冷水机组原理与设计二

压缩机效率：

现在我们来讨论影响制冷机能耗和尺寸的三个因素中的最后一个——压缩机效率。

制冷循环的压缩功率和最终的机组尺寸是下列三个因素的函数：

1- 制冷剂流量

2- 通过压缩机的压力升高（Pc- Pb）。压缩比或压升。

3- 压缩机的实际效率。

在如今的市场上，能源的费用和可行性已经成为购买冷水机组的重要考虑因素。廉价能源的时期已经过去了。也需要小型设备来适应不断增长的建筑费用。

因此，任何设备或方法，只要它能提高压缩机效率，就能降低能耗，缩小机组尺寸。让我们看一些制造商用来使设备变得更小和更有效的常用方法。我们将从降低压缩机的压升开始。

显然，压缩机的机械设计是影响它效率的一个主要因素。公差、摩擦、材料等都必须准确地设计。

当然，进入压缩机的制冷剂情况也影响压缩机的效率，这是由与压缩机设计参数无关的外部设备决定的。

所有的压缩机被设计成压缩气态而非液态制冷剂。为了保证气态而非液态的制冷剂到达压缩机进口，一般热膨胀阀被用于固定排量的压缩机。依靠其机械控制，可以保证有15F的过热度。

从下面的P－H图可以看到，增加过热度会使制冷剂气体的比容（ft3/磅）增加。这意味着每一磅的制冷剂占据了更多的空间。

由于压缩机压缩制冷剂的体积，在过热度很大时通过压缩机的制冷剂会稀薄一些，压缩机的制冷剂质量流量（磅/秒）会降低。

很明显，当过热度增加时，压缩循环效率会降低。

现代电子技术带来了解决办法。开利已经设计了电子膨胀阀，它可以提供非常精细的制冷剂流量控制。配合传感器和微处理器，可以保持更准确的过热度控制。制冷设备现在运行的过热度不是原来的15F而是5F，并且没有牺牲设备的安全性。

现在让我们把注意力转向冷冻设备中使用的压缩机。那一种用于商业？容量范围多大？为什么要用这一种而不用另一种？接下来我们会讨论这些问题。

市场上的冷水机组有以下几种类型：

1 活塞式冷水机组

2 螺杆式冷水机组

3 离心式冷水机组

压缩机的类型决定了它的容量范围和运行方式。

后面的内容会比较它们的差别，缩小范围以帮助我们正确选择。

冷水机组的单机容量范围是15至10000冷吨。活塞式冷水机组的容量范围是15至100冷吨。螺杆式冷水机组的容量大约是75至750冷吨。离心式冷水机组的容量大约是100至10000冷吨。

为了进行比较。我们来看不同压缩机的性能。

制冷量范围：

往复式冷水机组：15到100冷吨

螺杆式冷水机组：75到750冷吨

离心式冷水机组：100到10000冷吨

往复式：

往复式压缩机是一种最老式压缩机。它利用活塞在汽缸中的上下运动来吸进、压缩并排出制冷剂到冷凝器中。因为它处理固定体积的制冷剂气体，因此称为固定排量设备。

由于是固定排量，有较高的压缩比。在部分负荷时，它仍可稳定运行。这种特性使之可以用在风冷设备中。

由于压缩制冷剂的容量有限，往复式机组的容量较小。可以用8个压缩机组成两个制冷循环来获得较大的冷量。但是目前市场上多用4个压缩机。

活塞：吸进一定量的气体并且压缩

良好的高压缩比；

用多个压缩机来增加冷水机组的容量；

对小容量情况很好，有高的压缩比。

离心式：

在低压缩比时需要较大的冷量，离心式机组可以满足这种要求。离心压缩机的旋转特性使之能在低压缩比的情况下提供大冷量。

它不是固定排量设备。通过旋转叶轮提供离心动力，使制冷剂经过扩压器内的小通道，压力升高，达到压缩的效果。由于叶轮的高速旋转，可以在短时间内压缩大量的制冷剂气体。离心叶轮的最高转速可以达到100000RPM。

活塞式机组由于活塞的往复运动，不能达到很高的速度。因此它处理的制冷剂的量也没有离心式机组的大。

由于不是固定排量设备，当压缩比升高时，特别是在部分负荷下进入扩散器的气体流量下降时，流动可能会被破坏。

因此，鉴于离心压缩机的旋转特性，此类机组适用于低压缩比时的大冷量需求。

气体进入旋转叶轮的进口；

叶轮给气体离心力；

气体流入并在扩散器处汇聚（受压）；

扩散器将气体送至冷凝器；

在低压缩比下处理大容量。

螺杆式：

活塞式适合处理高压缩比时的小冷量情况，离心压缩机的旋转特性使之能在低压缩比的情况下提供大冷量。

是否有机组能够结合活塞式的固定排量特性与离心式的大容量特点？螺杆式压缩机可以满足这种需要。

类似活塞式，螺杆式压缩机也是固定排量的。转子的尺寸与重量使之不能在活塞式为主流的小容量范围经济地运行。它可以用于较大的冷量，从每个转子为50~75RT起。

旋转的特性使之可比活塞式有更高的转速，因此冷量更大。

但是当考虑压缩机尺寸与转速时，提供固定排量特性的螺杆又成为制约因素。转子的质量及其接触面的摩檫不允许螺杆处理象离心式机组那样大的容量。

螺杆式机组的上限是约750RT，有一家可以做到1100RT。但是一般超过1100RT的容量适合离心式机组。

气体被抽入吸入腔（A）；

转子旋转并减小腔体积（B）；

小量被压缩气体排出（C）；

特征：固定排量；

在高压缩比时中等容量。

容量控制：

冷水机组的任务是提供冷冻水以供建筑中的空调系统使用。一般冷冻水的温度为44F或45F，温升为10F到12F。

温度传感器安装在机组的出水管上。机组的控制系统监控温度。控制器使压缩机加载或卸载，使机组容量和室内负荷匹配。

容量控制能力取决于压缩机的类型和卸载功能。

我们可以在下几方面看到结果。

往复式机组的卸载器：

当载荷减少时，出水温度会降低。这是由于设备容量超过了负荷。控制系统感测温度降低后，通过启停压缩机来维持出水温度在一个预设的范围内。范围越小，负荷越低，压缩机启停越频繁。由于一年中的大部分时间是在50％的部分负荷下运行，这种类型的机器会有大量的“开－关”循环。

较好的方案是使大容量压缩机在线而不是停机。频繁的启停造成了压缩机磨损，缩短了设备寿命。汽缸卸载器因此被用于减少压缩机容量而不关停压缩机。电力卸载器（与吸气压力卸载器不同）被用于往复式冷水机组，因为卸载阶段控制与机组的电力及电子控制系统很好地一体化了。

对于单压缩机头的冷水机组，机组可有4个或6个工作汽缸。设机组有6个汽缸，就可有三个容量控制阶段－100％，67％，33％。因为封闭式压缩机的电动机是用制冷剂冷却的，压缩机不停就不能100％卸栽。封闭式压缩机维持足够的电动机冷却的最小卸载大约为25％。

吸气截断型：活塞堵死汽缸的吸气口；没有压缩。

吸气旁通型：活塞打开汽缸从排气到吸气的通路；无效压缩。

多台压缩机：

当冷水机组的额定容量增加时时，压缩机容量也必须增加。这可以由一个带有更多的汽缸的单个压缩机完成，也可以用多个6汽缸的压缩机完成。先进的往复式冷水机组正在朝多压缩机方向发展，这是因为机器的容量备用能力和较低的制造成本。后面我们会进一步介绍备用能力。

如果机组配备了4个压缩机，每一个压缩机都有3级容量控制，那么机组会有4＋4＋4＋3=15 不必停机的负荷级别。

事实上并不需要这样灵敏的控制级别。按压缩机的数量，机组将有2到8个卸载级别。

让我们看压缩机8级卸载过程中，制冷剂循环系统的其他部分的情况。当压缩机卸载时，系统中制冷剂循环量减少。这也减小了通过蒸发器的制冷剂速度。当速度变得太低时，油顺利不能通过蒸发器的管子回到压缩机中。

同样，通过热力膨胀 阀TXV的液体流量也会减少到低于阀稳定性的最小点，这样就会引起阀的不稳定运行和失去过热度控制。当这种情况发生时，液态制冷剂有可能到达压缩机进口。

双制冷剂循环系统：

为了防止制冷剂速度过低、减小TXV负载，蒸发器分为两个独立的制冷剂循环。机组中的每个循环系统包括压缩机、各自的冷凝器、TXV阀、干燥过滤器、视液镜、电磁阀等。在低负载时（30％－40％）制冷剂循环系统中的一个停运，因而提高了蒸发器中的制冷剂流速和相应的TXV的负载，确保正常的返油和TXV运行。

另外的卸载方法：

多台压缩机（最多8台，典型的4台）；

每台压缩机最多有两级卸载。

有两台压缩机就可有更多级的卸载

两个制冷循环：在低负荷时，回油和热力膨胀阀性能好。

容量控制步骤：

下面介绍的是一个典型的4压缩机、2制冷循环的冷水机组的部分负载运行情况。机组有8个容量别级，每一制冷循环中的一台压缩机上带有汽缸卸载器。

在8个卸载等级的7个等级中，两个制冷循环系统同时运行，以便充分利用蒸发器和冷凝器表面，减小压缩比。最后一个卸载等级关闭一个制冷循环。下图还表示出转换开关（Transfer Switch）的应用。转换开关的作用是确定那台压缩机先开始卸载，以使每一制冷循环系统中的设备运行时间均等。配备了DDC控制的机组，通过软件监控压缩机运行自动执行此功能。

因为4压缩机的机组有2个独立的制冷循环系统，因此设备可以有50％的备用容量，如果其中一个系统不能运行时。

一个制冷循环系统中的压缩机数量并不限制在2台。例如，一个容量为200Ton的风冷往复式冷水机组，每个循环系统有4台压缩机，总共有8台压缩机。

但是，有多台压缩机的制冷循环形式也存在问题。当其中一台压缩机不运行时，其他运行中的压缩机的油会从他们的曲轴箱流向不运行的压缩机的曲轴箱。这会引起油压过低而跳闸。为防止此问题，需要曲轴箱平衡管路，它可以把各曲轴箱以并联形式连接起来，以便油流向需要的地方。

只有一台压缩机有卸载器。

热气旁通：

4个或更少的卸载等级的机组需要有热气旁通作为控制附件。这种机组的最小容量为25％，在运行季节中，有相当多的运行时间它们所承担的负荷可能会小于25％。热气旁通可以使负荷低于25％时压缩机仍不停机。

下面要介绍的是系统如何工作。当负荷低于25％，压缩机容量将超过TXV允许进入蒸发器的制冷剂流量。这样压缩机会“抽空”（pull down）蒸发器，使吸气压力降低。

当机组控制系统要求低于最后一级卸载的容量时，热气旁通阀控制线路上的电磁阀会开启。蒸发器吸气压力信号会被传送到热气旁通阀的控制元件中。预设了一个特定的吸气压力值，当吸气压力低于此值时，热气旁通阀开启，使热的压缩机排气旁通到TXV后的蒸发器进口液体管内。热气和从TXV来的液态制冷剂混合，增加了流向压缩机制冷剂量。热气通向蒸发器的另一好处就是：当负荷小于25％时，改善压缩机的回油。

由于制冷剂流量保持稳定，蒸发器压力稳定在最小设定点，压缩机能耗也保持稳定。

多于4个卸载等级的机组一般不设置热气旁通，因为更多的卸载等级可以适应实际空调运用中的最小负荷。工业运用中可能仍需要这样的设备。不管怎样，电动机的冷却问题必须重视。

螺杆式机组的部分负荷：

螺杆式压缩机卸载的情况同往复式压缩机很相似。有两种控制选择：1）活塞卸载器；2）滑阀。

活塞卸载器的功能同往复式中的活塞卸载器非常相似。在螺杆式中，两个卸载器中的任何一个都可以打开部分压缩行程与吸气口相通，这样，通过整个螺杆压缩行程的气体量会减少，相应地容量也会减小。

一些螺杆式压缩机有滑阀。其目的是相同的——允许部分压缩过的气体回到吸气口端。实际效果同活塞卸载器基本上一样，只有一点不同，滑阀可以调整更多阀位以提供更精细的部分负荷控制。

离心式机组的部分负荷：

离心式机组在压缩机的吸气口处有一套机翼形的叶片，称为进口导叶。它调节进入压缩机的气流。叶片还可以使通过的气流预旋，并且改变压缩机的特性。

叶片由一系列绕有金属线的滑轮支配，马达带动金属线，叶片可同时转动。

调整叶片以提供平稳而又精确的制冷剂流量控制。这样，机组的容量可适应部分负载。

唯一的例外是：压缩机在部分负载时，可能会发生喘振现象。喘振现象与固定排量压缩机无关，只与离心式压缩机有关。

让我们看一下喘振现象。

喘振：

在压缩机维持系统高压和恒定叶轮转速工作时，进口的制冷剂流量减小到某点就会发生喘振。喘振是因叶轮流道中的流动被破坏而产生的。发生这种情况时，叶轮不能长时间维持正常的系统压力，会周期性地使部分或全部气体倒流过叶轮。这种现象伴随着使叶轮重新正常工作所需的系统压力的降低。当系统压力超过叶轮的能力时，制冷压缩循环也重新开始。

这种现象的发生频率取决于压缩机和系统的特性。喘振会增加噪声，使排气压力波动。偶然的喘振问题不大，但是长时间的喘振会损坏止推轴承。

通常压缩机使气体通过扩散器；

在部分负荷时，通过扩散器的流量减少；

如果压缩机的压升仍然很大，气流会由扩散器通道返回；对每一个进口导叶位置都有一个喘振点。

压缩机性能：

离心式压缩机的流量与压力关系特性类似于离心风机。导流叶片的每一个开度都对应新的流量与压力关系。

在下图中从右向左表示导流叶片的开度减小。即使全关，仍允许有大约10%的泄漏，这代表了压缩机的最小容量（不考虑喘振问题）。

在曲线的右侧，压缩机会碰到“屏障”。当压缩机中任何一点气体速度大于当地音速时，压缩机内会产生冲击波，机组的性能急剧下降。

进口导叶在最小位时仍可有最大10%的流量（左侧曲线），可能的最大流量——高速“冲击波”（右侧曲线）。

系统性能：

将制冷剂流动阻力曲线（系统特性曲线）叠加到压缩机性能图上，可以看到一个有趣的现象。

如果冷凝器的进水温度维持恒定（如85F），压缩机进口导叶关小以适应建筑负荷，系统特性曲线将和压缩机的喘振线相交于40%的负荷点。这与我们先前了解的相符：离心式压缩机不是高压缩比的设备，特别是在部分负荷时。

然而，如果控制系统允许冷凝器的进水温度每降低10%负荷时下降2.5F，压缩机可以在所有导叶位置保持稳定，直至全闭。

显然，某些控制冷凝器进水温度的措施对离心式压缩机是必须的。

进入冷凝器的水 允许进入冷凝器的水温降

为固定的85F：低(2.5F/10%的负荷)：

最小40％的部分负荷 最小10％的部分负荷

分离环式扩压器：

离心式压缩机可以装有一个部分负载设备，称为分离环式扩压器。按字面的意思，扩压器被分两个环，而非一个。

当负荷减少时，通过扩压器通道的气流减少。这样，通道内的气流速度也会降低。如果压头足够高，就会发生喘振，气体从扩压器通道倒流回叶轮中。

采用分离环式扩压器后，当控制系统感测到将要出现喘振的条件时，移动内环，用这样一种方式减小扩压器通道的流通截面积，局部气流速度增加，避免了喘振。

由此而产生的压缩机的性能会在下面介绍。

气体通过扩压器通道离开叶轮

如果通道里的流速太低，就会发生喘振

(1)处的通道截面积是100%——低负荷时低流速

控制器转动扩压器内环 (2)

通道截面积变小了(3)——低负荷时高流速

没有喘振，压缩机运行稳定。

用固定扩压器以及分离环式扩压器的影响将在以下几页介绍。可以看到由于冷凝器进水温度保持恒定，压缩机会发生喘振现象。

使用分离环式扩压器可以使压缩机部分负载时更稳定。

水箱的设计：

冷水机组上与系统水管连接的部位称为水箱。水箱的设计有两种形式：

1- 端盖接管式 Nozzle-in-head （N）

2- 周边接管式 Marine waterbox （M）

（N）型水箱是目前使用最广泛的形式。首先，由于价格便宜，并且使冷水机组的长度减小，从而成为各类小型冷水机组（小于1000冷吨）的标准设计形式。水管一般在水箱端头用带法兰的90度弯头连接。这样，当需要打开冷水机组清洗和维修管束时，只要卸开法兰就可以了，非常简单。

大型的冷水机组的水管管径可能会很大，通常采用焊接而不用法兰连接。对于这类机组，使用（M）型水箱更好，尤其是对于每年都需要清洗的冷凝器而言。对于（M）型水箱，水管与水箱接管的连接采用焊接方式。对管束的维护只须拆卸螺栓连接的水箱端盖。

制冷剂抽空和储存：

由于生态以及经济等方面的因素，高压制冷剂已成为当前市场上首选的制冷剂。高压制冷剂要求在正常环境条件下维持高压，以保持液态。如果高压机组向大气敞开，制冷剂将迅速沸腾，并消失于周围空气中。

这种现象有几个负面影响。首先，沸腾的制冷剂将会冻结并胀破冷水机组内的管道。其次，制冷剂蒸汽将使室内人员窒息。另外，冷水机组将会损失大量制冷剂，更换制冷剂价格昂贵。同时，制冷剂蒸汽将对大气和臭氧层产生不良的影响。

因此，高压冷水机组应当配备抽空（pumpout）式压缩机，以及在机组必须打开时用以存储制冷剂的储液器。储液器可以是单独的一个容器，机组的冷凝器也可以作为储液器。

当冷凝器作为储液器时，机组必须在冷凝器和蒸发器之间以及冷凝器和压缩机之间的管路上配备隔离阀。下图中的黑色方块即表示隔离阀。抽空式压缩机用黑色大箭头表示。

很多冷水机组在运到施工现场之前已经在冷凝器中充注了制冷剂。在这种情况下，冷水机组已配有隔离阀，打开隔离阀是启动机组的步骤之一。

启动器：

离心机组有四种基本的电机启动方式。除了价格因素，启动器的选择受多种因素影响，特别与对电网的潜在干扰和电力公司的规定有关。

电源开关：全电压启动是最简单和便宜的方式。启动时马达转子的固定电流直接来自电网。启动加速快。这种方式适用于600V及以上的电压。

自动变压器：这种方式限制启动电压，可以减小启动电涌和马达扭距。其价格使它一般用于600V以下的场所。

主电抗器（扼流圈）：这种方式同样限制启动电压，减小启动电涌和马达扭距。这是用于600V以上的最经济的降压启动方式。

星—三角形接法

这种启动方式通过改变马达线圈绕组以减小启动电涌和马达扭距。这是低压启动（ 600V以下）的最经济的方式。这种方法的马达加速时间最长。

固态电路“软启动”：

离心机组最新的启动方式。它的启动设备采用可控硅整流器（SCR）。（SCR）象一个电阀门，根据控制电信号允许通过的电流量。启动时的冲击电流可以为零（不象其他四种启动方式），然后使马达的电流逐步上升。在这种启动过程中，启动器仅提供足够的电压克服马达启动时的扭矩。这种“软启动”方式对紧张的电力供应系统是极有利的。但是这种启动较其他方式要贵得多。

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