名義制冷工況下的性能參數(shù)，并以業(yè)內(nèi)通用的美標(biāo)工況(12 ℃/7 ℃，32 ℃/37℃)下的性能數(shù)據(jù)為依據(jù)，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(xiàn)結(jié)論的科學(xué)性和準(zhǔn)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(jīng)濟器的離心式冷水機組。試驗中對2臺機組在同等工況下各了3組數(shù)據(jù)，中保證水溫、水流量的一致性，并在前對實驗室儀器設(shè)備做了校準(zhǔn)。試驗結(jié)果如表2所示。
3、結(jié)論
筆者采用比較分析法，通過對設(shè)計改進前后2種同型號規(guī)格的離心式冷水機組進行性能和分析，得出以下結(jié)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133.9 kW，5.1%。說明平面多級射流配液技術(shù)對蒸發(fā)器的換熱效率是有利的，同時采用中間經(jīng)濟器補氣對制冷量是有效的。
2)在同等工況條件下，改進后的樣機輸入功率比同規(guī)格的普通離心式冷水機組減小12.3kW，節(jié)能2.4%。說明兩級壓縮中對制冷劑進行中間冷卻對機組功耗是有效的。
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(shù)了7.7%。說明平面多級射流配液技術(shù)、增效兩級壓縮技術(shù)對離心式冷水機組的能效是可行的。

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