高溫冷水機組是溫濕度獨立控制空調系統中的重要設備,也是工業生產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組及其變負荷運行的特性,為溫濕度獨立控制空調系統的設計和工業應用提供參考。

1、前言

　　水冷冷水機組是大型公共建筑中常用的中空調供冷設備,而離心式冷水機組更是因其有較高的能效指標和較大的機組制冷能力而深受用戶的歡迎。由于空調系統耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危機、節能降耗呼聲很高的形勢下,降低空調系統的能耗成為制冷空調行業的熱門話題,為此,業內的專家提出了很多策略,溫濕度獨立控制就是在系統優化設計方面提出的一種新思路。該方法采用溫濕度獨立控制技術通過提高冷水機組的出水溫度來提高冷水機組的能效指標、采用干式末段換熱的方式改變整個空調系統的工作模式,這些措施可以從系統的角度來降低空調系統的能耗。在冷水機組本身,離心式冷水機組與其他型式冷水機組不同,出水溫度提高需要較高的蒸發溫度,而高蒸發溫度對離心壓縮機的影響是多方面的,按正常標準工況(7℃出水溫度)設計的壓縮機 ,在較高蒸發溫度工作時,由于系統流量和壓比的變化,可能會導致離心式冷水機組高能效的工作特性不能充分發揮出來,這就需要重新對產品進行研究。

　　本文介紹了高溫離心冷水機組及其變工況的特性研究情況,為溫濕度獨立控制空調系統的設計者提供技術參考。

2、高出水溫度時離心式冷水機組的特性

　　以1臺4000kW冷媒為R134a的離心式冷水機組的設計為例:當冷水出水溫度為16℃時,蒸發溫度取14℃,冷凝溫度按37℃,過冷和過熱度取2℃,壓縮機的效率和電機的效率分別取0.8和0.94,用美國國家標準技術研究院循環分析軟件NIST軟件進行計算分析,機組的COP值可以達到8.01。

　　為了獲得按標準工況設計的產品在變化工作條件下的數據,對現有離心式冷水機組進行了摸底試驗,用1臺實際的4000kW 冷媒為R134a的離心式冷水機組分別在標準規定的測試工況(冷水進水溫度12℃,出水溫度7℃;冷卻水進水溫度30℃,出水溫度35℃)和高出水溫度工況下(冷水進水溫度21℃,出水溫度16℃;冷卻水進水溫度30℃,出水溫度35℃)進行測試,測試結果如表1所示。

表1　不同工況下測試數據比較

　　從表中的測試數據不難看出,按照標準工況下設計的離心式壓縮機組裝的冷水機組,當工作在高出水溫度時,其制冷量并沒有顯著的增加,而由于輸入功率的下降,使機組的COP值提高了10%左右,這離理論計算的結果還相差甚遠。造成這種情況出現的原因可以從離心式制冷壓縮機的特性來分析。離心式壓縮機是由電動機通過齒輪增速帶動轉子旋轉,自蒸發器出來的制冷劑蒸汽經吸氣室進入葉輪,葉輪高速旋轉,葉輪上的葉片即驅動氣體運動,并產生一定的離心力,將氣體自葉輪中心向外周拋出,氣體經過這一運動,速度增大,壓力得以提高,這是作用在葉輪上的機械能轉化的結果。氣體離開葉輪進入擴壓器,由于擴壓器通道面積逐漸增大,又使氣體減速而增壓,將其動能轉變為壓力能。被壓縮的制冷蒸汽從擴壓器流出后,又由蝸室將起匯集起來,進而通過排氣管道輸送至冷凝器,這樣就完成了對制冷劑的壓縮。

　　當離心式制冷壓縮機運行在高蒸發溫度時,壓縮機的壓縮比比標準設計工況時要小,冷水機組在7℃出水時, 機組的設計吸氣壓力為0.35MPa,排氣壓力為0.937MPa,壓比為2.70;而當機組工作在16℃冷水出水溫度時(冷凝溫度不變) ,機組的吸氣壓力為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的性能曲線。從圖中可以看出在離心壓縮機的工作區,當壓比減小25%時,流量增加將近1倍左右。如此大的流量變化,原機組的葉輪、擴壓器等流道設計必然會對流量的增加產生阻塞,從而使流量無法達到額定值,機組的性能也會受到影響。

圖1　離心壓縮機性能曲線　　圖2　離心壓縮機效率曲線

　　此外,在固定的轉速下,壓比與壓縮機的級效率有著一定的對應關系,圖2為定轉速下離心壓縮機的壓比與級效率之間的關系曲線。

　　從圖2的曲線可以看出,當壓縮機的壓比發生變化時,壓縮機的級效率會隨之發生變化,壓比從2.7變化到2.0之后,效率降到只有0.7左右。因此,當壓縮機的壓比發生變化時,如果不對壓縮機的設計轉速進行調整,機組的性能提高也會受到很大的影響。

3、離心式冷水機組的改進

3.1、壓縮機設計的調整

　　針對上述分析,對用于高出水溫度下的離心式冷水機組中的壓縮機應當按新的設計條件進行設計優化,以使機組的能效得到進一步提高。

(1)流通面積的改進

　　流量阻塞是指流道出口處氣流達到臨界狀態,這時氣體的容積流量已是最大值,任憑壓縮機背壓再降低,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,但對于中央空調用冷水機組來說,大部分時間機組都是運行在部分負荷狀態下,因此制冷劑流量也會隨著機組運行的狀態不同而發生變化,固定的流道面積也會影響機組的運行。為此,機組設計中應設計可變流截面的擴壓器,適應流量的變化,這樣可以滿足機組在不同負載情況下的運行要求。圖3 為設計的可變截面擴壓器示意。

(2)設計轉速的調整

　　為了使機組在變化后的壓比下仍具有較高的效率,需要對壓縮機的設計轉速進行調整。從圖2的曲線顯示可以看出,壓縮機的轉速與最高效率點有一定的對應關系,當轉速降低時,壓比對級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壓縮。通過分析計算可以得到,當壓比在2.0時,壓縮機的轉速降低20%時會獲得較高的效率。

圖3　可變截面面積擴壓器　　圖4　高出水溫度測試結果