冷水机组原理.ppt

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1、冷水机组原理 第一部分 DES700 1 目 标 通过这部分你将学会： 1-列出典型水冷机组的部件； 2-计算冷冻水和冷却水流量； 3-在压焓（PH）图上画出基本的 制冷循环过程； 4-列出3个影响冷水机组能耗和尺 寸的因素； 5-理解蒸发器和它的换热情况； 6-理解冷凝器和它的换热情况； 7-理解压缩机的压力控制； 8-了解过冷器，闪发器和经济器； 9-会选择往复式、螺杆式和离心式 机组； 10-理解机组部分负荷控制。 水冷系统的冷源是一台或多台冷 水机组。理解如何从市场中选择 不同的冷水机组并正确使用是必 须的。 这部分将给你一个冷水机组的概 况容量大小从13冷吨到10000冷吨 不等。

2、2 目 标 列出典型的冷水机组的组成部件 计算冷冻水和冷却水的流量 在压焓（PH）图上画出基本的制冷循环过程 列出3个影响冷水机组能耗和尺寸的因素 了解蒸发器和它的传热 了解冷凝器和它的传热 了解压缩机的压力控制 了解过冷器，闪蒸器和经济器 会选择往复式，螺杆式和离心式冷水机组 了解冷水机组的部分负荷控制 3 设计步骤 在风机盘管冷水系统的设计中，已经涉及选择冷水机组。 在选型之前，先要了解可用机组的型号和技术参数。只有 了解机组的性能，才能正确地选对型号。 4 设计步骤 选择控制区 计算峰值冷热负荷 选择室内风机盘管末端设备 选择末端控制类型 水管路设计 冷凝水管路设计 选择冷水机组 选择辅

3、助设备 5 水冷机组基本原理 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。 冷凝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

4、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 。 6 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 7 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

5、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。 8 冷水机组分类 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： 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

6、9 冷水机组的基本循环 制冷循环 如下图，工质的P-H图是理解机械制冷循环的 一个有工具。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 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

7、，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.C.），从P-H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。 10 冷水机组基本

8、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） 制冷剂将冷凝热传给冷却塔，降低过冷热度，再冷凝到 （D）。 11 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X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 Dr

9、op Tons X 28.8=GPM X Drop 冷凝器GPM=(28.8 X Tons)/Drop 注意：老式的机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

10、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。 1ton=（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)/Ri

11、se 12 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 =12,000 Btu/h tons x 12,000 =500 x 冷冻水量 x 温升 温升=（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 =（

12、30 x 100）/10 =300 GPM 13 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”（Pc-Pb）。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，上面三项做改进的任何设备和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。 14 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

13、/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” 制冷效率（R.E.） 压缩产热（H.C.） （压缩机效率） 压力增加（Pc Pb） 15 降低冷水机组的压升 压缩机压升： 压升指压缩机将工质的压力提高。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。 16 降低冷水机组的压升

14、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） 17 摘要: 提高饱和蒸发温度 提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。 18 摘要: 提高饱和蒸发温度 制造商选项和应用选择 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

15、交换器的长度 让我们看着每一项的影响 19 蒸发器的基本类型 蒸发器可分成两种基本结构类型： 满液式： 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， 1

16、5PSI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

17、。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。 20 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 21 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.） 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

18、来。显然 ，对一个给定的蒸发负荷（Q）来说如果 MTD减少（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

19、。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*A*MTD 22 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 23 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- 水膜热阻，它取决于流体通过热

20、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75-80%。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。 24 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 减小这四项热阻中的任何一个 都可以增加 “U” ，降低

21、 对数平 均温差和提高饱和蒸发温度 我们逐项研究 25 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

22、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），水膜热阻（RW）急剧增加。 26 水膜热阻

23、 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 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 59 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。通过冷凝器部分的水将气体冷却为 饱和液体。饱和液态制冷剂降到隔板上 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

24、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。 60 典型的过冷器 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

25、水先进入过冷器，将制冷剂液体过冷至饱和冷凝温 度以下61 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。

26、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。 62 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 63 闪发饱和循

27、环 可以在下页的压焓图中表示采用闪发器的效果。 接下来我们再看另一个提高制冷效果的设备经济器。 64 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)闪蒸器中的液体(2)从膨胀 到 (4) 在闪蒸器中产生闪蒸气 (6)冷却水通过闪蒸器的管子把闪 蒸气冷凝至饱和 (8) 液体膨胀进入蒸发器 (6到8) RE增加 65 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（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

28、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P-H图来研究经济器的作用制冷剂效果提高810 66 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)冷却后进入蒸 发器 制冷效果提高8%到10 67 经济器循环：提高RE 下页的 PH图表

29、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。 68 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10 69 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，

30、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。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。 70 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

31、缩机效率 71 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

32、的制冷剂质量流量（ 磅/秒）会降低。 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 。 72 R22的压焓图 73 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

33、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。 74 压缩机类型 在商用冷水机组中使用到的三种压缩机类型 往复式 螺杆式 离心式 它们有多大的制冷量范围？ 75 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。 76 制冷量范围 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 77 往

34、 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。 78 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 79 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

35、要求。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。 80 离 心 式 气体进入

36、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 81 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速时 ，提供固定排量特

37、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。 82 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 83 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

38、选择怎么办？ 考虑满负荷和部分负荷时的性价比 84 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。 85 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 86 往复式机组的卸载器 对于单压

39、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 ，67，33。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

40、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组的电力及电 子控制系统很好地一体化了。 87 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 88 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

41、每个循环系统包括压 缩机、各自的冷凝器、TXV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

42、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。 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。 89 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 90 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，每个

43、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

44、图还表示出转换开关（Transfer 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。 91 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 92 热 气 旁 通 4个或更少的卸载等级的机组需要有热气旁 通作为控制附件。这

45、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TXV来的 液态制冷

46、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。 93 热 气 旁 通 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 94 螺杆式机组的部分负荷 螺杆式压缩机卸载的

47、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。 95 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 96 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