文 // 曹文波 科瑞創(chuàng)想(北京)能源技術(shù)有限公司
可變壓縮比變頻螺桿機節(jié)能特性分析
文 // 曹文波 科瑞創(chuàng)想(北京)能源技術(shù)有限公司
建筑物在夏季45%~50%的電能都用于空調(diào)制冷,其中冷水機組能耗又占到空調(diào)能耗的40%以上,因此冷水主機的節(jié)能是空調(diào)系統(tǒng)乃至建筑能源系統(tǒng)的重點。一般空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計以滿負載需求選配冷水機,而實際運行中,機組滿負荷運行的機率很低。如何使冷水主機在最優(yōu)化的情況運行,是可變壓縮比式變頻螺桿機市場需求的發(fā)展趨勢,該技術(shù)核心為可變?nèi)荼葔嚎s機與壓縮機變頻,目前可變壓縮比式變頻螺桿機在滿載COP與整合部分負載效率 (IPLV),已接近小型磁浮式離心機水平。
常規(guī)傳統(tǒng)螺桿式冷媒壓縮機為有段容量控制系統(tǒng)或無段容量控制系統(tǒng),目前這兩種容量調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是由調(diào)節(jié)滑閥、活塞桿、活塞缸、活塞以及活塞環(huán)構(gòu)成,調(diào)節(jié)滑閥與活塞通過活塞桿連接。
其工作原理是利用油壓推動活塞缸中的活塞帶動調(diào)節(jié)滑閥作為容調(diào)控制,潤滑油從油箱中流出,通過油過濾器和毛細管,由于油壓高于右端彈簧力與制冷劑壓力之和,潤滑油進入活塞缸。在壓差的作用下,活塞在活塞缸中向右側(cè)移動。當(dāng)滑閥向右側(cè)移動時,壓縮腔內(nèi)的有效壓縮容積增加。這也意味著制冷劑氣體的排氣量增加,最終導(dǎo)致制冷量增加。然而,當(dāng)有段容調(diào)電磁閥(3段/4段容量調(diào)節(jié)系統(tǒng))中的任意一個通電時,活塞缸內(nèi)的高壓油旁通至吸氣側(cè),導(dǎo)致活塞與滑閥向左側(cè)移動,一部分制冷劑氣體從壓縮腔內(nèi)旁通回到吸氣口。結(jié)果由于制冷劑的排氣量減少,制冷量降低。
連續(xù)式無段容調(diào)系統(tǒng)與有段容調(diào)其基本原理相同,但對電磁閥的應(yīng)用不同;連續(xù)式無段容調(diào)采用一個長閉和一個長開的電磁閥,這兩個電磁閥分別控制活塞缸的油出口與油入口,且都受溫度傳感器與微電腦控制器控制,故冷凍的調(diào)控能力穩(wěn)定且較精準。
傳統(tǒng)容量調(diào)整是活塞缸、滑閥、電磁閥等許多組件所構(gòu)成,增加了壓縮機制造上的復(fù)雜度,也增加了日后故障機率?;y與螺桿間的間隙泄漏也是降低壓縮效率的重要原素之一?;y的位置會同時影響壓縮容積的大小與容積比值(Vi)。一般雙螺桿式壓縮機在 70%~100%的容量范圍變動時,可維持固定的容積比值,但在70% 以下則容積比值會隨著容量降低而逐漸下降。
可變內(nèi)容積比的壓縮機就是將滑閥行程的固定端換成一個可移動的滑塊,使得對壓縮機的排氣口位置可通過滑塊位置的移動進行調(diào)節(jié),以改變壓縮機的內(nèi)容積比即壓頭。這樣,就可隨時根據(jù)制冷系統(tǒng)吸氣壓力和排氣壓力的變化來調(diào)節(jié)壓縮機的內(nèi)容積比,從而使壓縮機的壓縮比時刻于系統(tǒng)壓縮比相匹配,以獲得理想的排氣壓力和保持最大的絕熱效率與容積效率。
根據(jù)制冷系統(tǒng)的壓縮特點,其壓縮比公式為:
其中:CR-制冷系統(tǒng)壓縮比也稱外壓比;Pd-系統(tǒng)排氣壓力;Ps-系統(tǒng)吸氣壓力;
而對于一個近似等熵的壓縮過程,壓縮機自身的設(shè)計壓縮比可由公式(2)確定:
其中:Pi-壓縮機的設(shè)計壓縮比也稱內(nèi)壓比,為壓縮機排氣壓力和吸氣壓力之比;Vi-壓縮機的設(shè)計內(nèi)容積比,為壓縮機吸氣容積和排氣容積之比;k-制冷劑氣體常數(shù),為制冷劑氣體定壓比熱和定容比熱之比。
在給定的制冷工況下,如果冷凍、冷卻水流量減少,傳熱性能降低,吸氣壓力下降、排氣壓力升高,制冷系統(tǒng)壓縮比增大,就會造成過壓縮;反之,造成欠壓縮。因此,采用可變?nèi)莘e比設(shè)計壓縮比接近或等于制冷系統(tǒng)壓縮比的壓縮機,即Pi= CR時,壓縮機在運行時,就可避免壓縮機壓縮比和系統(tǒng)壓縮比不匹配而產(chǎn)生的欠壓縮和過壓縮的狀況,從而使系統(tǒng)在制冷工況下達到最高的運行效率。
根據(jù)美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會手冊給出的雙螺桿壓縮機在不同內(nèi)容積比條件下隨系統(tǒng)壓縮比變化的效率曲線(圖1);及R22壓縮機性能圖(圖2)。
圖1 螺桿壓縮機固定V i與可變Vi容效比較
圖2 R22壓縮機的典型性能
圖1中X-Y線為可變?nèi)莘e比Vi的效率曲線,曲線為固定容積比Vi的效率曲線。從圖1所示,可變?nèi)莘e比Vi的效率曲線是所有固定容積比Vi的效率曲線的最高點,在部分負荷下,可變Vi壓機的能效是最高的、能耗是最低的;圖2中虛線為內(nèi)壓比和外壓比相等時的等熵效率變化曲線,上圖表明在系統(tǒng)壓縮比變化范圍較大的情況下,可變內(nèi)容積比的壓縮機效率曲線包絡(luò)了固定內(nèi)容積比壓縮機的效率最高點。
因此,只有當(dāng)內(nèi)外壓比相等或相近時,壓縮機能效最高能耗最低,這也是發(fā)展可變?nèi)莘e比壓縮機的主要因素。
此外,可變內(nèi)容積比還具有以下優(yōu)點:①油分離器中的泡沫較少(無過壓縮);②夾帶入制冷系統(tǒng)中的油較少(以為油分離器中油泡沫較少);③延長了軸承壽命,使軸承上的負載最??;④帶經(jīng)濟器口時可調(diào)整來自經(jīng)濟器的閃蒸氣體量以及來自吸氣端的氣體量,擴大了壓縮機高效運行范圍;⑤噪音低;⑥排氣溫度及油冷卻器排熱量較低。
可變內(nèi)容積比壓縮機的實際系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明,吸氣或冷凝壓力變化越大,可變?nèi)莘e比壓縮機就越有利。根據(jù)應(yīng)用場合、制冷劑種類以及系統(tǒng)運行工況,其效率提高可達30%,目前約克公司、漢鐘公司、萊富康公司、復(fù)盛公司等都有多種相應(yīng)的內(nèi)容積比自動調(diào)節(jié)變頻螺桿機型。
可變?nèi)莘e比變頻螺桿機是新一代節(jié)能產(chǎn)品,具有節(jié)能、高效、低碳、環(huán)保、穩(wěn)定、可靠、功能多樣等特點。
在驅(qū)動方面采用變頻變速,變頻器局部制冷劑冷卻,高效電機應(yīng)用,高效變頻器調(diào)節(jié);變?nèi)荼萔i變頻設(shè)計在50%~25%部分負荷工況的運行效率,機組全年運行耗電可減少15%~25%;在環(huán)保方面,更高效節(jié)能減少間接排放,同時蒸發(fā)器獨特設(shè)計減少制冷劑充排量,減少溫室效應(yīng);機械高精度加工、緊湊減震設(shè)計、高效供油潤滑系統(tǒng)、蒸發(fā)器冷凍水量30%~120%范圍調(diào)節(jié)、全面參數(shù)保護、微電腦中心控制,保障了機組加卸載過程穩(wěn)定可靠運行;機組性能可適應(yīng)低溫、高溫和典型工況運行,可廣泛用于空調(diào)制冷、熱泵和熱回收、蓄冰和工藝冷卻等工程。
目前,可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機已逐步在空調(diào)冷水機中得到應(yīng)用,形成了能耗更低更為節(jié)能的可變?nèi)莘e比變頻螺桿冷水機產(chǎn)品。變?nèi)荼茸冾l螺桿機主要特征見表1。
表1
其中,可變?nèi)莘e比變頻螺桿機負荷變化時,制冷機流量變化,壓縮容積比同步變化,蒸發(fā)器允許水流量同步變化,因此,可變?nèi)莘e比變頻螺桿機比固定容積比變頻螺桿機在50%~25%負荷下更節(jié)能、更高效。
同時,蒸發(fā)器允許冷凍水流量同步變化,可以將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計成真正的一次變流量系統(tǒng),從而可以在部分負荷工況下,節(jié)約大量循環(huán)水泵的能耗,實現(xiàn)最佳的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。
因此,可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的推廣應(yīng)用,將會為空調(diào)、制冷系統(tǒng)帶來新的節(jié)能契機。
近年來,螺桿壓縮機的銷量已超過容積式壓縮機總銷售量的80%,隨著變頻技術(shù)在螺桿壓縮機上的應(yīng)用,使得螺桿壓縮機在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了進一步的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前發(fā)達國家變頻螺桿壓縮機的銷售量已經(jīng)占螺桿壓縮機年銷售量的70%。因結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用壽命長、維護方便、節(jié)能經(jīng)濟等特征,變頻螺桿壓縮機具有了美好的發(fā)展前景。
而在實際運行過程變頻螺桿制冷壓縮機內(nèi)外壓比不匹配,負荷為70%以下時,定容比壓縮機產(chǎn)生欠壓縮或過壓縮的現(xiàn)象,這樣變頻螺桿制冷壓縮機的性能不能充分發(fā)揮出來,導(dǎo)致螺桿壓縮機的性能不是很理想;因此為解決變頻螺桿制冷壓縮機欠壓或過壓縮功耗增加的矛盾,各設(shè)備廠家進一步開發(fā)了可變?nèi)莘e比變頻螺桿機,有效解決了寬范圍變頻過程,欠壓或過壓縮功耗增加,能效下降等問題,使可變?nèi)莘e比變頻螺桿機既具有傳統(tǒng)螺桿機的結(jié)構(gòu)簡單耐用的特點,又具備了調(diào)速寬、高效、穩(wěn)定、節(jié)能、低耗的新特征。
表2
表3
目前常用螺桿機的空調(diào)冷水系統(tǒng)有一次、二次水系統(tǒng),與可變?nèi)莘e比變頻螺桿機空調(diào)冷水系統(tǒng)的特征對比見表2。
通過對比不同類型壓縮機的冷水機組在相同制冷量空調(diào)工況運行能耗狀況見表3。
通過空調(diào)水系統(tǒng)特征對比,采用可變?nèi)荼茸冾l螺桿機可以實現(xiàn)最優(yōu)化一次水系統(tǒng)變頻運行,不但大大降低了制冷機組能耗與循環(huán)泵能耗、提高設(shè)備能效,同時也簡化了系統(tǒng)和減少了設(shè)備數(shù)量,節(jié)約了機房面積,還可獲得超頻冷量,因此,可變?nèi)荼茸冾l螺桿機空調(diào)系統(tǒng),將成為建筑用能系統(tǒng)進一步節(jié)能降耗的最佳選擇。
空調(diào)冷水系統(tǒng)從一次泵定流量、二次泵變流量到一次泵變流量的演變過程,不單是系統(tǒng)循環(huán)泵由不節(jié)能、負荷側(cè)循環(huán)泵節(jié)能、冷源側(cè)與負荷側(cè)循環(huán)泵節(jié)能的過程,更主要的是制冷機組由定容比工頻、定容比變頻、變?nèi)荼茸冾l的技術(shù)進步過程;也是制冷機組不斷適應(yīng)使用功能與節(jié)能需求的技術(shù)進步;從而帶動了空調(diào)系統(tǒng)配置的簡單、復(fù)雜、再簡單的技術(shù)演化。
可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的開發(fā),有效解決了欠壓縮與過壓縮的能耗增加問題,優(yōu)化了變?nèi)莘e比與變頻的匹配;并且整合了高效變頻、高效電機、高效潤滑、蒸發(fā)器優(yōu)化、中心控制等多項新技術(shù)新理念,促進了可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的廣泛應(yīng)用。
可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的應(yīng)用,不但大大提升制冷機部分負荷運行效率降低了制冷機能耗,并最大限度的擴展了蒸發(fā)器冷凍水流量許可變化范圍,為負載側(cè)一次變流量系統(tǒng)應(yīng)用提供了最大節(jié)能空間。