高溫離心式冷水機組及其特性研究
高溫冷水機組是溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中的重要設(shè)備,也是工業(yè)生產(chǎn)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(fù)荷運行的特性,為溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計和工業(yè)應(yīng)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(diào)供冷設(shè)備,而離心式冷水機組更是因其有較高的能效指標(biāo)和較大的機組制冷能力而深受用戶的歡迎。由于空調(diào)系統(tǒng)耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危機、節(jié)能降耗呼聲很高的形勢下,降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗成為制冷空調(diào)行業(yè)的熱門話題,為此,業(yè)內(nèi)的專家提出了很多策略,溫濕度獨立控制就是在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(shù)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(biāo)、采用干式末段換熱的方式改變整個空調(diào)系統(tǒng)的工作模式,這些措施可以從系統(tǒng)的角度來降低空調(diào)系統(tǒng)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(fā)溫度,而高蒸發(fā)溫度對離心壓縮機的影響是多方面的,按正常標(biāo)準(zhǔn)工況(7℃出水溫度)設(shè)計的壓縮機 ,在較高蒸發(fā)溫度工作時,由于系統(tǒng)流量和壓比的變化,可能會導(dǎo)致離心式冷水機組高能效的工作特性不能充分發(fā)揮出來,這就需要重新對產(chǎn)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(diào)系統(tǒng)的設(shè)計者提供技術(shù)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(shè)計為例:當(dāng)冷水出水溫度為16℃時,蒸發(fā)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(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院循環(huán)分析軟件NIST軟件進行計算分析,機組的COP值可以達(dá)到8.01。
為了獲得按標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計的產(chǎn)品在變化工作條件下的數(shù)據(jù),對現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jié)果如表1所示。
表1 不同工況下測試數(shù)據(jù)比較
從表中的測試數(shù)據(jù)不難看出,按照標(biāo)準(zhǔn)工況下設(shè)計的離心式壓縮機組裝的冷水機組,當(dāng)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(jié)果還相差甚遠(yuǎn)。造成這種情況出現(xiàn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),自蒸發(fā)器出來的制冷劑蒸汽經(jīng)吸氣室進入葉輪,葉輪高速旋轉(zhuǎn),葉輪上的葉片即驅(qū)動氣體運動,并產(chǎn)生一定的離心力,將氣體自葉輪中心向外周拋出,氣體經(jīng)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(zhuǎn)化的結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ�。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(dāng)離心式制冷壓縮機運行在高蒸發(fā)溫度時,壓縮機的壓縮比比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況時要小,冷水機組在7℃出水時, 機組的設(shè)計吸氣壓力為0.35MPa,排氣壓力為0.937MPa,壓比為2.70;而當(dāng)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(qū),當(dāng)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(shè)計必然會對流量的增加產(chǎn)生阻塞,從而使流量無法達(dá)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(zhuǎn)速下,壓比與壓縮機的級效率有著一定的對應(yīng)關(guān)系,圖2為定轉(zhuǎn)速下離心壓縮機的壓比與級效率之間的關(guān)系曲線。
從圖2的曲線可以看出,當(dāng)壓縮機的壓比發(fā)生變化時,壓縮機的級效率會隨之發(fā)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(dāng)壓縮機的壓比發(fā)生變化時,如果不對壓縮機的設(shè)計轉(zhuǎn)速進行調(diào)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(shè)計的調(diào)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(yīng)當(dāng)按新的設(shè)計條件進行設(shè)計優(yōu)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(dá)到臨界狀態(tài),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(diào)用冷水機組來說,大部分時間機組都是運行在部分負(fù)荷狀態(tài)下,因此制冷劑流量也會隨著機組運行的狀態(tài)不同而發(fā)生變化,固定的流道面積也會影響機組的運行。為此,機組設(shè)計中應(yīng)設(shè)計可變流截面的擴壓器,適應(yīng)流量的變化,這樣可以滿足機組在不同負(fù)載情況下的運行要求。圖3 為設(shè)計的可變截面擴壓器示意。
(2)設(shè)計轉(zhuǎn)速的調(diào)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(shè)計轉(zhuǎn)速進行調(diào)整。從圖2的曲線顯示可以看出,壓縮機的轉(zhuǎn)速與最高效率點有一定的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)轉(zhuǎn)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(dāng)壓比在2.0時,壓縮機的轉(zhuǎn)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(jié)果
