技术探讨：制冷冷水机组的设计与优化

1、机组类型与特点
制冷冷水机组按压缩机类型可分为活塞式、螺杆式和离心式三类。活塞式机组的单机容量较小 , 一般在 600kW 以下 , 适用于小型工业制冷和多联机空调系统 ; 螺杆式机组容量范围广 , 在 50~2000kW 之间 , 应用最为广泛 ; 离心式机组的单机容量最大 , 可达 7000kW 以上 , 主要用于大型工业制冷 [1] 。  

按冷凝方式可分为风冷式和水冷式。风冷式机组利用风冷冷凝器 , 散热条件受环境温度影响较大 , 但无需冷却水系统 , 安装灵活 ; 水冷式机组采用水冷冷凝器 , 散热稳定高效 , 但需配置冷却塔等辅助设备 , 占地较大。  

按压缩机排列方式可分为并联式和串联式。并联式机组适合变工况运行 , 可根据负荷调节运行台数 , 但 Oil management 复杂 ; 串联式机组适合恒工况运行 , 制冷量大 , 但容量调节方式单一。

2、机组选型的考虑因素
制冷冷水机组的选型需要综合考虑以下因素 :  

(1) 冷冻水设计参数 : 根据工艺或空调系统的温度要求 , 确定冷冻水供回水温度 , 并考虑冷冻水在管路和末端的温升。同时 , 要权衡冷冻水温度与机组能效的关系。  

(2) 负荷特性 : 分析负荷的变化规律 , 包括季节波动、日波动和瞬态波动 , 选择适合的机组类型和台数组合。对于变负荷工况 , 宜选用容量调节灵活的并联式机组。  

(3) 安装条件 : 考虑机房空间、噪声振动、电源接入等安装条件 , 选择合适的机组尺寸和布置方式。对于室内安装 , 要重点关注机组的噪音控制和散热通风。  

(4) 维护管理 : 评估机组的维修便利性、备品备件供应、故障诊断等维护管理需求 , 选择成熟可靠、售后服务完善的机组产品 [2] 。  

(5) 能效要求 : 对标国家和行业的能效标准 , 如 GB 19577 、 GB 50189 等 , 优选节能型机组产品。可参考机组的名义工况和 IPLV 工况能效比 , 核算全生命周期成本。

1、压缩机的设计与优化
压缩机是机组的核心部件 , 其设计需兼顾高效、可靠、节能等性能要求。活塞式压缩机应采用无级容量调节技术 , 如转速调节、滑阀调节等 , 实现在 25%~100% 负荷范围内的无极调节 [3] 。同时 , 优化气阀的流道设计 , 减小高频脉动和气体反流。  

螺杆压缩机的转子型线是影响性能的关键。采用非对称型线可在相同排气量下提高容积效率 3%~5%; 采用高扭转角设计可显著减小泄漏损失 [4] 。在转速恒定时 , 可采用滑阀调节负荷 , 兼顾全工况效率。  

离心压缩机应优化叶轮和扩压器流道 , 提高空气动力效率。针对变工况 , 可采用可调导叶、分段喷嘴等调节方式 , 减小流动损失。高速离心机还应采取有效的密封和润滑措施 , 如干气密封、磁悬浮轴承等 [5] 。

2、蒸发器和冷凝器的设计
蒸发器和冷凝器是机组中传热面积最大的换热器 , 采用高效紧凑的设计可显著提升机组性能。蒸发器应根据冷冻水水质情况 , 合理选择管程数和布置方式。采用小管径、强化传热管可减小水侧热阻 , 但应控制压降和结垢风险。  

冷凝器的设计需重点关注散热效率 。风冷冷凝器应优化翅片型线 , 增加换热面密度 , 但要避免气流阻塞 ; 同时还应采取变频控制风机 , 降低噪声和 auxiliary power consumption 。水冷冷凝器多采用管壳式结构 , 应强化传热管内壁 , 并控制冷却水的水质和流速 [6] 。  

蒸发器和冷凝器的制造工艺也是影响性能的关键。 采用窒化、喷涂等表面处理 , 可提高换热表面亲水性、疏油性 , 减轻结垢、结霜 , 延长清洗周期。在制造过程中 , 还应严格控制焊接变形 , 避免接触不良导致传热恶化。

3、节流装置与辅助部件的设计

节流装置是调节制冷剂流量和蒸发温度的关键部件。 采用电子膨胀阀替代热力膨胀阀 , 可实现更精确的流量调节和过热度控制 , 提高蒸发器传热效率。同时 , 电子膨胀阀还具有自诊断功能 , 可实时监测阀位和故障信息 [7] 。  

Oil separator 的设计应确保油的有效分离和及时回油 。采用立式结构、内置式除雾器可提高分离效率 ; 同时采用油位平衡管、油泵等强制回油措施 , 可加快回油速度 , 减轻压缩机润滑不足风险。  

干燥过滤器用于吸附制冷剂中的水分和固体杂质 , 其设计应与系统容量匹配 。 Core filter 面积越大 , 过滤效果越好 , 但阻力也越大。因此 , 需在过滤精度和压降之间平衡。对于大型机组 , 可串联多个干燥过滤器 , 延长更换周期。

4、机组噪声控制设计

制冷机组是噪声污染的主要来源之一 , 噪声控制设计应贯穿机组设计全过程。 在设备选型时 , 应优先选用低噪声部件 , 如低转速压缩机、大翼距风机等。在机组布置时 , 应合理隔离噪声源 , 并控制气流脉动。  

对于难以从源头上消除的噪声 , 可采取隔声、消声等二次降噪措施 。在管道和风道上安装消音器 , 可衰减高频噪声 ; 在设备基础和管卡上加装减振器 , 可阻断固体传声。对于暴露在户外的设备 , 还应加装隔声罩或隔声屏障 , 控制噪声扩散 [8] 。

1、冷冻水温度的影响
冷冻水温度是影响机组性能的重要参数。 冷冻水出水温度越低 , 蒸发温度越低 , 压缩功越大 ; 但同时 , 冷水侧传热温差越大 , 传热系数提高 , 换热器面积可减小。因此 , 存在最佳的冷水温度 , 使机组的投资和运行成本最小。  

冷水出水温度还应与末端设备的设计参数相匹配 。温度选择过低 , 会增加冷冻水泵的输送功耗 ; 温度选择过高 , 又会恶化末端除湿效果。通常 , 舒适性空调的冷水温度选择在 12℃, 工业制冷则根据工艺要求在 0℃ 。  

在变工况运行时 , 可采取冷水温度滑移策略 , 在满足末端温度需求的前提下 , 适当提高冷水温度 , 降低冷水机组能耗。温度滑移幅度应控制在 2~3℃ 以内 , 以免引起末端温度波动过大 [9] 。

2、冷凝温度的影响
冷凝温度直接决定了压缩机的压比和功率。 冷凝温度越高 , 压缩功越大 , 机组能效比越低。因此 , 提高冷凝传热效率 , 降低冷凝温度是机组节能控制的重点。  

风冷冷凝器的设计冷凝温度应根据机组安装地的夏季设计干球温度确定 , 并考虑适当的换热温差。换热温差越小 , 传热效果越好 , 但风机功耗越大。通常换热温差控制在 4~6℃ 。  

水冷冷凝器的冷凝温度取决于冷却水温度和水流量 。提高冷却水的设计进水温度 , 如由 32℃ 提高到 37℃, 可显著降低冷却水泵的输送功耗 , 但同时会提高冷凝温度和压缩功耗。二者存在最佳平衡点 , 可通过模拟优化获得 [10] 。  

在变工况运行时 , 可采用冷凝温度跟踪策略 , 使冷凝温度随环境温度或负荷变化自适应调整 , 在保证最小冷凝压力的同时 , 尽可能降低冷凝温度 , 以节省压缩功。

3、蒸发温度的影响
蒸发温度的选择需兼顾制冷量和压缩功率。蒸发温度越低 , 压缩功越大 , 但单位质量制冷剂的制冷量也越大。因此 , 存在最佳的蒸发温度 , 使机组的性能系数 COP 最大化。  

对于定速压缩机 , 蒸发温度主要取决于节流装置的型号和开度。选择合适的热力膨胀阀 , 并调整其过热度设定值 , 可在满足系统稳定性的前提下 , 尽可能提高蒸发温度。  

对于变速压缩机 , 可通过调节压缩机转速 , 使蒸发温度随负荷变化自适应调整 , 避免低负荷时蒸发温度过低。在转速下调时 , 还应同步调节电子膨胀阀开度 , 保证适当的过热度。

4、过冷过热度的影响
过冷和过热是提高制冷剂利用率的有效措施 , 但也会对机组性能产生影响。过冷度越大 , 液管中制冷剂的显热利用率越高 , 但会降低蒸发压力 ; 过热度越大 , 吸气管中的气体密度越低 , 会降低压缩机容积效率。  

在设计中 , 应权衡过冷和过热的利弊 , 选择合适的过冷器和气液分离器。过冷器应设置在靠近膨胀阀的位置 , 减少热损失 ; 气液分离器的容积应满足系统 refrigerant charge 量 , 同时兼顾 oil management 。  

在运行中 , 可通过调节过冷器的旁通阀、气液分离器的回油阀等 , 动态控制过冷过热度。在负荷较低时 , 适当减小过冷度 , 避免蒸发压力过低 ; 在负荷较高时 , 适当增大过热度 , 防止液体进入压缩机。

1、机组设计参数的校核
机组设计完成后 , 应对其性能进行校核计算 , 验证是否满足设计工况要求。常用的校核参数包括制冷量、功率、能效比、制冷剂流量、压缩比等。  

校核计算一般采用分部件模拟法 , 建立压缩机、换热器、节流装置等部件的数学模型 , 计算各状态点参数 , 再进行叠加。压缩机模型应考虑容积效率、指示功率等因素 ; 换热器模型应考虑传热系数、压降等因素 ; 节流装置模型应考虑流量系数、临界压力比等因素 [11] 。  

对于变工况机组 , 还应进行典型工况下的校核计算 , 如 25% 、 50% 、 75% 等部分负荷工况 , 分析机组的调节特性和能效变化规律 , 优化控制策略。

2、机组匹配性的校核
除了对单台机组进行性能校核外 , 还应分析机组与系统其他设备的匹配性。主要考虑以下几个方面 :  

(1) 冷冻水系统 : 分析机组选型与冷冻水泵扬程、冷冻水管径、冷冻水流速等参数的匹配性 , 校核冷冻水系统的运行工况。  

(2) 冷却水系统 : 分析冷却水泵、冷却塔的选型与机组的匹配性 , 优化冷却水进出水温度、流量比、循环倍率等参数 [12] 。  

(3) 末端系统 : 分析机组供水温度与末端设备如空调箱、风机盘管的设计工况的匹配性 , 必要时进行二次调整。  

(4) 自控系统 : 分析机组控制方案与自控系统如楼宇自控、工业自控的兼容性 , 确保监控点位、通讯协议的匹配。