微型离心式压缩机的研究

微型离心式压缩机的研究

0中小冷水机组能效能力分析离心冷却辊利用叶片的高速旋转增加了冷却能耗，并通过能量转化加压制剂。相比容积式压缩机,具有同等容量下机组尺寸小、运行效率高、机械磨损少、启停机时间短、易实现多级压缩和变蒸发温度等优势。图1给出了我国近几年不同容量范围的离心式冷水机组的销售比例,由图可见,当前离心式机组主要为大制冷量机组,1000kW以下的小制冷量机组所占比例不大。为了了解当前不同类型冷水机组不同容量下的能效水平,笔者对各种冷水机组产品样本以及质量监督局公布的数据进行了统计分析,得到了各类机组的名义COP分布,如图2所示。由于数据来源不一,以及名义工况不尽相同(如冷却水进出水温度为32℃/37℃或30℃/35℃)等原因,有些数值可能偏大,但从统计数据的总体趋势可以发现,以离心式为主的大型冷水机组的名义COP普遍较高,主要分布在5.0～5.5之间;1000kW以下的中小型容积式冷水机组的名义COP大多分布在5.0以下。离心式机组的能效比普遍高于容积式机组。由图2可见,目前大部分的离心式冷水机组具有容量大和能效比高的特点;而容积式冷水机组占中小容量机组的主要部分,且其COP普遍低于离心式机组。实现离心式机组小型化是一种提高行业内中小冷量冷水机组能效水平的有效途径,其已成为当前离心式压缩机制造业的主要研究方向之一。而离心式压缩机小型化的技术难点主要是其高转速特性对材料强度、加工精度要求严格。本文将以某公司的微型离心式冷水机组为例,阐述离心式机组小型化、高效化(即改善名义工况、变工况和部分负荷下的性能)的技术途径,并根据机组性能实测数据建立能耗模型,分析其在供冷季的运行性能。1机组容量的确定该公司通过改进制冷循环、微型离心压缩机、冷凝器与蒸发器设计来提高微型离心式冷水机组的名义COP,并通过采用压缩机变频、改变导流叶片开度、热气旁通等技术联合控制机组容量,以提高变工况和部分负荷工况下的COP。机组能够适应变蒸发温度工况,可制取7～18℃的冷水,高温冷水能够应用于温湿度独立控制空调系统。其中的MTWC175微型离心式冷水机组在冷水温度7℃/12℃、冷却水温度32℃/37℃工况下的名义制冷量为176kW,COP为5.0;在冷水温度18℃/21℃、冷却水温度32℃/37℃工况下的名义制冷量为250kW,COP为7.1。1.1经济器+蒸发器微型离心式冷水机组采用“双级压缩+经济器”的制冷循环形式(制冷剂为R134a),如图3所示。在循环过程中,来自冷凝器的高压液态制冷剂流经高压级膨胀阀1后进入经济器,分离节流后的闪发蒸气;饱和液体经过低压级膨胀阀2二次节流后进入蒸发器制取冷水;来自蒸发器的低压蒸气经过一级压缩变成中间状态后,与来自经济器的饱和蒸气混合,再经过二级压缩进入冷凝器。设置经济器可以减少一级压缩的制冷剂流量并降低二级压缩入口蒸气的温度和比热容,提高循环效率。计算表明,双级压缩循环的理论COP比相同蒸发、冷凝温度条件下的单级循环提高约10%。1.2叶轮出口边界调整在离心式压缩机的微型化设计中,采用了CFD技术计算回转叶片和扩压器内部的制冷剂流形(如图4所示)并调整叶片数,减小高压级叶轮进气处的气流湍动,降低流动能量损失;考虑到实际可加工的叶片厚度和理论值之间的差异,通过延长叶轮出口边界来预留喷口面积;转子采用径向止推滚珠轴承并经过耐久性测试,以减少压缩机转动的机械损失,提高压缩机性能及保证使用寿命。1.3液分离系统微型冷水机组的蒸发器和冷凝器主要采用了高效传热管技术。满液式蒸发器采用具有微孔结构的传热管,以降低蒸发温度与冷水温度之间的温差;在管束上方的蒸发器内部安装气、液分离装置以防止制冷剂液滴进入压缩机;另外,利用冷凝器内高压气态制冷剂作为动力,由引射器直接从蒸发器中抽吸含油量较高的液态制冷剂对油箱内的润滑油进行冷却,同时实现蒸发器返油。在壳管式冷凝器内采用了螺纹形低肋片且具有纵向沟槽的传热管,由于肋片呈针状,提高了冷凝换热效率,其换热系数比普通低肋片管约大20%～30%。1.4变工况时机组的动态特性微型离心式冷水机组的容量控制策略如图5所示。通过检测冷水进、出口温度和流量,冷却水温度和系统内部参数,联合调节电动机的运行频率、入口导流叶片阀角度和热气旁通阀开度,实现冷水机组在20%～100%负荷范围内连续运行。由于离心式压缩机产生的能量与转速的二次幂成正比,输出能量会随着转速降低而急剧下降,因此为实现冷量的精确控制,在中低负荷区需要调整转速与入口导流叶片阀角度进行联合控制;在低负荷区,若冷凝温度过高或蒸发温度过低将导致制冷剂流量过小,会引起喘振,此时需同时利用冷凝器与蒸发器之间的电动旁通阀实现反喘振控制,以实现系统安全运行。采用上述技术的微型离心式冷水机组,其名义工况、变工况和部分负荷工况性能均得到改善。图6给出了在该公司微型离心式冷水机组实验台和清华大学节能示范楼温湿度独立控制空调系统中测量出的MTWC175型机组在制取7℃和18℃两种温度冷水时的性能曲线1。可见机组性能随着冷却水温度twci降低、冷水温度升高而改善;采用优化控制策略后,随着冷却水温度的降低,机组的COP曲线上的最大值向低负荷率方向转移。这一特性符合室外气象条件导致建筑负荷与冷却水温度同时降低的一般规律,有助于降低实际建筑中的供冷季空调能耗。2小型离心式冷水机组的运行性能分析2.1运行能耗分析方法冷水机组在供冷季的运行性能不仅涉及到冷水机组的模拟,同时还包括对室外气象参数、建筑负荷和冷却塔性能的模拟,需要建立相互关联的联合模型。图7给出了各类冷水机组的运行能耗分析方法。在冷水机组能耗分析中,在冷水出水温度、冷却水与冷水流量已知的条件下,将建筑物的逐时负荷作为冷水机组的逐时制冷量、冷却塔的出水温度作为冷凝器的进水温度,即可利用冷水机组数学模型计算出冷水机组的逐时耗电量(或COP)及其冷凝器的出水温度(作为冷却塔的进水温度),进而计算出供冷季的季节能效比SEER,从而实现冷水机组的运行性能分析。2.2机组能耗分析根据图6a所示的MTWC175微型离心式冷水机组在制取7℃冷水时的性能曲线,通过参数拟合计算可建立冷水机组在不同负荷率、不同冷却水入口温度下的能耗模型。为进行性能比较,选用与MTWC175机组名义制冷量与COP相当的某品牌单螺杆式冷水机组应用于相同参考建筑中进行能耗分析。该单螺杆机组(以下称为SCW155型机组)在冷水温度7℃/12℃、冷却水温度30℃/35℃工况下的名义制冷量为155kW,COP为4.9。根据文献对单螺杆冷水机组部分负荷和变工况下的性能进行试验研究所得出的定性规律,结合SCW155型冷水机组综合部分负荷系数IPLV测试工况点数据和产品样本上的不同冷却水温度时的性能修正曲线,获得了机组的性能曲线,如图8所示。由此可建立其在不同负荷率和不同冷却水入口温度下的能耗模型。2.3冷水机组在供冷季的冷却水分布由图7可知,分析机组的SEER特性需建立建筑负荷模型和冷却塔模型。选用北京地区某小型办公楼作为参考建筑,采用DeST能耗模拟软件建立参考建筑的负荷计算模型,并得出该建筑在典型气象年中的逐时冷负荷,如图9所示。冷却塔的出水温度即为机组的冷却水入口温度,它主要取决于冷却塔的结构性能、室外干湿球温度、冷却水的出水温度和流量,其中室外湿球温度对其影响最大。利用热湿交换原理和实测结果建立冷却塔模型,计算得出冷水机组在供冷季的冷却水逐时入口水温分布,如图10所示。统计表明,该计算结果与文献的结论基本一致,即冷却水入口温度比当地逐时湿球温度高3～5℃。2.4典型冷水机组的逐时优化设计根据两种冷水机组的能耗模型、典型气象年中供冷季建筑的逐时冷负荷和冷却水入口温度,可以计算出这两种机组在供冷季节的逐时能耗。根据参考建筑的负荷特性,分别选用两台MTWC175和SCW155型冷水机组作为该建筑空调系统的冷源设备(均可保证建筑冷负荷大于制冷机最大制冷量的时间少于50h)。在运行过程中,采用以相同负荷率下机组能耗总和最小为原则的台数控制策略;考虑到两种机组的最小制冷量,忽略负荷过低时机组的启停损失。根据上述条件,计算得到MTWC175型离心式冷水机组和SCW155型单螺杆式冷水机组分别作为参考建筑冷源时,在典型气象年中的逐时输入功率与逐时COP分布,如图11,12所示。参考建筑供冷季的总耗冷量∑Q0≈185881kWh,采用MTWC175型冷水机组时,总耗电量∑Pin1≈28290kWh,SEER1≈6.57;采用SCW155型单螺杆冷水机组时的总耗电量∑Pin2≈30167kWh,SEER2≈6.16。从图12中可以看出:1)由于微型离心式冷水机组采用了双级压缩循环和高效换热器,其名义COP高于SCW155型单螺杆式冷水机组,使得前者在高负荷率下的COP高于后者;2)由于微型离心式冷水机组采用了压缩机变频、改变导流叶片开度和热气旁通等技术,改善了部分负荷和变工况下的运行性能,特别是在低冷却水温度及低负荷率时具有更高的COP,从而使得微型离心式冷水机组的全季节运行性能高于同容量的单螺杆式冷水机组。另外,从制取不同温度冷水的性能差异可以看出:在温湿度独立控制空调系统中,利用微型离心式冷水机组制备18℃冷水去除建筑内的显热负荷,因蒸发温度提高,压缩比减小,机组COP提高(见图6b),可获得更高的SEER。这对推进建筑节能具有重要意义,但其节能效果必须结合湿度控制设备能耗进行分析,在此不再赘述。3离心式冷水机组通过对国内冷水机组总体现状调查可以看出,离心式冷水机组具有制冷量大和COP高的特点,故利用离心压缩机的优势,开发小型高效的离心式冷水机组是提高小冷量机组能效水