技術(shù)支持
高溫離心式冷水機(jī)組及其特性研究
摘要：高溫冷水機(jī)組是溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)中的重要設(shè)備,也是工業(yè)生 產(chǎn)過程中常常用到的大型裝備。本文探 討了高溫離心式冷水機(jī)組及其變負(fù)荷運(yùn)行的特性,為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工業(yè)應(yīng)用提供參考。
關(guān)鍵詞：溫濕度獨(dú)立控制;離心機(jī);高溫冷水機(jī)組;IPLV;部分負(fù)荷
中圖分類號(hào)：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A do:i 10. 3969/.j issn. 1005-0329. 2009. 10. 013
1 前言
水冷冷水機(jī)組是大型公共建筑中常用的*空調(diào)供冷設(shè)備,而離心式冷水機(jī)組更是因其有較高的能效指標(biāo)和較大的機(jī)組制冷能力而深受用戶的歡迎。由于空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危機(jī)、節(jié)能降耗呼聲很高的形勢(shì)下,降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗成為制冷空調(diào)行業(yè)的熱門話題,為此,業(yè)內(nèi)的專家提出了很多策略,溫濕 度獨(dú)立控制就是在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面提出的一種新思路。該方法采用溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)通過提高冷水機(jī)組的出水溫度來提高冷水機(jī)組的能效指標(biāo)、采用干式末段換熱的方式改變整個(gè)空調(diào)系統(tǒng) 的工作模式,這些措施可以從系統(tǒng)的角度來降低 空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在冷水機(jī)組本身,離心式冷水 機(jī)組與其他型式冷水機(jī)組不同,出水溫度提高需要較高的蒸發(fā)溫度,而高蒸發(fā)溫度對(duì)離心壓縮機(jī) 的影響是多方面的,按正常標(biāo)準(zhǔn)工況（7℃出水溫度）設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)[1],在較高蒸發(fā)溫度工作時(shí),由于系統(tǒng)流量和壓比的變化,可能會(huì)導(dǎo)致離心式冷水機(jī)組高能效的工作特性不能充分發(fā)揮出來,這就需要重新對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行研究。
本文介紹了高溫離心冷水機(jī)組及其變工況的特性研究情況,為溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供技術(shù)參考。
2 高出水溫度時(shí)離心式冷水機(jī)組的特性
以1臺(tái)4000kW冷媒為R134a的離心式冷水 機(jī)組的設(shè)計(jì)為例:當(dāng)冷水出水溫度為16℃時(shí),蒸 發(fā)溫度取14℃,冷凝溫度按37℃,過冷和過熱度 取2℃,壓縮機(jī)的效率和電機(jī)的效率分別取0. 8 和0. 94,用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院循環(huán)分析軟 件NIST軟件進(jìn)行計(jì)算分析,機(jī)組的COP值可以 達(dá)到8. 01。
為了獲得按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在變化工作 條件下的數(shù)據(jù),對(duì)現(xiàn)有離心式冷水機(jī)組進(jìn)行了摸 底試驗(yàn),用1臺(tái)實(shí)際的4000kW冷媒為R134a的 離心式冷水機(jī)組分別在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試工況（冷 水進(jìn)水溫度12℃,出水溫度7℃;冷卻水進(jìn)水溫度 30℃,出水溫度35℃）和高出水溫度工況下（冷水 進(jìn)水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進(jìn)水溫度 30℃,出水溫度35℃）進(jìn)行測(cè)試[1],測(cè)試結(jié)果如表 1所示。
從表中的測(cè)試數(shù)據(jù)不難看出,按照標(biāo)準(zhǔn)工況 下設(shè)計(jì)的離心式壓縮機(jī)組裝的冷水機(jī)組,當(dāng)工作 在高出水溫度時(shí),其制冷量并沒有顯著的增加,而 由于輸入功率的下降,使機(jī)組的COP值提高了 10%左右,這離理論計(jì)算的結(jié)果還相差甚遠(yuǎn)。
造成這種情況出現(xiàn)的原因可以從離心式制冷 壓縮機(jī)的特性來分析。離心式壓縮機(jī)是由電動(dòng)機(jī) 通過齒輪增速帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),自蒸發(fā)器出來的制 冷劑蒸汽經(jīng)吸氣室進(jìn)入葉輪,葉輪高速旋轉(zhuǎn),葉輪 上的葉片即驅(qū)動(dòng)氣體運(yùn)動(dòng),并產(chǎn)生一定的離心力, 將氣體自葉輪中心向外周拋出,氣體經(jīng)過這一運(yùn) 動(dòng),速度增大,壓力得以提高,這是作用在葉輪上 的機(jī)械能轉(zhuǎn)化的結(jié)果。氣體離開葉輪進(jìn)入擴(kuò)壓 器,由于擴(kuò)壓器通道面積逐漸增大,又使氣體減速 而增壓,將其動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋１粔嚎s的制冷 蒸汽從擴(kuò)壓器流出后,又由蝸室將起匯集起來,進(jìn) 而通過排氣管道輸送至冷凝器,這樣就完成了對(duì) 制冷劑的壓縮[2]。
當(dāng)離心式制冷壓縮機(jī)運(yùn)行在高蒸發(fā)溫度時(shí), 壓縮機(jī)的壓縮比比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況時(shí)要小,冷水機(jī) 組在7℃出水時(shí),機(jī)組的設(shè)計(jì)吸氣壓力為0. 35 MPa,排氣壓力為0. 937MPa,壓比為2. 70;而當(dāng)機(jī) 組工作在16℃冷水出水溫度時(shí)（冷凝溫度不變）, 機(jī)組的吸氣壓力為0. 473MPa,排氣壓力為0. 937MPa,壓比近似為2. 00,壓縮比減小了25. 9%。 圖1為離心式制冷壓縮機(jī)的性能曲線。從圖中可 以看出在離心壓縮機(jī)的工作區(qū),當(dāng)壓比減小25% 時(shí),流量增加將近1倍左右。如此大的流量變化, 原機(jī)組的葉輪、擴(kuò)壓器等流道設(shè)計(jì)必然會(huì)對(duì)流量 的增加產(chǎn)生阻塞,從而使流量無(wú)法達(dá)到額定值,機(jī) 組的性能也會(huì)受到影響。
此外,在固定的轉(zhuǎn)速下,壓比與壓縮機(jī)的級(jí)效 率有著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,圖2為定轉(zhuǎn)速下離心壓 縮機(jī)的壓比與級(jí)效率之間的關(guān)系曲線。
從圖2的曲線可以看出,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā) 生變化時(shí),壓縮機(jī)的級(jí)效率會(huì)隨之發(fā)生變化,壓比 從2. 7變化到2. 0之后,效率降到只有0. 7左右。 因此,當(dāng)壓縮機(jī)的壓比發(fā)生變化時(shí),如果不對(duì)壓縮 機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整,機(jī)組的性能提高也會(huì)受 到很大的影響。
3 離心式冷水機(jī)組的改進(jìn)
3. 1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的調(diào)整
針對(duì)上述分析,對(duì)用于高出水溫度下的離心 式冷水機(jī)組中的壓縮機(jī)應(yīng)當(dāng)按新的設(shè)計(jì)條件進(jìn)行 設(shè)計(jì)優(yōu)化,以使機(jī)組的能效得到進(jìn)一步提高。
（1）流通面積的改進(jìn)
流量阻塞是指流道出口處氣流達(dá)到臨界狀 態(tài),這時(shí)氣體的容積流量已是zui大值,任憑壓縮機(jī) 背壓再降低,流量也不可能再增加,這種情況稱為 “阻塞”工況。增大流道的面積可以提高冷媒的 流通能力,但對(duì)于*空調(diào)用冷水機(jī)組來說,大部 分時(shí)間機(jī)組都是運(yùn)行在部分負(fù)荷狀態(tài)下,因此制 冷劑流量也會(huì)隨著機(jī)組運(yùn)行的狀態(tài)不同而發(fā)生變 化,固定的流道面積也會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行。為此, 機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)可變流截面的擴(kuò)壓器,適應(yīng)流 量的變化,這樣可以滿足機(jī)組在不同負(fù)載情況下 的運(yùn)行要求。圖3為設(shè)計(jì)的可變截面擴(kuò)壓器示 意。
（2）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的調(diào)整
為了使機(jī)組在變化后的壓比下仍具有較高的 效率,需要對(duì)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。從圖 2的曲線顯示可以看出,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速與zui 率點(diǎn)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí),壓比對(duì)級(jí) 效率的曲線向逐漸向左移,曲線的形狀基本不變 但跨度開始?jí)嚎s。通過分析計(jì)算可以得到,當(dāng)壓 比在2. 0時(shí),壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低20%時(shí)會(huì)獲得較 高的效率。
3. 2 性能測(cè)試
按照上述的技術(shù)分析,珠海格力電器股份有 限公司設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)4000kW、冷媒為 R134a、冷水出水溫度為16℃的離心式高溫冷水 機(jī)組,并對(duì)該冷水機(jī)組按照高冷水出水溫度工況 （冷水進(jìn)水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進(jìn)水 溫度30℃,出水溫度35℃）和國(guó)標(biāo)GB/T 18430. 1 中的IPLV測(cè)試工況進(jìn)性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。
從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行狀 態(tài)下,能效指標(biāo)COP值達(dá)到7. 7,比7℃出水的離 心式冷水機(jī)組能效指標(biāo)提高了33. 2%,基本接近 設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算指標(biāo);在冷水的出水溫度為16℃ 時(shí),按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18430. 1計(jì)算的IPLV值 為8. 1[1]。表2為部分負(fù)荷測(cè)試的結(jié)果。
測(cè)試結(jié)果表明,改進(jìn)后的高出水溫度冷水機(jī) 組,其能效指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組相比有大幅度的提高, 基本接近前述軟件的理論計(jì)算值,當(dāng)其被用于溫 濕度獨(dú)立控制的空調(diào)系統(tǒng)時(shí),必將顯著降低系統(tǒng) 的能耗。
4 COP值的變化趨勢(shì)
*空調(diào)系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)時(shí)是按照zui大負(fù)荷設(shè) 計(jì)的,而在實(shí)際運(yùn)行時(shí),冷水機(jī)組基本都是處在不 同的工作條件和部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行的,因此,需 要對(duì)產(chǎn)品的變工況和卸載運(yùn)行進(jìn)行試驗(yàn)。
冷水機(jī)組的變工況包括冷卻水進(jìn)水溫度條件 的改變、冷水出口溫度設(shè)定值的改變和由于空調(diào) 負(fù)荷本身的變化而導(dǎo)致機(jī)組在部分負(fù)荷下運(yùn)行等 情況。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合,可能是上述條件中的一種 或多種情況的綜合,冷水機(jī)組的變工況和部分負(fù) 荷的特性就能反應(yīng)出機(jī)組的產(chǎn)品適應(yīng)能力和 COP值的變化趨勢(shì)。
4 . 1 變冷卻水條件試驗(yàn)
離心式冷水機(jī)組在運(yùn)行過程中,如果冷卻水 的溫度發(fā)生變化,將直接影響到機(jī)組的制冷量和 能效特性。當(dāng)冷卻水溫度降低時(shí),由于冷卻效果 好,將使機(jī)組獲得更低的冷凝溫度,從而增加機(jī)組 的制冷量,提高機(jī)組的效率[4]。試驗(yàn)過程中,保持 冷水的進(jìn)口溫度為21℃,出水溫度為16℃;冷卻 水的進(jìn)口溫度從26℃逐漸增加到35℃,測(cè)試出來 的COP值變化情況如圖5所示。
4. 2 變冷水出水溫度試驗(yàn)
冷水出口溫度的升高,對(duì)機(jī)組的制冷量和能 效特性也有很大的影響。當(dāng)冷水溫度升高時(shí),由 于更有利于蒸發(fā),將使機(jī)組獲得更高的蒸發(fā)溫度 從而使機(jī)組的制冷量增加[4]。試驗(yàn)過程中,保持 冷卻水的進(jìn)口溫度為30℃,出水溫度為35℃;冷 水出口溫度從12℃升到20℃,測(cè)試出的冷水機(jī)組 的性能參數(shù)變化情況如圖6。出水溫度低于12℃ 時(shí),由于制冷劑的流量變小,可能會(huì)使機(jī)組工作在 接近喘振的臨界點(diǎn),從而導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)異常,這是 在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該注意的。
4. 3 部分負(fù)荷試驗(yàn)
冷水出口溫度恒定時(shí)機(jī)組的性能參數(shù)隨負(fù)荷 變化而變化的特性是指保持水冷冷水機(jī)組的出水 溫度為16℃,人工調(diào)整機(jī)組的負(fù)荷從100%開始 逐漸下降,測(cè)試機(jī)組COP值和制冷量的變化情 況。測(cè)試過程中保持冷卻水的溫度為30℃進(jìn)水 試驗(yàn)的結(jié)果如圖7所示。
從圖中可以看出,在冷水機(jī)組恒定16℃出水 情況下,當(dāng)冷水機(jī)組壓縮機(jī)運(yùn)行負(fù)荷從100%降 低到25%時(shí),冷水機(jī)組的COP值下降了42. 6%。 在實(shí)際應(yīng)用過程中,通常冷水機(jī)組的控制系 統(tǒng)都是設(shè)定成固定的出水溫度,當(dāng)實(shí)際空調(diào)負(fù)荷 減小時(shí),機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)將自動(dòng)卸載,降低壓 縮機(jī)的負(fù)荷比,成為部分負(fù)荷運(yùn)行狀況,從而導(dǎo)致 COP的下降。這說明在開展節(jié)能降耗的工作中, 僅關(guān)注機(jī)組本身滿負(fù)荷條件下的COP值是不夠 的,需要關(guān)注整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行總能耗。
值得注意的是,由于離心式壓縮機(jī)的工作特性,當(dāng)冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)因運(yùn)行條件的變化導(dǎo)致制 冷劑流量減少時(shí),有可能使機(jī)組的工作點(diǎn)接近壓縮機(jī)的喘振臨界點(diǎn)[3],從而影響到機(jī)組運(yùn)行的**性,這就需要在機(jī)組的設(shè)計(jì)時(shí)考慮到防喘振控制。
離心式制冷機(jī)組工作時(shí)一旦進(jìn)入喘振工況, 應(yīng)立即采取調(diào)節(jié)措施,降低出口壓力或增加入口流量。壓力比和負(fù)荷是影響喘振的兩大因素,當(dāng)負(fù)荷越來越小,小到某一極限點(diǎn)時(shí),便會(huì)發(fā)生喘振,或者當(dāng)壓力比大到某一極限點(diǎn)時(shí),也會(huì)發(fā)生喘振。一般可以通過在控制系統(tǒng)中設(shè)定**工作區(qū),當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工作點(diǎn)接近臨界區(qū)域時(shí),通過調(diào)整 流量或壓力來使機(jī)組工作點(diǎn)遠(yuǎn)離臨界區(qū)域,達(dá)到保護(hù)的目的。
5 結(jié)論
（1）當(dāng)離心式冷水機(jī)組運(yùn)行在高冷水出水溫度時(shí),需要對(duì)壓縮機(jī)本身重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);
（2）離心式冷水機(jī)組工作在部分負(fù)荷狀態(tài)下,其能效指標(biāo)將有明顯下降,在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意系統(tǒng)的負(fù)荷配置和控制的優(yōu)化,以盡可能降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗;
（3）在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在較低的負(fù)荷比例下,而由于*空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,冷水機(jī)組的部分負(fù)荷運(yùn)行勢(shì)在難免,因此,通過改善冷水機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能和優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制策略也有著非常重要的意義。
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