螺桿機組的技術發(fā)展

1、螺桿式冷水機組的技術發(fā)展張小力特靈空調亞洲研發(fā)及采購中心 上海 200001摘要：本文分析了制冷劑、壓縮機、換熱器、節(jié)流裝置、控制系統(tǒng)、風扇和電機、除霜技術、以及其它零部件和系統(tǒng)優(yōu)化設計的最新進展，從多角度闡述了螺桿式冷水機組的技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。1前言螺桿式冷水機組是由螺桿壓縮機驅動，提供冷(熱)水的裝置。主要形式包括水冷冷水機組、水水熱泵、風冷冷水機組、風冷熱泵等，一些機組還具有自然冷卻、熱回收、冰蓄冷等功能。我國自1974年自主開發(fā)出第一臺螺桿制冷壓縮機后，到90年代中，當時國內主要骨干企業(yè)先后積極引進先進的數(shù)控制造裝備，開發(fā)出多種螺桿式制冷壓縮機。改革開放后通過對外交流的不斷擴大，以及

2、進口螺桿產品進入國內的市場，廣大技術人員積極跟蹤國外先進螺桿制冷技術，在企業(yè)、高校和研究所培養(yǎng)了一批從事螺桿制冷技術的專業(yè)人才。95年開始，國外著名企業(yè)逐步進入我國，建立了獨資或合資企業(yè)，這些企業(yè)全部使用其公司自己生產的壓縮機，現(xiàn)在這些企業(yè)生產的螺桿式冷水機組占具了絕大部分國內螺桿式冷水機組市場，另外，一些臺資企業(yè)也生產螺桿壓縮機或螺桿式冷水機組，而傳統(tǒng)的國內螺桿式冷水機組制造廠商的產量已逐漸減少。近幾年來，本土的一些民營企業(yè)或原家用空調制造商開始采用外購壓縮機方式，組裝螺桿式冷水機組。隨著社會對空調設備在環(huán)保、節(jié)能方面的要求增強，螺桿式冷水機組因其具有設備利用率高，結構緊湊，安裝使用方便等獨

3、特的優(yōu)點，越來越廣泛地被用戶所接受。同時也應注意到一些螺桿式冷水機組亦存在著諸如效率不高、噪音較高、控制技術水平低、熱泵機組除霜技術不完善等缺點，因此如何進一步提高螺桿式冷水機組的設計水平，改善其運行性能，將是今后幾年內制冷空調界研究的重點。本文將從制冷劑、壓縮機、換熱器、節(jié)流裝置、控制系統(tǒng)、風扇和電機、除霜技術、以及其它零部件和系統(tǒng)優(yōu)化設計等若干方面闡述螺桿式冷水機組技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為這類機組的設計與應用提供參考。2 制冷劑表1 制冷劑特性比較制冷劑r22 r134ar407c r410a組分/分子式chcif2 ch2f-cf3r32/125/134ar32/12523/25/52%

4、50/50% 沸點（），101.3 kpa-40.8-26.2-43.7-52.6溫度滑移(k) 007.40.2飽和液體密度，30 （kg/m3）1174.21188.111291038臨界溫度 °c961018773臭氧層破壞效應0.05000溫室效應1700130016101890壓縮機排氣量100%154%約100%70%蒸發(fā)器換熱100%90%90%135%壓降100%70%約 100%70%離心式冷水機組現(xiàn)在基本使用r123或r134a制冷劑，r22機組已經很少。目前國內螺桿式冷水機組多使用r22制冷劑。r22具有良好的熱力和傳輸性能，并有寬廣的材料兼容性，是目前可以接受

5、的制冷劑。但作為過渡制冷劑，r22在未來將逐漸停止使用。替代r22的制冷劑很多，目前廣泛應用的主要有：r134a，r410a， r407c，見表1。r134a對臭氧層完全沒有破壞作用，并具有和r22接近的熱力性能。不含氯曾引起對其熱動力應用之外的性能的研究。例如，r134a不與礦物油相溶，而與潤滑油相溶是對制冷劑的基本要求之一，以便使?jié)櫥湍芊祷氐綁嚎s裝置中。這一難題已通過引入合成潤滑油得到解決。為了提高效能，所有管路以及換熱器本身都需要重新設計以降低流阻，保持合理的運行效率，還需增大壓縮機容積排量。一些著名企業(yè)已成功商業(yè)化生產r134a螺桿式冷水機組。r407c是一種非共沸混合制冷劑，它在容

6、量和壓力方面與r22最為接近，替代時可以使用大多已有的零部件，不失為r22的一種快速替代選擇。但r407c在蒸發(fā)時具有一定的溫度滑移，這就對廠家的生產工藝提出了非常高的要求，需在制造、運輸、安裝使用過程中保證機組的高品質，降低泄漏方面的風險。r410a是一種近共沸混合制冷劑。近共沸混合物具有極小的溫度滑移。r410a是一種高壓類制冷劑，它在比r22高50%-70%的高壓下運行，r410a用于螺桿式冷水機組風險很大。3 壓縮機技術螺桿壓縮機是螺桿式冷水機組的核心部件，如何設計制造、選擇和使用好壓縮機，直接關系到機組的性能和可靠性。無油雙螺桿式壓縮機從20世紀30年代發(fā)明以來，最初主要用于氣體壓縮

7、。從60年代開始，噴油雙螺桿壓縮機開始用于制冷機組，70年代出現(xiàn)了單螺桿制冷機組。隨著螺桿新型線開發(fā)和加工精度的不斷提高，在最近的二十年間螺桿制冷技術迅速發(fā)展，與活塞式壓縮機相比較，螺桿式壓縮機具有可靠性好、效率高、結構簡單、安裝方便、運轉平穩(wěn)和調節(jié)便利的特點。其產品具有效率高、可靠性好、振動輕的特點，已在中型制冷和空調領域迅速推廣，可逐步替代大型活塞式制冷機組的市場。現(xiàn)今的技術已開發(fā)出壓縮機效率損失低于0.5%，可靠性比活塞式壓縮機提高5倍的螺桿壓縮機，這些與近20年來壓縮機設計、制造技術的迅速發(fā)展密不可分。如數(shù)控加工技術可以保證微米級的轉子和殼體加工精度；低扭矩啟動減少電機的產熱量，從而提

8、高機組效率；減少移動零部件數(shù)量保證機組可靠性和壽命；選用的航空軸承在機組壽命期不需更換；噴油或制冷劑冷卻電機，潤滑系統(tǒng)充分保證壓縮機潤滑。壓縮機的調節(jié)有滑閥卸載和柱塞式卸載兩種形式，后者常和多壓縮機配合使用。壓縮機能否在低溫環(huán)境中安全運行是熱泵機組最關鍵的問題之一。螺桿式壓縮機屬半封閉制冷壓縮機，典型的半封閉壓縮機必須讓壓縮機回液來保證電機的冷卻，但過量的回液可能使?jié)櫥拖♂專瑢е聺櫥到y(tǒng)失效。機組設計中，必須正確對待這一矛盾，如改進潤滑系統(tǒng)、使壓縮機軸承表面得到加強等等，為能在高壓比下壓縮機運行提供更高的可靠性。隨著國內外對螺桿技術的進一步深入研究，熱泵系統(tǒng)適應低溫環(huán)境的能力不斷提高，擴大了

9、熱泵機組應用場合。4 換熱器換熱器是螺桿式冷水機組的重要部件。螺桿式冷水機組中，主要使用干式、板式、滿液式、降膜式換熱器和翅片盤管式換熱器。蒸發(fā)器形式主要有干式、板式、滿液式和降膜式四種。干式蒸發(fā)器制冷劑在管內流動蒸發(fā)，一部分管內全部為過熱氣體，其傳熱面積不能充分利用，管內制冷劑流動存在一定壓降，并且內螺紋傳熱管的換熱特性不高，這些導致干式蒸發(fā)器的換熱效率不佳。但是干式蒸發(fā)器的回油性好，結構簡單，大型螺桿熱泵機組多使用干式蒸發(fā)器。干式蒸發(fā)器中，小直徑新型傳熱管、改善制冷劑分布和u型管技術應用等還需進一步研究。釬焊板式換熱器是一種特殊形式的干式換熱器，其換熱效率高，結構緊湊，可以作為蒸發(fā)器、冷凝

10、器、油冷卻器、經濟器等使用。板式換熱器中，傳熱片的表面強化換熱技術、改善制冷劑流動和環(huán)保制冷劑技術應用等還需進一步研究。對于使用開式冷卻水系統(tǒng)的水冷冷水機組，使用板式換熱器須充分考慮水質的影響。另外，板式換熱器在大型機組中的應用尚需研究。 1a. 滿液式蒸發(fā)器 1b. 降膜式蒸發(fā)器圖1 滿液式蒸發(fā)器和降膜式蒸發(fā)器示意圖滿液式換熱器一般用作單冷機組的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內的傳熱管浸沒在制冷劑液體中，吸熱蒸發(fā)后的氣體混合物中仍含有大量液體，故從蒸發(fā)器逸出的濕蒸氣須氣液分離后進入壓縮機，見圖1a。滿液式蒸發(fā)器換熱性能好，水側維護方便，許多螺桿機組現(xiàn)在使用滿液式蒸發(fā)器。表2表示不同形式的蒸發(fā)器比較。類型干式

11、板式滿液式降膜式換熱性低高高極高制冷劑側阻力大中小小制冷劑充注量一般少多極少水側污垢維護性一般一般簡便簡便蒸發(fā)器回油性好好一般較好蒸發(fā)器串聯(lián)難難方便方便應用范圍熱泵100rt以下機組中大型機組中大型機組圖1b表示降膜式蒸發(fā)器。降膜式換熱器在溴化鋰吸收式機組中廣泛應用，其在螺桿式冷水機組中應用具有新的特點。表2表示不同形式的蒸發(fā)器比較，降膜式蒸發(fā)器綜合性能超群。其換熱性佳，可有效提高機組效率；制冷劑充注量少，機組可以快速啟動；水從傳熱管內流動，水側維護方便，蒸發(fā)器可以串聯(lián)實現(xiàn)冷水大溫差運行。翅片盤管式換熱器在風冷冷水機組中作為冷凝器、在風冷熱泵機組中作為制冷模式的冷凝器和制熱模式的蒸發(fā)器。翅片盤

12、管式換熱器的布置形式包括l型、平直型、v型和倒m型。螺桿式冷水機組中主要使用后三種較多。翅型、新型制冷劑的強化傳熱管技術、換熱器布置、空氣和制冷劑流動分布等是進一步提高翅片盤管式換熱器性能的重點，cfd和計算機性能模擬技術將會推動這些研究的開展。5 節(jié)流裝置螺桿式冷水機組的節(jié)流裝置主要有：固定孔板、浮子閥、熱力膨脹閥、電子膨脹閥。固定孔板、浮子閥在過去的中大型螺桿式水冷冷水機組中配合滿液式蒸發(fā)器廣泛使用，結構簡單、工作可靠，但調節(jié)精度差，現(xiàn)已較少使用。熱力膨脹閥常與干式蒸發(fā)器結合使用。在風冷熱泵中，由于制冷、制熱工況不同，制冷劑循環(huán)量變化大，需兩個或多個熱力膨脹閥以適應工況要求。在液態(tài)管路阻力

13、大的場合，要注意適當加大相應膨脹閥的孔徑，以免出現(xiàn)供液不足的情況。 圖2 電子膨脹閥應注意到電子膨脹閥在新產品開發(fā)中的研究。就電子膨脹閥本身特性而言，它可以控制蒸發(fā)器液位或過熱度。其響應速度快、比熱力膨脹閥更為有效地適應負荷的變化，使機組部分負荷性能得到提高。圖2為帶集成通訊模塊電子膨脹閥?？梢耘c主機進行數(shù)字量傳輸，無模擬量對傳輸線長度的限制，抗干擾能力得到顯著提高。6 控制系統(tǒng)螺桿式冷水機組的控制技術在過去的十幾年得到迅速發(fā)展，微電腦技術已替代了傳統(tǒng)的繼電器控制方式，控制界面清晰，能夠實現(xiàn)開停機、參數(shù)顯示、保護和通訊功能。歐美著名廠商尤其對機組內部控制邏輯開展了大量的研究，對機組運行進行精確

14、顯示、控制和保護。采用先進的自適應控制系統(tǒng)將使得螺桿式冷水機組能夠更加高效、可靠穩(wěn)定運行。用戶操作界面。過去一般采用代碼顯示，信息量較少。現(xiàn)在中文顯示觸摸屏已得到廣泛使用，可以有效地進行參數(shù)、故障顯示。負荷控制。傳統(tǒng)機組一般僅以控制冷水出水溫度來調節(jié)機組出力，機組不能快速匹配外部空調負荷變化。新型控制模式通過連續(xù)監(jiān)視蒸發(fā)器冷水進口溫度以精確控制機組負載，采用pid 控制算法可保證蒸發(fā)器出水溫度恒定，避免機組頻繁啟停，有效保持機組運行的穩(wěn)定性和經濟性。機組啟動時控制冷水出水溫降速率，提高機組性能系數(shù)，延長機組壽命。機組控制。采用自適應控制邏輯，包括冷凝壓力、蒸發(fā)溫度、電流等參數(shù)，這樣在冷卻水溫度

15、很低或很高時機組仍然正常工作。多臺機組應用時能夠保證系統(tǒng)最優(yōu)運行。同時，實現(xiàn)冷水及冷卻水泵的聯(lián)鎖，保證機組高效安全運行。故障預診斷和報警。機組能快速模擬檢測確認機組的各個開關、傳感器、電壓和壓縮機是否正常。運行中通過人機界面顯示各種設置點及實際運行參數(shù)，監(jiān)視機組運行，必要時報警。還能對機組進行有效的保護，如蒸發(fā)溫度或壓力低、輸油量少、冷凝溫度或壓力高、排氣溫度高、各傳感器故障、電機過載、電壓過高及過低和缺相、外部突然斷電、冷水流量低保護等。一些機組可以提供百余種顯示和報警信息，根據(jù)報警信息再采取相應的方法即可解除。提供標準串行通訊接口，已被制造商普遍使用。7 風扇與風扇電機風冷冷水機組(熱泵)

16、通常安裝在室外，因此對風扇的要求特別高，特別是對噪聲的要求。為減輕風扇對安裝支架的沖擊，并能防腐蝕，許多知名的空調廠商在風扇上采用了復合材料，。通過模擬計算和設計，對風扇的扇形和扇葉數(shù)量進行了優(yōu)化，以使風量和噪聲達到最佳的平衡。風冷冷水機組(熱泵)風扇電機方面，考慮到白天和晚上的負荷變化，變速電機被應用到機組上。夜間負荷比較低，電機低速運轉，大大降低了噪聲，同時減少了機組的耗電量。另外，風扇電機效率提高可以改善機組效率。8 除霜技術風冷熱泵機組在冬季運行時，當盤管表面溫度低于-2ºc時開始結霜，隨著霜層的增厚，盤管的傳熱效率降低，空氣阻力增大，嚴重時導致機組盤管凍結，機組無法正常運行

17、。因此能否有效除霜成為影響風冷熱泵機組動機運行可靠性的最關鍵因素之一。隨著空調技術和控制技術的發(fā)展，越來越多的除霜控制技術應用到風冷熱泵上來。常用的除霜技術有：定時除霜、風側單溫度傳感器（盤管溫度）除霜、風側雙溫度傳感器（環(huán)境溫度、盤管溫度）除霜、整機功率變化除霜、室外風機電流變化除霜、以及“白色度”傳感器除霜方案等。由于中國幅員廣闊，各地氣候溫濕度及變化差異較大，采用以上任一種方案在應用過程中都各有優(yōu)缺點。能充分考慮各地氣候條件，并應用在除霜控制過程中，從而能夠達到真正高效地除霜，而不影響機組附加的能量損耗和可靠運行是當前風冷熱泵需解決的緊要問題。9 其它零部件油分離器作為螺桿式冷水機組的重

18、要部件，分設置在壓縮機內和壓縮機外兩種形式。若油分離器分油效果不好，會導致壓縮機缺油。設置在壓縮機內因受空間限制，分油效果不如設置在外部為好，但較緊湊，與干式換熱器配合使用效果較好。外置式油分離器有單獨設置，還有集成在冷凝器內部的，分油效果佳。熱氣旁通、油冷卻器、油加熱器、經濟器、壓縮機吸氣噴液降溫、熱回收裝置等在一些機組中也已得到應用，可相應增強機組運行可靠性、改善機組綜合性能、擴大機組運行范圍。在機組管路設計方面，為了避免壓縮機振動通過管路傳遞，防止產生共振，可以采用多彎的設計思想。特別是排氣管路，可有效降低管路機械振動的傳遞。另外管路規(guī)格的選擇需考慮制冷劑壓力、壓降等因素。考慮到許多用戶安裝機組時的不方便，有些廠商已經在渦旋式機組上集成了水系統(tǒng)。一般水系統(tǒng)都會包括