浅谈单机双级螺杆压缩机制冷系统的应用

2012-05-12陈浩

中国新技术新产品 2012年10期

陈浩

(广州擎天实业有限公司，广东广州 510860）

1 概述

随着全球极端气温的频繁出现，用于验证电子产品的气候环境试验室的性能指标要求越来越高，尤其是低温环境试验室的极限温度通常低于-40℃长时间连续运行。而在大型低温试验室的特点是设计冷量大，制冷负荷变化大。适合采用螺杆压缩机。目前普遍采用单机螺杆压缩机，但是在低温工况下单级螺杆压缩机有以下不利因素：

（1）容积效率下降。蒸发温度越低，压力比越高，螺杆压缩机基元容积之间的压比及压差越大，内泄露大，故容积效率下降。

（2）性能系数降低。蒸发压力越低，则制取单位制冷量的功耗越大，系统的COP值降低。

（3）产生欠压缩。

（4）噪声增大。

（5）排气温度上升。

双级压缩机组由低压到高压通过两次压缩来完成，这样的输气系数要高于单级压缩机；同时每一级的压比减少，排气温度相对较低，适合大压比工况下工作，适合低温工况使用。

2 单机双级螺杆压缩机制冷系统的设计。

单机双级螺杆压缩机制冷系统的设计除了考虑蒸发器、冷凝器、膨胀阀、压缩机这四大件外，还要考虑中间冷却方式、油路系统和喷液冷却回路。

（1）中间冷却方式的选择

为避免单机双级螺杆压缩机排气温度过高，同时为了增加节流元件前制冷剂的过冷度，系统设计时必须配置中间冷却器。考虑到制冷剂供液管道走向复杂，管道阻力较大，因此采用一级节流中间冷却方式。低温环境试验室制冷设计通常采用低温制冷剂R22或R404A，因此采用中间不完全冷却方式。

1-单机双级压缩机，2-冷凝器，3-膨胀阀1，4-蒸发器，5-膨胀阀 2，6-中间冷却器

（2）喷液冷却回路的设计。

双级压缩机应用的场合主要是中低温制冷系统，而中低温系统的压缩机压比大，在使用过程中会造成排气温度太高，为使机组可以达到正常运转的目的，系统需要配置液喷射。如下图所示，引用系统一部分液态制冷剂，直接喷入压缩室或则电机吸气侧以降低排气温度。不过控制排气温度主要靠冷凝器、冷冻油和中间冷却器，而喷液冷却回路仅仅是作为保护件，防止意外情况下排气温度突然增高。喷液冷却回路的关键部件是液喷阀，液喷阀的感温包与压缩机出口的排气接触，自动控制排气温度，使其低于要求值，通过阀门控制的制冷剂直接喷入压缩机的中间状态。但是使用喷液冷却回路会增加压缩机功耗，减少制冷量，因此最好的设计思路是：尽量不用喷液冷却回路，仅仅作为保护装置。

1-单机双级压缩机，2-冷凝器，3-膨胀阀1，4-蒸发器，5-膨胀阀 2，6-中间冷却器，7-液喷阀

（3）油路系统的设计。

油路系统在螺杆机组中极其重要，冷冻润滑油必须符合以下要求：动态密封、轴承的充分润滑、在高温高压下有良好的粘度、在低温状态下有良好的可混合性。因此油路系统设计要考虑三方面：保证冷冻油的洁净度、流量和温度。油路系统的循环是由于油分离器一排气压力与注油口之间的压力差所形成的。油路系统的主要部件有油分离器、油冷却器、油过滤器、油流开关、电磁阀组成，油路系统设计如下图所示。

1-单机双级压缩机，2-冷凝器，3-膨胀阀1，4-蒸发器，5-膨胀阀 2，6-中间冷却器，7-液喷阀，8-油分离器，9-油冷却器，10-油冷旁通电磁阀，11-油过滤器，12-油流开关，13-油路电磁阀。

单机双级螺杆压缩机不同于单级螺杆压缩机，由于压缩机内部没有油腔，因此油分离器需要设计足够大，以便储存足够多的润滑油来保证系统的安全可靠。螺杆压缩机通常采用离心式油分，几乎可以提取所有从压缩机排气口带来的油，这样就可以限制随制冷剂进入系统的润滑油，从而提高蒸发器的换热效果。由于要保证冷冻油能够有较好的流动性和润滑效果，需要在油分离器内安装有油加热器和油温传感器。

为了保证进入压缩机的冷冻油有合适的工作温度和冷却效果，油分离器后需要设置油冷却器。油冷却器是油路系统中最关键的部件，根据实际情况可以采用水冷冷凝器、风冷冷凝器、或者采用自身的制冷剂冷却。由于考虑到冷冻油对压缩机的冷却作用，为了避免压缩机排气过热，通常会加大油冷却器的设计裕量，其“设计换热量=油的冷却量+喷液阀的制冷量”。

为了避免冷冻油被冷却温度太低，影响油的流动性，因此需要设计一油路与油冷却器并联，当油温低于50℃，控制油冷旁路的电磁阀常通。

冷冻油的洁净度会影响到压缩机的润滑效果、螺杆的密封性和使用寿命，因此在油路上需要设计一个可用于更换滤芯的油过滤器，同时在过滤器的前后分别连接压差开关的高低压口，当滤芯出现脏堵，压差开关会传出开关信号。

冷冻油流量的大小也会影响到系统运行的安全可靠以及压缩机的使用寿命，因此在油路上还要设置油流开关，实时监控冷冻油的流动情况。

由于机组设计压缩机位于高位，停机状态下冷冻油会在重力作用下流回油冷却器或者油分离器，这样会造成压缩机启动瞬间的缺油，因此在油路上需要设置油路电磁阀，控制逻辑为“与压缩机启停同步”。

另外，实际运行过程中，经常出现由于管径过小，导致阻力增大，导致油流开关频繁报警的情况发生。因此，建议管径设计上要考虑较大裕量，保证油路的通畅和压缩机安全稳定的运行。