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文獻綜述
題 目 螺桿型水冷冷水機組研究進展
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螺桿型水冷冷水機組研究進展
1 摘要
空調(diào)制冷技術(shù)作為20世紀(jì)對人類社會影響最大的工程技術(shù)成就之一[1]，已經(jīng)成為健康、運輸和食品保鮮行業(yè)不可缺少的技術(shù)。進入21世紀(jì)以來，以節(jié)能和環(huán)保為主題，空調(diào)制冷技術(shù)又得到了進一步發(fā)展。本文主要簡單介紹螺桿型水冷冷水機組的研究進展以及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 螺桿型 冷水機組 壓縮機 蒸發(fā)器 冷凝器
Abstract
In twentieth century , refrigeration and air conditioning technology as one of the largest impact engineering achievements of the human society, has become an indispensable technology of health transportation and food preservation industry. In the 21st century, with the theme of energy conservation and environmental protection, air conditioning and refrigeration technology has been further developed. This paper describes the research progress and the development direction of the screw-type water-cooled chillers.
Keywords: screw type, chiller, compressor, evaporator, condenser
2 引言
在中央空調(diào)系統(tǒng)中，使用各種形式的冷水機組。其中螺桿式冷水機組以其對變工況運行有較好的適應(yīng)性，對氣體帶液運行部敏感，轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，動力平衡型好，零部件少，尤其易損件少，運行壽命長，可靠性高，排氣溫度低，容積效率高，操作簡便，易于實現(xiàn)自動化等特點，在中等冷量范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。螺桿式冷水機組以其特有的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中，十幾年來，國內(nèi)企業(yè)不斷從歐美等發(fā)達國家引進、消化、吸收冷水機組設(shè)計技術(shù)和制造工藝，使螺桿式冷水機組水平得到顯著提高[3]。
3 螺桿式水冷冷水機組的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
水冷螺桿式冷水機組主要由半封閉式螺桿壓縮機、殼管式冷凝器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、殼管式蒸發(fā)器、以及電器控制部分等組成。
水冷螺桿式冷水機組也是冷水機組的一種，由于它的主要構(gòu)成部件使用了螺桿式壓縮機，所以名稱可稱為水冷螺桿式冷水機組。
3.1.1 螺桿式壓縮機簡介[4-7]
螺桿式壓縮機是瑞典工程師Lysholm發(fā)明，由SRM公司研制成功的。由于其具有優(yōu)越的耐久性和可靠性，作為中、大流量范圍的壓縮機，在制冷空調(diào)領(lǐng)域中，首先付諸實際應(yīng)用的是開啟式螺桿壓縮機，它的應(yīng)用填補了往復(fù)式與離心式壓縮機容量范圍之間的空白。近年來，由于制冷空調(diào)裝置的普及和以改善部分負荷特性為目的的多機組化的發(fā)展，中、小容量范圍的封閉式螺桿式制冷壓縮機得到了市場的青睞。目前國內(nèi)封閉式螺桿制冷壓縮機的生產(chǎn)廠家主要有武冷、大冷、冰輪、一冷開利等公司，國外主要有美國的特靈、開利、約克，日本的日立、三菱電機，意大利的弗萊康，德國的比澤爾等公司。
我國螺桿式冷水機組近年來發(fā)展很快，逐漸占領(lǐng)了往復(fù)式和小型離心式壓縮機的部分市場，主要原因是螺桿式冷水機組的效率高、運行穩(wěn)定、振動小、制冷量調(diào)節(jié)范圍大等。目前絕大多數(shù)螺桿式制冷壓縮機中采用了R22或氨制冷劑，也有一些采用R134a或R410A等制冷劑。螺桿式制冷壓縮機大部分都采用噴油潤滑的方式運行，根據(jù)與電動機連接方式的不同，分為開啟式、半封閉式和全封閉式三種。
在環(huán)境溫度下工作時，單級螺桿式制冷機可達—25℃的蒸發(fā)溫度，采用經(jīng)濟器或雙級壓縮時，可達—40℃的蒸發(fā)溫度。另外，已有越來越多的螺桿式制冷機用作熱泵，可向高達100℃的熱源傳送熱量。既能供冷又能供熱的冷熱兩用螺桿機組，近年來發(fā)展很快。目前螺桿式制冷壓縮機在標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下的制冷量范圍為50—2500KW。
在螺桿式壓縮機制冷系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的COP，往往會采用經(jīng)濟器。近年來，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的螺桿式制冷壓縮機有了很大發(fā)展，以西安交通大學(xué)為技術(shù)依托的煙臺冰輪等制冷企業(yè)已實現(xiàn)螺桿式制冷壓縮機的工業(yè)化生產(chǎn)。
3.1.2 冷凝器的型式
螺桿式制冷機組中所使用的水冷式冷凝器，主要是臥式殼管式冷凝器。它是由筒體、管板、冷凝管和兩側(cè)端蓋組成。筒體是由鋼板卷制成圓筒形，焊接成的筒體兩端焊有兩塊圓形管板，管板上鉆有許多管孔，將冷凝管兩端穿入管板孔內(nèi)，并用脹管法或焊接法固定在管板上。制冷劑蒸汽由筒體上部進入筒內(nèi)，并在冷凝管的外表面上冷凝。冷凝后的液體制冷劑從筒體下部流出。冷卻水經(jīng)一側(cè)端蓋進入冷凝管內(nèi)，在另一測端蓋內(nèi)換向，再度流入冷凝管。
這種冷凝器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高、冷卻水耗量少、操作管理方便，所以在螺桿式制冷機組中幾乎都采用這種型式的冷凝器。
3.1.3 蒸發(fā)器的型式
在螺桿式冷水機組中，蒸發(fā)器的型式主要是滿液式和干式蒸發(fā)器兩種。滿液式蒸發(fā)器中，液體制冷器經(jīng)過節(jié)流裝置進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的液位保持一定。蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱管浸沒在制冷劑液體中。吸熱蒸發(fā)后的氣液混合物中仍含有大量液體，故從蒸發(fā)器內(nèi)逸出的濕蒸汽經(jīng)氣液分離后再回入壓縮機。
干式蒸發(fā)器則由熱力膨脹閥或電子膨脹閥直接控制液體制冷劑進入蒸發(fā)器的管程，制冷劑液體在管內(nèi)完全轉(zhuǎn)變成氣體，而被冷卻的介質(zhì)則在傳熱管外的管程中流動[8]。
3.1.4 節(jié)流裝置
螺桿式水冷冷水機組主要采用的節(jié)流裝置有孔板、線性浮子閥、電子膨脹閥、熱力膨脹閥。目前螺桿式冷水機組廣為采用的節(jié)流裝置是熱力膨脹閥（也有采用帶電動調(diào)節(jié)閥的固定孔板或節(jié)流管），熱力膨脹閥的優(yōu)點是造價低、控制簡單，其缺點是：①由于其流量調(diào)節(jié)對過熱度的響應(yīng)滯后，使冷水機組在起動或負荷突變時，被調(diào)參數(shù)發(fā)生周期性振蕩；②在t0較低的情況下，過熱度增大，使t0變得不穩(wěn)定，制冷效率下降；③制冷劑流量調(diào)節(jié)范圍?。虎茉试S負荷波動范圍小，不適合應(yīng)用于能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；⑤蒸發(fā)器出口過熱度偏差大等。眾所周知，螺桿式冷水機組在滿負荷下運行的情況很少，98%以上的時間是在部分負荷下運行。熱力膨脹閥不適合部分負荷時的運行調(diào)節(jié)，它會造成工況不穩(wěn)定，制冷效率下降。因此從發(fā)展趨向看，電子膨脹閥替代熱力膨脹閥是必然趨勢[9]。
3.2 工作原理
機組制冷時，壓縮機將蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓制冷劑吸入氣缸，經(jīng)過壓縮機做功，制冷劑蒸汽被壓縮成為高溫高壓氣體，經(jīng)排氣管道進入冷凝器內(nèi)。高溫高壓的制冷劑氣體在冷凝器內(nèi)與冷卻水進行熱交換，把熱量傳遞給冷卻水帶走，而制冷劑氣體則凝結(jié)為高壓液體。從冷凝器出來的高壓液體經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器內(nèi)，低壓液體制冷劑吸收冷凍水的熱量而汽化，使冷凍水降溫冷卻，成為所需要的低溫用水。汽化后的制冷劑氣體重新被壓縮機吸入進行壓縮，排入冷凝器，這樣周而復(fù)始，不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)對冷凍水的冷卻。
從機組出來的冷凍水，進入室內(nèi)的風(fēng)機盤管、變風(fēng)量空氣調(diào)節(jié)機等末端裝置，在室內(nèi)與對流空氣發(fā)生熱交換，在此過程中，水由于吸收室內(nèi)空氣的熱量（向室內(nèi)空氣散熱）而溫度上升，而室內(nèi)空氣經(jīng)過室內(nèi)換熱器后溫度下降，在風(fēng)機的帶動下，送入室內(nèi)，從而降低室內(nèi)的空氣溫度，而溫度上升后的冷凍水在水泵的作用下重新進入機組，如此循環(huán)，從而達到連續(xù)制冷的目的[10]。
4 螺桿式冷水機組的發(fā)展現(xiàn)狀和性能特點
資料顯示，在空調(diào)領(lǐng)域，螺桿式冷水機組在中央空調(diào)系統(tǒng)主機中所占的份額逐年上升，而活塞式、溴化鋰式等空調(diào)主機所占份額則逐年下降。一方面，螺桿式冷水機組牢固地占據(jù)著中小型中央空調(diào)系統(tǒng)主機的主導(dǎo)地位，另一方面。它逐步蠶食著大型中央空調(diào)系統(tǒng)中離心式壓縮機的份額?？照{(diào)用螺桿式壓縮機的市場潛力巨大，是單臺制冷量100—3000KW空調(diào)系統(tǒng)中的最佳機型[11]。
螺桿式冷水機組的冷凍出水溫度范圍為3℃~20℃，可廣泛應(yīng)用于塑膠，電鍍，電子，化工，制藥，印刷，食品加工等各種工業(yè)冷凍過程需使用冷凍水的領(lǐng)域，或大型商場，酒店，工廠，醫(yī)院等各種中央空調(diào)工程中需使用冷凍水集中供冷的領(lǐng)域。
目前，螺桿式冷水機組應(yīng)用廣發(fā)的主要原因是：a) 螺桿式壓縮機能量調(diào)節(jié)范圍寬，負荷適應(yīng)性強，對濕壓縮不敏感；b) 運轉(zhuǎn)時力矩變化小，動力平衡性好，易損件少，振動小，運行可靠，壽命長；c) 轉(zhuǎn)速高，輸氣脈動小，零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，質(zhì)量輕，體積??；d) 無吸氣、排氣閥，流動阻力小；余隙容積小；噴油運行，排氣溫度低，因為容積效率高；e) 操作簡便，易于實現(xiàn)自動化[12]。
螺桿式壓縮機與電動機在大致50%—90%負載率時效率最高。當(dāng)壓縮機和電動機負荷低于50%時，效率急劇下降。對定睡流量的螺桿式冷水機組，部分負荷時由于冷凝和蒸發(fā)器的單位負荷換熱面積增加，制冷劑和冷凍水、冷卻水的換熱減少；同時由于冷凍水、冷卻水進出水溫差減小，使機組的冷凝溫度下降，蒸發(fā)溫度升高，從而使機組的效率提高[13]。以國產(chǎn)某品牌冷水機組為例，當(dāng)機組在約55%冷負荷時，機組的能效比最高（見圖1），最省電，100%冷負荷時，機組的能效比約下降20%。由于定水流量系統(tǒng)的螺桿式冷水機組在低負荷、高負荷時能效比均較低，給多臺螺桿式冷水機組的優(yōu)化控制帶來了一定的難度[14]。
4.發(fā)展方向
4.1 空調(diào)專用的開啟式螺桿制冷壓縮機及冷水機組
4.1.1 空調(diào)專用的開啟式螺桿壓縮機
空調(diào)系統(tǒng)中，可按以下兩個思路開發(fā)空調(diào)專用壓縮機：
（1）由于空調(diào)系統(tǒng)的工況固定，所以螺桿壓縮機的內(nèi)容積比無需調(diào)節(jié)，固定在2．5即可，因此，可以省去內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑悶及其相應(yīng)的控制機構(gòu)、油路系統(tǒng)等；
（2）制冷用螺桿式壓縮機為了兼顧空調(diào)至低溫之間的各個工況，一般是按內(nèi)容積比2.5設(shè)計徑向排氣口，按內(nèi)容積比5.0設(shè)計軸向排氣口，而空調(diào)專用壓縮機則可統(tǒng)一按內(nèi)容積比2.5設(shè)計徑向排氣口和軸向排氣口．以減少螺桿式壓縮機的過壓縮情況，提高壓縮機的效率。因此，空調(diào)專用螺桿式壓縮機的效率在理論上應(yīng)高于制冷用壓縮機。
4.1.2 空調(diào)專用開啟式螺桿冷水機組
（1）空調(diào)專用螺桿式冷水機組完全可以采用噴液冷卻方式，因為在空調(diào)工況下，壓比小，排氣溫度低，油冷卻的負荷小，只需噴入少量制冷劑液體即可達到降低排溫的目的；
（2）改變傳統(tǒng)的液體冷卻機組布置方式，將壓縮機、電機置于蒸發(fā)器上，縮短吸氣管長度及減少彎頭數(shù)量以減小有害吸氣過熱，提高制冷量；
（3）與半封閉螺桿冷水機組類似，減小油分直徑及體積，并將油分置于換熱器上，使機組的體積進一步縮小。采用引射技術(shù)使進入換熱器中的油回到壓縮機中。
盡快開發(fā)空調(diào)專用的螺桿式冷水機組是制冷行業(yè)的一個發(fā)展方向。
4.2 采用除R22以外的其它工質(zhì)
目前，螺桿式冷水機組中主要采用R22為工質(zhì)，由于2030年期限的臨近，未來5年內(nèi)，采用其它工質(zhì)的冷水機組將會越來越多。
（1）采用R717的螺桿式冷水機組
武冷開發(fā)了一系列采用R717為工質(zhì)的螺桿式氨冷水機組，該系列機組采用了國際先進的BPHE不銹鋼激光焊接的板式換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器，相較普通殼管式換熱器其體積縮小了80%。
（2）采用R134a的螺桿式冷水機組
R134a的單位容積制冷量較小，對速度型的離心機其影響相對較小，而對螺桿機，不宜以增大壓縮機的物理尺寸為代價來換取冷量的提高，只宜采用增速的方法。
上海聯(lián)合開利生產(chǎn)的30HXY/30HXC半封閉螺桿式冷水機組就采用了R134a，該機組的壓縮機采用航空齒輪AGMAl2增速，陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達6000—9000r/min，一方面彌補了R134a單位容積制冷量較小的不足，另一方面縮短了壓縮機的長度，利于組成多機頭機組。該機組還采用了滿液式蒸發(fā)器，用電子膨脹閥控制供液。
4.3 采用變頻控制的螺桿式冷水機組
變頻控制主要有以下幾個優(yōu)點：
（1）螺桿式壓縮機的滑閥式或柱塞式能量控制方法，其實質(zhì)是吸氣旁通方式，變頻控制可以得到相對更高的效率；
（2）當(dāng)熱負荷變化時，螺桿式冷水機組將增減負載或反復(fù)地啟停壓縮機，對電網(wǎng)造成沖擊的同時還增加了耗電量并減少了壓縮機的使用壽命，而變頻控制則可以避免這種情況，壓縮機運行更平穩(wěn)、更經(jīng)濟，使用壽命更長；
（3）壓縮機啟動時可降頻啟動，避免較大的峰值沖擊電流，同時還減少了耗電量；
（4）當(dāng)壓縮機物理尺寸固定時，可以用超頻的方式在一定范圍內(nèi)增加壓縮機的制冷量。
隨著變頻器價格的不斷降低，變頻控制將首先應(yīng)用到單機頭或多機頭半封閉螺桿冷水機組中，最終成為其最佳控制方式并為廣大用戶所接受。
4.4 大溫差螺桿式冷水機組
根據(jù)JB/T4329—1997《容積式冷水(熱泵)機組》可知，冷水機組蒸發(fā)器進出水溫差為5℃，大于5℃則稱為大溫差冷水機組?？照{(diào)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗表明，增大供回水溫差，將減少循環(huán)水流量，在保證水阻力相同的前提下縮小管道直徑及減少保溫材料消耗，減小水泵流量，但對系統(tǒng)的末端設(shè)備，如風(fēng)機盤管等，其換熱面積需要逐漸增加。因此。對整個空調(diào)系統(tǒng)．需全面考慮以分析其經(jīng)濟性，選擇合適的溫差。
對螺桿式冷水機組，冷凍水進出口溫差越大，則對數(shù)平均溫差越大，換熱面積越小。但為了保證換熱效果，必須保證管內(nèi)流速，因此換熱器的每流程換熱管數(shù)將減少，流程數(shù)將增加，對端蓋的密封性能要求較高。由于流程數(shù)增加，冷凍水側(cè)的阻力將增加，因此需適當(dāng)降低管內(nèi)流速，在阻力不大的前提下確定管內(nèi)流速．復(fù)核傳熱系數(shù)，并適當(dāng)增加其面積[11]。
5 結(jié)論
對于螺桿式冷水機組的設(shè)計而言，它需要考慮許多問題諸如：性能，結(jié)構(gòu)，安全，質(zhì)量，操作等。在螺桿式冷水機組中，對系統(tǒng)性能影響最大的主要是螺桿式壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置等的性能，因此，要提高冷水機組的性能，除了要提高各部件的性能，同時也要分析研究各種影響因素，并對其進行優(yōu)化組合。螺桿式水冷冷水機組在商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，冷水機組性能的提高不僅能降低系統(tǒng)的運行費用，而且也可降低機組的維護費用。
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