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文獻(xiàn)綜述
題 目 螺桿型水冷冷水機(jī)組研究進(jìn)展
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué) 號(hào)
院 （系）
指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）
完成時(shí)間
螺桿型水冷冷水機(jī)組研究進(jìn)展
1 摘要
空調(diào)制冷技術(shù)作為20世紀(jì)對(duì)人類(lèi)社會(huì)影響最大的工程技術(shù)成就之一[1]，已經(jīng)成為健康、運(yùn)輸和食品保鮮行業(yè)不可缺少的技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，以節(jié)能和環(huán)保為主題，空調(diào)制冷技術(shù)又得到了進(jìn)一步發(fā)展。本文主要簡(jiǎn)單介紹螺桿型水冷冷水機(jī)組的研究進(jìn)展以及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 螺桿型 冷水機(jī)組 壓縮機(jī) 蒸發(fā)器 冷凝器
Abstract
In twentieth century , refrigeration and air conditioning technology as one of the largest impact engineering achievements of the human society, has become an indispensable technology of health transportation and food preservation industry. In the 21st century, with the theme of energy conservation and environmental protection, air conditioning and refrigeration technology has been further developed. This paper describes the research progress and the development direction of the screw-type water-cooled chillers.
Keywords: screw type, chiller, compressor, evaporator, condenser
2 引言
在中央空調(diào)系統(tǒng)中，使用各種形式的冷水機(jī)組。其中螺桿式冷水機(jī)組以其對(duì)變工況運(yùn)行有較好的適應(yīng)性，對(duì)氣體帶液運(yùn)行部敏感，轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，動(dòng)力平衡型好，零部件少，尤其易損件少，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，可靠性高，排氣溫度低，容積效率高，操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，在中等冷量范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[2]。螺桿式冷水機(jī)組以其特有的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中，十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)不斷從歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)、消化、吸收冷水機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝，使螺桿式冷水機(jī)組水平得到顯著提高[3]。
3 螺桿式水冷冷水機(jī)組的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
3.1 系統(tǒng)構(gòu)成
水冷螺桿式冷水機(jī)組主要由半封閉式螺桿壓縮機(jī)、殼管式冷凝器、干燥過(guò)濾器、熱力膨脹閥、殼管式蒸發(fā)器、以及電器控制部分等組成。
水冷螺桿式冷水機(jī)組也是冷水機(jī)組的一種，由于它的主要構(gòu)成部件使用了螺桿式壓縮機(jī)，所以名稱(chēng)可稱(chēng)為水冷螺桿式冷水機(jī)組。
3.1.1 螺桿式壓縮機(jī)簡(jiǎn)介[4-7]
螺桿式壓縮機(jī)是瑞典工程師Lysholm發(fā)明，由SRM公司研制成功的。由于其具有優(yōu)越的耐久性和可靠性，作為中、大流量范圍的壓縮機(jī)，在制冷空調(diào)領(lǐng)域中，首先付諸實(shí)際應(yīng)用的是開(kāi)啟式螺桿壓縮機(jī)，它的應(yīng)用填補(bǔ)了往復(fù)式與離心式壓縮機(jī)容量范圍之間的空白。近年來(lái)，由于制冷空調(diào)裝置的普及和以改善部分負(fù)荷特性為目的的多機(jī)組化的發(fā)展，中、小容量范圍的封閉式螺桿式制冷壓縮機(jī)得到了市場(chǎng)的青睞。目前國(guó)內(nèi)封閉式螺桿制冷壓縮機(jī)的生產(chǎn)廠家主要有武冷、大冷、冰輪、一冷開(kāi)利等公司，國(guó)外主要有美國(guó)的特靈、開(kāi)利、約克，日本的日立、三菱電機(jī)，意大利的弗萊康，德國(guó)的比澤爾等公司。
我國(guó)螺桿式冷水機(jī)組近年來(lái)發(fā)展很快，逐漸占領(lǐng)了往復(fù)式和小型離心式壓縮機(jī)的部分市場(chǎng)，主要原因是螺桿式冷水機(jī)組的效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、振動(dòng)小、制冷量調(diào)節(jié)范圍大等。目前絕大多數(shù)螺桿式制冷壓縮機(jī)中采用了R22或氨制冷劑，也有一些采用R134a或R410A等制冷劑。螺桿式制冷壓縮機(jī)大部分都采用噴油潤(rùn)滑的方式運(yùn)行，根據(jù)與電動(dòng)機(jī)連接方式的不同，分為開(kāi)啟式、半封閉式和全封閉式三種。
在環(huán)境溫度下工作時(shí)，單級(jí)螺桿式制冷機(jī)可達(dá)—25℃的蒸發(fā)溫度，采用經(jīng)濟(jì)器或雙級(jí)壓縮時(shí)，可達(dá)—40℃的蒸發(fā)溫度。另外，已有越來(lái)越多的螺桿式制冷機(jī)用作熱泵，可向高達(dá)100℃的熱源傳送熱量。既能供冷又能供熱的冷熱兩用螺桿機(jī)組，近年來(lái)發(fā)展很快。目前螺桿式制冷壓縮機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下的制冷量范圍為50—2500KW。
在螺桿式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的COP，往往會(huì)采用經(jīng)濟(jì)器。近年來(lái)，我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的螺桿式制冷壓縮機(jī)有了很大發(fā)展，以西安交通大學(xué)為技術(shù)依托的煙臺(tái)冰輪等制冷企業(yè)已實(shí)現(xiàn)螺桿式制冷壓縮機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)。
3.1.2 冷凝器的型式
螺桿式制冷機(jī)組中所使用的水冷式冷凝器，主要是臥式殼管式冷凝器。它是由筒體、管板、冷凝管和兩側(cè)端蓋組成。筒體是由鋼板卷制成圓筒形，焊接成的筒體兩端焊有兩塊圓形管板，管板上鉆有許多管孔，將冷凝管兩端穿入管板孔內(nèi)，并用脹管法或焊接法固定在管板上。制冷劑蒸汽由筒體上部進(jìn)入筒內(nèi)，并在冷凝管的外表面上冷凝。冷凝后的液體制冷劑從筒體下部流出。冷卻水經(jīng)一側(cè)端蓋進(jìn)入冷凝管內(nèi)，在另一測(cè)端蓋內(nèi)換向，再度流入冷凝管。
這種冷凝器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱系數(shù)高、冷卻水耗量少、操作管理方便，所以在螺桿式制冷機(jī)組中幾乎都采用這種型式的冷凝器。
3.1.3 蒸發(fā)器的型式
在螺桿式冷水機(jī)組中，蒸發(fā)器的型式主要是滿(mǎn)液式和干式蒸發(fā)器兩種。滿(mǎn)液式蒸發(fā)器中，液體制冷器經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)的液位保持一定。蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱管浸沒(méi)在制冷劑液體中。吸熱蒸發(fā)后的氣液混合物中仍含有大量液體，故從蒸發(fā)器內(nèi)逸出的濕蒸汽經(jīng)氣液分離后再回入壓縮機(jī)。
干式蒸發(fā)器則由熱力膨脹閥或電子膨脹閥直接控制液體制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的管程，制冷劑液體在管內(nèi)完全轉(zhuǎn)變成氣體，而被冷卻的介質(zhì)則在傳熱管外的管程中流動(dòng)[8]。
3.1.4 節(jié)流裝置
螺桿式水冷冷水機(jī)組主要采用的節(jié)流裝置有孔板、線性浮子閥、電子膨脹閥、熱力膨脹閥。目前螺桿式冷水機(jī)組廣為采用的節(jié)流裝置是熱力膨脹閥（也有采用帶電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的固定孔板或節(jié)流管），熱力膨脹閥的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低、控制簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是：①由于其流量調(diào)節(jié)對(duì)過(guò)熱度的響應(yīng)滯后，使冷水機(jī)組在起動(dòng)或負(fù)荷突變時(shí)，被調(diào)參數(shù)發(fā)生周期性振蕩；②在t0較低的情況下，過(guò)熱度增大，使t0變得不穩(wěn)定，制冷效率下降；③制冷劑流量調(diào)節(jié)范圍小；④允許負(fù)荷波動(dòng)范圍小，不適合應(yīng)用于能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)；⑤蒸發(fā)器出口過(guò)熱度偏差大等。眾所周知，螺桿式冷水機(jī)組在滿(mǎn)負(fù)荷下運(yùn)行的情況很少，98%以上的時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行。熱力膨脹閥不適合部分負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，它會(huì)造成工況不穩(wěn)定，制冷效率下降。因此從發(fā)展趨向看，電子膨脹閥替代熱力膨脹閥是必然趨勢(shì)[9]。
3.2 工作原理
機(jī)組制冷時(shí)，壓縮機(jī)將蒸發(fā)器內(nèi)低溫低壓制冷劑吸入氣缸，經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)做功，制冷劑蒸汽被壓縮成為高溫高壓氣體，經(jīng)排氣管道進(jìn)入冷凝器內(nèi)。高溫高壓的制冷劑氣體在冷凝器內(nèi)與冷卻水進(jìn)行熱交換，把熱量傳遞給冷卻水帶走，而制冷劑氣體則凝結(jié)為高壓液體。從冷凝器出來(lái)的高壓液體經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器。在蒸發(fā)器內(nèi)，低壓液體制冷劑吸收冷凍水的熱量而汽化，使冷凍水降溫冷卻，成為所需要的低溫用水。汽化后的制冷劑氣體重新被壓縮機(jī)吸入進(jìn)行壓縮，排入冷凝器，這樣周而復(fù)始，不斷循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍水的冷卻。
從機(jī)組出來(lái)的冷凍水，進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管、變風(fēng)量空氣調(diào)節(jié)機(jī)等末端裝置，在室內(nèi)與對(duì)流空氣發(fā)生熱交換，在此過(guò)程中，水由于吸收室內(nèi)空氣的熱量（向室內(nèi)空氣散熱）而溫度上升，而室內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)室內(nèi)換熱器后溫度下降，在風(fēng)機(jī)的帶動(dòng)下，送入室內(nèi)，從而降低室內(nèi)的空氣溫度，而溫度上升后的冷凍水在水泵的作用下重新進(jìn)入機(jī)組，如此循環(huán)，從而達(dá)到連續(xù)制冷的目的[10]。
4 螺桿式冷水機(jī)組的發(fā)展現(xiàn)狀和性能特點(diǎn)
資料顯示，在空調(diào)領(lǐng)域，螺桿式冷水機(jī)組在中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)中所占的份額逐年上升，而活塞式、溴化鋰式等空調(diào)主機(jī)所占份額則逐年下降。一方面，螺桿式冷水機(jī)組牢固地占據(jù)著中小型中央空調(diào)系統(tǒng)主機(jī)的主導(dǎo)地位，另一方面。它逐步蠶食著大型中央空調(diào)系統(tǒng)中離心式壓縮機(jī)的份額。空調(diào)用螺桿式壓縮機(jī)的市場(chǎng)潛力巨大，是單臺(tái)制冷量100—3000KW空調(diào)系統(tǒng)中的最佳機(jī)型[11]。
螺桿式冷水機(jī)組的冷凍出水溫度范圍為3℃~20℃，可廣泛應(yīng)用于塑膠，電鍍，電子，化工，制藥，印刷，食品加工等各種工業(yè)冷凍過(guò)程需使用冷凍水的領(lǐng)域，或大型商場(chǎng)，酒店，工廠，醫(yī)院等各種中央空調(diào)工程中需使用冷凍水集中供冷的領(lǐng)域。
目前，螺桿式冷水機(jī)組應(yīng)用廣發(fā)的主要原因是：a) 螺桿式壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)范圍寬，負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)濕壓縮不敏感；b) 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩變化小，動(dòng)力平衡性好，易損件少，振動(dòng)小，運(yùn)行可靠，壽命長(zhǎng)；c) 轉(zhuǎn)速高，輸氣脈動(dòng)小，零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，質(zhì)量輕，體積?。籨) 無(wú)吸氣、排氣閥，流動(dòng)阻力??；余隙容積小；噴油運(yùn)行，排氣溫度低，因?yàn)槿莘e效率高；e) 操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[12]。
螺桿式壓縮機(jī)與電動(dòng)機(jī)在大致50%—90%負(fù)載率時(shí)效率最高。當(dāng)壓縮機(jī)和電動(dòng)機(jī)負(fù)荷低于50%時(shí)，效率急劇下降。對(duì)定睡流量的螺桿式冷水機(jī)組，部分負(fù)荷時(shí)由于冷凝和蒸發(fā)器的單位負(fù)荷換熱面積增加，制冷劑和冷凍水、冷卻水的換熱減少；同時(shí)由于冷凍水、冷卻水進(jìn)出水溫差減小，使機(jī)組的冷凝溫度下降，蒸發(fā)溫度升高，從而使機(jī)組的效率提高[13]。以國(guó)產(chǎn)某品牌冷水機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組在約55%冷負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的能效比最高（見(jiàn)圖1），最省電，100%冷負(fù)荷時(shí)，機(jī)組的能效比約下降20%。由于定水流量系統(tǒng)的螺桿式冷水機(jī)組在低負(fù)荷、高負(fù)荷時(shí)能效比均較低，給多臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組的優(yōu)化控制帶來(lái)了一定的難度[14]。
4.發(fā)展方向
4.1 空調(diào)專(zhuān)用的開(kāi)啟式螺桿制冷壓縮機(jī)及冷水機(jī)組
4.1.1 空調(diào)專(zhuān)用的開(kāi)啟式螺桿壓縮機(jī)
空調(diào)系統(tǒng)中，可按以下兩個(gè)思路開(kāi)發(fā)空調(diào)專(zhuān)用壓縮機(jī)：
（1）由于空調(diào)系統(tǒng)的工況固定，所以螺桿壓縮機(jī)的內(nèi)容積比無(wú)需調(diào)節(jié)，固定在2．5即可，因此，可以省去內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑悶及其相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)、油路系統(tǒng)等；
（2）制冷用螺桿式壓縮機(jī)為了兼顧空調(diào)至低溫之間的各個(gè)工況，一般是按內(nèi)容積比2.5設(shè)計(jì)徑向排氣口，按內(nèi)容積比5.0設(shè)計(jì)軸向排氣口，而空調(diào)專(zhuān)用壓縮機(jī)則可統(tǒng)一按內(nèi)容積比2.5設(shè)計(jì)徑向排氣口和軸向排氣口．以減少螺桿式壓縮機(jī)的過(guò)壓縮情況，提高壓縮機(jī)的效率。因此，空調(diào)專(zhuān)用螺桿式壓縮機(jī)的效率在理論上應(yīng)高于制冷用壓縮機(jī)。
4.1.2 空調(diào)專(zhuān)用開(kāi)啟式螺桿冷水機(jī)組
（1）空調(diào)專(zhuān)用螺桿式冷水機(jī)組完全可以采用噴液冷卻方式，因?yàn)樵诳照{(diào)工況下，壓比小，排氣溫度低，油冷卻的負(fù)荷小，只需噴入少量制冷劑液體即可達(dá)到降低排溫的目的；
（2）改變傳統(tǒng)的液體冷卻機(jī)組布置方式，將壓縮機(jī)、電機(jī)置于蒸發(fā)器上，縮短吸氣管長(zhǎng)度及減少?gòu)濐^數(shù)量以減小有害吸氣過(guò)熱，提高制冷量；
（3）與半封閉螺桿冷水機(jī)組類(lèi)似，減小油分直徑及體積，并將油分置于換熱器上，使機(jī)組的體積進(jìn)一步縮小。采用引射技術(shù)使進(jìn)入換熱器中的油回到壓縮機(jī)中。
盡快開(kāi)發(fā)空調(diào)專(zhuān)用的螺桿式冷水機(jī)組是制冷行業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。
4.2 采用除R22以外的其它工質(zhì)
目前，螺桿式冷水機(jī)組中主要采用R22為工質(zhì)，由于2030年期限的臨近，未來(lái)5年內(nèi)，采用其它工質(zhì)的冷水機(jī)組將會(huì)越來(lái)越多。
（1）采用R717的螺桿式冷水機(jī)組
武冷開(kāi)發(fā)了一系列采用R717為工質(zhì)的螺桿式氨冷水機(jī)組，該系列機(jī)組采用了國(guó)際先進(jìn)的BPHE不銹鋼激光焊接的板式換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器，相較普通殼管式換熱器其體積縮小了80%。
（2）采用R134a的螺桿式冷水機(jī)組
R134a的單位容積制冷量較小，對(duì)速度型的離心機(jī)其影響相對(duì)較小，而對(duì)螺桿機(jī)，不宜以增大壓縮機(jī)的物理尺寸為代價(jià)來(lái)?yè)Q取冷量的提高，只宜采用增速的方法。
上海聯(lián)合開(kāi)利生產(chǎn)的30HXY/30HXC半封閉螺桿式冷水機(jī)組就采用了R134a，該機(jī)組的壓縮機(jī)采用航空齒輪AGMAl2增速，陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可達(dá)6000—9000r/min，一方面彌補(bǔ)了R134a單位容積制冷量較小的不足，另一方面縮短了壓縮機(jī)的長(zhǎng)度，利于組成多機(jī)頭機(jī)組。該機(jī)組還采用了滿(mǎn)液式蒸發(fā)器，用電子膨脹閥控制供液。
4.3 采用變頻控制的螺桿式冷水機(jī)組
變頻控制主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
（1）螺桿式壓縮機(jī)的滑閥式或柱塞式能量控制方法，其實(shí)質(zhì)是吸氣旁通方式，變頻控制可以得到相對(duì)更高的效率；
（2）當(dāng)熱負(fù)荷變化時(shí)，螺桿式冷水機(jī)組將增減負(fù)載或反復(fù)地啟停壓縮機(jī)，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊的同時(shí)還增加了耗電量并減少了壓縮機(jī)的使用壽命，而變頻控制則可以避免這種情況，壓縮機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)、更經(jīng)濟(jì)，使用壽命更長(zhǎng)；
（3）壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)可降頻啟動(dòng)，避免較大的峰值沖擊電流，同時(shí)還減少了耗電量；
（4）當(dāng)壓縮機(jī)物理尺寸固定時(shí)，可以用超頻的方式在一定范圍內(nèi)增加壓縮機(jī)的制冷量。
隨著變頻器價(jià)格的不斷降低，變頻控制將首先應(yīng)用到單機(jī)頭或多機(jī)頭半封閉螺桿冷水機(jī)組中，最終成為其最佳控制方式并為廣大用戶(hù)所接受。
4.4 大溫差螺桿式冷水機(jī)組
根據(jù)JB/T4329—1997《容積式冷水(熱泵)機(jī)組》可知，冷水機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)出水溫差為5℃，大于5℃則稱(chēng)為大溫差冷水機(jī)組。空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，增大供回水溫差，將減少循環(huán)水流量，在保證水阻力相同的前提下縮小管道直徑及減少保溫材料消耗，減小水泵流量，但對(duì)系統(tǒng)的末端設(shè)備，如風(fēng)機(jī)盤(pán)管等，其換熱面積需要逐漸增加。因此。對(duì)整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)．需全面考慮以分析其經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的溫差。
對(duì)螺桿式冷水機(jī)組，冷凍水進(jìn)出口溫差越大，則對(duì)數(shù)平均溫差越大，換熱面積越小。但為了保證換熱效果，必須保證管內(nèi)流速，因此換熱器的每流程換熱管數(shù)將減少，流程數(shù)將增加，對(duì)端蓋的密封性能要求較高。由于流程數(shù)增加，冷凍水側(cè)的阻力將增加，因此需適當(dāng)降低管內(nèi)流速，在阻力不大的前提下確定管內(nèi)流速．復(fù)核傳熱系數(shù)，并適當(dāng)增加其面積[11]。
5 結(jié)論
對(duì)于螺桿式冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)而言，它需要考慮許多問(wèn)題諸如：性能，結(jié)構(gòu)，安全，質(zhì)量，操作等。在螺桿式冷水機(jī)組中，對(duì)系統(tǒng)性能影響最大的主要是螺桿式壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置等的性能，因此，要提高冷水機(jī)組的性能，除了要提高各部件的性能，同時(shí)也要分析研究各種影響因素，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化組合。螺桿式水冷冷水機(jī)組在商業(yè)和工業(yè)中央空調(diào)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，冷水機(jī)組性能的提高不僅能降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，而且也可降低機(jī)組的維護(hù)費(fèi)用。
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