淺談單機雙級螺桿壓縮機制冷系統(tǒng)的應(yīng)用

陳浩

(廣州擎天實業(yè)有限公司，廣東 廣州 510860）

1 概述

隨著全球極端氣溫的頻繁出現(xiàn)，用于驗證電子產(chǎn)品的氣候環(huán)境試驗室的性能指標(biāo)要求越來越高，尤其是低溫環(huán)境試驗室的極限溫度通常低于-40℃長時間連續(xù)運行。而在大型低溫試驗室的特點是設(shè)計冷量大，制冷負荷變化大。適合采用螺桿壓縮機。目前普遍采用單機螺桿壓縮機，但是在低溫工況下單級螺桿壓縮機有以下不利因素：

（1）容積效率下降。蒸發(fā)溫度越低，壓力比越高，螺桿壓縮機基元容積之間的壓比及壓差越大，內(nèi)泄露大，故容積效率下降。

（2）性能系數(shù)降低。蒸發(fā)壓力越低，則制取單位制冷量的功耗越大，系統(tǒng)的COP值降低。

（3）產(chǎn)生欠壓縮。

（4）噪聲增大。

（5）排氣溫度上升。

雙級壓縮機組由低壓到高壓通過兩次壓縮來完成，這樣的輸氣系數(shù)要高于單級壓縮機；同時每一級的壓比減少，排氣溫度相對較低，適合大壓比工況下工作，適合低溫工況使用。

2 單機雙級螺桿壓縮機制冷系統(tǒng)的設(shè)計。

單機雙級螺桿壓縮機制冷系統(tǒng)的設(shè)計除了考慮蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥、壓縮機這四大件外，還要考慮中間冷卻方式、油路系統(tǒng)和噴液冷卻回路。

（1）中間冷卻方式的選擇

為避免單機雙級螺桿壓縮機排氣溫度過高，同時為了增加節(jié)流元件前制冷劑的過冷度，系統(tǒng)設(shè)計時必須配置中間冷卻器?？紤]到制冷劑供液管道走向復(fù)雜，管道阻力較大，因此采用一級節(jié)流中間冷卻方式。低溫環(huán)境試驗室制冷設(shè)計通常采用低溫制冷劑R22或R404A，因此采用中間不完全冷卻方式。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發(fā)器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器

（2）噴液冷卻回路的設(shè)計。

雙級壓縮機應(yīng)用的場合主要是中低溫制冷系統(tǒng)，而中低溫系統(tǒng)的壓縮機壓比大，在使用過程中會造成排氣溫度太高，為使機組可以達到正常運轉(zhuǎn)的目的，系統(tǒng)需要配置液噴射。如下圖所示，引用系統(tǒng)一部分液態(tài)制冷劑，直接噴入壓縮室或則電機吸氣側(cè)以降低排氣溫度。不過控制排氣溫度主要靠冷凝器、冷凍油和中間冷卻器，而噴液冷卻回路僅僅是作為保護件，防止意外情況下排氣溫度突然增高。噴液冷卻回路的關(guān)鍵部件是液噴閥，液噴閥的感溫包與壓縮機出口的排氣接觸，自動控制排氣溫度，使其低于要求值，通過閥門控制的制冷劑直接噴入壓縮機的中間狀態(tài)。但是使用噴液冷卻回路會增加壓縮機功耗，減少制冷量，因此最好的設(shè)計思路是：盡量不用噴液冷卻回路，僅僅作為保護裝置。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發(fā)器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器，7-液噴閥

（3）油路系統(tǒng)的設(shè)計。

油路系統(tǒng)在螺桿機組中極其重要，冷凍潤滑油必須符合以下要求：動態(tài)密封、軸承的充分潤滑、在高溫高壓下有良好的粘度、在低溫狀態(tài)下有良好的可混合性。因此油路系統(tǒng)設(shè)計要考慮三方面：保證冷凍油的潔凈度、流量和溫度。油路系統(tǒng)的循環(huán)是由于油分離器一排氣壓力與注油口之間的壓力差所形成的。油路系統(tǒng)的主要部件有油分離器、油冷卻器、油過濾器、油流開關(guān)、電磁閥組成，油路系統(tǒng)設(shè)計如下圖所示。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發(fā)器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器，7-液噴閥，8-油分離器，9-油冷卻器，10-油冷旁通電磁閥，11-油過濾器，12-油流開關(guān)，13-油路電磁閥。

單機雙級螺桿壓縮機不同于單級螺桿壓縮機，由于壓縮機內(nèi)部沒有油腔，因此油分離器需要設(shè)計足夠大，以便儲存足夠多的潤滑油來保證系統(tǒng)的安全可靠。螺桿壓縮機通常采用離心式油分，幾乎可以提取所有從壓縮機排氣口帶來的油，這樣就可以限制隨制冷劑進入系統(tǒng)的潤滑油，從而提高蒸發(fā)器的換熱效果。由于要保證冷凍油能夠有較好的流動性和潤滑效果，需要在油分離器內(nèi)安裝有油加熱器和油溫傳感器。

為了保證進入壓縮機的冷凍油有合適的工作溫度和冷卻效果，油分離器后需要設(shè)置油冷卻器。油冷卻器是油路系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，根據(jù)實際情況可以采用水冷冷凝器、風(fēng)冷冷凝器、或者采用自身的制冷劑冷卻。由于考慮到冷凍油對壓縮機的冷卻作用，為了避免壓縮機排氣過熱，通常會加大油冷卻器的設(shè)計裕量，其“設(shè)計換熱量=油的冷卻量+噴液閥的制冷量”。

為了避免冷凍油被冷卻溫度太低，影響油的流動性，因此需要設(shè)計一油路與油冷卻器并聯(lián)，當(dāng)油溫低于50℃，控制油冷旁路的電磁閥常通。

冷凍油的潔凈度會影響到壓縮機的潤滑效果、螺桿的密封性和使用壽命，因此在油路上需要設(shè)計一個可用于更換濾芯的油過濾器，同時在過濾器的前后分別連接壓差開關(guān)的高低壓口，當(dāng)濾芯出現(xiàn)臟堵，壓差開關(guān)會傳出開關(guān)信號。

冷凍油流量的大小也會影響到系統(tǒng)運行的安全可靠以及壓縮機的使用壽命，因此在油路上還要設(shè)置油流開關(guān)，實時監(jiān)控冷凍油的流動情況。

由于機組設(shè)計壓縮機位于高位，停機狀態(tài)下冷凍油會在重力作用下流回油冷卻器或者油分離器，這樣會造成壓縮機啟動瞬間的缺油，因此在油路上需要設(shè)置油路電磁閥，控制邏輯為“與壓縮機啟停同步”。

另外，實際運行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于管徑過小，導(dǎo)致阻力增大，導(dǎo)致油流開關(guān)頻繁報警的情況發(fā)生。因此，建議管徑設(shè)計上要考慮較大裕量，保證油路的通暢和壓縮機安全穩(wěn)定的運行。

結(jié)束語

單級雙級螺桿壓縮機具有制冷量大、壓縮比高、降溫速率快、冷量調(diào)節(jié)方簡單等特點，是大型低溫試驗室的配套冷源的首選產(chǎn)品。

[1]吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備[M].西安交通大學(xué)出版社，1995.78-94

[2]李軍.螺桿式雙級壓縮系統(tǒng)的分析與應(yīng)用（上）[J].制冷與空調(diào)，2004，4（4），52-56.

[3]李軍.螺桿式雙級壓縮系統(tǒng)的分析與應(yīng)用（上）[J].制冷與空調(diào)，2004，4（5），66-85.