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高能效離心式冷水機(jī)組設(shè)計與試驗（技術(shù)分享）
隨著國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)組，采用新技術(shù)和新制冷劑，在機(jī)組節(jié)能、和運(yùn)行方面出各自的優(yōu)勢。
國內(nèi)離心式制冷壓縮機(jī)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(jī)，1963年重慶通用機(jī)器廠與西安交通大學(xué)合作了用于紡織廠的R11冷水機(jī)組，從此開始了離心式制冷壓縮機(jī)的發(fā)展歷程。憑借不斷的技術(shù)引進(jìn)和開拓創(chuàng)新，國內(nèi)美的、格力等民族品牌離心機(jī)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(jī)發(fā)展也擁有了市場空間。
離心式制冷壓縮機(jī)的工作原理與容積式制冷壓縮機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)組的推廣，兩級壓縮離心機(jī)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(jī)組進(jìn)行設(shè)計研究，目的在于解決離心機(jī)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(jìn)一步機(jī)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(jī)造成濕壓縮，引起機(jī)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(jī)的構(gòu)件主要包括前后兩級葉輪、擴(kuò)壓器、彎道、回流器和蝸殼。對于離心式壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的效率。擴(kuò)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(jìn)入擴(kuò)壓器后流速減小，動能有效地轉(zhuǎn)換為壓力能。從擴(kuò)壓器出來的氣體經(jīng)彎道和回流器進(jìn)入第二級壓縮區(qū)，級葉輪壓縮后，氣體壓力進(jìn)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(yùn)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(jì)器的閃蒸氣體進(jìn)行中間冷卻，制冷劑回到蒸發(fā)器，氣體進(jìn)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(jì)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(jìn)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(jìn)入下級壓縮，可以使壓縮機(jī)的耗功輸出減小。由于以上兩方面的，機(jī)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(jī)所固有的特性，當(dāng)負(fù)荷，壓縮機(jī)的排氣量小于某一極限點(diǎn)時，壓縮機(jī)葉輪和擴(kuò)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(jī)出口壓力低于冷凝器壓力，氣流倒流向壓縮機(jī)，一直到冷凝壓力低于排氣壓力，此時倒流停止，壓縮機(jī)正常工作，而較低的負(fù)荷使壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)組將再次開始喘振。
喘振會使壓縮機(jī)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(jī)器強(qiáng)烈振動，可能損壞機(jī)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(hù)措施，使壓縮機(jī)工作在的工作區(qū)。可見防止喘振是確保離心式壓縮機(jī)正常工作的關(guān)鍵。
采用可調(diào)節(jié)的擴(kuò)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(jìn)口的氣流方向與葉片進(jìn)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(kuò)壓器流道的進(jìn)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(jī)的性能曲線向小流量區(qū)大幅度，擴(kuò)大工況的運(yùn)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(jī)采用可調(diào)節(jié)擴(kuò)壓器，根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)氣導(dǎo)葉的開度控制擴(kuò)壓器的開度，保證壓縮機(jī)在各種負(fù)荷工況下的運(yùn)行。

機(jī)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(jī)制看，在離心式冷水機(jī)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(diǎn)時會發(fā)生喘振;當(dāng)壓比大到某一極限點(diǎn)時也會發(fā)生喘振。通過監(jiān)測機(jī)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(jī)在設(shè)計中從冷凝器連接一根管到蒸發(fā)器，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)達(dá)到喘振保護(hù)點(diǎn)而未達(dá)到喘振點(diǎn)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(jī)組的制冷量。
2、試驗研究及結(jié)果討論
2.1 樣機(jī)簡介 針對以上提出的關(guān)于離心式冷水機(jī)組設(shè)計研究，筆者制作了樣機(jī)，其機(jī)組外觀圖見圖2。在樣機(jī)中，壓縮機(jī)采用兩級離心式壓縮機(jī)，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(jì)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(jī)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(jìn)/溫度30℃/35℃，冷凍進(jìn)/溫度12℃/7℃;試驗制冷工況(美國)：冷卻進(jìn)/溫度32℃/37℃，冷凍進(jìn)/溫度12℃/7℃。
2)試驗結(jié)果
利用該樣機(jī)測量了離心式冷水機(jī)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(jī)組和改進(jìn)后的兩級壓縮離心式冷水機(jī)組進(jìn)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(jī)組選用與樣機(jī)具有相同兩器換熱面積、單級壓縮、不帶經(jīng)濟(jì)器的離心式冷水機(jī)組。試驗中對2臺機(jī)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(jìn)前后2種同型號規(guī)格的離心式冷水機(jī)組進(jìn)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(jī)組樣機(jī)比普通離心式冷水機(jī)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(jì)器補(bǔ)氣對制冷量是有效的。
2)在同等工況條件下，改進(jìn)后的樣機(jī)輸入功率比同規(guī)格的普通離心式冷水機(jī)組減小12.3kW，節(jié)能2.4%。說明兩級壓縮中對制冷劑進(jìn)行中間冷卻對機(jī)組功耗是有效的。
3)改進(jìn)后的兩級壓縮離心式冷水機(jī)組樣機(jī)比普通離心式冷水機(jī)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(jī)組的能效是可行的。

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