第2章多机头螺杆式制冷机组的模拟Word下载.docx

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首先了解当前市场主流产品的特点，主要是何种压缩机、何种换热器、节流装置及形式如何，可以为明确以后的建模对象。

2.1.1冷水机组的情况

目前蒸气压缩式冷水机组按压缩机形式分为活塞式、涡旋式、螺杆式和离心式，每种类型都有水冷和风冷之分，但离心式很少采用风冷。

尽管活塞式机组的技术最为成熟，但由十其性能改进的潜力几乎已达到极限，故在宽泛的冷量范围内逐渐被其他类型机组替代。

为了适应空调负荷并增加压缩机生产批量，冷水机组都趋向采用多机头、小机头的型式，这样可以采用台数控制方式，以提高部分负荷工况下的性能。

但也应看到，多机头配置增加了机组的机械复杂性，回油系统的可靠性要差些。

单机头机组用在负载较稳定、机组常年运行的场合较有优势。

为了提高能效，制造商还广泛采用微机控制和变频调速技术，研究表明，在中央空调系统使用变速压缩机可节能15%-40%（找出相关的文献3）。

3.1.2.2压缩机的特点

活塞式压缩机的技术最成熟，它的应用也最广泛，但由十其噪声大、震动幅度大、转速不能太高等固有的弱点，逐步被其他类型压缩机所取代。

涡旋压缩机不需要进、排气阀，工质在涡旋体中流速较低，这给变频运行创造了极佳条件，它可以在13000r/min-900r/min的范围内较好运转。

涡旋压缩机涡掀加工精度非常高故密封性能好，容积效率高，目_对湿冲程也不敏感，有利十采用喷液冷却。

它还可以带经济器运行，这就进一步提高了效率。

总之，涡旋压缩机效率高、噪声低、运转平稳，但其优点的体现有赖十很高的加工精度和安装技术。

通常所说的螺杆压缩机指双螺杆压缩机，其结构紧凑、能适用十大压比的工况、对湿行程不敏感、有良好的输气调节特性、维护方便。

单螺杆压缩机的工作原理与双螺杆基本相同，但由十力平衡性好、振动噪声低、零部件更少，可以喷射制冷剂来降低排气温度和提高密封性能，近年来也得到重视和发展。

资料介绍单螺杆压缩机的寿命是双螺杆的2-4倍，安全运行时间也长。

螺杆压缩机带经济器系统和内容积比自动调节可提高能效。

经济器有再冷却、闪蒸桶等多种形式，螺杆式压缩机常用再冷却形式。

就一般情况}fu言，空调工况带经济器比不带经济器的能效比提高4.9%。

离心式压缩机必须使用在大制冷量场合。

它结构简单，制造精度主要体现在高速旋转的叶轮上。

离心机可以实现多级压缩和中间冷却，能明显减少功耗。

有制造商称，采用二级压缩带两级中冷器的机组的能效比可以比普通单级机组的提高7%左右，两级压缩带中间冷却器机组也能提高4.5。

离心机可以利用进口导叶或变频，自动对制冷量进行无极调节，调节范围宽。

对大型设备，可用高效率的蒸汽轮机或燃气轮机直接驱动，实现变速调节，节能效果好，还可实现能量回收循环。

压缩机可分为开启式、半封闭式和全封闭式。

封闭式的优点是体积小、质量轻、噪声低，不存在轴封漏制冷剂和漏油。

主要缺点是需设排气喷液冷却系统;

更换和维修压缩机不如开启式方便;

电机绕组需采用特殊漆包线，对润滑油性能的要求也要高些;

任何事故都会降低电机寿命甚至导致电机烧毁;

电机绕组线径较小，高过载能力差。

开启式压缩机检修和更换电机非常方便，Ifub‘可以做到很大的机型，如开启式螺杆式冷水机组单机最大冷量可达3500kW}IfU半封闭式单机目前只能达到840kW。

它的缺点是质量大，噪声偏大，对轴封要求严格，处理不好会泄漏油及制冷剂。

就能效Ifu言，由十电机是空冷的，不需用液体制冷剂对排气进行降温冷却，压缩机吸气过热度小，因此一般来说，开启式冷水机组的能耗低，能效比比封闭式高3%-5%左右。

对于开启式压缩机还必须注意机组电机向机房的散热问题，如果机房的通风不好，因电机散热需要空调设备，可能和封闭式的能耗相差无几。

3.1.2.3蒸发器和冷凝器的特点

集中空调机组所用的换热器类型很多，水一制冷剂换热应用最广的是壳管式、套管式、板式等，Ifu空气一制冷剂换热则常用翅片管式。

此外，冷凝器还可采用水和空气联合冷却的方式，这包括淋水式冷凝器和蒸发式冷凝器两大类。

壳管式换热器用作蒸发器可分为干式和满液式，区别是前者制冷剂走管程，载冷剂走壳程，后者则相反。

干式蒸发器中的载冷剂不易冻结，回油方便，制冷剂充灌量小，约为满液式的1/2-1/3;

但它存在制冷剂流动阻力大、各管道内制冷剂流量分配不均、不易清洗水垢、水侧内部泄漏等问题。

满液式结构紧凑，操作管理方便;

但载冷剂易冻结}fu胀裂管子，工况易受制冷剂液位高度影响，制冷剂内会积油，必须有可靠的回油措施，否则影响系统的安全运行。

对十同一尺寸的壳管式换热器，在其他条件不变的情况下，若将干式改为满液式可将换热效果增加20%左右。

现在板式换热器在制冷系统中的应用也口益增多。

板式换热器一般采用整体钎焊形式。

板片是该类换热器的核心兀件，目前常用的主要有二种形式:

人字形波纹板、水平平直波纹板和瘤形板。

此类换热器的优点是结构紧凑、体积小、重量大约只有相同换热面积的壳管式换热器的25;

它的传热系数高，一般为壳管式的1.1-1.7倍;

制冷剂充灌量小，大约是壳管式的20}}-40。

但缺点是制造复杂，造价较高;

板片之间间隙较小，易堵塞，故对水质要求较高。

在换热器中，换热管是其实现功能的决定性兀件。

制冷换热器中使用的传热管大致经历了光管、翅片管和高效传热管这二个发展阶段。

低翅片管目前常用的是每英寸19翅和26翅，正在开发的是每英寸36翅、48翅和56翅。

自从1976年口本口立公司开发出Thermoexcel-C不IIThermoexcel-E管后，高效传热管得到了广泛使用。

著名的高效传热管有口本古河金属株式会社的CCS-35高效冷凝管和ECR高效蒸发管;

德国Wieland-Werk生产的Gewa-T型高效蒸发管;

美国Wolverine公司生产的Turbo-B高效蒸发管和Turbo-C高效冷凝管等。

文献[143」和【144」归纳整理了常用换热管的结构和性能数据。

3.1.2.4节流装置的特点

大、中型机组采用的节流装置有热力膨胀阀、电子膨胀阀、孔板、线性浮子阀、浮球阀等。

热力膨胀阀是传统的节流兀件，用十干式蒸发器，它以蒸发器出口处制冷剂的过热度为信号来调节供液量。

热力膨胀阀的优点是造价低、控制简单;

其缺点是:

C1）流量调节对过热度的响应滞后，被调参数易发生周期性振荡;

C2）制冷剂流量调节范围小;

C3）允许负荷波动范围小，不适合应用十能量调节系统;

C4}蒸发器出口过热度偏差大。

电子膨胀阀适应了机组机电一体化的要求。

它可以根据制冷剂液位进行动作，也可以根据制冷剂过热度调节，故可用十满液式与干式蒸发器。

电子膨胀阀控制灵活，流量调节更精确，适应的工况范围较广，很适合用十带能量调节的系统。

据有关资料介绍:

采用电子膨胀阀在部分负荷下的运行效率较热力膨胀阀高28},目‘冷（热）水温度可控制在约0.10C范围。

从机电一体化发展趋向看，电子膨胀阀替代热力膨胀阀是必然趋势，特别是对十风冷冷水机组（或热泵）等运行工况变化大的机组，更适合采用电子膨胀阀。

孔板主要在大中型机组中配合满液式蒸发器使用。

线性浮子阀结构简单、工作可靠，一般用十满液式蒸发器;

由十液封作用，不会有无效制冷剂气体经过浮子阀到蒸发器去，提高了机组的部分负荷效率。

2.2模型的构思

其模型主要也是由冷凝器模型、蒸发器模型、螺杆式压缩机模型及膨胀阀模型组成。

按照制冷剂一定的控制流程，把这四部分模型组合起来，就构成了离心式制冷机组的整体模型。

其整体模型示意图如图2.1所示。

制冷剂是制冷机组的“血液”，通过制

冷剂的载热和传热，制冷机组的制冷循环才能得

以实现。

离心式制冷机组的两种可能的制冷剂循

环分别如图2.2和2.3所示。

图2.2中的循环为典型的制冷循环:

考虑

了冷凝器、蒸发器出口的制冷剂过冷和过热的情

况。

为了简化整个制冷机组的模拟，在稳定模拟

中，通常使用图2.3中的制冷循环:

假设制冷剂离

开冷凝器和蒸发器时分别为饱和液体和饱和蒸汽

状态。

同时，也假设冷凝器的传热表面及温度调图2.1离心式制冷机组模型整体示意图

节阀的控制为“理想”性能状态。

不考虑系统和周围环境的热传递。

也就是说:

Qcd=W+Qev（2.1）

注意:

以上各符号的具体涵义见符号索引，以下相同。

2.1.1冷凝器和蒸发器模型

在本章制冷机组的稳态模拟中，为了便于整个空调水系统的模拟分析，冷凝器和蒸发器可简化成典型的逆流式换热器:

即把换热器内的流体视为一维的流体，而不考虑其内部的两相流、过冷和过热区域。

在每一个换热器中，制冷剂的传热过程被视为等温过程。

液态水被假设成理想流体（图2.4），同时，也不考虑热交换器内部的复杂结构，把传热面积和传热

系数的乘积（总热导）视为模拟程序中的一个整体参数。

换热器的换热量计算可以分为:

冷冻水、冷却水侧（二次流）换热量，制冷

剂侧（一次流）换热量和冷冻（却）水与制冷剂之间的热交换量（一次流与二次

流之间）计算。

2.1.多机头螺杆式压缩机模型（参见文献2）

3.2压缩机模型

对压缩机目前已有较多研究，本文的目的是求解整个系统的特性，}fu不深究

每个部件的细节，因此不对压缩机本体作过多探讨，只根据当前的研究进展选择

简洁、合适的压缩机模型。

所谓简洁就是不研究压缩机的实际工作过程，}fU将各

种影响因素用经验系数表示，合适就是它能获得系统连接所需的参数。

通过求解

压缩机模型，得到的参数是排气温度、制冷剂流量、出口烩及消耗的电功率等。

3.2.3螺杆式压缩机

3.2.3.1制冷剂流量

理论排气量为

}th一CnC}nLDz/60=CnC}n}.D3/60C3-3a）

式中:

C:

一面积利用系数，按表3-1[147,149]取值;

一扭角系数，一般情况是扭

角2400取0.999,2700取0.989,3000取0.971;

L一转子长度，m;

D一转子直径，

m;

},一长径比，定义为LlD，一般取1和1.5o

容积效率按如下经验公式【lso}计算。

:

一。

.95一。

.0125

火PS）

（3一3b）

对十单螺杆压缩机，理论排气量为

3.3蒸发器和冷凝器模型

制冷空调用换热器的种类很多，这里只讨论集中空调机组最常用的，即壳管

式、翅片管式和板式换热器。

即使是只分析这二类换热器，由十传热管、换热器

内结构等的差异也将使问题变得极为复杂。

为便十研究，我们按如下方法对换热

器分类:

（1）主体结构以管子为基本换热兀件的壳管式、翅片管式和以传热板片