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目前，用于中央空調(diào)的離心式冷水機組，主要由離心制冷壓縮機、主電動機、蒸發(fā)器（滿液式臥式殼管式）、冷凝器（水冷式滿液式臥式殼管式）、節(jié)流裝置、壓縮機入口能量調(diào)節(jié)機構(gòu)、抽氣回收裝置、潤滑油系統(tǒng)、安全保護裝置、主電動機噴液蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、油回收裝置及微電腦控制系統(tǒng)等組成，并共用底座。其外形和系統(tǒng)組成如圖4.13及圖4.14所示。
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1．離心式冷水機組特點! o0 y2 }1 @7 a& W0 {3 O9 _
離心式冷水機組屬大冷量的冷水機組，它有以下主要優(yōu)點：
（1） 壓縮機輸氣量大，單機制冷量大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，單位制冷量重量小，相同制冷量下比活塞式機組輕80％以上，占地面積??； b* ?3 t2 F: ~+ ~
（2） 性能系數(shù)高；
（3） 葉輪作旋轉(zhuǎn)運動，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，噪聲較低；* r, O) z X& R" }6 ~4 H
（4） 調(diào)節(jié)方便，在較大的冷量范圍內(nèi)能較經(jīng)濟地實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)；
（5） 無氣閥、填料、活塞環(huán)等易損件，工作比較可靠。$ i9 _6 d; |" n" ?( ^. m& J
離心式冷水機組的缺點主要是：
（1） 由于轉(zhuǎn)速高，對材料強度、加工精度和制造質(zhì)量要求嚴格；( V# a, ]6 H9 f4 }
（2） 單級壓縮機在低負荷時易發(fā)生喘振；
（3） 當運行工況偏離設(shè)計工況時，效率下降較快；
（4） 制冷量隨蒸發(fā)溫度降低而減少的幅度比活塞式快，制冷量隨轉(zhuǎn)數(shù)降低而急劇下降。
2．離心式冷水機組的組成
構(gòu)成離心式冷水機組的部件中，區(qū)別于活塞式、螺桿式冷水機組的主要部件是離心壓縮機，此外，其他主要輔助設(shè)備比如換熱設(shè)備、潤滑油系統(tǒng)、抽氣回收裝置等均有自己特點，在這進行簡單介紹。7 b& j+ V9 E9 O' x" D
1）壓縮機
空調(diào)用離心式冷水機組，通常都采用單級壓縮，除非單機制冷量特別大(例如4500kW以上)，或者刻意追求壓縮機的效率，才采用2級或3級壓縮。單級離心制冷壓縮機由進口調(diào)節(jié)裝置、葉輪、擴壓器、蝸室組成；多級離心制冷壓縮機除了末級外，在每級的擴壓器后面還有彎道和回流界，以引導(dǎo)氣流進入下一級。圖4.15示出了離心式制冷壓縮機的典型結(jié)構(gòu)。& {2 p% s# ~8 @* K }" o' n' D [
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圖4.15 離心式制冷壓縮機的典型結(jié)構(gòu)6 G5 |) c% d6 i; {- [9 Y$ A
(a)單級離心式制冷壓縮機；(b)多級離心制冷壓縮機的中間級
1一齒輪箱體；2一機殼門；3一輪蓋密封座； 1一葉輪；2一擴壓器；+ s( g/ X; b& B8 D
4一葉輪；5一葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)；6—進口殼體； 3一彎道；4一回流器；3 y/ T0 x/ W$ a
7一輪蓋密封；8一輪盤密封；9一右軸承； 5一級內(nèi)密封；6一中間加氣孔
10一左軸承；11一推力盤；12—后殼體; i+ \6 C, T) c+ J" ?8 d. U5 P
由于離心式冷水機組在實際使用中的一些特殊要求，使得離心式制冷壓縮機在結(jié)構(gòu)上有其一些特點：) Z9 g% a7 C! f: q
① 離心式冷水機組采用的制冷劑的分子量都很大，音速低，在壓縮機流道中的馬赫數(shù)M比較高(特別是在葉輪進口的相對速度馬赫數(shù)和葉輪出口的絕對速度馬赫數(shù)一般都達到亞音速甚至跨音速)，這就要求在葉輪構(gòu)型時特別注意氣流組織，避免或減少氣流在葉輪流遭中產(chǎn)生激波損失，同時適應(yīng)制冷劑氣體的容積流量在葉輪內(nèi)變化很大的特點。# u$ q$ n8 J$ M3 l
② 冷水機組在實際使用中，由于氣候和熱負荷的變化，需要的制冷量變化很大，并且要求在冷負荷變化時，機組的效率也盡可能高。作為制造廠來說，對于不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，希望零部件的通用化程度越高越好。對于離心制冷壓縮機，其葉輪的出口角小，則壓縮機的性能曲線比較平坦，絕熱效率較高，還能減少因采用同一蝸室而造成的匹配失當和效率降低，有利于變工況運行。3 t; r7 D. l D0 L2 F
③ 離心式壓縮機是通過旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片肘制冷劑蒸氣做功而提高其壓力的。但是，如前所述，制冷劑蒸氣的分子量一般都很大，其音速很低，如果為了提高蒸氣能量頭的需要，葉輪中布置的葉片數(shù)過多，則葉片的厚度將使葉輪進口的通流面積減小，使葉輪進口的氣流速度很高，進口氣流馬赫數(shù)達到或超過音速，引起效率的急劇下降。為此，對于葉片出口角大于40度，葉片進口直徑較小時，往往采用長、短葉片，解決必要的能量頭和效串之間的矛盾，效果十分明顯。
④ 為了提高葉輪輪轂的強度，特別是為了消除健槽根部因開、停產(chǎn)生的應(yīng)力集中疲勞破壞，近年來研制出葉輪與主軸采用三螺釘聯(lián)接、端面摩擦聯(lián)接等傳遞扭矩的方式，使葉輪運行可靠。* U+ B) @: R/ _2 Z6 _- ?
⑤ 多級壓縮機一般采取多次節(jié)流，中間加氣的形式。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以提高循環(huán)效率而節(jié)能，對于低溫(蒸發(fā)溫度在0℃以下)離心式制冷機組還可以實現(xiàn)一機多種蒸發(fā)溫度，這在某些工藝流程中特別適宜。
2）主電動機
離心式冷水機組多為半封閉式結(jié)構(gòu)。所謂半封閉式機組，是指壓縮機、增速器與主電動機聯(lián)為一體，同處于制冷劑環(huán)境中，不需要軸封。機組的主電動機是特殊設(shè)計的用制冷劑冷卻的封閉鼠籠式感應(yīng)電動機，冷卻用的制冷劑液體從冷凝器引來，分別引入主電動機的定子腔和轉(zhuǎn)子中，冷卻了定子繞組和轉(zhuǎn)子，氣化后返回到蒸發(fā)器。這樣的冷卻條件比普通的風(fēng)冷電動機充分、有效，因此電動機的壽命長、故障率低。同時，由于設(shè)有冷卻風(fēng)扇，電動機的噪聲低，減少了向機房的排熱量，改善了機房的工作環(huán)境。圖4.16表示出了壓縮機與閉式主電動機聯(lián)接示意圖。
１－進口導(dǎo)葉；２－葉輪；３－壓縮機殼體；４－增速輪；５－主電動機；６－電動機冷卻供液管；$ D, v% l& {' ~1 N5 k1 d4 r
圖 4.16壓縮機與閉式主電動機
3）蒸發(fā)器和冷凝器
離心式冷水機組的蒸發(fā)器、冷凝器均為臥式管殼式結(jié)構(gòu)，制冷劑都在殼側(cè)流動。蒸發(fā)器、冷凝器換熱效果的好壞對機組的能耗、重量和尺寸影響極大。就光管而言，管外制冷劑側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠低于管內(nèi)水側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。提高制冷劑側(cè)傳熱管外表面?zhèn)鳠嵝Ч闹饕椒ㄓ袃煞N：一是通過在管外表面噴涂金屬顆粒或通過機械加工在管外表面形成翅片以增大管外表面的傳熱面積；二是通過改進管外去面翅片的形狀以改善表面?zhèn)鳠幔岣弑砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?shù)。比如，使冷凝管外表面加工成鋸齒肋，使管外表面形成的冷凝液膜易于形成珠狀很快滴下，不致覆蓋在冷凝管外表面形成新的熱阻，從而提高了冷凝換熱系數(shù)。又如，將蒸發(fā)管外表面按制冷劑核態(tài)沸騰特性設(shè)計，使冷媒蒸發(fā)氣泡連續(xù)生成，避免沸騰氣泡被再冷凝，同時氣泡在上升過程中又加大了對制冷劑液的擾動，從而提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。目前，很多制造廠商的傳熱管外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)已經(jīng)達到或超過管內(nèi)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，有的為了進一步提高管內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，甚至在管內(nèi)壁上也加工出了翅片。由于傳熱管技術(shù)的進步?，F(xiàn)在蒸發(fā)溫度與冷水出水溫度之差，已可達到2℃左右，蒸發(fā)溫度的提高使壓縮機的壓縮比降低，減少了耗功，也減小了換熱器的尺寸和重量。
在蒸發(fā)器的上部有擋液網(wǎng)，以防止蒸發(fā)飛濺的制冷劑液滴直接被壓縮機吸入。8 P, E! I2 A( {( R* L+ N
4）節(jié)流裝置2 u) B, g6 L2 }! r. U
將冷凝器底部積存的高壓、常溫制冷劑液體節(jié)流降壓為低壓、低溫的制冷劑液體進入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷，以前都是用浮球閥來完成，現(xiàn)在普遍改用一個或多個固定孔口的節(jié)流孔板來控制流人蒸發(fā)器的制冷劑流量。由于無運動部件，使系統(tǒng)運行更加可靠。% F G# n! i" {% i1 y
5）潤滑油系統(tǒng)
潤滑油系統(tǒng)由油泵、油冷卻器、油過濾器及調(diào)節(jié)閥門等組成，向壓縮機、齒輪軸、主電動機軸的軸承和齒輪的嚙合面供油潤滑、冷卻。由于離心式冷水機組的結(jié)構(gòu)日趨緊湊，其油泵一般為內(nèi)置式，浸沒于油箱中；油泵電機由于要與溶解有制冷劑的潤滑油直接接觸，其繞組的絕緣材料也應(yīng)與制冷劑相容。油冷卻器一般為板式換熱器，利用制冷劑液體在板式換熱器中蒸發(fā)的汽化潛熱冷卻潤滑油，因此尺寸小，也內(nèi)置于壓縮機機殼內(nèi)，便于蒸發(fā)后的制冷劑蒸氣返回壓縮機。油過濾器的過濾精度要求很高(一般為10～15μm)，其安裝位置應(yīng)盡量靠近供油口，為及時發(fā)現(xiàn)過濾器被雜質(zhì)堵塞，機組運行中應(yīng)監(jiān)視過濾鏡前后的壓力差。 e e' J% W$ [$ |+ Y0 g
在離心制冷壓縮機中，油箱也處于制冷劑環(huán)境中，潤滑油與制冷劑是互溶的，且溫度越低，制冷劑在油中的溶解度越大。潤滑油中溶有制冷劑后其粘度要降低，直接影響啟動時機組正常供油壓力的建立。為此，在油箱中都設(shè)有一組供機組停機階段加熱潤滑油的電加熱器。
2．離心式冷水機組分類" l) c8 S$ s0 Y# @
按總體結(jié)構(gòu)形式分為開啟式、半封閉式和全封閉式。/ W( h* r, }; _" d* a* b s
按換熱器筒體結(jié)構(gòu)型式分為單筒式、雙筒式兩種型式。
3．離心式冷水機組制冷原理* |/ C) R A0 d5 }
同活塞式冷水機組類似，構(gòu)成離心式冷水機組的單級循環(huán)見圖4.17系統(tǒng)圖和雙級循環(huán)見圖4.18系統(tǒng)圖，其循環(huán)原理仍然是由蒸發(fā)、壓縮、冷疑和節(jié)流四個熱力狀過程所組成的單級和雙級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，其工作系統(tǒng)仍然是由蒸發(fā)器、離心式壓縮機(單級和雙級)、冷凝器和節(jié)流機構(gòu)(裝置)四大部件所組成的封閉式工作系統(tǒng)，在滿液式臥式殼管式蒸發(fā)器中，制冷劑液體在較低的飽和溫度(2～5℃)狀態(tài)下吸收進入蒸發(fā)器傳熱管內(nèi)冷水的熱量（汽化潛熱）而沸騰氣化(液態(tài)→氣態(tài))，相對的使管內(nèi)冷水出水溫度下降為7℃(標準工況)，提供給中央空調(diào)系統(tǒng)中的氣—水熱交換器(空氣調(diào)節(jié)箱中的表冷器和風(fēng)機盤管)冷卻送風(fēng)，通過管道輸送給空調(diào)對象，使其內(nèi)部氣溫維持在規(guī)定的26℃±2℃(標準空調(diào)工況)人體舒適感范圍之內(nèi)，或其他工作室所要求的非標準空調(diào)工況范圍，達到中央空調(diào)的目的。
圖4.17單級離心式冷水機組制冷原理圖
在離心式冷水機組中無論采用高壓(R22)制冷劑、中壓(R134a)制冷劑和低壓(R123)制冷劑，制冷劑在工作循環(huán)的全過程中，存在氣態(tài)、液態(tài)、氣／液混合態(tài)三種物理狀態(tài)。制冷劑的氣液相變主要發(fā)生在冷凝器(氣→液)和蒸發(fā)器(液→氣)之中。在壓縮機中制冷劑呈過熱蒸氣狀態(tài)，在減壓膨脹閥或線性浮球閥室中，呈液態(tài)(少量氣態(tài))。
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1）關(guān)于部份負荷性能
離心式冷水機組通常是按最大負荷選型的，實際使用中，有70％以上的時間不在滿負荷下工作。而離心制冷壓縮機一般在滿負荷點附近效率最高。當前，評價冷水機組性能的好壞，已不僅僅是額定制冷量下消耗單位功率的制冷量(COP)要大，美國空調(diào)制冷學(xué)會在其標準ARl550／590--1998中，提出用綜合部分負荷值IPLV(或NPLV)作為評價單臺機組平均部分負荷效率的指標。該IPLV是在ARl550／590規(guī)定的工況條件下，分別實測出在100％，75％，50％，25％額定制冷量下的性能系數(shù)COP，然后乘以各自的常數(shù)加權(quán)平均得到。使用IPLV(NPLV)為冷水機組的部分負荷性能提供了一個簡單的評估方法，但是，由于地區(qū)差異，IPLV(NPLV)值并不能直接作為我國計算年運行費用的依據(jù)。! z! A Q- Z7 G% u
2）冷卻水進水溫度對機組性能的影響
冷卻水進水溫度與機組的冷凝溫度直接有關(guān)，在其它條件相同時，冷卻水進水溫度越高，冷凝溫度、冷凝壓力越高，機組的能耗也越高。一般冷卻水進水溫度每升高1℃，能耗將增加滿負荷能耗的3％左右，制冷量將減少約3％。因此，對于全年極端溫度不很高，相對濕度不很大的我國北方地區(qū)，不必按全國的統(tǒng)一標準提出以32℃作為冷卻水進水溫度的設(shè)計條件，這樣可以節(jié)省一次性投資。3 h' ~8 R2 ~/ ^5 `* S
3）冷水出水溫度對機組性能的影響
冷水出水溫度與機組的蒸發(fā)溫度直接有關(guān)。在其它條件相同時，冷水出水溫度越低，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力越低，機組的能耗增加、制冷量減少。一般冷水出水溫度降低1℃，機組的能耗將增加負荷能耗的3.5％左右，制冷量將減少約3％。對于中央空調(diào)系統(tǒng)，冷水出水溫度的確定必須十分仔細。一方面冷水溫度必須足夠低，以保證室內(nèi)合適的空氣參數(shù)；另一方面，冷水出水溫度又必須足夠高，使一次性投資和運行費用盡可能合理。另外，使用中的冷水機組，盛夏過后改用較高的冷水出水溫度，則可以得到明顯的節(jié)能效果。據(jù)對美國一些醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)查，在過渡季節(jié)，冷水出水溫度的設(shè)定值可以比設(shè)計值提高2.2～4.4℃。4 [2 B' A8 O: }1 d( t& O
4）水側(cè)污垢
換熱管水側(cè)(內(nèi)表面)積垢會使傳熱熱阻增大，換熱效果降低，使冷凝溫度升高或使蒸發(fā)溫度降低，最終使機組的能耗增加、制冷量減少。開式循環(huán)的冷卻水系統(tǒng)最容易發(fā)生積垢，這主要是由于水質(zhì)未經(jīng)很好處理和水系統(tǒng)保管不善所致，由此在換熱管內(nèi)壁出現(xiàn)以下問題：
① 形成結(jié)晶(碳酸鈣等無機物)；
② 鐵銹、沙、泥土等沉積物(特別是當管內(nèi)水速較低時)；
③ 生成有機物(粘質(zhì)物、藻類等)
所以定期清洗換熱管是必要的。
對于按標準污垢系統(tǒng)設(shè)計、制造的離心式冷水機組，制造廠會提出相應(yīng)的水質(zhì)要求給用戶，只要能滿足對水質(zhì)的要求，并對換熱管內(nèi)表面作定期清洗，則機組可以長期保證其額定性能。! ^4 a- o, Z1 T, q: w+ S
4．離心式冷水機組的控制原理# J5 d) r! ]9 d8 O+ u
離心式冷水機組的控制系統(tǒng)已相當完善，大都采用微型計算機，配以可靠的參數(shù)傳感器、變送器，對機組運行進行控制、調(diào)節(jié)、保護。對單臺機組，可隨時顯示運行中的冷水進出口溫度、冷卻水進出口溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、供油溫度、供油壓力、壓縮機排氣溫度、導(dǎo)葉開度百分比、主電動機電流、累計運行時間、啟動次數(shù)等參數(shù)；對運行中發(fā)生故障可預(yù)先發(fā)出警告、指出故障名稱，并有故障診斷系統(tǒng)，提示產(chǎn)生故障的幾種可能原因。每臺機組的基本安全保護功能有：冷凝壓力過高、供油壓力過低、供油溫度過高、蒸發(fā)壓力過低、冷水出水溫度過低、冷水斷水、主電動機電流過大、主電動機繞組溫度過高、主電動機再次啟動延時保護等。運行中可根據(jù)熱負荷的變化，在保證冷水出口溫度一定的情況下，自動調(diào)節(jié)進口導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)制冷量，以保持室內(nèi)空氣參數(shù)恒定。對多臺機組，可根據(jù)熱負荷的變化，按最經(jīng)濟的原則，自動開、停幾臺。此外還備有遠程通訊接口，與樓宇自動化控制系統(tǒng)(BAS)聯(lián)接，對冷水機組實行遠程遙控。& N, F; S* p# O# M6 E% n9 h+ r$ g
總之，可靠的冷水機組配置先進的自動化控制系統(tǒng)，可以使離心式冷水機組安全、可靠、經(jīng)濟地全自動化運行。5 m7 _0 \* m8 `/ M
