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1、冷水机组原理Prepared by:Carrier University1冷水机组原理第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率第二部分：提高制冷效率的途径降低压升第三部分：提高制冷效率的途径节能部件第四部分：压缩机的类型第五部分：负荷控制第六部分：部分负荷运行特性Prepared by:Carrier University2冷水机组基本原理下图是一个典型的冷水机组运用冷却塔运行的系统图。机组由以下七个基本部件组成：1蒸发器2压缩机3冷凝器4节流装置5润滑油系统6控制中心7辅助设备辅助设备包括电机启动器、油分离器、油冷却器、储油器、经济器等等。这些可能是机组的一部分也可以在现场增加。机组可以工厂
2、整装的，也可以现场拼装。循环水泵使冷冻水在蒸发器中循环，将温度由54F降至44F并送至建筑负荷。在制冷循环中，机组的作功（压缩热）加上蒸发器中吸收的热量一起从冷凝器中排走。冷却水泵使水从冷凝器中带走热量，并由冷却塔将热量释放。在设计条件下，进入冷凝器的水温85F，出水温95F。冷却塔释放热量给大气将水温由95F降到85F。现在让我们看机组是如何分类的。Prepared by:Carrier University3基本的冷水机组商用冷水机组类型风冷或水冷往复式，螺杆式，离心式或吸收式Prepared by:Carrier University4冷水机组分类机组可以按排热方式分类，也可以按提高制冷
3、剂温度的方法分类：按排热方式分类： 机组可以有风冷和水冷的冷凝器，它们称为风冷机组和水冷机组。按提高制冷剂温度的方法分类： 可以通过机械压缩或化学反应来提高制冷剂温度温度。压缩方法包括： 1往复式压缩机 2螺杆式压缩机 3离心式压缩机吸收机组是用水做制冷剂的机组。盐类和水蒸气被用以吸收冷负荷并由冷却塔释放热量。各种型号的机组的大致容量如下： 风冷 可达250冷吨 水冷 可达8500冷吨 往复式 可达100冷吨 螺杆式 25到1100冷吨 离心式 200到10000冷吨 吸收式 3到1500冷吨理解机组运行的关键是理解制冷循环。我们来看看循环中工质在各设备中的变化。Prepared by:Car
4、rier University5冷水机组分类按排热方式分按排热方式分： 风冷机组 用风做冷媒与冷凝器换热，将热量带入大气 水冷机组 用水和冷却塔将热量带入大气按提高制冷剂温度的方法分按提高制冷剂温度的方法分： 机械压缩 往复式机组 螺杆式机组 离心式机组 化学方法 吸收式机组 最大250冷吨 最大10,000冷吨 最大100冷吨 25到1100冷吨 70到10,000冷吨 3到1500冷吨 Prepared by:Carrier University6冷水机组的基本循环制冷循环如下图，工质的PH图是理解机械制冷循环的一个有用工具。基本循环告诉我们能量在机组及其辅助设备中是如何变化的。这个循环还
5、可以用于确定蒸发器和冷凝器的水流量。这是对第一周的商务系统设计课程的一个简要的回顾，现在没必要再详细地讲了。要知道更多的细节，可参阅课程CSD401。我们从液体工质离开冷凝器（D点）开始循环。液体经过膨胀阀进入蒸发器，经过膨胀阀时部分液体变成了气体（闪蒸气）。闪蒸气体冷却了剩余液体最后混合进入蒸发器（E点）。这是一个等焓过程。在蒸发器中，工质吸收来自冷冻水的热量，将其从54F冷却到44F。在E到A的过程中液体完全蒸发，在A到B的过程中过热，至此，冷负荷都被工质吸收了。这是在约34F的饱和蒸发温度（SET）下进行的。气态工质现在从B进入压缩机。压缩机作功提高工质的压力和温度。这个功叫做压缩热（H
6、.C.），从PH图上看到这个过程增加了工质的焓值。过热的蒸汽在C离开压缩机。过热蒸汽由C进入冷凝器，在那里与从冷却塔来的冷却水接触。工质将热量传给冷却水使水温由85F升至95F。在这个过程中工质先降低过热度，再冷凝由C返回D 。这样，冷凝器将冷负荷和压缩机加入的额外热量释放给冷却塔。压缩机效率越高，释放的热量就越少。现在，我们举例看看如何计算冷凝器和蒸发器的水流量。Prepared by:Carrier University7冷水机组基本循环液体离开冷凝器（D）等焓节流至（E）。制冷剂吸热而蒸发（E到A），过热至（B）。压缩机提升其温度和压力（B到C）压缩热冷凝热=（冷负荷+压缩热）制冷剂将冷
7、凝热传给冷却塔，降低过冷热度，再冷凝到（D）。Prepared by:Carrier University8确定水的流量如果流过的液体是盐水，那么方程要改变比热和比重： Tons=(GPM X Rise X比热比热X比重比重)/24在冷凝器中，压缩机所带来的热量也要加到冷负荷的GPM中去。一般认为这里的冷负荷平均会增加20%，冷凝器所释放的热量变为（12000 X 1.20）=14400Btuh。方程将变为： Tons X 14400Btuh =500 X GPM X Drop Tons X 28.8=GPM X Drop 冷凝器冷凝器GPM=(28.8 X Tons)/Drop注意：老式的机
8、组没有那么好的效率，一般认为冷负荷经压缩机将有25%的增加。这种情况下方程变为： 蒸发器GPM=（24 X1.25） X Tons/Drop =(30 X Tons)/Drop因此，冷凝器的GPM随压缩机的效率变化而变化。例题：100冷吨、10F温升的蒸发器、10F降温的冷却塔的机组需要多少水量？冷冻水 GPM=（24 X tons）/Rise =（24 X 100）/10 =240GPM冷凝水 GPM=（28.8 X tons）/ Drop =（28.8 X 100）/10 =288GPM数据24和28.8的由来：机组冷量以冷吨来计算。根据定义，一个冷吨是24小时内制一吨冰所需的冷量。1to
9、n=（2000 lbs X 144Btu/lb）/24hrs 1ton=12000Btu/h传入传出水的热量如下计算： 热量Btuh =500 X GPM X Rise 由于1ton=12000Btu/h Tons X 12000Btu/h =500 X GPM X Rise Tons (12000/500)=GPM X Rise Tons X 24=GPM X Rise Tons =(GPM X Rise)/24 GPM=(24 X Tons)/RisePrepared by:Carrier University9确定水的流量冷水机组用冷吨（tons）来评价（冷负荷）冷冻水量 1 ton =
10、12,000 Btu/h tons x 12,000 =500 x 冷冻水量 x 温升 冷冻水量=（24 x tons）/ 温升压缩机产生20%的热量 tons x 12,000 x 1.2 =500 X 冷却水量 x 温降 冷却水量 =（28.8 x tons）/温降例： 100ton的机组10F的冷冻水温升和10F的冷却水温降 冷冻水流量 =（24 x 100）/10 =240 GPM 冷却水流量 =（28.8 x 100）/10 =288 GPM旧的低效机组（25%压缩产热） 冷却水流量 =（30 x 100）/10 =300 GPM Prepared by:Carrier Univer
11、sity10冷水机组原理第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率第二部分：提高制冷效率的途径降低压升第三部分：提高制冷效率的途径节能部件第四部分：压缩机的类型第五部分：负荷控制第六部分：部分负荷运行特性Prepared by:Carrier University11冷水机组的能耗和尺寸制冷循环中压缩机消耗能量，机组的尺寸是下面三项的函数： 1通过压缩机的工质的质量流量； 2压缩机中的压力升高“Lift”（PcPb）。这与压缩机的压缩比有关； 3压缩机的实际效率。在当今的市场中，能源选用和消耗是选购机组前要重点考虑的。廉价能源的时代已经过去了。小型设备在建筑成本上升价后又被重视。因此，对上面三项
12、做改进的任何设备都可以节能和减小机组尺寸。我们来看厂商常用的措施。我们将从降低压缩机压升开始。Prepared by:Carrier University12冷水机组的能耗和尺寸压缩机所消耗的能量是3个因素的函数： 制冷剂在压缩机中的质量流量，lb/min（R.E.） 压缩机带来的压力增加（Pc Pb） 压缩效率（压缩热）任何改善上述3项的设备都会降低冷水机组的能耗和尺寸我们先看降低压缩机的压升“lift”制冷效果（R.E.）压缩产热（H.C.） （压缩机效率）压力增加（Pc - Pb）Prepared by:Carrier University13降低冷水机组的压升压缩机压升：压升指压缩机将
13、工质的压力提高。压升的概念就像供水的水压头一样。压缩机压升可以通过以下两种方式降低；1提高饱和蒸发温度（SET）2降低饱和冷凝温度（SCT）机组的生产商运用机械措施和复杂的控制系统从两方面改进。现在看饱和蒸发温度（SET）提高时的能耗变化。Prepared by:Carrier University14降低冷水机组的压升降低压升的方法： 提高饱和蒸发温度（SET） 降低饱和冷凝温度（SCT）我们先看提高饱和蒸发温度（SET）Prepared by:Carrier University15提高饱和蒸发温度提高饱和蒸发温度的潜力与制造商提供的可选择性及设计者选择的可行方案直接相关。所有的方法与理解
14、热交换过程相关。我们将先详细了解基本的蒸发器热交换过程，然后再了解那些因素会影响热交换过程。Prepared by:Carrier University16提高饱和蒸发温度制造商选项和应用选择制造商选项和应用选择通过以下方法来进行通过以下方法来进行: 增加传热系数U 降低水膜热阻 降低水侧污垢热阻 降低金属层热阻 降低制冷剂膜热阻 增加热交换面积”A 增加单位长度的翅片数 增加给定的热交换器中的管数 增大热交换器的断面 增加热交换器的长度让我们看着每一项的影响让我们看着每一项的影响Prepared by:Carrier University17蒸发器的基本类型蒸发器可分成两种基本结构类型：满液
15、式：水沿水管内流动，制冷剂以“浸没”的方式包围水管。制冷剂吸收通过水管的水的热量并且在管外沸腾。通常来说，15PSI或者35ft.的水压降被认为太高了。水流速达到12ft/秒就可以导致压降超过40ft. 。因此，8到10ft/秒的速度通常被采用。 离心式冷水机组采用满液式设计。干式：制冷剂沿管内流动。管束穿过一些通常由聚丙烯制成的内部隔板。隔板引导水进入而且当水从一端流到另一端时使水上上下下通过管子。这提供了最佳的热交换形式。水流速度及压降与隔板间距有关。通常来说， 15PSI或者35ft.的压降被认为太高了。水流速达到3ft/秒就可导致压降为40ft. 。因此，1.5到2.5ft/秒的速度通
16、常被采用。往复式和螺旋式冷水机组都采用这种方案。往复式和螺旋式压缩机用泵抽取含较多润滑油的制冷剂。干式蒸发器允许油和制冷剂一起通过管子内部到一个它能被分离并返回油泵的地方。满液式蒸发器的油分离是很大的很复杂的设计问题。无论那种类型，铜管的每一端被扩大，在蒸发器的两端对制冷剂和水实现密封隔离。制造商也提供内螺纹管强化热交换。管子可以从蒸发器的任何一端换下而且可以从顶端来进行管子的检查。两种蒸发器类型的外观见下图。法兰连接的水进、出口在管壳的顶端。系统冷冻水管将和法兰连接。蒸发器所有外表面用0.75英寸的闭孔保温层和隔汽层覆盖，以防止在潮湿的环境条件下结露。Prepared by:Carrier
17、University18蒸发器的基本类型二种类型 满液式 干式 满液式 水在管道内流动 制冷剂浸没管道 使用于离心式机组干式 制冷剂在管道内流动 水在管外流动 回油性能好 用于: 往复式机组 螺杆式机组 Prepared by:Carrier University19基本的蒸发器传热 其中：Q=总换热量（Btu/h） U=传热系数 Btu/（h.sq.ft.F） A=热交换面积（sq.ft.） MTD=流体和制冷剂间的对数平均温差 MTD可以表示为： MTD=Q/（A*U）这样，对蒸发器来说，饱和制冷剂温度 （SET）在MTD确定后可以计算出来。显然，对一个给定的蒸发负荷（Q）来说如果MTD减
18、少（SET）将会升高。这样，为了减少MTD，无论通过产品的应用或设计，冷水机组必须增加热交换面积（A）或增加传热系数（U）。我们来看看增加的传热系数（U）。可以看到在热交换过程中有两种基本的热量平衡。它们是：1 通过管子的流体释放的热量。2 从管中的流体到管壳中的制冷剂的总换热量。总换热量 在定压过程中加给或从制冷剂中提取热量导致制冷剂的状态变化。使蒸发器内制冷剂状态从液体到蒸气的热量称为“汽化潜热”。在蒸发器中，蒸发在恒温（SET）下进行。SET是饱和蒸发温度。热交换速率直接和进水温度差及出水温度差有关。冷凝器和蒸发器中流体和 制 冷 剂 间 总 换 热 量 都 可 以 表 达 为 ：Q=U
19、*A*MTDPrepared by:Carrier University20基本的蒸发器传热冷冻水在蒸发器的流动 进入时温度为T1 (约54F) 流出时温度为T2 (约44F)蒸发器中制冷剂在饱和蒸发温度时沸腾(约34F)热量由水传向制冷剂Q=U X A X MTD MTD=对数平均温差 U=传热系数 A=蒸发器面积饱和蒸发温度随着MTD的减少而升高 “U”或“A”必须增加 Prepared by:Carrier University21增加“U”管子中流体和制冷剂之间的温度差（MTD）是克服传热阻力进行热交换的推动力。传热阻力由四部分组成，它们都和传热系数（U）有关。这四种阻力是：1 水膜热
20、阻，它取决于流体通过热交换器的流态和速度。我们将假设。2 流体污垢热阻，它取决于通过管子的流体的质量。3 管壁金属热阻，它取决于材料的类型和管子的表面结构。4 制冷剂膜热阻，它来自制造商的测试数据，是热交换器设计、使用的制冷剂和管表面几何特性的函数。前三项阻力是变化的，约占全部阻力的7580%。这三项阻力由应用或选择热交换器来控制。下文来描述这些变化对（SET）的影响。Prepared by:Carrier University22增加“U”热流经过四项阻力要素 水膜 水中杂质 (“污垢) 金属 (铜管壁) 制冷剂膜前三者占总量的 75% 到 80% 在应用或设计冷水机组时它们可以被控制减小这
21、四项热阻中的任何一个都可以增加 “U” ，降低 对数平均温差和提高饱和蒸发温度我们逐项研究 Prepared by:Carrier University23水膜热阻对高流速的限制基于合理的压降并使可能的管路腐蚀减到最低。为造成腐蚀，某种作用因子必须穿透流体边界层。导致管路损坏的作用因子可以是化学的、机械的、或两者皆有。化学因子扩散通过流体薄膜作用到管子。机械作用因子是气泡或悬浮粒子撞击管壁。开利研究部门的测试表明流体本身的速度并不损坏管子甚至流速达到24FPS 。当然，如果流体携带有害因子，提高流速就会加大损害。另一方面，压降以速度的平方增加。速度越高，泵能耗越高。设计速度的选择应该包括经济性
22、的评估。传热系数与速度的0.8次幂成正比，大的流速可以导致更小的设备初投资少。但是这必须与高速度下的泵能耗增加相平衡。流过管子的流体形成一层静态的薄膜或边界层，在管壁处有零速度。薄膜类似于绝缘体而阻碍来自管壁的热流。速度越低，薄膜越厚，热阻也就越高。和10英尺/秒的速度相比，4英尺/秒的流速增加了水膜热阻，从总热阻的37%增到55%。同时，因为总热阻增加了，为了以低于4FPS的速度传送同样的热量，MTD将不得不升高且SET下降。对给定的热交换器来说，管路速度通常可以由制造商的产品目录或计算程序得到。在应用热交换器时，管速通常应该保持在3到12FPS之间。速度低于3FPS导致层流（厚的边界层），
23、水膜热阻（RW）急剧增加。Prepared by:Carrier University24水膜热阻水膜热阻随着水流速的增加而减少 小于 3 fps: 层流 Rw迅速增加 大于 12 fps 腐蚀问题 范围(3 fps速度 旧的RE1在蒸发器中,单位质量的制冷剂吸收更多热量更少的制冷剂用来循环15F的过冷度是常用和经济的Prepared by:Carrier University57典型过冷器从机械结构看，过冷器位于冷凝器的底部。在水冷冷凝器中，一道隔板将冷凝器的底部隔开，隔板下的小管束就是过冷器管束。压缩机来的制冷剂气体从顶端进入冷凝器。通过冷凝器的水将气体冷却为饱和液体。饱和液态制冷剂降到隔
24、板上并因重力沿着隔板的小孔流到过冷器里。制冷剂然后以迂回逆流方式沿过冷器流动。从冷却塔中来的最冷的水先送入过冷器，并且将液态制冷剂冷却到它的饱和温度下是水过冷了制冷剂。过冷的液态制冷剂然后被送到蒸发器的底部。过冷提高了流过蒸发器的单位制冷剂的制冷效果。风冷冷凝器的过冷器是非常相似的。制冷剂气体进入风冷冷凝器几个环路中的顶部管子，并且以迂回的方式朝底部管路流动时被冷凝。底部每根管的最后段充满了液态制冷剂，并且被通过管子的空气冷却到饱和状态下。过冷器的全部作用是：对每度过冷度，可将循环效率提高大约7%12%。还有一种与过冷器作用相同的装置 闪发器。我们来看看这种装置是如何工作的。Prepared
25、by:Carrier University58进水进水出水出水过冷部分过冷部分冷凝部分冷凝部分来自压缩来自压缩机的气体机的气体通向蒸发器通向蒸发器的过冷液体的过冷液体隔板隔板隔板将冷凝器底部隔开 制冷剂气体在冷凝器的上部冷凝 液体流入隔板下面的过冷器 最冷的水先进入过冷器，将制冷剂液体过冷至饱和冷凝温度以下典型的过冷器Prepared by:Carrier University59闪 发 器开利开发了一种不同于过冷器，但是功能与过冷器相同的设备，叫闪发器。如下图所示，闪发器的下部有两个小孔。其工作过程如下：从压缩机来的制冷剂进入冷凝器，与冷凝器中冷水接触被冷凝至状态点（1）。积聚于底部的饱和制
26、冷剂状态点为（2）。进入闪发器孔口的饱和制冷剂状态点为（3）。当制冷剂通过闪发器的小孔时，由于压力下降，部分制冷剂又变为气体（4，闪蒸汽）。其余的液态制冷剂被冷却，焓值低于状态点（2）。冷水经过冷凝器水管（5）将闪蒸汽冷凝至点（6），所有制冷剂在状态点（6）都为饱和液态，但是在低压下饱和。此时焓值比（2）点要低。浮阀维持着闪发器内的液位并向蒸发器供液。当压力降低时，制冷剂再次闪发。闪蒸气与液体同时进入蒸发器（8）。闪发器可以提高约7%的制冷效率，与过冷器的基本相同。这样，制冷效果提高了。闪发器的作用与过冷器相同，但是占用冷凝器的体积比传统的过冷器更小，也使冷凝器的费用比采用过冷器的小。Prep
27、ared by:Carrier University6023467Saturated Liquid to Evap.81Water Into Condenser5Vapor From CompressorWater Out Of Condenser闪 发 器(1) 蒸汽 (5) 冷却水使闪蒸气冷凝(2)饱和液体（SCT） (6)低压下的饱和液体(3)液体进入闪发孔口 (7) 浮阀保持闪发器内液位(3)闪发膨胀过程 (8) 在比(2)低的焓值下进入蒸发器(4) 少量液体蒸发 RE增加 Prepared by:Carrier University61闪发饱和循环可以在下页的压焓图中表示采用闪发器的
28、效果。接下来我们再看另一个提高制冷效果的设备经济器。Prepared by:Carrier University62闪发饱和循环Enthalpyh像过冷器一样运行 (1) 制冷剂蒸汽冷凝 (2) 在105F时的饱和液体 (3) 液体进入闪蒸孔口 (4)闪发器中的液体(2)膨胀到 (4) 在闪发器中产生闪蒸气 (6)冷却水通过闪发器的管子把闪蒸 气冷凝至饱和 (8) 液体膨胀进入蒸发器 (6到8)RE增加 Prepared by:Carrier University63经济器：增加 RE许多制冷却设备不止使用一级压缩。这样，我们可以使用经济器来提高循环效率。在这个循环中，离开冷凝器的液态制冷剂（
29、6）在进入蒸发器之前经过两个减压装置。在通过第一个减压装置后(2) ，一些制冷剂液体由于压力的突然降低而汽化，然后被抽入第二级压缩的进口（4）。这样，在中间压力下气化的闪蒸气体通过第二级压缩循环，减少了第一级压缩的流量，因此，马力由第一级压缩控制。余下的液体由闪蒸气冷却至饱和状态（7）。余下的饱和液体经第二个节流装置进入蒸发器。让我们看一下PH图来研究经济器的作用制冷剂效果提高810Prepared by:Carrier University64经济器：增加 RE饱和液体 (6)离开冷凝器制冷液流过第一个节流装置 压力降低在(2)处产生闪蒸汽闪蒸汽进入第二级压缩(4)的中间接口剩余液体(7)冷
30、却后进入蒸发器制冷效果提高8%到10 6472EvaporatorCondenser需要两级Prepared by:Carrier University65经济器循环：提高RE 下页的 PH图表示了由于在基本循环中附加了经济器提高了制冷效果。其净效应是提高了循环的COP值约810，任何多级压缩机都可验证此结果。Prepared by:Carrier University66经济器循环：提高RE饱和液体离开冷凝器 (6)制冷液首先通过节流装置 压力降低产生闪蒸气(4)闪蒸气进入第二级压 缩机(3)剩余的液体(7)被冷却至饱和并通过蒸发器制冷效果提高8%至10Prepared by:Carrier
31、 University67冷水机组原理第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率第二部分：提高制冷效率的途径降低压升第三部分：提高制冷效率的途径节能部件第四部分：压缩机的类型第五部分：负荷控制第六部分：部分负荷运行特性Prepared by:Carrier University68压缩机效率现在我们来讨论影响制冷机能耗和尺寸的三个因素中的最后一个压缩机效率。制冷循环的压缩功率和最终的机组尺寸是下列三个因素的函数：1 制冷剂流量2 通过压缩机的压力升高（Pc Pb）。压缩比或压升。3 压缩机的实际效率。在如今的市场上，能源的费用和可行性已经成为购买冷水机组的重要考虑因素。廉价能源的时期已经过去了。
32、也需要小型设备来适应不断增长的建筑费用。因此，任何设备或方法，只要它能提高压缩机效率，就能降低能耗，缩小机组尺寸。让我们看一些制造商用来使设备变得更小和更有效的常用方法。我们将从降低压缩机的压升开始。Prepared by:Carrier University69压缩机效率制冷效果(R.E.)压缩热(H.C.) (压缩机的效率)压升 (Pc Pb)压缩机能耗分为三项： 通过压缩机的制冷剂流量lb/ min(R.E.) 压缩机的压升lift(Pc Pb) 压缩机效率(压缩热) 改善上述三项能耗的任何方案都能使冷水机组能耗和(或)尺寸降低我们来看压缩机效率Prepared by:Carrier U
33、niversity70压缩机效率显然，压缩机的机械设计是影响它效率的一个主要因素。公差、摩擦、材料等都必须准确地设计。当然，进入压缩机的制冷剂情况也影响压缩机的效率，这是由与压缩机设计参数无关的外部设备决定的。所有的压缩机被设计成压缩气态而非液态制冷剂。为了保证气态而非液态的制冷剂到达压缩机进口，一般热力膨胀阀被用于固定排量的压缩机。依靠其机械控制，可以保证有15F的过热度。从下面的PH图可以看到，增加过热度会使制冷剂气体的比容（ft3/磅）增加。这意味着每一磅的制冷剂占据了更多的空间。由于压缩机压缩制冷剂的体积，在过热度很大时通过压缩机的制冷剂会稀薄一些，压缩机的制冷剂质量流量（磅/秒）会降
34、低。很明显，当过热度增加时，压缩循环效率会降低。现代电子技术带来了解决办法。开利已经设计了电子膨胀阀，它可以提供非常精细的制冷剂流量控制。配合传感器和微处理器，可以保持更准确的过热度控制。制冷设备现在运行的过热度不是原来的15F而是5F，并且没有牺牲设备的安全性。现在让我们把注意力转向冷冻设备中使用的压缩机。那一种用于商业？容量范围多大？为什么要用这一种而不用另一种? 接下来我们会讨论这些问题。Prepared by:Carrier University71PH Diagram for r22As superheat increases, refrigerant specific volume
35、 entering the compressor increasesRefrigerant mass flow through compressor decreasesEfficiency dropsEXV reduces needed superheatfrom 10 F to 5 F压焓图R22Prepared by:Carrier University72压缩机类型市场上的冷水机组有以下几种类型： 1活塞式冷水机组 2螺杆式冷水机组 3离心式冷水机组压缩机的类型决定了它的容量范围和运行方式。后面的内容会比较它们的差别，缩小范围以帮助我们正确选择。Prepared by:Carrier U
36、niversity73压缩机类型 在商用冷水机组中使用到的四种压缩机类型 涡旋式 往复式 螺杆式 离心式它们有多大的制冷量范围？Prepared by:Carrier University74制冷量范围如下所示，冷水机组的单机容量范围是15至10000冷吨。活塞式冷水机组的容量范围是15至100冷吨。螺杆式冷水机组的容量大约是75至750冷吨。离心式冷水机组的容量大约是100至10000冷吨。为了进行比较。我们来看不同压缩机的性能。Prepared by:Carrier University7510,000400110015Centrifugal ChillerCompressor Types
37、Screw ChillerReciprocating ChillerScroll60制冷量范围涡旋式冷水机组： 2到60冷吨往复式冷水机组： 15到100冷吨螺杆式冷水机组： 75到750冷吨离心式冷水机组： 100到10000冷吨Prepared by:Carrier University76涡旋式Prepared by:Carrier University77涡旋式Prepared by:Carrier University79实际运行Prepared by:Carrier University81往 复 式往复式压缩机是一种最老式压缩机。它利用活塞在汽缸中的上下运动来吸进、压缩并排出制冷
38、剂到冷凝器中。因为它处理固定体积的制冷剂气体，因此称为固定排量设备。由于是固定排量，有较高的压缩比。在部分负荷时，它仍可稳定运行。这种特性使之可以用在风冷设备中。由于压缩制冷剂的容量有限，往复式机组的容量较小。可以用8个压缩机组成两个制冷循环来获得较大的冷量。但是目前市场上多用4个压缩机。Prepared by:Carrier University82往 复 式活塞 吸进一定量的气体并且压缩良好的高压缩比用多个压缩机来增加冷水机组的容量对小容量情况很好，有高的压缩比Prepared by:Carrier University83离 心 式在低压缩比时需要较大的冷量，离心式机组可以满足这种要求。
39、离心压缩机的旋转特性使之能在低压缩比的情况下提供大冷量。它不是固定排量设备。通过旋转叶轮提供离心动力，使制冷剂经过扩压器内的小通道，压力升高，达到压缩的效果。由于叶轮的高速旋转，可以在短时间内压缩大量的制冷剂气体。离心叶轮的最高转速可以达到100000RPM。活塞式机组由于活塞的往复运动，不能达到很高的速度。因此它处理的制冷剂的量也没有离心式机组的大。由于不是固定排量设备，当压缩比升高时，特别是在部分负荷下进入扩散器的气体流量下降时，流动可能会被破坏。因此，鉴于离心压缩机的旋转特性，此类机组适用于低压缩比时的大冷量需求。Prepared by:Carrier University84离 心 式
40、气体进入旋转叶轮的进口叶轮给气体离心力气体流入并在扩散器处汇聚（受压）扩散器将气体送至冷凝器在低压缩比下处理大容量Prepared by:Carrier University85螺 杆 式活塞式适合处理高压缩比时的小冷量情况，离心压缩机的旋转特性使之能在低压缩比的情况下提供大冷量。是否有机组能够结合活塞式的固定排量特性与离心式的大容量特点？螺杆式压缩机可以满足这种需要。类似活塞式，螺杆式压缩机也是固定排量的。转子的尺寸与重量使之不能在活塞式为主流的小容量范围经济地运行。它可以用于较大的冷量，从每个转子为5075RT起。旋转的特性使之可比活塞式有更高的转速，因此冷量更大。但是当考虑压缩机尺寸与转
41、速时，提供固定排量特性的螺杆又成为制约因素。转子的质量及其接触面的摩檫不允许螺杆处理象离心式机组那样大的容量。螺杆式机组的上限是约750RT，有一家可以做到1100RT。但是一般超过1100RT的容量适合离心式机组。Prepared by:Carrier University86螺 杆 式气体被抽入吸入腔（A）转子旋转并减小腔体积（B）小量被压缩气体排出（C）特征：固定排量在高压缩比时中等容量Prepared by:Carrier University87冷水机组原理第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率第二部分：提高制冷效率的途径降低压升第三部分：提高制冷效率的途径节能部件第四部分：压缩机
42、的类型第五部分：负荷控制第六部分：部分负荷运行特性Prepared by:Carrier University88压缩机的应用需要小容量设备吗？ 往复式冷水机组可以是你的选择 水冷或风冷需要大容量的风冷式吗？ 螺杆式冷水机组是最好的选择需要中等容量的水冷式吗？ 同样，螺杆式冷水机组是最好的选择 需要大容量的水冷式吗? 离心式的是一个很好的选择如果有多个选择怎么办？ 考虑满负荷和部分负荷时的性价比 Prepared by:Carrier University89容 量 控 制冷水机组的任务是提供冷冻水以供建筑中的空调系统使用。一般冷冻水的温度为44F或45F，温升为10F到12F。温度传感器安装
43、在机组的出水管上。机组的控制系统监控温度。控制器使压缩机加载或卸载，使机组容量和室内负荷匹配。容量控制能力取决于压缩机的类型和卸载功能。我们可以在下几页看到结果。Prepared by:Carrier University90容 量 控 制所有冷水机组的目的相同 产生冷冻水（标准44F或45F）监控冷冻水出水温度冷水机组的卸载控制，以满足建筑负荷的需要 根据不同的压缩机选择不同的方法我们会就每一种类型展开讨论 Prepared by:Carrier University91往复式机组的卸载器对于单压缩机头的冷水机组，机组可有4个或6个工作汽缸。设机组有6个汽缸，就可有三个容量控制阶段100，6
44、7，33。因为封闭式压缩机的电动机是用制冷剂冷却的，压缩机不停就不能100卸栽。封闭式压缩机维持足够的电动机冷却的最小卸载大约为25。当载荷减少时，出水温度会降低。这是由于设备容量超过了负荷。控制系统感测温度降低后，通过启停压缩机来维持出水温度在一个预设的范围内。范围越小，负荷越低，压缩机启停越频繁。由于一年中的大部分时间是在50的部分负荷下运行，这种类型的机器会有大量的“开关”循环。较好的方案是使大容量压缩机在线而不是停机。频繁的启停造成了压缩机磨损，缩短了设备寿命。汽缸卸载器因此被用于减少压缩机容量而不关停压缩机。电力卸载器（与吸气压力卸载器不同）被用于往复式冷水机组，因为卸载阶段控制与机
45、组的电力及电子控制系统很好地一体化了。Prepared by:Carrier University92往复式机组的卸载器 吸气截断型 活塞堵死汽缸的吸气口 没有压缩吸气旁通型 活塞打开汽缸从排气到吸气的通路 无效压缩 Prepared by:Carrier University93多台压缩机同样，通过热力膨胀 阀TXV的液体流量也会减少到低于阀稳定性的最小点，这样就会引起阀的不稳定运行和失去过热度控制。当这种情况发生时，液态制冷剂有可能到达压缩机进口。 双制冷剂循环系统 为了防止制冷剂速度过低、减小TXV负载，蒸发器分为两个独立的制冷剂循环。机组中的每个循环系统包括压缩机、各自的冷凝器、TXV
46、阀、干燥过滤器、视液镜、电磁阀等。在低负载时（3040）制冷剂循环系统中的一个停运，因而提高了蒸发器中的制冷剂流速和相应的TXV的负载，确保正常的返油和TXV运行。多个压缩机当冷水机组的额定容量增加时时，压缩机容量也必须增加。这可以由一个带有更多的汽缸的单个压缩机完成，也可以用多个6汽缸的压缩机完成。先进的往复式冷水机组正在朝多压缩机方向发展，这是因为机器的容量备用能力和较低的制造成本。后面我们会进一步介绍备用能力。如果机组配备了4个压缩机，每一个压缩机都有3级容量控制，那么机组会有4443=15 不必停机的负荷级别。事实上并不需要这样灵敏的控制级别。按压缩机的数量，机组将有2到8个卸载级别。
47、让我们看压缩机8级卸载过程中，制冷剂循环系统的其他部分的情况。当压缩机卸载时，系统中制冷剂循环量减少。这也减小了通过蒸发器的制冷剂速度。当速度变得太低时，油顺利不能通过蒸发器的管子回到压缩机中。Prepared by:Carrier University94多台压缩机 另外的卸载方法 多台压缩机（最多8台，典型的4台） 每台压缩机最多有两级卸载 有两台压缩机就可有更多级的卸载两个制冷循环 在低负荷时，回油和热力膨胀阀性能好 Prepared by:Carrier University95容量控制步骤一个制冷循环系统中的压缩机数量并不限制在2台。例如，一个容量为200Ton的风冷往复式冷水机组，
48、每个循环系统有4台压缩机，总共有8台压缩机。但是，有多台压缩机的制冷循环形式也存在问题。当其中一台压缩机不运行时，其他运行中的压缩机的油会从他们的曲轴箱流向不运行的压缩机的曲轴箱。这会引起油压过低而跳闸。为防止此问题，需要曲轴箱平衡管路，它可以把各曲轴箱以并联形式连接起来，以便油流向需要的地方。下面介绍的是一个典型的4压缩机、2制冷循环的冷水机组的部分负载运行情况。机组有8个容量别级，每一制冷循环中的一台压缩机上带有汽缸卸载器。在8个卸载等级的7个等级中，两个制冷循环系统同时运行，以便充分利用蒸发器和冷凝器表面，减小压缩比。最后一个卸载等级关闭一个制冷循环。下图还表示出转换开关（Transfe
49、r Switch）的应用。转换开关的作用是确定那台压缩机先开始卸载，以使每一制冷循环系统中的设备运行时间均等。配备了DDC控制的机组，通过软件监控压缩机运行自动执行此功能。因为4压缩机的机组有2个独立的制冷循环系统，因此设备可以有50的备用容量，如果其中一个系统不能运行时。 Prepared by:Carrier University96容量控制步骤 只有一台压缩机有卸载器典型的4台压缩机和2个制冷循环八级容量调节两个制冷循环同时工作切换开关甚至在运行时回油进入停止工作的压缩机 解决方法是用曲轴箱平衡管连接 Prepared by:Carrier University97热 气 旁 通4个或更
50、少的卸载等级的机组需要有热气旁通作为控制附件。这种机组的最小容量为25，在运行季节中，有相当多的运行时间它们所承担的负荷可能会小于25。热气旁通可以使负荷低于25时压缩机仍不停机。下面要介绍的是系统如何工作。当负荷低于25，压缩机容量将超过TXV允许进入蒸发器的制冷剂流量。这样压缩机会“抽空”（pull down）蒸发器，使吸气压力降低。当机组控制系统要求低于最后一级卸载的容量 时，热气旁通阀控制线路上的电磁阀会开启。蒸发器吸气压力信号会被传送到热气旁通阀的控制元件中。预设了一个特定的吸气压力值，当吸气压力低于此值时，热气旁通阀开启，使热的压缩机排气旁通到TXV后的蒸发器进口液体管内。热气和从
51、TXV来的液态制冷剂混合，增加了流向压缩机制冷剂量。热气通向蒸发器的另一好处就是：当负荷小于25时，改善压缩机的回油。由于制冷剂流量保持稳定，蒸发器压力稳定在最小设定点，压缩机能耗也保持稳定。多于4个卸载等级的机组一般不设置热气旁通，因为更多的卸载等级可以适应实际空调运用中的最小负荷。工业运用中可能仍需要这样的设备。不管怎样，电动机的冷却问题必须重视。Prepared by:Carrier University98热 气 旁 通CondenserEvaporatorHot Gas Bypass ValveSolenoidCompr.TXV冷水机组的四级控制 25的最小容量负荷会低于25负荷低于
52、25时蒸发器压力减小控制器接通电磁阀线圈蒸发器压力作激活旁通阀高温气体进入蒸发器液体管蒸发器负荷下降 Prepared by:Carrier University99冷水机组原理第一部分：冷水机组制冷循环概述与制冷效率第二部分：提高制冷效率的途径降低压升第三部分：提高制冷效率的途径节能部件第四部分：压缩机的类型第五部分：负荷控制第六部分：部分负荷运行特性Prepared by:Carrier University100螺杆式机组的部分负荷 螺杆式压缩机卸载的情况同往复式压缩机很相似。有两种控制选择： 1）活塞卸载器 2）滑阀活塞卸载器的功能同往复式中的活塞卸载器非常相似。在螺杆式中，两个卸载器
53、中的任何一个都可以打开部分压缩行程与吸气口相通，这样，通过整个螺杆压缩行程的气体量会减少，相应地容量也会减小。一些螺杆式压缩机有滑阀。其目的是相同的允许部分压缩过的气体回到吸气口端。实际效果同活塞卸载器基本上一样，只有一点不同，滑阀可以调整更多阀位以提供更精细的部分负荷控制。Prepared by:Carrier University101螺杆式机组的部分负荷同往复式压缩机一样控制 两个卸载器 旁通的排气到吸气多台压缩机双制冷循环可选择滑阀 Prepared by:Carrier University102离心式机组的部分负荷离心式机组在压缩机的吸气口处有一套机翼形的叶片，称为进口导叶。它调节
54、进入压缩机的气流。 叶片还可以使通过的气流预旋，并且改变压缩机的特性。叶片由一系列绕有金属线的滑轮支配，马达带动金属线，叶片可同时转动。调整叶片以提供平稳而又精确的制冷剂流量控制。这样，机组的容量可适应部分负载。唯一的例外是：压缩机在部分负载时，可能会发生喘振现象。喘振现象与固定排量压缩机无关，只与离心式压缩机有关。让我们看一下喘振现象。Prepared by:Carrier University103离心式机组的部分负荷导向叶片设在压缩机进口调节进入压缩机的吸气流量叶片可以使进气预旋 改变压缩机的性能特征部分负荷调节平稳喘振可能是一个问题让我们来关注喘振 导向叶片Prepared by:Ca
55、rrier University104喘 振在压缩机维持系统高压和恒定叶轮转速工作时，进口的制冷剂流量减小到某点就会发生喘振。喘振是因叶轮流道中的流动被破坏而产生的。发生这种情况时，叶轮不能长时间维持正常的系统压力，会周期性地使部分或全部气体倒流过叶轮。这种现象伴随着使叶轮重新正常工作所需的系统压力的降低。当系统压力超过叶轮的能力时，制冷压缩循环也重新开始。这种现象的发生频率取决于压缩机和系统的特性。喘振会增加噪声，使排气压力波动。偶然的喘振问题不大，但是长时间的喘振会损坏止推轴承。Prepared by:Carrier University105离 心 机通常压缩机使气体通过扩散器在部分负荷
56、时，通过扩散器的流量减少如果压缩机的压升仍然很大，气流会由扩散器通道返回对每一个进口导叶位置都有一个喘振点Prepared by:Carrier University106离心压缩机性能离心式压缩机的流量与压力关系特性类似于离心风机。导流叶片的每一个开度都对应新的流量与压力关系。在下图中从右向左表示导流叶片的开度减小。即使全关，仍允许有大约10%的泄漏，这代表了压缩机的最小容量（不考虑喘振问题）。在曲线的右侧，压缩机会碰到“屏障”。当压缩机中任何一点气体速度大于当地音速时，压缩机内会产生冲击波，机组的性能急剧下降。Prepared by:Carrier University107离心压缩机性能
57、图 Flow进口导叶在最小位时仍可有最大10%的流量（左端曲线）可能的最大流量高速“冲击波”（右端曲线） Prepared by:Carrier University108系 统 性 能将制冷剂流动阻力曲线（系统特性曲线）叠加到压缩机性能图上，可以看到一个有趣的现象。如果冷凝器的进水温度维持恒定（如85F），压缩机进口导叶关小以适应建筑负荷，系统特性曲线将和压缩机的喘振线相交于40%的负荷点。这与我们先前了解的相符：离心式压缩机不是高压缩比的设备，特别是在部分负荷时。然而，如果控制系统允许冷凝器的进水温度每降低10%负荷时下降2.5F，压缩机可以在所有导叶位置保持稳定，直至全闭。显然，某些控制
58、冷凝器进水温度的措施对离心式压缩机是必须的。Prepared by:Carrier University109系 统 性 能 F low Factor 进入冷凝器的水 允许进入冷凝器的水温降 为固定的85F： 低(2.5F/10%的负荷)： 最小40的部分负荷 最小10的部分负荷 Prepared by:Carrier University110分离环式扩压器离心式压缩机可以装有一个部分负载设备，称为分离环式扩压器。按字面的意思，扩压器被分两个环，而非一个。当负荷减少时，通过扩压器通道的气流减少。这样，通道内的气流速度也会降低。如果压头足够高，就会发生喘振，气体从扩压器通道倒流回叶轮中。采用分
59、离环式扩压器后，当控制系统感测到将要出现喘振的条件时，移动内环，用这样一种方式减小扩压器通道的流通截面积，局部气流速度增加，避免了喘振。由此而产生的压缩机的性能会在下面几页介绍。Prepared by:Carrier University111分离环式扩压器 气体通过扩压器通道离开叶轮 如果通道里的流速太低，就会发生喘振(1)处的通道截面积是100%低负荷时低流速 控制器转动扩压器内环 (2)通道截面积变小了(3)低负荷时高流速 没有喘振，压缩机运行稳定 Prepared by:Carrier University112分离环式扩压器用固定扩压器以及分离环式扩压器的影响将在以下几页介绍。可以看到由于冷凝器进水温度保持恒定，压缩机会发生喘振现象。使用分离环式扩压器可以使压缩机部分负载时更稳定。Prepared by:Carrier University113分离环式扩压器 在部分负荷时， 分离环式扩压器在 固定扩压器 部分负荷时，压头 在压头固定的 固定也可使机组平 情况下会喘振 稳运行。 Prepared by:Carrier University114
