小型離心式制冷單元設(shè)計(jì)

錢感

（重慶虹海立志機(jī)電設(shè)備有限公司，浙江 嵊州 312400）

小型離心式制冷單元設(shè)計(jì)

錢感

（重慶虹海立志機(jī)電設(shè)備有限公司，浙江 嵊州 312400）

開發(fā)制冷量為50～900kW小型離心式制冷單元，實(shí)現(xiàn)離心壓縮機(jī)替代螺桿壓縮機(jī)是商用制冷發(fā)展的趨勢(shì)。與螺桿和蝸旋壓縮機(jī)相比，小流量高壓比離心式壓縮機(jī)存在氣動(dòng)效率低、價(jià)格高的缺點(diǎn)。論文著眼制冷單元，對(duì)氣動(dòng)、傳熱及工程造價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)性規(guī)劃，并以制冷量100kW為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討小型離心式制冷單元設(shè)計(jì)思路。

小型；離心式；制冷

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.046

1 引言

近年來(lái)，隨著能源緊缺形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，各行各業(yè)對(duì)節(jié)能、產(chǎn)品能耗越來(lái)越重視。現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機(jī)的電子設(shè)備發(fā)熱量較以往機(jī)型加劇，同時(shí)，其對(duì)超音速巡航能力及隱身性能具有很高要求，其電子設(shè)備熱載荷基本在50kW內(nèi)[1]?，F(xiàn)代集裝箱船、油輪、液化天然氣船和國(guó)防軍艦等艦船迅速發(fā)展，其電子設(shè)備熱載荷基本在100～300kW。隨著城市化的發(fā)展，商用樓宇和民用住宅對(duì)集中制冷、供熱的需求也越來(lái)越大，其制冷量一般在300～900kW之間。

螺桿壓縮機(jī)多年來(lái)憑借可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低等特點(diǎn)，在制冷量為50～900kW的小冷量市場(chǎng)占絕對(duì)份額。然而，離心壓縮機(jī)具有重量輕、尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷量調(diào)節(jié)范圍廣、可靠性高等特點(diǎn)[2]，且隨著技術(shù)的不斷投入，離心與螺桿壓縮機(jī)的價(jià)格差距明顯縮短。離心壓縮機(jī)替代螺桿壓縮機(jī)是商用制冷發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，國(guó)際上對(duì)壓縮機(jī)的節(jié)能研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面：研究潤(rùn)滑特性、壓縮機(jī)軸承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高壓縮機(jī)效率、降低泄漏損失以提高壓縮機(jī)效率、采用變頻技術(shù)[3]。然而，僅僅關(guān)注壓縮機(jī)局部性能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需從制冷單元出發(fā)，系統(tǒng)、全局的對(duì)每一部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得低噪、穩(wěn)定可靠、COP高、調(diào)節(jié)范圍廣和高性價(jià)比的離心式制冷單元。

2 小冷量制冷單元優(yōu)化方向

1）優(yōu)化離心壓縮機(jī)進(jìn)出口邊界條件。壓縮機(jī)軸功率主要取決于進(jìn)氣體積流量、蒸發(fā)冷凝壓力（即蒸發(fā)冷凝溫度）。采用毛細(xì)管網(wǎng)換熱器、噴霧式蒸發(fā)、改進(jìn)換熱管管型及排布方式等方法提高傳熱系數(shù)，減少管束數(shù)量，降低出水溫度與蒸發(fā)、冷凝溫度之間的差值，從而降低壓縮機(jī)的壓比。優(yōu)化蒸發(fā)器出口，確保氣流不帶液；優(yōu)化冷凝器進(jìn)口，降低壓力損失和噪聲。

2）合理節(jié)流，降低系統(tǒng)損失。在節(jié)流降壓過(guò)程中，管道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生氣泡，一定程度上影響制冷效果。選擇合理的管徑、節(jié)流方式、節(jié)流前后流體狀態(tài)對(duì)于小冷量系統(tǒng)越發(fā)顯得重要。

3）提高壓縮機(jī)氣動(dòng)效率和機(jī)械效率。改進(jìn)壓縮機(jī)進(jìn)/排氣流場(chǎng)，確保氣流均勻，減少紊流和分離損失。優(yōu)化進(jìn)口導(dǎo)葉、葉輪出口和擴(kuò)壓氣進(jìn)口流場(chǎng)，減少氣體渦流、激振等損失。

制冷量在50～300kW壓縮機(jī)可采用高速變頻電機(jī)直連，軸承采用磁力軸承或氣浮軸承。針對(duì)制冷量在300～900kW的壓縮機(jī)則應(yīng)開發(fā)單級(jí)壓比更高的高效率葉輪，以實(shí)現(xiàn)冷熱同機(jī)。

通過(guò)Numeca數(shù)值模擬分析開式葉輪間隙與葉片載荷分布的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)間隙主要影響葉輪后半段的葉片載荷，在葉頂后半段選用耐磨/可磨涂層。改變密封型式和密封材料，減少泄漏量。流道表面等離子噴涂的方式，降低流道表面的摩擦系數(shù)，提高氣體在靜止元件的流動(dòng)效率。

4）制冷劑充灌量更合理。

3 機(jī)型規(guī)劃及舉例設(shè)計(jì)

顯然，一檔機(jī)型無(wú)法全部覆蓋50～900kW的制冷量區(qū)間。結(jié)合用戶需求、軸承特性、高速電機(jī)特點(diǎn)、小流量高壓比氣動(dòng)特性和傳熱方式等，機(jī)型按制冷量規(guī)劃如下：50～100kW、100～300kW、300～900kW（分單冷和熱泵兩檔機(jī)型）。

以制冷量100kW為例，優(yōu)化設(shè)計(jì)離心式制冷單元。

設(shè)計(jì)參數(shù)：制冷量100kW、冷凍水進(jìn)/出水溫度12/7℃、冷卻水進(jìn)/出水溫度35/30℃、制冷劑R134a。

冷凝器采用毛細(xì)管網(wǎng)換熱、過(guò)冷的型式，蒸發(fā)器采用噴液式蒸發(fā)、過(guò)熱的型式。冷凝、蒸發(fā)溫度分別為6℃、36℃，壓縮機(jī)壓比2.585。冷凝液過(guò)冷1℃，管徑采用40mm，并采用固定孔板+可調(diào)控孔板結(jié)合的方式二次節(jié)流。取消進(jìn)口導(dǎo)葉，采用高速變頻電機(jī)，通過(guò)變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)制冷量。增大進(jìn)氣管道通徑和轉(zhuǎn)彎半徑，減少壓縮機(jī)進(jìn)氣口阻力損失，加長(zhǎng)進(jìn)氣管擴(kuò)壓段長(zhǎng)度。采用氣浮軸承，通過(guò)特殊裝置保證轉(zhuǎn)子在靜止、低速或變工況運(yùn)行的穩(wěn)定性。

氣動(dòng)計(jì)算和Numeca數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，采用兩級(jí)開式三元葉輪與采用一級(jí)開式三元葉輪相比，設(shè)計(jì)點(diǎn)氣動(dòng)效率相差不大，但采用一級(jí)開式三元葉輪，發(fā)現(xiàn)對(duì)工況波動(dòng)的適應(yīng)能力差（在87%設(shè)計(jì)流量時(shí)70%葉高、無(wú)葉擴(kuò)壓器均出現(xiàn)渦流損失），故建議采用兩級(jí)半開式三元葉輪，葉輪分別懸掛在高速變頻電機(jī)的兩端，并在葉頂側(cè)涂敷耐磨涂層。整機(jī)氣動(dòng)效率預(yù)測(cè)可達(dá)83.2%。

氣封采用充氣式迷宮密封或可磨密封，密封效果有待樣機(jī)

試驗(yàn)確定。為降低成本、減少整機(jī)重量，壓縮機(jī)采用筒式撬裝結(jié)構(gòu)，筒體、蝸室等采用鑄鋁合金。

4 結(jié)論

本文對(duì)小額型離心式制冷單元的優(yōu)化方向做了詳盡的描述，對(duì)制冷量50～900kW進(jìn)行機(jī)型規(guī)劃，并以制冷量100kW為例進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）離心壓縮機(jī)是未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)、大型艦船及民用住宅集中制冷供暖等小型制冷單元配套壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

2）就壓縮機(jī)氣動(dòng)效率而言，離心壓縮機(jī)比螺桿壓縮機(jī)要高的多。通過(guò)氣浮軸承/磁懸浮軸承可實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)無(wú)油運(yùn)行，大大提高機(jī)組的機(jī)械效率。通過(guò)系列化、模塊化，合理選用各零部件材料，提高換熱效率等方式可降低離心壓縮機(jī)的制造成本。

3）通過(guò)高速變頻電機(jī)/進(jìn)口導(dǎo)葉可實(shí)現(xiàn)制冷量的調(diào)節(jié)，機(jī)組運(yùn)行工況范圍廣。

4）從制冷單元出發(fā)，應(yīng)用毛細(xì)管換熱、耐磨涂層、阻尼氣封、等離子噴涂等新技術(shù)，充分考慮氣體、液體的流動(dòng)損失，從各細(xì)節(jié)出發(fā)，全面提高COP。

【1】高峰，張興娟，袁修干.機(jī)載離心式制冷壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及特性分析[J].北京航空航天大學(xué)報(bào)，2013（39）：15-16.

【2】李紅旗.近年來(lái)小型制冷壓縮機(jī)研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[J].Household applianceTechnology，2005(12)：48-50.

【3】HajimeSato,etal,.FrictionalcharacteristicsofThrustBearinginScroll compressor[M].2004InternationalCompressorEngineeringConference.

Design of Small Centrifugal Refrigeration Unit

QIANGan
（ChongqingHongHaiLiZhiElectromechanicalEquipmentCo.Ltd.,Shengzhou312400,China）

Development of refrigeration capacity of 50～900kw for small centrifugal refrigeration unit, which is the development trend of the commercial refrigeration to replace the screwcompressorwith centrifugal compressors. Compared with the screwand scroll compressor, the small flow high-pressure ratio centrifugal compressor has the disadvantages of lowaerodynamic efficiency and high price.This paper focuses on refrigeration unit tomake systematic planning of aerodynamic, heat transfer and price, and takes refrigeration capacity of 100kw as an example to optimize the design and discusses the design ideas of small centrifugalrefrigerationunit.

small;centrifugal;refrigeration

TH45

A

1007-9467（2016）07-0073-02

2016-5-27

錢感（1983～），男，浙江嵊州人，工程師，從事離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與研究，（電子信箱）kingstifen@163.com。