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、潤滑油系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置、主電動機(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

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：

（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??；

（2）       性能系數(shù)高；

（3）       葉輪作旋轉(zhuǎn)運動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，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)地實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；

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

離心式冷水機(jī)組的缺點主要是：

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

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

（3）       當(dāng)運行工況偏離設(shè)計工況時，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、潤滑油系統(tǒng)、抽氣回收裝置等均有自己特點，在這進(jìn)行簡單介紹。

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級或3級壓縮。單級離心制冷壓縮機(jī)由進(jìn)口調(diào)節(jié)裝置、葉輪、擴(kuò)壓器、蝸室組成；多級離心制冷壓縮機(jī)除了末級外，在每級的擴(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。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：

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。

②     冷水機(jī)組在實際使用中，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，機(jī)組的效率也盡可能高。作為制造廠來說，對于不同規(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，有利于變工況運行。

③     離心式壓縮機(jī)是通過旋轉(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)到或超過音速，引起效率的急劇下降。為此，對于葉片出口角大于40度，葉片進(jìn)口直徑較小時，往往采用長、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、停產(chǎn)生的應(yīng)力集中疲勞破壞，近年來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，使葉輪運行可靠。

⑤     多級壓縮機(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)點是可以提高循環(huán)效率而節(jié)能，對于低溫(蒸發(fā)溫度在0℃以下)離心式制冷機(jī)組還可以實現(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)組的主電動機(jī)是特殊設(shè)計的用制冷劑冷卻的封閉鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)，冷卻用的制冷劑液體從冷凝器引來，分別引入主電動機(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)冷電動機(jī)充分、有效，因此電動機(jī)的壽命長、故障率低。同時，由于設(shè)有冷卻風(fēng)扇，電動機(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。蒸發(fā)器、冷凝器換熱效果的好壞對機(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：一是通過在管外表面噴涂金屬顆?；蛲ㄟ^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；二是通過改進(jìn)管外去面翅片的形狀以改善表面?zhèn)鳠幔岣弑砻鎮(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，使冷媒蒸發(fā)氣泡連續(xù)生成，避免沸騰氣泡被再冷凝，同時氣泡在上升過程中又加大了對制冷劑液的擾動，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完成，現(xiàn)在普遍改用一個或多個固定孔口的節(jié)流孔板來控制流人蒸發(fā)器的制冷劑流量。由于無運動部件，使系統(tǒng)運行更加可靠。

5）潤滑油系統(tǒng)

潤滑油系統(tǒng)由油泵、油冷卻器、油過濾器及調(diào)節(jié)閥門等組成，向壓縮機(jī)、齒輪軸、主電動機(jī)軸的軸承和齒輪的嚙合面供油潤滑、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，浸沒于油箱中；油泵電機(jī)由于要與溶解有制冷劑的潤滑油直接接觸，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)。油過濾器的過濾精度要求很高(一般為10～15μm)，其安裝位置應(yīng)盡量靠近供油口，為及時發(fā)現(xiàn)過濾器被雜質(zhì)堵塞，機(jī)組運行中應(yīng)監(jiān)視過濾鏡前后的壓力差。

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。潤滑油中溶有制冷劑后其粘度要降低，直接影響啟動時機(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)組的單級循環(huán)見圖4.17系統(tǒng)圖和雙級循環(huán)見圖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)流四個熱力狀過程所組成的單級和雙級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)(單級和雙級)、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)盤管)冷卻送風(fēng)，通過管道輸送給空調(diào)對象，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，實際使用中，有70％以上的時間不在滿負(fù)荷下工作。而離心制冷壓縮機(jī)一般在滿負(fù)荷點附近效率高。當(dāng)前，評價冷水機(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，美國空調(diào)制冷學(xué)會在其標(biāo)準(zhǔn)ARl550／590--1998中，提出用綜合部分負(fù)荷值IPLV(或NPLV)作為評價單臺機(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，分別實測出在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)荷性能提供了一個簡單的評估方法，但是，由于地區(qū)差異，IPLV(NPLV)值并不能直接作為我國計算年運行費用的依據(jù)。

2）冷卻水進(jìn)水溫度對機(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，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，對于全年極端溫度不很高，相對濕度不很大的我國北方地區(qū)，不必按全國的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提出以32℃作為冷卻水進(jìn)水溫度的設(shè)計條件，這樣可以節(jié)省一次性投資。

3）冷水出水溫度對機(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，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，使一次性投資和運行費用盡可能合理。另外，使用中的冷水機(jī)組，盛夏過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)對美國一些醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)查，在過渡季節(jié)，冷水出水溫度的設(shè)定值可以比設(shè)計值提高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)以下問題：

①     形成結(jié)晶(碳酸鈣等無機(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)；

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。

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

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，大都采用微型計算機(jī)，配以可靠的參數(shù)傳感器、變送器，對機(jī)組運行進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)。對單臺機(jī)組，可隨時顯示運行中的冷水進(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)葉開度百分比、主電動機(jī)電流、累計運行時間、啟動次數(shù)等參數(shù)；對運行中發(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。每臺機(jī)組的基本安全保護(hù)功能有：冷凝壓力過高、供油壓力過低、供油溫度過高、蒸發(fā)壓力過低、冷水出水溫度過低、冷水?dāng)嗨?、主電動機(jī)電流過大、主電動機(jī)繞組溫度過高、主電動機(jī)再次啟動延時保護(hù)等。運行中可根據(jù)熱負(fù)荷的變化，在保證冷水出口溫度的情況下，自動調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)制冷量，以保持室內(nèi)空氣參數(shù)恒定。對多臺機(jī)組，可根據(jù)熱負(fù)荷的變化，按濟(jì)的原則，自動開、停幾臺。此外還備有遠(yuǎn)程通訊接口，與樓宇自動化控制系統(tǒng)(BAS)聯(lián)接，對冷水機(jī)組實行遠(yuǎn)程遙控。