离心式冷水机组的结构及原理

目前，用于中央空调的离心式冷水机组，主要由离心制冷压缩机、主电动机、蒸发器（满液式卧式壳管式）、冷凝器（水冷式满液式卧式壳管式）、节流装置、压缩机入口能量调节机构、抽气回收装置、润滑油系统、安全保护装置、主电动机喷液蒸发冷却系统、油回收装置及微电脑控制系统等组成，并共用底座。

1．离心式冷水机组特点

离心式冷水机组属大冷量的冷水机组，它有以下主要优点：

（1）       压缩机输气量大，单机制冷量大，结构紧凑，重量轻，单位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式机组轻80％以上，占地面积小；

（2）       性能系数高；

（3）       叶轮作旋转运动，运转平稳，振动小，噪声较低；

（4）       调节方便，在较大的冷量范围内能较经济地实现无级调节；

（5）       无气阀、填料、活塞环等易损件，工作比较可靠。

离心式冷水机组的缺点主要是：

（1）       由于转速高，对材料强度、加工精度和制造质量要求严格；

（2）       单级压缩机在低负荷时易发生喘振；

（3）       当运行工况偏离设计工况时，效率下降较快；

（4）       制冷量随蒸发温度降低而减少的幅度比活塞式快，制冷量随转数降低而急剧下降。

2．离心式冷水机组的组成

构成离心式冷水机组的部件中，区别于活塞式、螺杆式冷水机组的主要部件是离心压缩机，此外，其他主要辅助设备比如换热设备、润滑油系统、抽气回收装置等均有自己特点，在这进行简单介绍。

1）压缩机

空调用离心式冷水机组，通常都采用单级压缩，除非单机制冷量特别大(例如4500kW以上)，或者刻意追求压缩机的效率，才采用2级或3级压缩。单级离心制冷压缩机由进口调节装置、叶轮、扩压器、蜗室组成；多级离心制冷压缩机除了末级外，在每级的扩压器后面还有弯道和回流界，以引导气流进入下一级。图4.15示出了离心式制冷压缩机的典型结构。

由于离心式冷水机组在实际使用中的一些特殊要求，使得离心式制冷压缩机在结构上有其一些特点：

①     离心式冷水机组采用的制冷剂的分子量都很大，音速低，在压缩机流道中的马赫数M比较高(特别是在叶轮进口的相对速度马赫数和叶轮出口的速度马赫数一般都达到亚音速甚至跨音速)，这就要求在叶轮构型时特别注意气流组织，避免或减少气流在叶轮流遭中产生激波损失，同时适应制冷剂气体的容积流量在叶轮内变化很大的特点。

②     冷水机组在实际使用中，由于气候和热负荷的变化，需要的制冷量变化很大，并且要求在冷负荷变化时，机组的效率也尽可能高。作为制造厂来说，对于不同规格的系列产品，希望零部件的通用化程度越高越好。对于离心制冷压缩机，其叶轮的出口角小，则压缩机的性能曲线比较平坦，绝热效率较高，还能减少因采用同一蜗室而造成的匹配失当和效率降低，有利于变工况运行。

③     离心式压缩机是通过旋转的叶轮叶片肘制冷剂蒸气做功而提高其压力的。但是，如前所述，制冷剂蒸气的分子量一般都很大，其音速很低，如果为了提高蒸气能量头的需要，叶轮中布置的叶片数过多，则叶片的厚度将使叶轮进口的通流面积减小，使叶轮进口的气流速度很高，进口气流马赫数达到或超过音速，引起效率的急剧下降。为此，对于叶片出口角大于40度，叶片进口直径较小时，往往采用长、短叶片，解决必要的能量头和效串之间的矛盾，效果十分明显。

④     为了提高叶轮轮毂的强度，特别是为了消除健槽根部因开、停产生的应力集中疲劳破坏，近年来研制出叶轮与主轴采用三螺钉联接、端面摩擦联接等传递扭矩的方式，使叶轮运行可靠。

⑤     多级压缩机一般采取多次节流，中间加气的形式。这种结构的优点是可以提高循环效率而节能，对于低温(蒸发温度在0℃以下)离心式制冷机组还可以实现一机多种蒸发温度，这在某些工艺流程中特别适宜。

2）主电动机

离心式冷水机组多为半封闭式结构。所谓半封闭式机组，是指压缩机、增速器与主电动机联为一体，同处于制冷剂环境中，不需要轴封。机组的主电动机是特殊设计的用制冷剂冷却的封闭鼠笼式感应电动机，冷却用的制冷剂液体从冷凝器引来，分别引入主电动机的定子腔和转子中，冷却了定子绕组和转子，气化后返回到蒸发器。这样的冷却条件比普通的风冷电动机充分、有效，因此电动机的寿命长、故障率低。同时，由于设有冷却风扇，电动机的噪声低，减少了向机房的排热量，改善了机房的工作环境。

3）蒸发器和冷凝器

离心式冷水机组的蒸发器、冷凝器均为卧式管壳式结构，制冷剂都在壳侧流动。蒸发器、冷凝器换热效果的好坏对机组的能耗、重量和尺寸影响。就光管而言，管外制冷剂侧的表面传热系数远低于管内水侧的表面传热系数。提高制冷剂侧传热管外表面传热效果的主要方法有两种：一是通过在管外表面喷涂金属颗粒或通过机械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的传热面积；二是通过改进管外去面翅片的形状以改善表面传热，提高表面传热系数。比如，使冷凝管外表面加工成锯齿肋，使管外表面形成的冷凝液膜易于形成珠状很快滴下，不致覆盖在冷凝管外表面形成新的热阻，从而提高了冷凝换热系数。又如，将蒸发管外表面按制冷剂核态沸腾特性设计，使冷媒蒸发气泡连续生成，避免沸腾气泡被再冷凝，同时气泡在上升过程中又加大了对制冷剂液的扰动，从而提高表面传热系数。目前，很多制造厂商的传热管外表面传热系数已经达到或超过管内的表面传热系数，有的为了进一步提高管内侧的表面传热系数，甚至在管内壁上也加工出了翅片。由于传热管技术的进步。现在蒸发温度与冷水出水温度之差，已可达到2℃左右，蒸发温度的提高使压缩机的压缩比降低，减少了耗功，也减小了换热器的尺寸和重量。

在蒸发器的上部有挡液网，以防止蒸发飞溅的制冷剂液滴直接被压缩机吸入。

4）节流装置

将冷凝器底部积存的高压、常温制冷剂液体节流降压为低压、低温的制冷剂液体进入蒸发器内蒸发制冷，以前都是用浮球阀来完成，现在普遍改用一个或多个固定孔口的节流孔板来控制流人蒸发器的制冷剂流量。由于无运动部件，使系统运行更加可靠。

5）润滑油系统

润滑油系统由油泵、油冷却器、油过滤器及调节阀门等组成，向压缩机、齿轮轴、主电动机轴的轴承和齿轮的啮合面供油润滑、冷却。由于离心式冷水机组的结构日趋紧凑，其油泵一般为内置式，浸没于油箱中；油泵电机由于要与溶解有制冷剂的润滑油直接接触，其绕组的绝缘材料也应与制冷剂相容。油冷却器一般为板式换热器，利用制冷剂液体在板式换热器中蒸发的汽化潜热冷却润滑油，因此尺寸小，也内置于压缩机机壳内，便于蒸发后的制冷剂蒸气返回压缩机。油过滤器的过滤精度要求很高(一般为10～15μm)，其安装位置应尽量靠近供油口，为及时发现过滤器被杂质堵塞，机组运行中应监视过滤镜前后的压力差。

在离心制冷压缩机中，油箱也处于制冷剂环境中，润滑油与制冷剂是互溶的，且温度越低，制冷剂在油中的溶解度越大。润滑油中溶有制冷剂后其粘度要降低，直接影响启动时机组正常供油压力的建立。为此，在油箱中都设有一组供机组停机阶段加热润滑油的电加热器。

2．离心式冷水机组分类

按总体结构形式分为开启式、半封闭式和全封闭式。

按换热器筒体结构型式分为单筒式、双筒式两种型式。

3．离心式冷水机组制冷原理

同活塞式冷水机组类似，构成离心式冷水机组的单级循环见图4.17系统图和双级循环见图4.18系统图，其循环原理仍然是由蒸发、压缩、冷疑和节流四个热力状过程所组成的单级和双级蒸气压缩式制冷循环，其工作系统仍然是由蒸发器、离心式压缩机(单级和双级)、冷凝器和节流机构(装置)四大部件所组成的封闭式工作系统，在满液式卧式壳管式蒸发器中，制冷剂液体在较低的饱和温度(2～5℃)状态下吸收进入蒸发器传热管内冷水的热量（汽化潜热）而沸腾气化(液态→气态)，相对的使管内冷水出水温度下降为7℃(标准工况)，提供给中央空调系统中的气—水热交换器(空气调节箱中的表冷器和风机盘管)冷却送风，通过管道输送给空调对象，使其内部气温维持在规定的26℃±2℃(标准空调工况)人体舒适感范围之内，或其他工作室所要求的非标准空调工况范围，达到中央空调的目的。

在离心式冷水机组中无论采用高压(R22)制冷剂、中压(R134a)制冷剂和低压(R123)制冷剂，制冷剂在工作循环的全过程中，存在气态、液态、气／液混合态三种物理状态。制冷剂的气液相变主要发生在冷凝器(气→液)和蒸发器(液→气)之中。在压缩机中制冷剂呈过热蒸气状态，在减压膨胀阀或线性浮球阀室中，呈液态(少量气态)。

 1）关于部份负荷性离心式冷水机组通常是按负荷选型的，实际使用中，有70％以上的时间不在满负荷下工作。而离心制冷压缩机一般在满负荷点附近效率高。当前，评价冷水机组性能的好坏，已不仅仅是额定制冷量下消耗单位功率的制冷量(COP)要大，美国空调制冷学会在其标准ARl550／590--1998中，提出用综合部分负荷值IPLV(或NPLV)作为评价单台机组平均部分负荷效率的指标。该IPLV是在ARl550／590规定的工况条件下，分别实测出在100％，75％，50％，25％额定制冷量下的性能系数COP，然后乘以各自的常数加权平均得到。使用IPLV(NPLV)为冷水机组的部分负荷性能提供了一个简单的评估方法，但是，由于地区差异，IPLV(NPLV)值并不能直接作为我国计算年运行费用的依据。

2）冷却水进水温度对机组性能的影响

冷却水进水温度与机组的冷凝温度直接有关，在其它条件相同时，冷却水进水温度越高，冷凝温度、冷凝压力越高，机组的能耗也越高。一般冷却水进水温度每升高1℃，能耗将增加满负荷能耗的3％左右，制冷量将减少约3％。因此，对于全年极端温度不很高，相对湿度不很大的我国北方地区，不必按全国的统一标准提出以32℃作为冷却水进水温度的设计条件，这样可以节省一次性投资。

3）冷水出水温度对机组性能的影响

冷水出水温度与机组的蒸发温度直接有关。在其它条件相同时，冷水出水温度越低，蒸发温度、蒸发压力越低，机组的能耗增加、制冷量减少。一般冷水出水温度降低1℃，机组的能耗将增加负荷能耗的3.5％左右，制冷量将减少约3％。对于中央空调系统，冷水出水温度的确定必须十分仔细。一方面冷水温度必须足够低，以保证室内合适的空气参数；另一方面，冷水出水温度又必须足够高，使一次性投资和运行费用尽可能合理。另外，使用中的冷水机组，盛夏过后改用较高的冷水出水温度，则可以得到明显的节能效果。据对美国一些医院的中央空调系统的调查，在过渡季节，冷水出水温度的设定值可以比设计值提高2.2～4.4℃。

4）水侧污垢换热管水侧(内表面)积垢会使传热热阻增大，换热效果降低，使冷凝温度升高或使蒸发温度降低，终使机组的能耗增加、制冷量减少。开式循环的冷却水系统容易发生积垢，这主要是由于水质未经很好处理和水系统保管不善所致，由此在换热管内壁出现以下问题：

①     形成结晶(碳酸钙等无机物)；

②     铁锈、沙、泥土等沉积物(特别是当管内水速较低时)；

③     生成有机物(粘质物、藻类等)

所以定期清洗换热管是必要的。

对于按标准污垢系统设计、制造的离心式冷水机组，制造厂会提出相应的水质要求给用户，只要能满足对水质的要求，并对换热管内表面作定期清洗，则机组可以长期保证其额定性能。

4．离心式冷水机组的控制原理

离心式冷水机组的控制系统已相当完善，大都采用微型计算机，配以可靠的参数传感器、变送器，对机组运行进行控制、调节、保护。对单台机组，可随时显示运行中的冷水进出口温度、冷却水进出口温度、蒸发压力、冷凝压力、供油温度、供油压力、压缩机排气温度、导叶开度百分比、主电动机电流、累计运行时间、启动次数等参数；对运行中发生故障可预先发出警告、指出故障名称，并有故障诊断系统，提示产生故障的几种可能原因。每台机组的基本安全保护功能有：冷凝压力过高、供油压力过低、供油温度过高、蒸发压力过低、冷水出水温度过低、冷水断水、主电动机电流过大、主电动机绕组温度过高、主电动机再次启动延时保护等。运行中可根据热负荷的变化，在保证冷水出口温度的情况下，自动调节进口导叶开度来调节制冷量，以保持室内空气参数恒定。对多台机组，可根据热负荷的变化，按济的原则，自动开、停几台。此外还备有远程通讯接口，与楼宇自动化控制系统(BAS)联接，对冷水机组实行远程遥控。