小型離心式冷水機(jī)組性能分析

呂 肖，劉慶剛，岡田健

(廣州日立冷機(jī)有限公司，廣州87862951)

0 引言

離心式制冷壓縮機(jī)是利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)增加制冷劑動(dòng)能，并通過能量轉(zhuǎn)化對(duì)制冷劑進(jìn)行增壓。相比容積式壓縮機(jī)，具有同等容量下機(jī)組尺寸小，運(yùn)行效率高，機(jī)械磨損少，啟停機(jī)時(shí)間短，易實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮和變蒸發(fā)溫度等優(yōu)勢。圖1給出了我國近幾年不同容量范圍內(nèi)冷水機(jī)組的銷售比例(1)，容量范圍在100～500冷噸的冷水機(jī)組占整個(gè)冷水機(jī)組市場中的比例約為40%，而冷水機(jī)組各種機(jī)型(活塞式、螺桿式、離心式、吸收式等)均能涉及到這個(gè)領(lǐng)域，市場競爭相對(duì)激烈。

圖1 近幾年不同容量范圍的冷水機(jī)組的銷售比例

不同類型的冷水機(jī)組在不同容量下的能效水平是不同的，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)，以離心式為主的大型冷水機(jī)組的名義COP普遍較高，主要分布在5.5～6.5之間，300RT以下的中小型容積式冷水機(jī)組的名義COP大多數(shù)分布在5.5以下。容積式冷水機(jī)組是中小容量機(jī)組的主要部分(2)，但其COP普遍低于離心式冷水機(jī)組。實(shí)現(xiàn)離心式冷水機(jī)組小型化是一種提高行業(yè)內(nèi)中小冷量冷水機(jī)組高效水平的有效途徑，其已成為當(dāng)前離心式壓縮機(jī)制造業(yè)的主要研究方向之一(3)[1]。

本文將以筆者公司開發(fā)的小型化離心式冷水機(jī)組為例，闡述離心式冷水機(jī)組小型化、高效化的技術(shù)途徑，根據(jù)機(jī)組性能實(shí)測數(shù)據(jù)得出其部分負(fù)荷性能曲線，并和名義制冷量和能效比相近的單機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組的全年運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比分析。

1 小型化離心式冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2013年，筆者所在公司成功開發(fā)出一款小型離心式壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)冷量范圍在703～1407kW(200～400冷噸)。筆者以研發(fā)樣機(jī)HC-F300GXG-S為案例，全面介紹小型化離心式冷水機(jī)組的原理和性能。

圖2 離心式冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)設(shè)計(jì)

該機(jī)組采用“雙級(jí)壓縮+經(jīng)濟(jì)器”的制冷循環(huán)模式，如圖2所示。在冷媒循環(huán)過程中，來自冷凝器的高壓液態(tài)冷媒經(jīng)高壓級(jí)節(jié)流孔板1后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器，冷媒閃發(fā)后的飽和液體則經(jīng)過低壓級(jí)節(jié)流孔板2進(jìn)入蒸發(fā)器制取冷水；來自蒸發(fā)器的低壓蒸汽經(jīng)過一級(jí)壓縮變成中間狀態(tài)后，與來自經(jīng)濟(jì)器中冷媒閃發(fā)形成的飽和蒸汽混合，再經(jīng)過二級(jí)壓縮進(jìn)入冷凝器。增設(shè)經(jīng)濟(jì)器可以減少一級(jí)壓縮的冷媒流量，并降低二級(jí)壓縮入口蒸汽的溫度和比熱容，提高循環(huán)效率[2]。計(jì)算表明，雙級(jí)壓縮的理論COP相比相同蒸發(fā)、冷凝溫度條件下的單級(jí)循環(huán)提高約10%。

1.2 離心式壓縮機(jī)的小型、高效化設(shè)計(jì)

圖3 HC-F300GXG-S機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線(ARI標(biāo)準(zhǔn)工況下)

壓縮機(jī)各部件小型化的前提條件，是需要克服葉輪軸系高轉(zhuǎn)速特性對(duì)材料強(qiáng)度、加工精度、運(yùn)行穩(wěn)定等方面的要求。例如轉(zhuǎn)子采用滑動(dòng)軸承，工作平穩(wěn)、可靠、無噪聲。在液體潤滑條件下，滑動(dòng)表面被潤滑油分開而不發(fā)生直接接觸，還可以大大減小摩擦損失和表面磨損，油膜還具有一定的吸振能力。所以在高轉(zhuǎn)速的情況下確保了壓縮機(jī)的性能和使用壽命。高效設(shè)計(jì)方面，壓縮機(jī)內(nèi)部采用了導(dǎo)流葉片、閉式葉輪、葉片式擴(kuò)壓器等部件，確保冷媒蒸汽從低壓吸入至高壓排出壓縮機(jī)的整個(gè)過程中，最大程度上維持壓縮機(jī)的高效率運(yùn)行[3]。

1.3 蒸發(fā)器和冷凝器小型、高效化設(shè)計(jì)

小型化的冷水機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器均采用了高效傳熱管。

滿液式蒸發(fā)器所用的傳熱管，表面密布微孔，微孔下面有槽道相連接。這種結(jié)構(gòu)提高了氣化核心密度和對(duì)空穴的補(bǔ)液速度，促進(jìn)了沸騰的傳熱效果。比普通光滑管的總換熱系數(shù)提高了3倍左右。

殼管式冷凝器所用的傳熱管，特殊設(shè)計(jì)的管外翅片形狀，增加了換熱面積，減薄了翅片上液膜的厚度，從而增加了冷凝換熱系數(shù)；同時(shí)管內(nèi)具有螺旋槽道，強(qiáng)化管內(nèi)換熱；兩面強(qiáng)化換熱的綜合效果可以大大提高總的換熱系數(shù)。比普通光滑管的總換熱系數(shù)提高了2～3倍。

兩器采用高效管，提高了傳熱管的換熱系數(shù)和換熱表面積，從而減少了傳熱管的數(shù)量，減少了兩器的體積，降低銅金屬耗量和制造成本，并在運(yùn)行中降低了能耗。

1.4 優(yōu)化控制程序

筆者公司的離心式冷水機(jī)組的一大優(yōu)勢設(shè)計(jì)就是防喘振措施，機(jī)組采用“進(jìn)口導(dǎo)葉+冷媒液旁通”設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組在20%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行[4]；在此基礎(chǔ)上優(yōu)化的“進(jìn)口導(dǎo)葉+冷媒液旁通+冷媒熱氣旁通”設(shè)計(jì)，可確保機(jī)組在10%低負(fù)荷范圍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2 小型化離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行性能分析

采用了上述設(shè)計(jì)的小型化離心式冷水機(jī)組，其名義工況、變工況和部分負(fù)荷工況性能均得到改善。圖3給出了HC-F300GXG-S樣機(jī)的部分負(fù)荷性能曲線。(該樣機(jī)在冷水溫度7/12℃、冷卻水溫度30/35℃工況下的名義制冷量為1055kW，COP為5.7)

為了進(jìn)行性能比較，選用與HC-F300GXG-S機(jī)組名義制冷量與COP相當(dāng)?shù)哪称放茊温輻U冷水機(jī)組進(jìn)行部分負(fù)荷性能比較。該單螺桿機(jī)組(簡稱為RTHG300型機(jī)組)在冷水溫度7/12℃、冷卻水溫度30/35℃工況下的名義制冷量為1058kW，COP為5.3。RTHG300型冷水機(jī)組綜合部分負(fù)荷系數(shù)IPLV測試工況點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

有一華南項(xiàng)目要求冷量1000kW(約300冷噸),下面以采用上述兩種冷水機(jī)組為例，對(duì)比分析兩種機(jī)組的耗電情況。根據(jù)ARI標(biāo)準(zhǔn)推薦，冷水機(jī)組滿負(fù)荷即100%運(yùn)行時(shí)間為1%，75%、50%、25%運(yùn)行時(shí)間分別占總運(yùn)行時(shí)間為42%、45%和12%。本項(xiàng)目按每年空調(diào)時(shí)間6個(gè)月進(jìn)行計(jì)算，總體運(yùn)行時(shí)間為6×30×10=1800h。則機(jī)組100%、75%、50%、25%運(yùn)行時(shí)間分別為18、756、810、216h。

圖4 RTHG300型機(jī)組部分負(fù)荷性能曲線(ARI標(biāo)準(zhǔn)工況下)

1)HC-F300GXG-S離心式冷水機(jī)組

根據(jù)圖2機(jī)組的部分負(fù)荷性能曲線：

機(jī)組在100%、75%、50%、25%負(fù)荷下COP分別為5.71、6.01、5.73、3.83。

機(jī)組在100%、75%、50%、25%負(fù)荷下功耗分別為185kW、132kW、92kW、69kW。

機(jī)組4個(gè)月總耗電量：18×185+756×132+810×92+216×69=192546kWh。

2)RTHG300螺桿式冷水機(jī)組

根據(jù)圖3機(jī)組的部分負(fù)荷性能曲線：

機(jī)組在100%、75%、50%、25%負(fù)荷下COP分別為5.3、5.65、5.92、4.55。

機(jī)組在100%、75%、50%、25%負(fù)荷下功耗分別為199kW、140kW、89kW、58kW。

機(jī)組4個(gè)月總耗電量：18×199+756×140+810×89+216×58=194040kWh。

3)年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析

300冷噸機(jī)組在6個(gè)月的運(yùn)行中，HC-F300GXG-S離心式冷水機(jī)組總耗電為192546kWh，RTHG300螺桿式冷水機(jī)組總耗電量為194040kWh,即離心機(jī)組比螺桿機(jī)組節(jié)電1494kWh，節(jié)省了約0.8%的運(yùn)行費(fèi)用。

3 結(jié)論

以離心式制冷壓縮機(jī)二級(jí)壓縮的高COP實(shí)績優(yōu)勢，闡述開發(fā)小型高效的離心式冷水機(jī)組是提高中小冷量機(jī)組能效水平的有效途徑。并以筆者公司開發(fā)的小型化離心式冷水機(jī)組為例，與同等容量、相近能效比的單機(jī)頭螺桿式冷水機(jī)組進(jìn)行全年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比分析。比較結(jié)果，小型離心式冷水機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用低于螺桿式冷水機(jī)組。進(jìn)而表明，小型離心式冷水機(jī)組的運(yùn)行性能已達(dá)到或超過常規(guī)單機(jī)

頭螺桿式冷水機(jī)組的運(yùn)行性能，在未來的中小型冷量范圍內(nèi)擁有良好的市場前景。

[1] High-efficiency Turbo Chiller (NART Series),Wataru Seki,Kenji Ueda,Jyou Masutani et al.Technical Review[J]﹒Mitsubishi Heavy Industries，Ltd﹒2002，39(2)：67-72

[2] 吳業(yè)正，韓寶琦.制冷原理及設(shè)備[M]﹒西安：西安交通大學(xué)出版社，2004

[3] 徐忠.離心式壓縮機(jī)原理[M]﹒北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990

[4]呂肖，陳亮.離心式冷水機(jī)組防喘振措施分析[J].制冷，2012，31(4)：65-69

(1)產(chǎn)業(yè)在線.http:∥www.chinaiol.com/tj/m1122/357920.html

(2)李連生,趙遠(yuǎn)揚(yáng),楊啟超,等.制冷與空調(diào)壓縮機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[A].制冷空調(diào)新技術(shù)進(jìn)展——第三屆制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)論文集[C]

(3) 2010年度大型冷水機(jī)組市場研究報(bào)告[R].北京：北京智信道咨詢有限公司，2011