周子成

1 引言

冷水機(jī)組在空調(diào)系統(tǒng)里使用十分廣泛。通常有蒸氣壓縮式冷水機(jī)組和吸收式冷水機(jī)組兩類(lèi)。蒸氣壓縮式冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)及其他輔助設(shè)備和管道等組成。按照壓縮機(jī)種類(lèi)的不同,分為容積式壓縮機(jī)冷水組和速度式壓縮機(jī)冷水機(jī)組兩類(lèi)。容積式壓縮機(jī)冷水組包括往復(fù)活塞式、滾動(dòng)活塞式、渦旋式和螺桿式壓縮機(jī)等冷水機(jī)組,速度式壓縮機(jī)冷水組目前只有離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組一種。

變頻技術(shù)在容積式壓縮機(jī)冷水機(jī)組中應(yīng)用較多,因?yàn)槿莘e式壓縮機(jī)的制冷量與轉(zhuǎn)速成正比,變頻技術(shù)比較容易實(shí)現(xiàn)。目前用得較多的是滾動(dòng)活塞式和渦旋式壓縮機(jī)冷水機(jī)組。

離心式壓縮機(jī)壓縮制冷劑氣體的方式和容積式不同,它是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)制冷劑氣體作功,氣體獲得能量后,壓力和流速提高,然后,在擴(kuò)壓器內(nèi)將流速降低,壓力繼續(xù)提高,并從蝸殼排出,進(jìn)入冷凝器。轉(zhuǎn)速的改變不僅引起流量的改變,而且還會(huì)引起壓力的改變,此外,當(dāng)轉(zhuǎn)速減小使流量減小后,氣流在葉輪和擴(kuò)壓器流道里會(huì)造成沖擊、旋渦和脫離,并且可能會(huì)產(chǎn)生喘振,這是離心式冷水機(jī)組使用變頻技術(shù)的難點(diǎn)。

通常,空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的冷負(fù)荷隨季節(jié)氣候和室內(nèi)居留人員數(shù)量而變化,空調(diào)用冷水機(jī)組的制冷量需要和它相匹配,也要相應(yīng)的變化。在一年的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi),滿(mǎn)負(fù)荷制冷量的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間并不長(zhǎng),大部分是在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,部分負(fù)荷下的高效、節(jié)能對(duì)降低全年能耗具有十分重要的意義,這就是離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組發(fā)展變頻的動(dòng)力。

2 大型變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)離心式壓縮機(jī)性能的影響

圖1表示了制冷劑氣體按照一元流動(dòng)流過(guò)葉輪時(shí)的速度三角形。由絕對(duì)速度C、相對(duì)速度U和圓周速度W組成,下標(biāo)1表示在葉輪進(jìn)口處,下標(biāo)2表示在葉輪出口處,圖 (a)表示進(jìn)口處速度三角形,圖 (b)表示出口處速度三角形。將絕對(duì)速度分解成圓周方向的分速和垂直于圓周速度方向的分速,分別用下標(biāo)u和下標(biāo)r表示。因此,C1分解成C1r和C1u,C2分解成C2r和C2u。

圖1 氣體流過(guò)葉輪進(jìn)口和出口時(shí)的速度三角形

從速度三角形可得出下列矢量方程:1kg氣體流過(guò)葉輪時(shí)所獲的能量,稱(chēng)為理論能量頭 (kJ/kg),用 △hth表示,根據(jù)歐拉方程

式中:

u2,u1—葉輪的出口圓周速度,進(jìn)口圓周速度(m/s);

式中:

C2u,C1u—葉輪出口絕對(duì)速度在圓周方向的分量,葉輪進(jìn)口絕對(duì)速度在圓周方向的分量 (m/s);D2,D1—葉輪出口直徑,葉輪進(jìn)口直徑,m;

n—轉(zhuǎn)速,r/min;

π—圓周率。

從式 (6)可看出,在葉輪直徑一定時(shí),圓周速度U和轉(zhuǎn)速n成正比。

又從式 (5)看出,由于C2u＞1,C1u=0,因此,當(dāng)轉(zhuǎn)速n增大時(shí),U2增大,理論能量頭 △hth增大。理論能量頭是葉輪加給1kg氣體的能量,這部分能量的主要部分在流出壓縮機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)變成壓力能。因此,當(dāng)轉(zhuǎn)速增高時(shí),從離心式壓縮機(jī)流出的氣體壓力也增高。反之,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí),從離心式壓縮機(jī)流出的氣體壓力也降低。

制冷劑氣體流過(guò)葉輪的體積流量,是葉輪流道的斷面積與垂直于斷面積的流速的乘積。質(zhì)量流量是體積流量與密度的乘積。質(zhì)量流量的大小代表離心式壓縮機(jī)制冷量的大小。從圖1的速度三角形可以看出,對(duì)于一臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸一定的壓縮機(jī),轉(zhuǎn)速越高,葉輪出口的圓周速度U2也越大,這時(shí)的絕對(duì)速度在垂直于斷面的分量C2r也越大,因此,離心式壓縮機(jī)的流量也越大,壓縮機(jī)的制冷量也越大,反之,轉(zhuǎn)速越低,制冷量越小。這就說(shuō)明,用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心壓縮機(jī),通過(guò)改變頻率,使轉(zhuǎn)速變化,就可改變制冷量。

2.2 變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組比定頻離心式冷水機(jī)組節(jié)能的原因

從圖1的葉輪進(jìn)口速度三角形可以看出,氣流的相對(duì)速度W1是由圓周速度U1和絕對(duì)速度C1合成的。若進(jìn)口無(wú)預(yù)旋,C1=C1r。

對(duì)于定頻離心式壓縮機(jī),在部分負(fù)荷時(shí),氣體流過(guò)葉輪流道的流量減小,C1r值減小,而圓周速度U1不變,因此相對(duì)速度W1的大小和方向都變化。相對(duì)速度W1的方向是用相對(duì)速度和圓周速度之間的夾角β1表示,相對(duì)速度W1方向變化就是β1角變化。

對(duì)于變頻離心式壓縮機(jī),在部分負(fù)荷時(shí),氣體流過(guò)葉輪流道的流量減小,C1r值減小,但由于轉(zhuǎn)速也減小,圓周速度U1也減小,在合理的設(shè)計(jì)下,可使相對(duì)速度W1的方向 (β1角)接近不變,或變化得較小,但不論怎樣,總是比定頻時(shí)變化要小。

這種定頻和變頻壓縮機(jī)W的變化關(guān)系,發(fā)生在整個(gè)葉輪流道里。

在離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),葉輪流道的形狀,應(yīng)和相對(duì)速度的方向一致,即葉輪的葉片進(jìn)口彎曲角應(yīng)等于 β1,葉片出口彎曲角應(yīng)等于 β2,通常是按照額定制冷量時(shí)的參數(shù)設(shè)計(jì)的。在部分負(fù)荷時(shí),制冷量減小,氣體流過(guò)葉輪的流速也減小,即Cr減小,而流道的幾何形狀是不變的。對(duì)于定頻離心壓縮機(jī),由于轉(zhuǎn)速不變,葉輪的圓周速度不變,因此相對(duì)速度的方向就要改變,和流道的方向不一致,這時(shí)氣流就會(huì)產(chǎn)生沖擊損失、旋渦損失、脫離損失,甚至局部產(chǎn)生倒流,這些損失都使離心式壓縮機(jī)的效率降低、耗功增大。而對(duì)于變頻壓縮機(jī),當(dāng)部分負(fù)荷制冷量減小時(shí),氣體流過(guò)葉輪的Cr減小,同時(shí)圓周速度U也減小,使相對(duì)速度的方向改變得小一些,或接近不變。這樣,氣體流過(guò)葉輪時(shí)的損失就會(huì)小一些,因而使離心式壓縮機(jī)的效率降低得少一些。這就是變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),比定頻離心式冷水機(jī)組節(jié)能的原因。當(dāng)然,部分負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速降低,消耗在軸與軸承的摩擦功率也減小。

但是,變頻離心式壓縮機(jī)也不能在全部部分負(fù)荷時(shí)都能滿(mǎn)足相對(duì)速度方向變化小的要求,一般是在制冷量接近滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)相對(duì)速度方向變化較小,而制冷量越接近零時(shí),變化越大。因此,變頻離心式壓縮機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),并不是只調(diào)節(jié)頻率,而是要與其他調(diào)節(jié)方法同時(shí)配合使用。例如,某公司的變頻離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷的調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)成:當(dāng)制冷量在額定值的100%至70%時(shí),僅采用變頻降低轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)制冷量,而在 70%以下時(shí),采用變頻降低轉(zhuǎn)速同時(shí)配合使用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的方式來(lái)調(diào)節(jié)制冷量。

此外,擴(kuò)壓器的流道也需要調(diào)節(jié),對(duì)于無(wú)葉擴(kuò)壓器,是將兩個(gè)平行壁面中的一個(gè)設(shè)計(jì)成可移動(dòng)的壁面,或者是采用一個(gè)移動(dòng)擋板,當(dāng)部分負(fù)荷時(shí),隨著氣體流量的減小,調(diào)節(jié)移動(dòng)部件和固定壁面之間的距離,使其減小,因此擴(kuò)壓器進(jìn)口的流道斷面積縮小,減少氣流進(jìn)入擴(kuò)壓器時(shí)的沖擊和避免倒流。

2.3 變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組與定頻離心式冷水機(jī)組節(jié)能性能的比較

大型離心式壓縮機(jī)空調(diào)用冷水機(jī)組大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn),在這些時(shí)間里,往往氣候不是最炎熱,環(huán)境溫度比較低,離心式冷水機(jī)組工作的冷凝溫度比較低,因此,變頻離心式冷水機(jī)組由于部分負(fù)荷轉(zhuǎn)速降低造成排氣壓力降低,也能與較低的冷卻水溫度相適應(yīng)。分析表明,通常變頻離心式冷水機(jī)組能比定頻離心式冷水機(jī)組年節(jié)電30%～35%,在特殊的部分負(fù)荷點(diǎn)運(yùn)行時(shí),可以比定頻離心式冷水機(jī)組節(jié)電75%。一般情況下,在2～3年內(nèi),變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組所節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用,可以補(bǔ)償變頻離心冷水機(jī)組和定頻離心冷水機(jī)組初始投資的差價(jià)。

圖2是制冷量2000kW的變頻離心式冷水機(jī)組和定頻離心式冷水機(jī)組在各個(gè)部分負(fù)荷下的性能系數(shù)COP的比較。可以看出,制冷量在100%到90%時(shí),變頻機(jī)和定頻機(jī)的COP差別很小,因?yàn)檫@時(shí)變頻機(jī)的轉(zhuǎn)速和定頻機(jī)的轉(zhuǎn)速差異很小。從90%到10%時(shí),COP的差異就很大,變頻機(jī)的COP比定頻機(jī)高很多,因此,在部分負(fù)荷時(shí),變頻機(jī)較定頻機(jī)有明顯的節(jié)能效果。

評(píng)價(jià)冷水機(jī)組的節(jié)能性能,通常采用 “綜合部分負(fù)荷值IPLV(Integrated Part-Load Value)”作為全年效率評(píng)價(jià)指標(biāo),它最早是由美國(guó)提出并規(guī)定在ARI 550/590標(biāo)準(zhǔn)和ASHRAE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里,現(xiàn)在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中也用它作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。IPLV是從不同負(fù)荷下的效率比例和冷卻水溫度與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)條件相似時(shí)加權(quán)平均計(jì)算出來(lái)的,IPLV的英制單位是kW/冷噸,IPLV值越小,節(jié)能性能越高。我國(guó)常用國(guó)際單位制的COP(kW/kW)可從它換算出來(lái),COP值越大,節(jié)能性能越高,英、美國(guó)家過(guò)去使用的英制單位的能效比EER[(Btu/h)/kW]也可從它換算出來(lái),IPLV的計(jì)算公式如下:

圖2 變頻和定頻離心式冷水機(jī)組部分負(fù)荷時(shí)COP的比較

式中:

A—冷卻水進(jìn)口溫度29.4℃時(shí)在100%負(fù)荷下的效率;

B—冷卻水進(jìn)口溫度23.9℃時(shí)在75%負(fù)荷下的效率;

C—冷卻水進(jìn)口溫度18.3℃時(shí)在50%負(fù)荷下的效率;

D—冷卻水進(jìn)口溫度18.3℃時(shí)在25%負(fù)荷下的效率;

使用式 (7)時(shí),制冷水的出水溫度保持在定值6.7℃。

美國(guó)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對(duì)制冷量大于1054kW的離心式冷水機(jī)組的 IPLV(kW/冷噸)、COP(kW/kW)、EER[(Btu/h)/kW]的值應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表2表示了麥克維爾1580kW變頻離心冷水機(jī)組與定頻離心冷水機(jī)組IPLV的比較。

美國(guó)開(kāi)利公司19XRV系列變頻離心式冷水機(jī)組的IPLV值為0.37～0.42kW/冷噸。

表1 離心式冷水機(jī)組的IPLV、COP、EER值

表2 麥克維爾1580kW變頻離心冷水機(jī)組與定頻離心冷水機(jī)組IPLV的比較

表3表示了日本三菱重工的ETI系列定頻和變頻離心冷水機(jī)組部分負(fù)荷全年效率COP、最大COP和全年耗電量的比較。

變頻離心式冷水機(jī)組還具有以下的一些優(yōu)點(diǎn):

a)降低啟動(dòng)電流;

b)降低扭矩,延長(zhǎng)電機(jī)壽命;

c)功率因數(shù)較高,降低額定電流;

d)電機(jī)零部件較少,減少維修;

e)降低了部分負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速,使機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲比定頻機(jī)低,通?？山档?dB(A)左右。

表3 三菱重工的ETI系列定頻和變頻離心冷水機(jī)組部分負(fù)荷全年效率COP、最大COP和全年耗電量的比較

3 磁懸浮變頻離心壓縮機(jī)冷水機(jī)組

3.1 磁懸浮的工作原理和優(yōu)點(diǎn)

離心式壓縮機(jī)所消耗的功,包括葉輪對(duì)氣體所作的功和軸旋轉(zhuǎn)時(shí)與軸承間摩擦消耗的功。磁懸浮離心式壓縮機(jī)的葉輪、電機(jī)轉(zhuǎn)子安設(shè)在一條軸上,兩端被支承在軸承上。在起動(dòng)時(shí),變頻電機(jī)將轉(zhuǎn)速慢慢升高,依靠磁力的作用,將軸向上浮起,旋轉(zhuǎn)的軸與軸承脫離。摩擦功減低到很小。因而降低了壓縮機(jī)消耗在軸與軸承間的摩擦功率,軸承消耗的功率從常規(guī)離心式壓縮機(jī)的10kW降低到磁懸浮壓縮機(jī)的0.2kW,使壓縮機(jī)的效率提高。

圖3表示了磁懸浮旋轉(zhuǎn)部件 (軸和葉輪)和軸承配合的結(jié)構(gòu)圖,磁懸浮軸承由前徑向軸承、后徑向軸承和軸向軸承組成。通過(guò)Y軸位移傳感器和Z軸位移傳感器檢測(cè)控制,使軸保持在要求的懸浮位置上。

通過(guò)X軸位移傳感器檢測(cè)控制,使軸保持在要求的軸向位置上,精度達(dá)到0.00127mm。

圖3 磁懸浮軸和軸承的配合結(jié)構(gòu)

圖4是一臺(tái)變頻磁懸浮壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)。磁懸浮壓縮機(jī)采用磁懸浮數(shù)控軸承和高性能傳感器,它利用稀土永磁體和電磁體間產(chǎn)生的強(qiáng)力磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)軸的懸浮。在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受磁力的作用,軸被懸浮起來(lái),不與軸承接觸,保證在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)軸與轉(zhuǎn)子精確定位。同時(shí),軸承不需要潤(rùn)滑油,避免了普通壓縮機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的潤(rùn)滑油系統(tǒng),大大提高了機(jī)組可靠性。由于整個(gè)制冷系統(tǒng)中沒(méi)有潤(rùn)滑油循環(huán),熱交換器表面沒(méi)有潤(rùn)滑油熱阻,提高了換熱器傳熱效率,也提高了機(jī)組能效。該系列壓縮機(jī)為兩級(jí)壓縮,有兩個(gè)葉輪,由集成變頻直流同步無(wú)刷變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),軸承為無(wú)油潤(rùn)滑磁軸承,內(nèi)置數(shù)字電子設(shè)備。部分負(fù)荷時(shí)通過(guò)變頻調(diào)速并配合進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速范圍在18000～48000r/min,起動(dòng)電流只有2A。采用數(shù)控電力電子設(shè)備,集成壓縮機(jī)、電子膨脹閥、冷水機(jī)組控制的最佳化運(yùn)行。監(jiān)控多達(dá)150個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)突然停電時(shí),由于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的慣性,將會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定的時(shí)間,這時(shí)電機(jī)成為發(fā)電機(jī),發(fā)出的電力對(duì)蓄電池充電,使蓄電池保持至少60秒的電力,以便能控制磁懸浮的軸緩慢地降落到軸承上。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí),由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的降落軸承承受轉(zhuǎn)子,避免引起損壞。降落軸承有碳滾動(dòng)軸承和陶瓷軸承兩種,碳滾動(dòng)軸承能承受100次硬著落。陶瓷軸承具有更好的耐熱、更高的可靠性。

圖4 磁懸浮離心式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 磁懸浮變頻離心壓縮機(jī)冷水機(jī)組的性能

這種技術(shù)最早由捷豐公司獲得專(zhuān)利,后丹佛斯-托波庫(kù)公司購(gòu)買(mǎi)了專(zhuān)利,1993年開(kāi)發(fā),2003年開(kāi)始銷(xiāo)售,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。壓縮機(jī)為兩級(jí)、半開(kāi)式葉輪,整個(gè)系列有TT300、TT400和TT500三種型號(hào),TT300制冷量316kW(90冷噸),TT400冷量 527kW(150冷噸)。TT300轉(zhuǎn)速為 18000～48000r/min,起動(dòng)電流僅2A。壓縮機(jī)重量只有常規(guī)壓縮機(jī)的1/5,占地面積為常規(guī)壓縮機(jī)的1/2。壓縮機(jī)長(zhǎng)788mm,寬518mm,高482mm,重120kg,使用環(huán)保制冷劑R134a。該壓縮機(jī)贏得了一系列國(guó)際上聲望很高的獎(jiǎng)項(xiàng),包括美國(guó)國(guó)家環(huán)?？偸?EPA)頒發(fā)的 “氣候保護(hù)”獎(jiǎng),美國(guó)供暖、制冷、空調(diào)工程師學(xué)會(huì)組織的美國(guó)制冷空調(diào)及供熱展覽會(huì)(ASHRAE/AHR)“能源創(chuàng)新”獎(jiǎng)、加拿大 “節(jié)能”獎(jiǎng)和澳大利亞 “AIRAH制冷”獎(jiǎng)等。

使用這種壓縮機(jī)的冷水機(jī)組有水冷冷凝器和風(fēng)

圖5 磁懸浮離心式多機(jī)組的模塊化冷水機(jī)組

冷冷凝器兩種,水冷機(jī)組又有干式 (直接膨脹)蒸發(fā)器和多壓縮機(jī)滿(mǎn)液式蒸發(fā)器兩種,制冷量在211～3164kW(60～900冷噸)。風(fēng)冷冷水機(jī)組,制冷量在211～1055kW(60～300冷噸)。

由于制冷系統(tǒng)不含油,因此,多壓縮機(jī)時(shí)可以共用一個(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)冷凝器,也可以多臺(tái)機(jī)組并聯(lián),擴(kuò)大機(jī)組的制冷量,使管路簡(jiǎn)單,成模塊化結(jié)構(gòu)。如圖5所示。

此外,還有其他公司向托波庫(kù)購(gòu)買(mǎi)壓縮機(jī)生產(chǎn)冷水機(jī)組或銷(xiāo)售它生產(chǎn)的冷水機(jī)組:

a)麥克維爾,制冷量387kW至774kw(110至290冷噸),滿(mǎn)負(fù)荷的COP為5.67,IPLV為9.376。

b)AEC公司,生產(chǎn)制冷量為120、140、150、170、190冷噸的冷水機(jī)組。

c)AIREDARE公司,生產(chǎn)風(fēng)冷冷水機(jī)組,制冷量200～1100kW。

d)ADVANTAGE公司,生產(chǎn)水冷冷水機(jī)組,制冷量為120、150、180冷噸。

e)STERING公司,生產(chǎn)制冷量為120至190冷噸的冷水機(jī)組。在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)COP為5.85,50%負(fù)荷時(shí),COP為12.3。

f)CLIMAVENETA公司,13個(gè)機(jī)型,制冷量222～895kW。

g)POWERPAX公司,POWERMASTER公司等。

4 結(jié)論

(1)高效和節(jié)能技術(shù)是空調(diào)用冷水機(jī)組的主要發(fā)展方向。

(2)大型離心式壓縮機(jī)空調(diào)冷水機(jī)組大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn),部分負(fù)荷下的高效、節(jié)能對(duì)降低全年能耗具有十分重要的意義。

(3)變頻離心式冷水機(jī)組由于部分負(fù)荷時(shí)改變轉(zhuǎn)速,使效率比定速離心式冷水機(jī)組高。

(4)磁懸浮離心式壓縮機(jī)降低了消耗在軸與軸承間的摩擦功率,并且熱交換器不含油,使壓縮機(jī)及冷水機(jī)組的效率提高。

[1] 常鴻壽,周子成.制冷離心式壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989