離心式冷水機組的結構及原理

目前，用于中央空調的離心式冷水機組，主要由離心制冷壓縮機、主電動機、蒸發器（滿液式臥式殼管式）、冷凝器（水冷式滿液式臥式殼管式）、節流裝置、壓縮機入口能量調節機構、抽氣回收裝置、潤滑油系統、安全保護裝置、主電動機噴液蒸發冷卻系統、油回收裝置及微電腦控制系統等組成，并共用底座。

1．離心式冷水機組特點

離心式冷水機組屬大冷量的冷水機組，它有以下主要優點：

（1）       壓縮機輸氣量大，單機制冷量大，結構緊湊，重量輕，單位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式機組輕80％以上，占地面積?。?/span>

（2）       性能系數高；

（3）       葉輪作旋轉運動，運轉平穩，振動小，噪聲較低；

（4）       調節方便，在較大的冷量范圍內能較經濟地實現無級調節；

（5）       無氣閥、填料、活塞環等易損件，工作比較可靠。

離心式冷水機組的缺點主要是：

（1）       由于轉速高，對材料強度、加工精度和制造質量要求嚴格；

（2）       單級壓縮機在低負荷時易發生喘振；

（3）       當運行工況偏離設計工況時，效率下降較快；

（4）       制冷量隨蒸發溫度降低而減少的幅度比活塞式快，制冷量隨轉數降低而急劇下降。

2．離心式冷水機組的組成

構成離心式冷水機組的部件中，區別于活塞式、螺桿式冷水機組的主要部件是離心壓縮機，此外，其他主要輔助設備比如換熱設備、潤滑油系統、抽氣回收裝置等均有自己特點，在這進行簡單介紹。

1）壓縮機

空調用離心式冷水機組，通常都采用單級壓縮，除非單機制冷量特別大(例如4500kW以上)，或者刻意追求壓縮機的效率，才采用2級或3級壓縮。單級離心制冷壓縮機由進口調節裝置、葉輪、擴壓器、蝸室組成；多級離心制冷壓縮機除了末級外，在每級的擴壓器后面還有彎道和回流界，以引導氣流進入下一級。圖4.15示出了離心式制冷壓縮機的典型結構。

由于離心式冷水機組在實際使用中的一些特殊要求，使得離心式制冷壓縮機在結構上有其一些特點：

①     離心式冷水機組采用的制冷劑的分子量都很大，音速低，在壓縮機流道中的馬赫數M比較高(特別是在葉輪進口的相對速度馬赫數和葉輪出口的速度馬赫數一般都達到亞音速甚至跨音速)，這就要求在葉輪構型時特別注意氣流組織，避免或減少氣流在葉輪流遭中產生激波損失，同時適應制冷劑氣體的容積流量在葉輪內變化很大的特點。

②     冷水機組在實際使用中，由于氣候和熱負荷的變化，需要的制冷量變化很大，并且要求在冷負荷變化時，機組的效率也盡可能高。作為制造廠來說，對于不同規格的系列產品，希望零部件的通用化程度越高越好。對于離心制冷壓縮機，其葉輪的出口角小，則壓縮機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和效率降低，有利于變工況運行。

③     離心式壓縮機是通過旋轉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過多，則葉片的厚度將使葉輪進口的通流面積減小，使葉輪進口的氣流速度很高，進口氣流馬赫數達到或超過音速，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度，特別是為了消除健槽根部因開、停產生的應力集中疲勞破壞，近年來研制出葉輪與主軸采用三螺釘聯接、端面摩擦聯接等傳遞扭矩的方式，使葉輪運行可靠。

⑤     多級壓縮機一般采取多次節流，中間加氣的形式。這種結構的優點是可以提高循環效率而節能，對于低溫(蒸發溫度在0℃以下)離心式制冷機組還可以實現一機多種蒸發溫度，這在某些工藝流程中特別適宜。

2）主電動機

離心式冷水機組多為半封閉式結構。所謂半封閉式機組，是指壓縮機、增速器與主電動機聯為一體，同處于制冷劑環境中，不需要軸封。機組的主電動機是特殊設計的用制冷劑冷卻的封閉鼠籠式感應電動機，冷卻用的制冷劑液體從冷凝器引來，分別引入主電動機的定子腔和轉子中，冷卻了定子繞組和轉子，氣化后返回到蒸發器。這樣的冷卻條件比普通的風冷電動機充分、有效，因此電動機的壽命長、故障率低。同時，由于設有冷卻風扇，電動機的噪聲低，減少了向機房的排熱量，改善了機房的工作環境。

3）蒸發器和冷凝器

離心式冷水機組的蒸發器、冷凝器均為臥式管殼式結構，制冷劑都在殼側流動。蒸發器、冷凝器換熱效果的好壞對機組的能耗、重量和尺寸影響。就光管而言，管外制冷劑側的表面傳熱系數遠低于管內水側的表面傳熱系數。提高制冷劑側傳熱管外表面傳熱效果的主要方法有兩種：一是通過在管外表面噴涂金屬顆粒或通過機械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的傳熱面積；二是通過改進管外去面翅片的形狀以改善表面傳熱，提高表面傳熱系數。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。又如，將蒸發管外表面按制冷劑核態沸騰特性設計，使冷媒蒸發氣泡連續生成，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，從而提高表面傳熱系數。目前，很多制造廠商的傳熱管外表面傳熱系數已經達到或超過管內的表面傳熱系數，有的為了進一步提高管內側的表面傳熱系數，甚至在管內壁上也加工出了翅片。由于傳熱管技術的進步。現在蒸發溫度與冷水出水溫度之差，已可達到2℃左右，蒸發溫度的提高使壓縮機的壓縮比降低，減少了耗功，也減小了換熱器的尺寸和重量。

在蒸發器的上部有擋液網，以防止蒸發飛濺的制冷劑液滴直接被壓縮機吸入。

4）節流裝置

將冷凝器底部積存的高壓、常溫制冷劑液體節流降壓為低壓、低溫的制冷劑液體進入蒸發器內蒸發制冷，以前都是用浮球閥來完成，現在普遍改用一個或多個固定孔口的節流孔板來控制流人蒸發器的制冷劑流量。由于無運動部件，使系統運行更加可靠。

5）潤滑油系統

潤滑油系統由油泵、油冷卻器、油過濾器及調節閥門等組成，向壓縮機、齒輪軸、主電動機軸的軸承和齒輪的嚙合面供油潤滑、冷卻。由于離心式冷水機組的結構日趨緊湊，其油泵一般為內置式，浸沒于油箱中；油泵電機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的汽化潛熱冷卻潤滑油，因此尺寸小，也內置于壓縮機機殼內，便于蒸發后的制冷劑蒸氣返回壓縮機。油過濾器的過濾精度要求很高(一般為10～15μm)，其安裝位置應盡量靠近供油口，為及時發現過濾器被雜質堵塞，機組運行中應監視過濾鏡前后的壓力差。

在離心制冷壓縮機中，油箱也處于制冷劑環境中，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，直接影響啟動時機組正常供油壓力的建立。為此，在油箱中都設有一組供機組停機階段加熱潤滑油的電加熱器。

2．離心式冷水機組分類

按總體結構形式分為開啟式、半封閉式和全封閉式。

按換熱器筒體結構型式分為單筒式、雙筒式兩種型式。

3．離心式冷水機組制冷原理

同活塞式冷水機組類似，構成離心式冷水機組的單級循環見圖4.17系統圖和雙級循環見圖4.18系統圖，其循環原理仍然是由蒸發、壓縮、冷疑和節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，其工作系統仍然是由蒸發器、離心式壓縮機(單級和雙級)、冷凝器和節流機構(裝置)四大部件所組成的封閉式工作系統，在滿液式臥式殼管式蒸發器中，制冷劑液體在較低的飽和溫度(2～5℃)狀態下吸收進入蒸發器傳熱管內冷水的熱量（汽化潛熱）而沸騰氣化(液態→氣態)，相對的使管內冷水出水溫度下降為7℃(標準工況)，提供給中央空調系統中的氣—水熱交換器(空氣調節箱中的表冷器和風機盤管)冷卻送風，通過管道輸送給空調對象，使其內部氣溫維持在規定的26℃±2℃(標準空調工況)人體舒適感范圍之內，或其他工作室所要求的非標準空調工況范圍，達到中央空調的目的。

在離心式冷水機組中無論采用高壓(R22)制冷劑、中壓(R134a)制冷劑和低壓(R123)制冷劑，制冷劑在工作循環的全過程中，存在氣態、液態、氣／液混合態三種物理狀態。制冷劑的氣液相變主要發生在冷凝器(氣→液)和蒸發器(液→氣)之中。在壓縮機中制冷劑呈過熱蒸氣狀態，在減壓膨脹閥或線性浮球閥室中，呈液態(少量氣態)。

 1）關于部份負荷性離心式冷水機組通常是按負荷選型的，實際使用中，有70％以上的時間不在滿負荷下工作。而離心制冷壓縮機一般在滿負荷點附近效率高。當前，評價冷水機組性能的好壞，已不僅僅是額定制冷量下消耗單位功率的制冷量(COP)要大，美國空調制冷學會在其標準ARl550／590--1998中，提出用綜合部分負荷值IPLV(或NPLV)作為評價單臺機組平均部分負荷效率的指標。該IPLV是在ARl550／590規定的工況條件下，分別實測出在100％，75％，50％，25％額定制冷量下的性能系數COP，然后乘以各自的常數加權平均得到。使用IPLV(NPLV)為冷水機組的部分負荷性能提供了一個簡單的評估方法，但是，由于地區差異，IPLV(NPLV)值并不能直接作為我國計算年運行費用的依據。

2）冷卻水進水溫度對機組性能的影響

冷卻水進水溫度與機組的冷凝溫度直接有關，在其它條件相同時，冷卻水進水溫度越高，冷凝溫度、冷凝壓力越高，機組的能耗也越高。一般冷卻水進水溫度每升高1℃，能耗將增加滿負荷能耗的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，不必按全國的統一標準提出以32℃作為冷卻水進水溫度的設計條件，這樣可以節省一次性投資。

3）冷水出水溫度對機組性能的影響

冷水出水溫度與機組的蒸發溫度直接有關。在其它條件相同時，冷水出水溫度越低，蒸發溫度、蒸發壓力越低，機組的能耗增加、制冷量減少。一般冷水出水溫度降低1℃，機組的能耗將增加負荷能耗的3.5％左右，制冷量將減少約3％。對于中央空調系統，冷水出水溫度的確定必須十分仔細。一方面冷水溫度必須足夠低，以保證室內合適的空氣參數；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能效果。據對美國一些醫院的中央空調系統的調查，在過渡季節，冷水出水溫度的設定值可以比設計值提高2.2～4.4℃。

4）水側污垢換熱管水側(內表面)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溫度降低，終使機組的能耗增加、制冷量減少。開式循環的冷卻水系統容易發生積垢，這主要是由于水質未經很好處理和水系統保管不善所致，由此在換熱管內壁出現以下問題：

①     形成結晶(碳酸鈣等無機物)；

②     鐵銹、沙、泥土等沉積物(特別是當管內水速較低時)；

③     生成有機物(粘質物、藻類等)

所以定期清洗換熱管是必要的。

對于按標準污垢系統設計、制造的離心式冷水機組，制造廠會提出相應的水質要求給用戶，只要能滿足對水質的要求，并對換熱管內表面作定期清洗，則機組可以長期保證其額定性能。

4．離心式冷水機組的控制原理

離心式冷水機組的控制系統已相當完善，大都采用微型計算機，配以可靠的參數傳感器、變送器，對機組運行進行控制、調節、保護。對單臺機組，可隨時顯示運行中的冷水進出口溫度、冷卻水進出口溫度、蒸發壓力、冷凝壓力、供油溫度、供油壓力、壓縮機排氣溫度、導葉開度百分比、主電動機電流、累計運行時間、啟動次數等參數；對運行中發生故障可預先發出警告、指出故障名稱，并有故障診斷系統，提示產生故障的幾種可能原因。每臺機組的基本安全保護功能有：冷凝壓力過高、供油壓力過低、供油溫度過高、蒸發壓力過低、冷水出水溫度過低、冷水斷水、主電動機電流過大、主電動機繞組溫度過高、主電動機再次啟動延時保護等。運行中可根據熱負荷的變化，在保證冷水出口溫度的情況下，自動調節進口導葉開度來調節制冷量，以保持室內空氣參數恒定。對多臺機組，可根據熱負荷的變化，按濟的原則，自動開、停幾臺。此外還備有遠程通訊接口，與樓宇自動化控制系統(BAS)聯接，對冷水機組實行遠程遙控。