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高温离心式冷水机组及其特性研究
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高温冷水机组是温湿度独立控制空调系统中的重要设备,也是工业生产过程中常常用到的大型装备。本文探讨了高温离心式冷水机组及其变负荷运行的特性,为温湿度独立控制空调系统的设计和工业应用提供参考。
关键词：温湿度独立控制;离心机;高温冷水机组;IPLV;部分负荷
中图分类号：TB65 文献标识码：A do:i10.3969/.jissn.1005-0329.2009.10.013
1 前言
水冷冷水机组是大型公共建筑中常用的中央空调供冷设备,而离心式冷水机组更是因其有较高的能效指标和较大的机组制冷能力而深受用户的欢迎。由于空调系统耗能在建筑能耗中占有很大的比重,在能源危机、节能降耗呼声很高的形势下,降低空调系统的能耗成为制冷空调行业的热门话题,为此,业内的专家提出了很多策略,温湿度独立控制就是在系统优化设计方面提出的一种新思路。该方法采用温湿度独立控制技术通过提高冷水机组的出水温度来提高冷水机组的能效指标、采用干式末段换热的方式改变整个空调系统的工作模式,这些措施可以从系统的角度来降低空调系统的能耗。在冷水机组本身,离心式冷水机组与其他型式冷水机组不同,出水温度提高需要较高的蒸发温度,而高蒸发温度对离心压缩机的影响是多方面的,按正常标准工况(7℃出水温度)设计的压缩机[1],在较高蒸发温度工作时,由于系统流量和压比的变化,可能会导致离心式冷水机组高能效的工作特性不能充分发挥出来,这就需要重新对产品进行研究。
本文介绍了高温离心冷水机组及其变工况的特性研究情况,为温湿度独立控制空调系统的设计者提供技术参考。
2 高出水温度时离心式冷水机组的特性
以1台4000kW冷媒为R134a的离心式冷水机组的设计为例:当冷水出水温度为16℃时,蒸发温度取14℃,冷凝温度按37℃,过冷和过热度取2℃,压缩机的效率和电机的效率分别取0.8和0.94,用美国国家标准技术研究院循环分析软件NIST软件进行计算分析,机组的COP值可以达到8.01。
为了获得按标准工况设计的产品在变化工作条件下的数据,对现有离心式冷水机组进行了摸底试验,用1台实际的4000kW冷媒为R134a的离心式冷水机组分别在标准规定的测试工况(冷水进水温度12℃,出水温度7℃;冷却水进水温度30℃,出水温度35℃)和高出水温度工况下(冷水进水温度21℃,出水温度16℃;冷却水进水温度30℃,出水温度35℃)进行测试[1],测试结果如表1所示。
从表中的测试数据不难看出,按照标准工况下设计的离心式压缩机组装的冷水机组,当工作在高出水温度时,其制冷量并没有显著的增加,而由于输入功率的下降,使机组的COP值提高了10%左右,这离理论计算的结果还相差甚远。
造成这种情况出现的原因可以从离心式制冷压缩机的特性来分析。离心式压缩机是由电动机通过齿轮增速带动转子旋转,自蒸发器出来的制冷剂蒸汽经吸气室进入叶轮,叶轮高速旋转,叶轮上的叶片即驱动气体运动,并产生一定的离心力,将气体自叶轮中心向外周抛出,气体经过这一运动,速度增大,压力得以提高,这是作用在叶轮上的机械能转化的结果。气体离开叶轮进入扩压器,由于扩压器通道面积逐渐增大,又使气体减速而增压,将其动能转变为压力能。被压缩的制冷蒸汽从扩压器流出后,又由蜗室将起汇集起来,进而通过排气管道输送至冷凝器,这样就完成了对制冷剂的压缩[2]。
当离心式制冷压缩机运行在高蒸发温度时,压缩机的压缩比比标准设计工况时要小,冷水机组在7℃出水时,机组的设计吸气压力为0.35MPa,排气压力为0.937MPa,压比为2.70;而当机组工作在16℃冷水出水温度时(冷凝温度不变),机组的吸气压力为0.473MPa,排气压力为0.937MPa,压比近似为2.00,压缩比减小了25.9%。图1为离心式制冷压缩机的性能曲线。从图中可以看出在离心压缩机的工作区,当压比减小25%时,流量增加将近1倍左右。如此大的流量变化,原机组的叶轮、扩压器等流道设计必然会对流量的增加产生阻塞,从而使流量无法达到额定值,机组的性能也会受到影响。
此外,在固定的转速下,压比与压缩机的级效率有着一定的对应关系,图2为定转速下离心压缩机的压比与级效率之间的关系曲线。
从图2的曲线可以看出,当压缩机的压比发生变化时,压缩机的级效率会随之发生变化,压比从2.7变化到2.0之后,效率降到只有0.7左右。因此,当压缩机的压比发生变化时,如果不对压缩机的设计转速进行调整,机组的性能提高也会受到很大的影响。
3 离心式冷水机组的改进
3.1 压缩机设计的调整
针对上述分析,对用于高出水温度下的离心式冷水机组中的压缩机应当按新的设计条件进行设计优化,以使机组的能效得到进一步提高。
(1)流通面积的改进
流量阻塞是指流道出口处气流达到临界状态,这时气体的容积流量已是大值,任凭压缩机背压再降低,流量也不可能再增加,这种情况称为“阻塞”工况。增大流道的面积可以提高冷媒的流通能力,但对于中央空调用冷水机组来说,大部分时间机组都是运行在部分负荷状态下,因此制冷剂流量也会随着机组运行的状态不同而发生变化,固定的流道面积也会影响机组的运行。为此,机组设计中应设计可变流截面的扩压器,适应流量的变化,这样可以满足机组在不同负载情况下的运行要求。图3为设计的可变截面扩压器示意。
(2)设计转速的调整
为了使机组在变化后的压比下仍具有较高的效率,需要对压缩机的设计转速进行调整。从图2的曲线显示可以看出,压缩机的转速与效率点有一定的对应关系,当转速降低时,压比对级效率的曲线向逐渐向左移,曲线的形状基本不变但跨度开始压缩。通过分析计算可以得到,当压比在2.0时,压缩机的转速降低20%时会获得较高的效率。
3.2 性能测试
按照上述的技术分析,珠海格力电器股份有限公司设计并制造了一台4000kW、冷媒为R134a、冷水出水温度为16℃的离心式高温冷水机组,并对该冷水机组按照高冷水出水温度工况(冷水进水温度21℃,出水温度16℃;冷却水进水温度30℃,出水温度35℃)和国标GB/T18430.1中的IPLV测试工况进性能测试,测试结果如图4所示。
从测试数据可以看出,机组在满负荷运行状态下,能效指标COP值达到7.7,比7℃出水的离心式冷水机组能效指标提高了33.2%,基本接近设计软件的计算指标;在冷水的出水温度为16℃时,按照国家标准GB/T18430.1计算的IPLV值为8.1[1]。表2为部分负荷测试的结果。
测试结果表明,改进后的高出水温度冷水机组,其能效指标与标准机组相比有大幅度的提高,基本接近前述软件的理论计算值,当其被用于温湿度独立控制的空调系统时,必将显著降低系统的能耗。
4 COP值的变化趋势
中央空调系统由于设计时是按照大负荷设计的,而在实际运行时,冷水机组基本都是处在不同的工作条件和部分负荷状态下运行的,因此,需要对产品的变工况和卸载运行进行试验。
冷水机组的变工况包括冷却水进水温度条件的改变、冷水出口温度设定值的改变和由于空调负荷本身的变化而导致机组在部分负荷下运行等情况。实际应用场合,可能是上述条件中的一种或多种情况的综合,冷水机组的变工况和部分负荷的特性就能反应出机组的产品适应能力和COP值的变化趋势。
4.1 变冷却水条件试验
离心式冷水机组在运行过程中,如果冷却水的温度发生变化,将直接影响到机组的制冷量和能效特性。当冷却水温度降低时,由于冷却效果好,将使机组获得更低的冷凝温度,从而增加机组的制冷量,提高机组的效率[4]。试验过程中,保持冷水的进口温度为21℃,出水温度为16℃;冷却水的进口温度从26℃逐渐增加到35℃,测试出来的COP值变化情况如图5所示。
4.2 变冷水出水温度试验
冷水出口温度的升高,对机组的制冷量和能效特性也有很大的影响。当冷水温度升高时,由于更有利于蒸发,将使机组获得更高的蒸发温度从而使机组的制冷量增加[4]。试验过程中,保持冷却水的进口温度为30℃,出水温度为35℃;冷水出口温度从12℃升到20℃,测试出的冷水机组的性能参数变化情况如图6。出水温度低于12℃时,由于制冷剂的流量变小,可能会使机组工作在接近喘振的临界点,从而导致机组出现异常,这是在实际运行中应该注意的。
4.3 部分负荷试验
冷水出口温度恒定时机组的性能参数随负荷变化而变化的特性是指保持水冷冷水机组的出水温度为16℃,人工调整机组的负荷从100%开始逐渐下降,测试机组COP值和制冷量的变化情况。测试过程中保持冷却水的温度为30℃进水试验的结果如图7所示。
从图中可以看出,在冷水机组恒定16℃出水情况下,当冷水机组压缩机运行负荷从100%降低到25%时,冷水机组的COP值下降了42.6%。在实际应用过程中,通常冷水机组的控制系统都是设定成固定的出水温度,当实际空调负荷减小时,机组的自动控制系统将自动卸载,降低压缩机的负荷比,成为部分负荷运行状况,从而导致COP的下降。这说明在开展节能降耗的工作中,仅关注机组本身满负荷条件下的COP值是不够的,需要关注整个空调系统的运行总能耗。
值得注意的是,由于离心式压缩机的工作特性,当冷水机组运行时因运行条件的变化导致制冷剂流量减少时,有可能使机组的工作点接近压缩机的喘振临界点[3],从而影响到机组运行的安全性,这就需要在机组的设计时考虑到防喘振控制。
离心式制冷机组工作时一旦进入喘振工况,应立即采取调节措施,降低出口压力或增加入口流量。压力比和负荷是影响喘振的两大因素,当负荷越来越小,小到某一极限点时,便会发生喘振,或者当压力比大到某一极限点时,也会发生喘振。一般可以通过在控制系统中设定安全工作区,当机组运行工作点接近临界区域时,通过调整流量或压力来使机组工作点远离临界区域,达到保护的目的。
5 结论
(1)当离心式冷水机组运行在高冷水出水温度时,需要对压缩机本身重新进行优化设计;
(2)离心式冷水机组工作在部分负荷状态下,其能效指标将有明显下降,在空调系统设计时,应注意系统的负荷配置和控制的优化,以尽可能降低整个空调系统的能耗;
(3)在空调系统设计时应尽量避免空调系统运行在较低的负荷比例下,而由于中央空调系统在运行过程中,冷水机组的部分负荷运行势在难免,因此,通过改善冷水机组在部分负荷运行时的性能和优化空调系统的控制策略也有着非常重要的意义。
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