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1、离心压缩机基本原理与结构,主讲人：刘 华,1.基本制冷循环 2.离心压缩机原理与特性 3.离心压缩机结构与组成 4.离心压缩机辅助系统,内容提要,1. 基本制冷循环,离心式冷水机组利用蒸汽压缩循环来冷却冷冻水，并将从冷冻水中吸收的热加上压缩机中产生的热排放到另一个被冷却塔冷却的水路循环中。包括四大组成：,图1 制冷基本循环,蒸发器 冷凝器 压缩机 膨胀装置,1.1 四大部件,1. 基本制冷循环,图2 满液式蒸发器,蒸发器,蒸发器是一个热交换器，将冷冻水中热量移走，降低冷冻水温度。这些热用来蒸发制冷剂使其从液体变为气体。均使用换热效率高的满液式蒸发器。,满液式,干式,沸腾状态,1. 基本制冷循环
2、,图3 离心压缩机外形,制冷压缩机,压缩机组件由电机和离心式压缩机组成。格力离心压缩机使用液态制冷剂冷却的半封闭电机。离心式压缩机是速度型的，它通过将动能转换成压力来提高制冷剂的压力和温度。,1. 基本制冷循环,冷凝器,同蒸发器一样，冷凝器是一个热交换器。在这里，制冷剂中的热量被排放掉并将制冷剂从气体冷凝为液体。这些热量使水温升高，冷却水将热量运送到冷却塔并排放到大气中。,膨胀装置,制冷剂被冷凝为液体后经过一个降压装置，这可以是简单的孔板或复杂的电子膨胀阀。,图4 节流孔板,1.基本制冷循环,1.2 压焓图,图5 制冷循环、P-h图,单位制冷量: q0=h1-h5 单位冷凝负荷: qk=h2-
3、h4 单位压缩功: w0=h2h1 制冷系数：,理论循环,1.基本制冷循环,1.3 典型运行工况,ARI550/590-2003标准（美国）与GB18430-2007标准（中国）用来测试和评估冷水机组。两者对比如下：,1.基本制冷循环,在蒸发器与冷凝器中水的温度变化可用下述公式表示：,Q = 热交换量 kW M = 流体流量 m3/h) C = 流体比热 kJ/(kg*) T= 流体温差 ,其中：,在蒸发器中，利用公式与设计工况，可计算出：,Q = C M T,1.基本制冷循环,我们知道冷凝器需要排放的热量等于蒸发器吸收的热量加上压缩机所做的功，假设压缩机所做的功是蒸发器吸收热量的25，那么冷
4、凝器需要排放的热量就是蒸发器吸收热量的125。,在冷凝器中：,1.基本制冷循环,图9 换热器中流体温度变化,冷凝器：制冷剂保持恒定温度36。制冷剂从气体变为液体并释放出冷凝潜热。同时，来自冷却塔的30的水进入冷凝器获得显热并使水温升高到35； 蒸发器：制冷剂保持恒定温度5.5。制冷剂从液体变为气体，同时吸收蒸发潜热，12的冷冻水释放显热并使水温降低到7； 压缩机提升力：对于R134a，在36时的冷凝压力为912kPa，在5.5时的蒸发压力为354kPa。压缩机提升力558kPa；,1.基本制冷循环,热量从一种流体到另一种流体的传递可以用以下公式来表示：,Q = U A LMTD,LMTD= T
5、/ Loge (1/2),Q = 热交换量 (kW) U = 总的热传递系数 (kW/(m2*) A = 换热管面积 (m2) LMTD = 流体和制冷剂之间的对数平均温差() T = 流体的温差 () 1 = 进口温差 () 2 = 出口温差 (),其中：,1.基本制冷循环,从公式中可以看出：,增加管数（增加表面积A）将提高热传递，也会降低流体的压力降，但增加换热管会增加成本； 增加热传递系数U会提高热传递； 设计工程师的决定会影响对数平均温差(LMTD)：改变饱和吸气温度或饱和冷凝温度将改变1和2。降低吸气压力或升高冷凝压力，将降低换热器成本，增大压缩机功率； 设计工程师对运行水温的选择也
6、将影响热传递。,如前所述，在GB标准工况下，需要的压力提升或提升力是558kPa，压缩机的作用就是提供这个提升力。 离心式压缩机不同于容积式压缩机(如涡旋式、活塞式和螺杆式)，离心式是通过叶轮的高速旋转，将动能转化为压力能来提升压力。容积式压缩机在压缩过程中封闭一定量的气体并减小体积，通过体积变化来提升压力。,2.离心式压缩机原理与特性,2.1 离心式压缩机原理,气流在叶轮中的复合运动(速度为c)，由两个分运动合成： 气体沿叶片所形成的流道流过叶轮，其速度称为相对速度v。 气体随叶轮一起旋转，其速度称之为圆周速度u。,根据速度三角形,分别计算进出口气体的速度，再计算它们在切线方向的分量：,2.
7、 离心式压缩机原理与特性,假设通过叶轮的制冷剂流量为Mr kg/s，则进出口气流对叶轮的动量矩分别为：,根据动量矩原理，外力矩M应等于单位时间内叶轮进出口动量矩之差，即：,则每秒叶轮传给气态制冷剂的功为M，每千克气体所获得的功量为：,c,th称之为叶轮的理论能量头。,2. 离心式压缩机原理与特性,一般离心式制冷压缩机气流均沿轴向进入叶轮，即在叶轮进口处气体流速在圆周切线方向的投影为0，因此：,u2叶轮出口处气流切线分速度系数,也称为周速系数。 理论能量头与叶轮外缘圆周速度相关，成二次方关系； 理论能量头与制冷剂无关，无论是R123、R134a达到同样压比，叶轮叶尖的速度是基本相同的。,2. 离
8、心式压缩机原理与特性,理解原理的简单方法是设想一个系在绳子末端的球，一个人旋转绳子上的球，另一个人站在二楼的阳台上。如果旋转球的人释放有足够角动力的球，球就能飞到在二楼阳台的人那里。球的重量(分子重量)、绳子的长度(叶轮半径)和转动速度(rpm)影响角动力。,2. 离心式压缩机原理与特性,在理想条件下，需要的能量头等于压缩机的理论功耗，即： wc,thh2h1,离心式制冷压缩机气体被压缩所需要的能量头：,2. 离心式压缩机原理与特性,在实际的压缩过程中，由于摩擦及气体的吸热，气体压缩所需要的能量头大于压缩机的理论耗功量，即：,式中： - 离心式制冷压缩机的绝热效率，一般为0.80.87。,2.
9、 离心式压缩机原理与特性,表1：不同制冷剂特性,不同制冷剂应用比较,2. 离心式压缩机原理与特性,对于任何离心机常用的制冷剂，它们所需要的叶尖速度非常接近(相差在4%以内)，大约是200m/S。不论是小叶轮高转速还是大叶轮低转速，叶尖速度相对恒定而不管是什么制冷剂。 机组实际的冷量决定于有多少制冷剂(m3/h)通过压缩机，表1列出了常见制冷剂每冷吨冷量需要多少制冷剂流量m3/h 。R134a需要大约1.45 m3/h/kW，而R123需要大约8.97m3/h/kW，R134a的密度较高。 对于离心式压缩机设计的一个关键参数是制冷剂气体进入叶轮的速度，其速度要低于1马赫，通常进气速度的极限在大约
10、0.9马赫。以一台1000冷吨的冷水机组为例来比较使用离心机常用的制冷剂冷水机组。,2. 离心式压缩机原理与特性,表2：压缩机设计参数,2. 离心式压缩机原理与特性,表2的数据决定了压缩机的几何尺寸。制冷剂为R123的压缩机通常使用直联式电机，在60Hz时，压缩机转速为3550rpm。直联式的优势在于不需要变速箱，然而，在不使用变频装置(VFD)的情况下不能调整叶尖速度，注意要达到适当的叶尖速度，叶轮直径需要1031mm。 使用R134a或R22的压缩机通常需要一个变速箱。小压缩机(130mm直径的叶轮)，转速可达到30,000rpm。 使用R123的大直径叶轮，为了减小叶轮直径，通常的解决方
11、法是使用两级或三级压缩。,2. 离心式压缩机原理与特性,图11是一个典型的两级压缩的压缩机剖视图，为了提高压缩机效率，两级压缩中常使用制冷剂经济器；,图11 两级压缩机的剖视图,2. 离心式压缩机原理与特性,图12 显示了带经济器的两级压缩机的压-焓图。,图12 两级压缩P-h图,2. 离心式压缩机原理与特性,图13 离心压缩机流量-压头曲线,典型的压缩机曲线与离心风机曲线类似。 设计点D：在该工况点压缩机效率最高，偏离此点越远，效率下降越多； 喘振点S：在该工况点气体获得的能量头最大，流量减小时，将进入不稳定运行状态。 最大流量点E：最大冷量点，叶轮出口处发生堵塞。,2.2 离心式压缩机特性
12、,特性曲线,2. 离心式压缩机原理与特性,图14 离心压缩机特性曲线,图14 显示了典型的压缩机曲线。,喘振区,运行区,堵塞区,喘振线：不同转速下S点组成； 堵塞线：不同转速下E点组成； 喘振区：喘振线以左区域，压缩机在该区域发生喘振，不能运行； 堵塞区：堵塞线以右区域，压缩机流量达到最大； 运行区：压缩机正常运行区域，分高效率区域低效率区。,2. 离心式压缩机原理与特性,回到球和绳子的例子，若球被释放到站在二楼阳台的人那里，但不能到达而停了下来，这时就发生了失速。事实上，通过压缩机的制冷剂不再移动是达不到制冷效果的，更糟糕的是所有的轴功率在压缩机中转化成热导致压缩机损坏。 当球开始落向在地面
13、上的人那里时就发生了喘振。在这个过程中，制冷剂每几秒钟就流回压缩机叶轮，等压力建立起来后又向前移动，这比失速更危险，因为这颠倒了压缩机轴上的推力轴承的负载。 经过适当选型的冷水机组在设计工况下不会出现喘振。运行工况发生改变时需要的提升力增加，特别是在部分负荷时机组可能出现喘振。提高冷却塔供水温度或降低冷冻水供水温度而超过设计点都会导致喘振,失速与喘振,2. 离心式压缩机原理与特性,提高设计压比，拓展压缩机小负荷范围，可能会降低效率； 通过控制，使机组运行在运行区内，可能造成压缩机能力下调幅度小，小负荷时造成机组频繁开停机；,必须对压缩机喘振采取措施。,通过检测压缩机排气压力或者电流的周期性变化
14、，判断机组是否发生喘振，在发生喘振时及时停机保号。,预防措施：,保护措施：,2. 离心式压缩机原理与特性,工况变化对压缩机性能影响,蒸发温度愈低，制冷量下降愈剧烈 当冷凝温度高于设计值时，离心式制冷压缩机的制冷量将急剧下降 随转速的降低能量头急剧下降，因而制冷量也将急剧下降,图15 特性曲线随工况变化,蒸发温度变化,2、离心式压缩机原理与特性,图16：离心压缩机与活塞压缩机工况变化时，性能变化对比,离心式压缩机受蒸发温度的影响程度比活塞式压缩机大； 当冷凝温度低于设计温度时，冷凝温度对离心式压缩机制冷量影响较小；当冷凝温度高于设计温度时，离心式压缩机制冷量随冷凝温度的升高急剧下降。 蒸发温度和
15、冷凝温度一定时，离心式压缩机制冷量与叶轮外缘圆周速度平方成正比，活塞式制冷压缩机制冷量与转速成正比；,冷凝温度变化,转速变化,2、离心式压缩机原理与特性,离心式制冷机组的能量调节，决定于用户热负荷大小的改变。一般情况下，当制冷量改变时，要求保持从蒸发器流出的载冷剂温度为常数（这是由用户给定的），而这时的冷凝温度是变化的。 离心式制冷压缩机制冷量的调节方法很多，主要有以下三种：,2.3 离心式压缩机能量调节,2、离心式压缩机原理与特性,压缩机进气节流调节,在蒸发器和压缩机的连接管路上安装一节流阀，通过改变节流阀的开度，使气流通过节流阀时产生压力损失，从而改变压缩机的特性曲线，达到调节制冷量的目的
16、。这种调节方法简单，但压力损失大，不经济。,采用可调节进口导流叶片调节,在叶轮进口前装有可转动的进口导流叶片，导流叶片转动时，进入叶轮的气流产生预定方向的旋绕，即进口气流产生所谓的预旋。利用进气预旋，在转速不变的情况下改变压缩机的特性曲线，从而实现机组能量的调节。通常，采用叶轮入口导流叶片与叶轮出口扩压器宽度调节相结合的双重调节,2、离心式压缩机原理与特性,改变压缩机转速调节,以汽轮机或可变转速电机驱动，改变压缩机转速进行调节，这种条件方法最经济。 每个压缩机转速n （n1n2n3）有不同的温度曲线工作点将随之改变，从而达到调节机组能量的目的。,图17 改变转速的能量调节,2、离心式压缩机原理与特性,通常情况下，变频离心机冷量调节都采用与进口导叶联合调节的方式。,图18 变转速与进口导叶联合调节,A- B定频电机控制轨迹，电机转速不变； A - B 变速时，导叶全开，电机转速降低； B -
