离心式冷水机组的设计和工作原理

1.离心式冷水机组流程　以离心式制冷压缩机为主机的冷水机组，称为离心式冷水机组，如图9－18所示。它常用于大中型建筑物或纺织、化工、电子等工业中的空调系统，具有制冷量大、体积小的优点。

离心式冷水机组采用R123或R134a制冷剂，并且卧式壳管冷凝器和蒸发器被组装在一个筒体内，成为单筒式冷凝——蒸发器组，蒸发器供液量由浮球式膨胀阀控制。机组的润滑油系统由油箱、油泵、油冷却器、油过滤器、油压调节阀以及电加热器等组成，靠此系统对压缩机的各轴承以及增速器齿轮和轴承进行压力注油润滑。此外，系统中设置了一套抽气回收装置，用于排除渗入系统的空气并回收混合气体中的制冷剂。

2.离心式制冷压缩机结构及工作过程简述　离心式制冷压缩机是一种速度型压缩机，具有制冷量大，型小量轻、运转平稳等特点。空调用离心式制冷压缩机一般为单级压缩，其结构如图9－19所示。离心式压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、弯道、回流器、蜗壳、主轴、轴承、机体及轴封等零件构成。

图9－19　单级离心式压缩机简图

1—机体　2—叶轮　3—扩压器　4—蜗壳5—主轴　6—导流叶片能量调节装置

叶轮是压缩机中最重要的部件。叶轮通常由轮盘2、轮盖1和叶片3组成，如图9－20所示。轮盖通过多条叶片与固定在主轴4上的轮盘连接，形成多条气流通道。气流在叶轮中的流动是一个复合运动，气体在叶轮进口外的流向基本上是轴向，进入叶片入口时转为径向。

图9－20　叶轮的结构

b1—叶片进口外宽度　b2—叶片出口外宽度　D1—叶片进口外叶轮的直径　D2—外径
β1—叶片进口安装角　β2—叶片出口安装角

离心式压缩机的工作原理与容积式根本不同，它不是靠工作容积减小来提高气体的压力，而是利用旋转着的叶轮对气体作功，把能量传递给连续流动的制冷剂蒸气，依靠制冷剂蒸气本身的动能变化来提高气体的压力。工作时，电动机通过增速箱带动主轴高速旋转，从蒸发器出来的制冷剂蒸气经吸气室进入由叶片构成的叶轮通道。由于叶片的高速旋转产生的离心力作用，将制冷剂气体自叶轮中心向四周抛出，致使叶轮进口处行成低压，气体不断吸入。叶轮使气体获得动能和压力能，流速和压力得到提高。高速气流进入通流截面逐渐扩大的扩压器，气流逐渐减速而增压，即将气体的动能转为压力能，压力进一步增大。当被压缩的气体从扩压器流出后，蜗室将气体汇集起来，由排气管输送到冷凝器中去，完成压缩过程。

图9－21　级的特性曲线

3.离心式制冷压缩机的特性　离心式压缩机的特性是指在一定的进口压力下，输气量、功率、效率和排出压力之间的关系、并指明了在这种压力下稳定工作范围。下面借助一个级的特性曲线进行简单的分析。

图9－21为一个级的特性曲线。图中S点为设计点，所对应的工况为设计工况。由流量——效率曲线可见，在设计工况附近，级的效率较高，偏离越远，效率降低越多。

流量——排出压力曲线表达了级的出口压力与输气量之间的关系。B点为该进口压力下的最大流量点。当流量达到这一数值时，叶轮中叶片进口截面上的气流速度将接近或达到音速，流动损失和冲击损失都很大，流体所获得的能量头用以克服这些阻力损失，流量不可能再增加，通常将此点称为滞止工况。

A点为喘振点，其对应的工况为喘振工况，此时的流量为该进口压力下级的最小流量，当流量低于这一数值时，由于供气量减少，而制冷剂通过叶轮流道的损失增大到一定的程度，有效能量头将不断下降，致使排气压力陡然下降使得叶轮不能正常排气。这样，叶轮以后的高压部位的气体将倒流回来。当倒流的气体补充了叶轮中的气量时，叶轮才开始将气体排出。而后供气量仍然不足，排压又会下降，又出现倒流，这样周期性地重复进行，使压缩机产生剧烈的振动和噪音而不能正常工作、这种现象称为喘振现象。因此，运转过程中应极力避免喘振的发生。

喘振工况（A）和滞止工况（B）之间即为级的稳定工作范围。性能良好的压缩机级应有较宽的稳定工作范围。

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图9－22　FLZ－1000型离心式制冷压缩机特性曲线

制冷离心式压缩机的特性曲线一般用制冷量Q作横坐标，用冷凝温度（或冷凝压力）作纵坐标，也有用温差作纵坐标，图9－22为国产1200kW空调用制冷离心式压缩机的特性曲线。

离心式制冷压缩机都是根据给定的工作条件，即蒸发温度、冷凝温度、制冷量等，选定制冷工质设计制造的。因此，当工况变化时，压缩机性能将发生变化。

（1）蒸发温度的影响。当制冷压缩机的转速和冷凝温度一定时，压缩机制冷量随蒸发温度变化的百分比如图9－23所示。从图9－23中可见，离心式制冷压缩机的制冷量受蒸发温度变化的影响比活塞式压缩机明显。蒸发温度越低，制冷量下降的越剧烈。

（2）冷凝温度的影响。当制冷压缩机的转速和蒸发温度一定时，冷凝温度对压缩机制冷量的影响如图9－24所示，由图9－24可见，冷凝温度低于设计值时，由于流量增大，制冷量略有增加；但当冷凝温度高于设计值，影响明显不利。随着冷凝温度升高，制冷量将急剧下降，并可能出现喘振现象。这点，在实际运行时必须予以足够的注意。

（3）转速和影响。当运行工况一定时，压缩机制冷量与转速的关系对于活塞式制冷压缩机而言是成正比关系，而对于离心式制冷压缩机则与转速的平方成正比，这是由于压缩机产生的能量头及叶轮外缘圆周速度与转速成平方关系。图9－25示出了转速变化对制冷量的影响。

图9－23　蒸发温度变化的影响

图9－24　冷凝温度变化的影响

图9－25　转速变化的影响

4.离心式制冷压缩机的调节　离心式制冷机运行时主要是根据冷负荷的变化来调节制冷机的制冷量或反喘振调节。

（1）制冷量的调节。

①改变压缩机的转速。转速降低，制冷量相应减少。当转速从100％降低到80％时，制冷量减少了60％，轴功率也减少了60％以上，离心式制冷压缩机转速的改变可通过变频调节技术来实现。

②压缩机吸入管道上节流。它是通过改变蒸发器到压缩机吸入口之间管道上吸气阀门的开启度予以实现。为了避免调节时影响压缩机的工作，降低压缩机的效率，吸气节流阀通常采用蝶形阀，使节流后的气体沿周围方向均匀流动。由于节流产生能量损失，运转不经济，但装置简单，仍可采用。

③转动吸气口导流叶片调节。这种方法是旋转导流叶片，改变导流叶片的角度，这样就可以改变吸气口气流方向，从而改变叶轮产生的能量头来调节制冷量。这种调节方法经济性好，调节范围宽，可用手动或根据蒸发温度（或冷冻水温度）自动调节，广泛用于氟利昂离心式制冷压缩机。

④改变冷凝器冷却水量。冷却水量减小，冷凝温度增高，压缩机制冷量明显减小，但动力消耗却变化很小，因而经济性差，一般不宜单独作用，可与改变转速或导流叶片调节等方法结合使用。

（2）反喘振调节。离心式制冷压缩机发生喘振的主要原因是冷凝压力过高或蒸发压力过低，维持正常的冷凝压力和蒸发压力可防止喘振的发生。但是，当调节压缩机制冷量，其负荷过小时，也会产生喘振现象。为此，必须进行保护性的反喘振调节，旁通调节法是反喘振的一种措施。当要求压缩机的制冷量减少到喘振点以下时，可从压缩机排出口引进一部分气态制冷剂不经过冷凝器而流入压缩机的吸入口。这样，减少了流入蒸发器的制冷剂流量，相应减少制冷机的制冷量，又不致使压缩机吸入量过小，从而可以防止喘振发生。