小型离心式冷水机组性能分析

吕 肖，刘庆刚，冈田健

(广州日立冷机有限公司，广州87862951)

0 引言

离心式制冷压缩机是利用叶轮的高速旋转增加制冷剂动能，并通过能量转化对制冷剂进行增压。相比容积式压缩机，具有同等容量下机组尺寸小，运行效率高，机械磨损少，启停机时间短，易实现多级压缩和变蒸发温度等优势。图1给出了我国近几年不同容量范围内冷水机组的销售比例(1)，容量范围在100～500冷吨的冷水机组占整个冷水机组市场中的比例约为40%，而冷水机组各种机型(活塞式、螺杆式、离心式、吸收式等)均能涉及到这个领域，市场竞争相对激烈。

图1 近几年不同容量范围的冷水机组的销售比例

不同类型的冷水机组在不同容量下的能效水平是不同的，当前行业内，以离心式为主的大型冷水机组的名义COP普遍较高，主要分布在5.5～6.5之间，300RT以下的中小型容积式冷水机组的名义COP大多数分布在5.5以下。容积式冷水机组是中小容量机组的主要部分(2)，但其COP普遍低于离心式冷水机组。实现离心式冷水机组小型化是一种提高行业内中小冷量冷水机组高效水平的有效途径，其已成为当前离心式压缩机制造业的主要研究方向之一(3)[1]。

本文将以笔者公司开发的小型化离心式冷水机组为例，阐述离心式冷水机组小型化、高效化的技术途径，根据机组性能实测数据得出其部分负荷性能曲线，并和名义制冷量和能效比相近的单机头螺杆式冷水机组的全年运行费用进行对比分析。

1 小型化离心式冷水机组的设计特点

2013年，笔者所在公司成功开发出一款小型离心式压缩机，设计冷量范围在703～1407kW(200～400冷吨)。笔者以研发样机HC-F300GXG-S为案例，全面介绍小型化离心式冷水机组的原理和性能。

图2 离心式冷水机组结构示意图

1.1 双级压缩制冷循环设计

该机组采用“双级压缩+经济器”的制冷循环模式，如图2所示。在冷媒循环过程中，来自冷凝器的高压液态冷媒经高压级节流孔板1后进入经济器，冷媒闪发后的饱和液体则经过低压级节流孔板2进入蒸发器制取冷水；来自蒸发器的低压蒸汽经过一级压缩变成中间状态后，与来自经济器中冷媒闪发形成的饱和蒸汽混合，再经过二级压缩进入冷凝器。增设经济器可以减少一级压缩的冷媒流量，并降低二级压缩入口蒸汽的温度和比热容，提高循环效率[2]。计算表明，双级压缩的理论COP相比相同蒸发、冷凝温度条件下的单级循环提高约10%。

1.2 离心式压缩机的小型、高效化设计

图3 HC-F300GXG-S机组部分负荷性能曲线(ARI标准工况下)

压缩机各部件小型化的前提条件，是需要克服叶轮轴系高转速特性对材料强度、加工精度、运行稳定等方面的要求。例如转子采用滑动轴承，工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。所以在高转速的情况下确保了压缩机的性能和使用寿命。高效设计方面，压缩机内部采用了导流叶片、闭式叶轮、叶片式扩压器等部件，确保冷媒蒸汽从低压吸入至高压排出压缩机的整个过程中，最大程度上维持压缩机的高效率运行[3]。

1.3 蒸发器和冷凝器小型、高效化设计

小型化的冷水机组的蒸发器和冷凝器均采用了高效传热管。

满液式蒸发器所用的传热管，表面密布微孔，微孔下面有槽道相连接。这种结构提高了气化核心密度和对空穴的补液速度，促进了沸腾的传热效果。比普通光滑管的总换热系数提高了3倍左右。

壳管式冷凝器所用的传热管，特殊设计的管外翅片形状，增加了换热面积，减薄了翅片上液膜的厚度，从而增加了冷凝换热系数；同时管内具有螺旋槽道，强化管内换热；两面强化换热的综合效果可以大大提高总的换热系数。比普通光滑管的总换热系数提高了2～3倍。

两器采用高效管，提高了传热管的换热系数和换热表面积，从而减少了传热管的数量，减少了两器的体积，降低铜金属耗量和制造成本，并在运行中降低了能耗。

1.4 优化控制程序

笔者公司的离心式冷水机组的一大优势设计就是防喘振措施，机组采用“进口导叶+冷媒液旁通”设计，可实现冷水机组在20%～100%负荷范围内连续运行[4]；在此基础上优化的“进口导叶+冷媒液旁通+冷媒热气旁通”设计，可确保机组在10%低负荷范围能够稳定运行。

2 小型化离心式冷水机组的运行性能分析

采用了上述设计的小型化离心式冷水机组，其名义工况、变工况和部分负荷工况性能均得到改善。图3给出了HC-F300GXG-S样机的部分负荷性能曲线。(该样机在冷水温度7/12℃、冷却水温度30/35℃工况下的名义制冷量为1055kW，COP为5.7)

为了进行性能比较，选用与HC-F300GXG-S机组名义制冷量与COP相当的某品牌单螺杆冷水机组进行部分负荷性能比较。该单螺杆机组(简称为RTHG300型机组)在冷水温度7/12℃、冷却水温度30/35℃工况下的名义制冷量为1058kW，COP为5.3。RTHG300型冷水机组综合部分负荷系数IPLV测试工况点数据如图4所示。

有一华南项目要求冷量1000kW(约300冷吨),下面以采用上述两种冷水机组为例，对比分析两种机组的耗电情况。根据ARI标准推荐，冷水机组满负荷即100%运行时间为1%，75%、50%、25%运行时间分别占总运行时间为42%、45%和12%。本项目按每年空调时间6个月进行计算，总体运行时间为6×30×10=1800h。则机组100%、75%、50%、25%运行时间分别为18、756、810、216h。

图4 RTHG300型机组部分负荷性能曲线(ARI标准工况下)

1)HC-F300GXG-S离心式冷水机组

根据图2机组的部分负荷性能曲线：

机组在100%、75%、50%、25%负荷下COP分别为5.71、6.01、5.73、3.83。

机组在100%、75%、50%、25%负荷下功耗分别为185kW、132kW、92kW、69kW。

机组4个月总耗电量：18×185+756×132+810×92+216×69=192546kWh。

2)RTHG300螺杆式冷水机组

根据图3机组的部分负荷性能曲线：

机组在100%、75%、50%、25%负荷下COP分别为5.3、5.65、5.92、4.55。

机组在100%、75%、50%、25%负荷下功耗分别为199kW、140kW、89kW、58kW。

机组4个月总耗电量：18×199+756×140+810×89+216×58=194040kWh。

3)年运行费用对比分析

300冷吨机组在6个月的运行中，HC-F300GXG-S离心式冷水机组总耗电为192546kWh，RTHG300螺杆式冷水机组总耗电量为194040kWh,即离心机组比螺杆机组节电1494kWh，节省了约0.8%的运行费用。

3 结论

以离心式制冷压缩机二级压缩的高COP实绩优势，阐述开发小型高效的离心式冷水机组是提高中小冷量机组能效水平的有效途径。并以笔者公司开发的小型化离心式冷水机组为例，与同等容量、相近能效比的单机头螺杆式冷水机组进行全年运行费用对比分析。比较结果，小型离心式冷水机组的年运行费用低于螺杆式冷水机组。进而表明，小型离心式冷水机组的运行性能已达到或超过常规单机

头螺杆式冷水机组的运行性能，在未来的中小型冷量范围内拥有良好的市场前景。

[1] High-efficiency Turbo Chiller (NART Series),Wataru Seki,Kenji Ueda,Jyou Masutani et al.Technical Review[J]﹒Mitsubishi Heavy Industries，Ltd﹒2002，39(2)：67-72

[2] 吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备[M]﹒西安：西安交通大学出版社，2004

[3] 徐忠.离心式压缩机原理[M]﹒北京：机械工业出版社，1990

[4]吕肖，陈亮.离心式冷水机组防喘振措施分析[J].制冷，2012，31(4)：65-69

(1)产业在线.http:∥www.chinaiol.com/tj/m1122/357920.html

(2)李连生,赵远扬,杨启超,等.制冷与空调压缩机的技术现状与发展趋势[A].制冷空调新技术进展——第三届制冷空调新技术研讨会论文集[C]

(3) 2010年度大型冷水机组市场研究报告[R].北京：北京智信道咨询有限公司，2011