额定制冷量440kW二级能效的风冷螺杆机组的设计.docx
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额定制冷量440kW二级能效的风冷螺杆机组的设计
额定制冷量440kW，二级能效的风冷螺杆机组的设计
额定制冷量440kW，二级能效的风冷螺杆机组的设计
热能与动力工程专业杨健春（099014028）指导教师任能讲师
摘要
随着经济和社会的发展，人们越来越多地开始追求工作和生活环境的舒适性。
而影响人体舒适感的一个重要参数就是空气温度，所以空调器也越来越普及。
众所周知，空调器的形式多种多样。
就大型建筑和高层楼宇而言，采用集中式供冷系统成为发展趋势，本文所设计的风冷螺杆式冷水机组就是众多集中式供冷机型中比较成熟的一种，在大型建筑和高层楼宇暖通设备中频频采用。
首先，本文对采用不同的蒸发器的两套方案可行性比较，其中采用比泽尔压缩机选型软件BITZERSoftware5.1进行系统工作点的确定（蒸发温度和冷凝温度）和压缩机的选择，还兼顾了风机的选择，最终确定采用干式蒸发器设计的系统方案。
其次，本文先对总体方案和部件布局进行设计；然后分别使用不同的设计软件对蒸发器和冷凝器进行设计，其中冷凝器设计部分还就不同方案进行了具体比较，并详细研究了风机与冷凝盘管的匹配问题（即风机工作点的确定），最终对所设计的冷凝器进行了优化；紧接着完成了节流部件的选择。
再次，利用数据拟合技术建立了压缩机、蒸发器和冷凝器的热力学模型，根据能量守恒定律建立了系统匹配模型，以此找到了最合适的系统工作点（蒸发温度和冷凝温度）。
最后，本文还就所设计的冷水机组中使用到的辅助部件进行了一一选型，并对整个设计工作进行总结并提出未来工作展望。
关键词：
冷水机组；制冷系统；数学模型；优化设计
Abstract
Withthedevelopmentofeconomyandsociety,peopleareincreasinglystartingthepursuitofcomfortwithworkingandlivingenvironment.Theairtemperatureisanimportantparameterwhichaffectsthehumanbodycomfort,thatiswhyairconditionersaresopopular.Asweallknow,theformsofairconditionerarevarious.Asforhugebuildingandhigh-risebuilding,adoptingthecentralizedcoolingsystemisthedevelopingtendency.Inthispaper,thedesignedaircooledscrewwaterchillersystemisoneoftherelativelymaturecentralizedcoolingsystems,whichisusedfrequentlyinhugebuildingandhigh-risebuildingequipment.
Attheveryfirst,thepapercomparestwosolutionswhichusedifferentevaporators.Amongthese,thepaperusesBITZERSoftware5.1toensurethesystemworkingpoints（evaporatingtemperatureandcondensingtemperature）andtoselectthecompressor,alsothefans’selection.ThenIselecttheprojectwhichusesdry-typeevaporator.
Secondly,thepaperdesignsthewholeprojectandtheparts’layoutatfirst;thenusingdifferentdesigningsoftwaresIdevisetheevaporatorandcondenser.Inthecondenserparttwosolutionsarecomparedspecifically,thematchingproblembetweenfanandcondensingcoil（thatistheensuringoffanworkingpoint）isstudieddetailedly.Thenperfectthedesignedcondenser.Aftertheseitisthethrottlingelement’sselection.
Thirdly,thepaperestablishesthethermodynamicmodelofcompressor,evaporatorandcondenserusingthedatafittingtechnique,establishesthesystemmatchingmodelonthebasisoftheenergyconservationlaw,thenfindsthemostappropriatesystemworkingpoint（evaporatingtemperatureandcondensingtemperature）.
Lastly,thepaperselectsaccessoriesthatisnecessaryinthedesignedwaterchillingunit,summarizesthewholedesign,andputforwardtotheoutlookoffuturework.
Keywords:
chiller;refrigeratingsystem;digitalmodel;optimizationdesign
1文献综述
1.1前言
风冷螺杆式冷水机组由螺杆式压缩机、蒸发器、风冷式冷凝器、节流部件、油分离器、油冷却器、油过滤器、气液分离器、控制箱和起动柜等主要部件组成。
目前市场上常见的风冷螺杆式冷水机组，绝大部分为多机头机组。
风冷式冷水机组工作流程与水冷机组大致相同，所不同的是水冷式机组的冷凝器采用壳管式冷凝器，而风冷式机组的冷凝器采用翅片管式换热器。
1.2螺杆式制冷机组
1.2.1常用制冷剂
螺杆式制冷压缩机是容积式压缩机，又是回转式压缩机。
在高温、中温领域都常用，可采用的制冷剂也有多种，如R22、R410A、R134a等。
1R22
R22是一种中温制冷剂，它的沸点为-40.8℃，常温下冷凝压力和氨相近，单位容积制冷量也差不多，在中温和低温下饱和压力较高，因此在较低温度下R22比氨好。
目前，在螺杆式压缩机中氨作为制冷剂已基本不用。
R22排气温度较高，若在压力比较高的工况下工作，要对压缩机采取冷却措施，以避免压缩机排气温度超过安全温度限。
水在R22中的溶解度很小，而且随着温度的降低，水的溶解度越小。
当R22中溶解有水时，会引起冰堵现象和对金属的腐蚀作用。
R22能部分地与矿物油互相溶解，其溶解度与润滑油的种类和温度有关[1]。
R22的ODP值为0.055，GWP值为0.35。
R22属于HCFC类制冷剂，根据蒙特利尔协议书规定，将于2020年前全面淘汰[2]。
2R410A
R410A是由R32和R125两种工质按50%和50%的质量分数混合而成，属HFCs制冷剂。
R410A在标准压力下，泡点温度为-51.6℃，相变温度滑移小于0.2℃，属近共沸混合物，热力学性质十分接近单工质。
同R22相比，R410A的冷凝压力增大近50%，是一种高压制冷剂，需要提高系统耐压强度。
由于R410A的高压、高密度，使得允许制冷剂管径减小许多，压缩机的排量也可大大降低；同时R410A液相的热导率高、粘度低，使其具有明显高于R22的传输特性。
该制冷剂的ODP值为0，GWP值小于0.2[1]。
3R134a
R134a是一种新型制冷剂，其标准蒸发温度为-26.5℃。
它的主要热力性质与R12相似，见表1-1，其毒性类似R12，对臭氧层没有破坏作用，温室效应比R12小，是R12的十分之一。
R134a对金属的腐蚀作用比较小、稳定性好、也不溶于水。
R12为制冷剂的制冷机改用R134a后，其制冷量和能效比不会下降，但系统须用适合R134a的润滑油、干燥过滤器等。
国际上对R134a进行研究，认为R134a是比较理想的一直R12替代制冷剂。
但R134a的GWP为0.29，仍比较大，制冷界也有人认为R134a不是最适宜的制冷剂[3]，最好使用天然制冷剂。
本设计中使用的制冷剂就选择R134a。
表1-1R134a与R22、R410A的主要性能比较
工质
R22
R410A
R134a
相对分子质量
86.47
72.58
102.0
标准蒸发温度/℃
-40.8
-51.6
-26.5
临界温度/℃
96.2
72.5
100.6
临界压力/MPa
4.99
4.95
3.944
ODP值
0.055
0
0
GWP值
0.35
---
0.29
1.2.2螺杆式压缩机
1工作原理
螺杆式压缩机是靠气缸中一对螺旋转子相互啮合旋转，造成由齿形空间组成的基元容积的变化，实现了对制冷剂气体的压缩。
图1-1是典型开启式螺杆压缩机的一对螺旋齿转子、气缸和两端端盖的外形图。
由图可见，压缩机8字形的气缸3里有一对转子，其中一个有凸齿的称阳转子6，另一个有凹齿槽的称阴转子2，气缸的左右有吸气端盖1和排气端盖5封住，一对转子就支撑在左右端盖的轴承上。
转子之间及转子和气缸、端盖间留有很小的间隙。
在吸气端盖1和气缸3上部设有轴向和径向进气口，在排气端盖5和滑阀4的端部设有轴向和径向排气孔口[4]。
图1-1开启式螺杆压缩机的结构
1-吸气端盖2-阴转子3-气缸4-滑阀5-排气端盖6-阳转子
当压缩机运转时，阳转子带动阴转子（也有由阴转子带动阳转子的结构），由阴阳转子凹凸齿槽、啮合密封线与气缸和端盖内壁所围成的人字形所围成的基元容积不断变化（图1-2为由下而上的仰视图）。
当基元容积由最小向最大变化时，它与轴向和径向吸气口相通，进行吸气过程（图1-2-a、b、c）。
当基元容积达到最大并与吸气口隔开时，吸气结束。
此后，基元容积由最大逐渐变小，开始气体的压缩过程（图1-2-d、e）当基元容积开始与轴向和径向排气口接通时，进行排气过程（图2-f）,直到基元容积变为零为止。
上述过程，随着转子连续运转，重复地进行[5]。
图1-2螺杆压缩机的工作原理图
2型式和结构
1）开启式螺杆制冷压缩机
图1-3为武汉新世界制冷工业有限公司研制生产的螺杆Ⅱ型制冷压缩机。
该制冷压缩机的结构特点是：
①全部采用滚动轴承，转子精确定位，轴颈无磨损，期望寿命40000h；②润滑系统在机器运转时由高低压压差供油，一个小油泵仅在开机前提供预润滑油；③能量调节滑阀及内容积比调节机构均由微机自动控制，保证压缩机在高、中、低温各种工况下，均运行在效率最高点；④吸气过滤器布置在机体内，吸排气截止阀和吸排气止逆阀合二为一[6]。
2）半封闭螺杆制冷压缩机
半封闭式螺杆压缩机的额定功率一般在10-100kW之间。
图1-4为比泽尔公司开发的单级半封闭式螺杆压缩机较为典型的结构图。
该压缩机在使用R134a工质时，其冷凝温度可达70℃，使用R404A或R407C工质时，蒸发温度最低可达-45℃[6]。
3）全封闭式螺杆制冷压缩机
图1-3开启式螺杆Ⅱ型压缩机
1-油活塞2-吸气过滤网3-滑阀4-联轴器5-阳转子6-机体7-平衡活塞8-能量测定装置9-阴转子
图1-4比泽尔半封闭式螺杆压缩机结构图
1-阳转子2-安全卸载阀3-滚动轴承4-止逆阀5-排温控制探头
6-内容积比控制结构7-喷油阀8-电动机9-输气量控制器
10-阴转子11-接线盒12-电动机保护装置
由顿汉布什的子公司HARTFORD公司生产的MSC型压缩机，是世界上较早投产的全封闭式螺杆制冷压缩机之一，由于它具有噪声低、振动小、电动机效率高、寿命长等优点，被许多厂家用作冷水机组主机。
该公司的全封闭式螺杆制冷压缩机MSC127系列有4个型号：
MSC1210、1212、1215和1218。
转子直径为127mm,长径比分别为1.0、1.2、1.5和1.8。
压缩机的阴转子与电动机直联，阳转子由阴转子驱动。
转子表面经过激光渗碳硬化处理，以提高使用寿命。
它们的排气量分别为262.4、328.6、394.4、473.3m3/h。
噪声声压级低于85dB（A）。
电动机由排气冷却，比用吸气冷却提高效率。
滑阀10%-100%无级调节容量[6]。
图1-5为空调用全封闭螺杆压缩机结构图。
图1-5空调用全封闭螺杆压缩机结构
1-排气口2-内置电动机3-吸气截止阀4-吸气口5-吸气止回阀6-吸气过滤网7-滤油器8-输气量调节油活塞9-调节滑阀10-阴阳转子11-主轴承12-油分离环13-挡油板
3技术发展特点
1）采用变频调速以代替原来的滑阀调节容量的方式，滑阀调节在部分负荷时性能系数较低，且噪声有所增高。
采用变频调速技术的企业有重庆美的和上海开利等。
2）冷水机组配置降膜式或满液式蒸发器，在保证螺杆式压缩机安全回油的前提下，保证压缩机高效安全运转。
3）为适应制冷剂替代，神户制钢开发了带变频器的单机双级半封闭螺杆式压缩机，其关键在于电机使用纯铝导线以替换常规易被氨腐蚀的铜导线。
另外，大连三洋还销售由神户制钢生产的双级和单级变频螺杆机组。
莱富康开发出了一体化134－IS系列变频螺杆式压缩机。
烟台冰轮和大连冰山相继开发出CO２开启式螺杆式压缩机，用于NH３/CO２制冷剂[7]。
4主要制造商
1）比泽尔
比泽尔是欧洲最大的制冷压缩机制造商。
该公司又是世界范围的商用空调压缩机市场的领跑者。
比泽尔的螺杆压缩机分为4种类型：
半封闭（HSK/NSK）、半封闭紧凑型（CSH/CSW）、全封闭紧凑型（VSK）和开启式驱动（OSK/OSN）。
比泽尔的紧凑型螺杆压缩机（CS65、CS75、CS85与CS95型）在2011年获得了德国劳埃德（GermanischrLloyd-GL）奖[8]。
2）开利
开利已经为其Aquafoce30XW系列开发了大容量螺杆压缩机，这个系列将用于下一代水冷式液体冷却机组，共有从115冷吨到515冷吨的27个型号的产品。
开利还已经为Evergreen23XRV冷水机组开发了可变速螺杆压缩机。
在2011年的AHR展览会上，该公司展示了用于Evergreen23XRV上的三螺杆压缩机[8]。
3）汉钟
以中国台湾为基地的汉钟公司一直在积极从事螺杆压缩机市场经营，在汉钟的产品中，其RC2系列螺杆压缩机拥有从25到500USRT容量范围的26个型号，对应不同的制冷剂，包括R22、R407C、R134a与R410A，在50/60Hz频率下具有从98/118到1523/1832m3/h排气量。
这些机组被广泛应用于中、低温工程，安装在冰蓄冷、水冷、风冷及满液式冷水机组及热泵工程，热回收设备及海运设备上[8]。
4）三菱电机
三菱电机的单级与两级螺杆压缩机的特点是能有较高效率与可靠性的创新结构。
其单级螺杆压缩机具有独特的外形结构设计，使在运行时的热变形所造成的损失最小化。
他的两级螺杆压缩机的特点是更紧凑，并且采用单门转子结构（singlegaterotorstructure）改善第二级的性能[8]。
5市场概况
在中、高容量的空调系统中，如冷水机组和空气源冷、热水机组，采用螺杆式压缩机的产品占了很大比例。
近年来在商业制冷工程中，采用螺杆压缩机的数量也正在逐渐增加。
大约85%的螺杆式压缩机是双螺杆，其余的是单螺杆。
本文中所说的螺杆式压缩机特指双螺杆压缩机。
领先的双螺杆压缩机制造商包括比泽尔、汉钟、特灵、开利、约克、复盛、莱富康、Frascold、日立及顿汉布什。
单螺杆压缩机制造商有Vilter（Emerson）、三菱电机、大金与麦克维尔。
2011年全球螺杆压缩机的需求是138000台。
其中，中国占44000台，美国占33000台，日本占3000台，欧洲占43000台。
螺杆压缩机的主要生产地有中国、美国、德国、意大利、日本与中国台湾等[8]。
中国既是螺杆压缩机应用增长最快的市场，又是世界上最大的生产基地，紧随其后的是美国和欧洲。
随着中国螺杆压缩机市场的迅速扩张，许多领先的螺杆压缩机制造商已经把他们的生产基地迁至中国。
比泽尔、日立、开利、约克、特灵、大金及麦克维尔在中国都有了工厂。
莱富康在上海设了一个装配车间。
6容量调节机构
螺杆式制冷压缩机的能量调节方法主要有吸入节流调节、转停调节、变频调节、滑阀调节、柱塞调节等。
下面简单介绍一下滑阀调节和柱塞调节。
1）滑阀调节机构
滑阀调节的基本原理[9]，是通过滑阀的移动，使压缩机阴、阳螺杆齿间容积对，在齿面接触线从吸气端向排气端移动的前一段时间内，仍与吸气口连通，并使部分气体回流到吸气腔，即滑阀减小了螺杆的有效工作长度，以达到气量调节的目的。
2）柱塞调节机构
在转子座上，沿螺杆轴向的某一特定位置，开设一旁通通道，柱塞在通道内沿着螺杆径向作往复滑动，柱塞的前端面形状为圆柱气缸的一部分，满负荷时，柱塞前端面与螺杆紧密配合，以防止气体从此处泄漏。
一般对应阴、阳螺杆各有一个柱塞。
与滑阀不同，柱塞属于有级调节，每一个柱塞对应一级卸载[10]。
7噪声源分析及控制
1）噪声形成原因的分析
①螺杆压缩机气流噪声：
螺杆一对转子高速运转时，产生强烈的空气动力性噪声。
这种气流性噪声，主要是由周期性吸、排气噪声；过压缩和欠压缩的气体膨胀和回流噪声；齿槽内气体涡流噪声及泄漏噪声等组成。
②开启式压缩机电动机噪声：
主要有冷却风扇的气流噪声、电动机的磁性噪声及轴承的机械性噪声所构成，其中以气流噪声占主要地位。
③换热器轴流风机噪声：
对于风冷式机组和风冷热泵式冷热水机组，轴流风机噪声也是主要噪声源[11]。
2）噪声防止途径
①螺杆压缩机设计：
首先在螺杆压缩机设计时，应考虑从声源上降低噪声。
这主要是改进机组的结构域工艺，即尽可能消除和减少产生噪声的条件。
例如，在转子沟槽和管道中，限制气流速度，造成气流在转子中环流的良好条件；对称齿型改成非对称齿型；提高转子的加工精度；减少排气压力落差，降低排气噪声和涡流；减弱机械噪声等。
②消声器：
目前常用的消声器分为三类：
抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合消声器。
消声器安装在压缩机排气侧，可放在压缩机内部，或者排气管路上，也可同时设置。
③开启式压缩机电动机噪声：
对产生高噪声的大型电动机，改用后曲式叶片的冷却风扇，可明显降低电动机噪声。
④隔声罩：
对于体积较小的制冷机组，可采用隔声罩，将整个机组罩起来。
机罩内部要进行吸声处理[1、5]。
1.2.3主要换热设备
1蒸发器
1）满液式蒸发器
如图1-6所示，从线性浮阀室来的R134a液体和气体混合物先进入满液式蒸发器的均液板，均液板的顶部和侧面都装有扰动喷嘴，从喷嘴喷出的气液混合物大大增加了蒸发器内液体的扰动，有强化沸腾换热的作用。
喷嘴一般制成圆锥形以增加喷出的气流速度，喷嘴常用ICr18Ni9Ti的不锈钢制成，在使用中要防止喷嘴孔被堵塞。
其中的蒸发管采用WolverineTurboB2的高效传热管，管表面有许多针形小孔，小孔底下均由隧道相通，管内表面有螺旋形凸起以强化冷水侧的换热。
从管表面蒸发的R134a气体，经吸气管吸入压缩机。
传热管簇由纵向布置的多块支撑板支撑。
高效传热管在支撑板处为光管，传热管两端用胀管法胀紧在管板上[1]。
满液式蒸发器具有完全润湿的热传表面，可增加蒸发器的使用效率，提高系统低压侧压力。
液态冷媒于蒸发器壳侧沸腾，压损较小，温度亦较均匀；且因吸入端的蒸气以接近饱和的气态进入压缩机，故可增加压缩机的压缩效率与质量流率。
由于多压缩机机组可共享一蒸发器及冷凝器，于部分负载时仍能有效地利用热传面积，故可拥有较高的部分负载效率。
需要注意的是，液气分离空间要能够将大部分的气态与液态冷媒分离，以免造成大量液态冷媒进入压缩机，造成液压缩。
由于进入蒸发器的冷冻油无法随气态冷媒直接返回压缩机，回油的问题必须特别谨慎处理。
图1-6满液式蒸发器
2）干式蒸发器
图1-7所示是一种螺杆式冷水机组中的干式蒸发器。
R22液体制冷剂经膨胀阀后从右侧进入前端盖下部。
为了使气液混合物分配均匀，在各管的进口处装有一只节流孔口。
R22液体在传热管内部不断地蒸发，再进入后端盖，换向后再通过筒体内另一部分传热管，完全蒸发后流回压缩机。
被冷却的冷水从进水管进入，通过筒体内纵向布置的弓形折流板，在筒体内横向来回流动，冷却后的冷水从出水管流出。
热力膨胀阀的感温包敷设在回气管上，根据回气的过热度来调节干式蒸发器的供液量。
该系列中的蒸发管也采用高效传热管，这种高效管是管内有内螺纹，管外轧成螺旋波纹状，这样可同时增强管外水侧和管内R22侧的换热[12]。
干式蒸发器大都以感温式膨胀阀为节流装置，能适应负载的变动，控制性良好，且施工容易、成本低廉。
冷媒流经管内，因流速较大，可借助气态冷媒的速度直接将冷冻油带回压缩机。
缺点在于，过热的冷媒蒸气约占蒸发器热传面积的20%，却仅能提供少量制冷的焓值，故蒸发器总热传效率较低。
流经膨胀阀的冷媒必须维持一定的压差，以确保系统的冷媒循环量及制冷能力。
通常是以设定冷却水入水温度为30℃的高压控制来保持一定的压差，但此种控制模式须维持一定的系统高压，当高压侧的操作条件低于设计条件或于部分负载时，系统效率无法随之提升。
在多压缩机系统中，冷媒循环各自独立，卸载后便有部分闲置的热交换面积无法利用，因此系统的部分负载性能受到限制。
图1-7干式蒸发器
2冷凝器
1）风冷冷凝器
风冷式机组在额定负荷下的输入功率虽比水冷式的大，但由于一天内干球温度变化比湿球温度大，但气温下降时，风冷式机组的排气压力下降幅度也大，因此在部分负荷时机组的能耗减少较多。
在使用螺杆压缩机的风冷冷水机组中，室外侧换热器属于一种空气-制冷剂间的换热器。
这种翅片管式换热器有L形、平直形和V形三种形式[1]。
图1-8所示是翅片管式换热器用翅片管的几种类型。
风冷冷凝器无需水资源，运行成本较低。
安装、使用方便，无需其他配套设备，只要接通电源即可投入运行，不污染环境。
适用于严重缺水或供水难的地区。
不足之处是投入成本较高。
冷凝温度较高，使制冷机组的运行效率降低。
且在北方地区容易结霜，工作效率下降明显。
2）水冷壳管式冷凝器
图1-9是上海合众-开利空调有限公司生产的19XL系列冷水机组中的水冷冷凝器。
压缩机的排气从进气管8进入，为了防止排气直接冲击冷凝管，正对进气管在管簇上方装有一块钻有小孔的防冲击板7，高压气体沿冷凝器纵向扩散后在冷凝管簇上冷凝。
冷凝管9采用WolverineTurboCⅡ型的高效冷凝管。
这是一种管外带锯齿，管内有螺旋形凸缘的高效传热管，它同时增强管内与管外侧的换热。
冷凝后的制冷剂液体通过底部两侧节流孔板14的小孔进入过冷器15.过冷后的制冷剂液体经冷凝器中间孔口流入线性浮阀室16，经节流后流入蒸发器。
冷凝器水侧为2流程。
水从右下侧
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