小型离心式制冷单元设计

钱感

（重庆虹海立志机电设备有限公司，浙江 嵊州 312400）

小型离心式制冷单元设计

钱感

（重庆虹海立志机电设备有限公司，浙江 嵊州 312400）

开发制冷量为50～900kW小型离心式制冷单元，实现离心压缩机替代螺杆压缩机是商用制冷发展的趋势。与螺杆和蜗旋压缩机相比，小流量高压比离心式压缩机存在气动效率低、价格高的缺点。论文着眼制冷单元，对气动、传热及工程造价进行系统性规划，并以制冷量100kW为例进行优化设计，探讨小型离心式制冷单元设计思路。

小型；离心式；制冷

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.046

1 引言

近年来，随着能源紧缺形势的日趋严峻，各行各业对节能、产品能耗越来越重视。现代高性能战斗机的电子设备发热量较以往机型加剧，同时，其对超音速巡航能力及隐身性能具有很高要求，其电子设备热载荷基本在50kW内[1]。现代集装箱船、油轮、液化天然气船和国防军舰等舰船迅速发展，其电子设备热载荷基本在100～300kW。随着城市化的发展，商用楼宇和民用住宅对集中制冷、供热的需求也越来越大，其制冷量一般在300～900kW之间。

螺杆压缩机多年来凭借可靠性高、适应性强、价格低等特点，在制冷量为50～900kW的小冷量市场占绝对份额。然而，离心压缩机具有重量轻、尺寸小、结构简单、冷量调节范围广、可靠性高等特点[2]，且随着技术的不断投入，离心与螺杆压缩机的价格差距明显缩短。离心压缩机替代螺杆压缩机是商用制冷发展的必然趋势。

目前，国际上对压缩机的节能研究工作主要集中在以下几个方面：研究润滑特性、压缩机轴承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高压缩机效率、降低泄漏损失以提高压缩机效率、采用变频技术[3]。然而，仅仅关注压缩机局部性能是远远不够的，需从制冷单元出发，系统、全局的对每一部分进行优化设计，以获得低噪、稳定可靠、COP高、调节范围广和高性价比的离心式制冷单元。

2 小冷量制冷单元优化方向

1）优化离心压缩机进出口边界条件。压缩机轴功率主要取决于进气体积流量、蒸发冷凝压力（即蒸发冷凝温度）。采用毛细管网换热器、喷雾式蒸发、改进换热管管型及排布方式等方法提高传热系数，减少管束数量，降低出水温度与蒸发、冷凝温度之间的差值，从而降低压缩机的压比。优化蒸发器出口，确保气流不带液；优化冷凝器进口，降低压力损失和噪声。

2）合理节流，降低系统损失。在节流降压过程中，管道内会产生气泡，一定程度上影响制冷效果。选择合理的管径、节流方式、节流前后流体状态对于小冷量系统越发显得重要。

3）提高压缩机气动效率和机械效率。改进压缩机进/排气流场，确保气流均匀，减少紊流和分离损失。优化进口导叶、叶轮出口和扩压气进口流场，减少气体涡流、激振等损失。

制冷量在50～300kW压缩机可采用高速变频电机直连，轴承采用磁力轴承或气浮轴承。针对制冷量在300～900kW的压缩机则应开发单级压比更高的高效率叶轮，以实现冷热同机。

通过Numeca数值模拟分析开式叶轮间隙与叶片载荷分布的影响关系，发现间隙主要影响叶轮后半段的叶片载荷，在叶顶后半段选用耐磨/可磨涂层。改变密封型式和密封材料，减少泄漏量。流道表面等离子喷涂的方式，降低流道表面的摩擦系数，提高气体在静止元件的流动效率。

4）制冷剂充灌量更合理。

3 机型规划及举例设计

显然，一档机型无法全部覆盖50～900kW的制冷量区间。结合用户需求、轴承特性、高速电机特点、小流量高压比气动特性和传热方式等，机型按制冷量规划如下：50～100kW、100～300kW、300～900kW（分单冷和热泵两档机型）。

以制冷量100kW为例，优化设计离心式制冷单元。

设计参数：制冷量100kW、冷冻水进/出水温度12/7℃、冷却水进/出水温度35/30℃、制冷剂R134a。

冷凝器采用毛细管网换热、过冷的型式，蒸发器采用喷液式蒸发、过热的型式。冷凝、蒸发温度分别为6℃、36℃，压缩机压比2.585。冷凝液过冷1℃，管径采用40mm，并采用固定孔板+可调控孔板结合的方式二次节流。取消进口导叶，采用高速变频电机，通过变频调速的调节制冷量。增大进气管道通径和转弯半径，减少压缩机进气口阻力损失，加长进气管扩压段长度。采用气浮轴承，通过特殊装置保证转子在静止、低速或变工况运行的稳定性。

气动计算和Numeca数值分析发现，采用两级开式三元叶轮与采用一级开式三元叶轮相比，设计点气动效率相差不大，但采用一级开式三元叶轮，发现对工况波动的适应能力差（在87%设计流量时70%叶高、无叶扩压器均出现涡流损失），故建议采用两级半开式三元叶轮，叶轮分别悬挂在高速变频电机的两端，并在叶顶侧涂敷耐磨涂层。整机气动效率预测可达83.2%。

气封采用充气式迷宫密封或可磨密封，密封效果有待样机

试验确定。为降低成本、减少整机重量，压缩机采用筒式撬装结构，筒体、蜗室等采用铸铝合金。

4 结论

本文对小额型离心式制冷单元的优化方向做了详尽的描述，对制冷量50～900kW进行机型规划，并以制冷量100kW为例进行优化设计。

1）离心压缩机是未来战斗机、大型舰船及民用住宅集中制冷供暖等小型制冷单元配套压缩机的发展趋势。

2）就压缩机气动效率而言，离心压缩机比螺杆压缩机要高的多。通过气浮轴承/磁悬浮轴承可实现压缩机无油运行，大大提高机组的机械效率。通过系列化、模块化，合理选用各零部件材料，提高换热效率等方式可降低离心压缩机的制造成本。

3）通过高速变频电机/进口导叶可实现制冷量的调节，机组运行工况范围广。

4）从制冷单元出发，应用毛细管换热、耐磨涂层、阻尼气封、等离子喷涂等新技术，充分考虑气体、液体的流动损失，从各细节出发，全面提高COP。

【1】高峰，张兴娟，袁修干.机载离心式制冷压缩机设计及特性分析[J].北京航空航天大学报，2013（39）：15-16.

【2】李红旗.近年来小型制冷压缩机研究的几个热点问题[J].Household applianceTechnology，2005(12)：48-50.

【3】HajimeSato,etal,.FrictionalcharacteristicsofThrustBearinginScroll compressor[M].2004InternationalCompressorEngineeringConference.

Design of Small Centrifugal Refrigeration Unit

QIANGan
（ChongqingHongHaiLiZhiElectromechanicalEquipmentCo.Ltd.,Shengzhou312400,China）

Development of refrigeration capacity of 50～900kw for small centrifugal refrigeration unit, which is the development trend of the commercial refrigeration to replace the screwcompressorwith centrifugal compressors. Compared with the screwand scroll compressor, the small flow high-pressure ratio centrifugal compressor has the disadvantages of lowaerodynamic efficiency and high price.This paper focuses on refrigeration unit tomake systematic planning of aerodynamic, heat transfer and price, and takes refrigeration capacity of 100kw as an example to optimize the design and discusses the design ideas of small centrifugalrefrigerationunit.

small;centrifugal;refrigeration

TH45

A

1007-9467（2016）07-0073-02

2016-5-27

钱感（1983～），男，浙江嵊州人，工程师，从事离心压缩机设计与研究，（电子信箱）kingstifen@163.com。