高溫冷水機(jī)組是溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中的重要設(shè)備,也是工業(yè)生產(chǎn)過程中常常用到的大型裝備。本文探討了高溫離心式冷水機(jī)組及其變負(fù)荷運(yùn)行的特性,為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1、前言

　　水冷冷水機(jī)組是大型公共建筑中常用的中空調(diào)供冷設(shè)備,而離心式冷水機(jī)組更是因其有較高的能效指標(biāo)和較大的機(jī)組制冷能力而深受用戶的歡迎。由于空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危機(jī)、節(jié)能降耗呼聲很高的形勢下,降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗成為制冷空調(diào)行業(yè)的熱門話題,為此,業(yè)內(nèi)的專家提出了很多策略,溫濕度獨(dú)立控制就是在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面提出的一種新思路。該方法采用溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)通過提高冷水機(jī)組的出水溫度來提高冷水機(jī)組的能效指標(biāo)、采用干式末段換熱的方式改變整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的工作模式,這些措施可以從系統(tǒng)的角度來降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在冷水機(jī)組本身,離心式冷水機(jī)組與其他型式冷水機(jī)組不同,出水溫度提高需要較高的蒸發(fā)溫度,而高蒸發(fā)溫度對離心壓縮機(jī)的影響是多方面的,按正常標(biāo)準(zhǔn)工況(7℃出水溫度)設(shè)計(jì)的壓縮機(jī) ,在較高蒸發(fā)溫度工作時(shí),由于系統(tǒng)流量和壓比的變化,可能會導(dǎo)致離心式冷水機(jī)組高能效的工作特性不能充分發(fā)揮出來,這就需要重新對產(chǎn)品進(jìn)行研究。

　　本文介紹了高溫離心冷水機(jī)組及其變工況的特性研究情況,為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供技術(shù)參考。

2、高出水溫度時(shí)離心式冷水機(jī)組的特性

　　以1臺4000kW冷媒為R134a的離心式冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)為例:當(dāng)冷水出水溫度為16℃時(shí),蒸發(fā)溫度取14℃,冷凝溫度按37℃,過冷和過熱度取2℃,壓縮機(jī)的效率和電機(jī)的效率分別取0.8和0.94,用美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院循環(huán)分析軟件NIST軟件進(jìn)行計(jì)算分析,機(jī)組的COP值可以達(dá)到8.01。

　　為了獲得按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在變化工作條件下的數(shù)據(jù),對現(xiàn)有離心式冷水機(jī)組進(jìn)行了摸底試驗(yàn),用1臺實(shí)際的4000kW 冷媒為R134a的離心式冷水機(jī)組分別在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試工況(冷水進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃;冷卻水進(jìn)水溫度30℃,出水溫度35℃)和高出水溫度工況下(冷水進(jìn)水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進(jìn)水溫度30℃,出水溫度35℃)進(jìn)行測試,測試結(jié)果如表1所示。

表1　不同工況下測試數(shù)據(jù)比較

　　從表中的測試數(shù)據(jù)不難看出,按照標(biāo)準(zhǔn)工況下設(shè)計(jì)的離心式壓縮機(jī)組裝的冷水機(jī)組,當(dāng)工作在高出水溫度時(shí),其制冷量并沒有顯著的增加,而由于輸入功率的下降,使機(jī)組的COP值提高了10%左右,這離理論計(jì)算的結(jié)果還相差甚遠(yuǎn)。造成這種情況出現(xiàn)的原因可以從離心式制冷壓縮機(jī)的特性來分析。離心式壓縮機(jī)是由電動機(jī)通過齒輪增速帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),自蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸汽經(jīng)吸氣室進(jìn)入葉輪,葉輪高速旋轉(zhuǎn),葉輪上的葉片即驅(qū)動氣體運(yùn)動,并產(chǎn)生一定的離心力,將氣體自葉輪中心向外周拋出,氣體經(jīng)過這一運(yùn)動,速度增大,壓力得以提高,這是作用在葉輪上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化的結(jié)果。氣體離開葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓器,由于擴(kuò)壓器通道面積逐漸增大,又使氣體減速而增壓,將其動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ�。被壓縮的制冷蒸汽從擴(kuò)壓器流出后,又由蝸室將起匯集起來,進(jìn)而通過排氣管道輸送至冷凝器,這樣就完成了對制冷劑的壓縮。

　　當(dāng)離心式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行在高蒸發(fā)溫度時(shí),壓縮機(jī)的壓縮比比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況時(shí)要小,冷水機(jī)組在7℃出水時(shí), 機(jī)組的設(shè)計(jì)吸氣壓力為0.35MPa,排氣壓力為0.937MPa,壓比為2.70;而當(dāng)機(jī)組工作在16℃冷水出水溫度時(shí)(冷凝溫度不變) ,機(jī)組的吸氣壓力為0.473MPa, 排氣壓力為0.937MPa,壓比近似為2.00,壓縮比減小了25.9%。

　　圖1為離心式制冷壓縮機(jī)的性能曲線。從圖中可以看出在離心壓縮機(jī)的工作區(qū),當(dāng)壓比減小25%時(shí),流量增加將近1倍左右。如此大的流量變化,原機(jī)組的葉輪、擴(kuò)壓器等流道設(shè)計(jì)必然會對流量的增加產(chǎn)生阻塞,從而使流量無法達(dá)到額定值,機(jī)組的性能也會受到影響。

圖1　離心壓縮機(jī)性能曲線　　圖2　離心壓縮機(jī)效率曲線

　　此外,在固定的轉(zhuǎn)速下,壓比與壓縮機(jī)的級效率有著一定的對應(yīng)關(guān)系,圖2為定轉(zhuǎn)速下離心壓縮機(jī)的壓比與級效率之間的關(guān)系曲線。

　　從圖2的曲線可以看出,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā)生變化時(shí),壓縮機(jī)的級效率會隨之發(fā)生變化,壓比從2.7變化到2.0之后,效率降到只有0.7左右。因此,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā)生變化時(shí),如果不對壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,機(jī)組的性能提高也會受到很大的影響。

3、離心式冷水機(jī)組的改進(jìn)

3.1、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的調(diào)整

　　針對上述分析,對用于高出水溫度下的離心式冷水機(jī)組中的壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)按新的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,以使機(jī)組的能效得到進(jìn)一步提高。

(1)流通面積的改進(jìn)

　　流量阻塞是指流道出口處氣流達(dá)到臨界狀態(tài),這時(shí)氣體的容積流量已是最大值,任憑壓縮機(jī)背壓再降低,流量也不可能再增加,這種情況稱為“阻塞”工況。增大流道的面積可以提高冷媒的流通能力,但對于中央空調(diào)用冷水機(jī)組來說,大部分時(shí)間機(jī)組都是運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下,因此制冷劑流量也會隨著機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)不同而發(fā)生變化,固定的流道面積也會影響機(jī)組的運(yùn)行。為此,機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)可變流截面的擴(kuò)壓器,適應(yīng)流量的變化,這樣可以滿足機(jī)組在不同負(fù)載情況下的運(yùn)行要求。圖3 為設(shè)計(jì)的可變截面擴(kuò)壓器示意。

(2)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的調(diào)整

　　為了使機(jī)組在變化后的壓比下仍具有較高的效率,需要對壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。從圖2的曲線顯示可以看出,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與最高效率點(diǎn)有一定的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí),壓比對級效率的曲線向逐漸向左移,曲線的形狀基本不變但跨度開始壓縮。通過分析計(jì)算可以得到,當(dāng)壓比在2.0時(shí),壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低20%時(shí)會獲得較高的效率。

圖3　可變截面面積擴(kuò)壓器　　圖4　高出水溫度測試結(jié)果