基本制冷循環(huán)

　　離心式冷水機利用蒸汽壓縮循環(huán)來冷卻水，并將從冷凍水中收集的熱量和來自壓縮機的熱量排放到由冷卻塔冷卻的第二個水回路中。它由以下四個主要部分組成;

　　壓縮機

　　壓縮機總成由原動機和離心壓縮機組成。離心式壓縮機為非正排量式。它通過將動能轉(zhuǎn)化為壓力來提高制冷劑的壓力和溫度。

　　冷凝器

　　與蒸發(fā)器一樣，冷凝器也是一種換熱器。在這種情況下，它從制冷劑中帶走熱量，使其從氣體冷凝成液體。熱量會升高水溫。然后冷凝水將熱量帶到冷卻塔，在那里熱量被排放到大氣中。

　　擴展裝置

　　制冷劑冷凝成液體后，通過減壓裝置。這可以像孔板一樣簡單，也可以像電子調(diào)節(jié)熱力膨脹閥一樣復(fù)雜。

　　壓力-焓

　　壓力-焓 (PH) 圖是查看制冷循環(huán)的另一種方式。它具有以圖形方式顯示過程、冷卻效果和實現(xiàn)冷卻所需的工作的優(yōu)點。

　　典型工作條件

　　大多數(shù)水冷 HVAC 系統(tǒng)施加的設(shè)計條件非常適用于離心式冷水機組?？照{(diào)和制冷協(xié)會 (ARI) 為包括離心式冷水機在內(nèi)的各種 HVAC 產(chǎn)品提供測試標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。ARI 標(biāo)準(zhǔn) 550/590-98 用于測試和評估冷水機組。此外，冷水機通常有一個認(rèn)證，為工程師和業(yè)主提供第三方驗證，證明冷水機將滿足制造商表明的性能。ARI 測試標(biāo)準(zhǔn)允許對不同的冷卻器進行“蘋果對蘋果”的比較。

　　標(biāo)準(zhǔn)的 ARI 評級條件是：

　　離開冷凍水溫度 44oF

　　冷凍水流量 2.4 gpm/ton

　　進入冷凝器水溫 85oF

　　冷凝水流量 3.0 gpm/ton

　　0.0001 蒸發(fā)器結(jié)垢系數(shù)和 0.00025 冷凝器結(jié)垢系數(shù)

　　冷凝器或蒸發(fā)器的流體溫度變化可以使用以下公式來描述：

　　Q = W × C × ΔTF (1)

　　在哪里

　　Q = 熱交換量(btu/hr 或 kw)

　　W= 流體流速(USgpm 或 l/s)

　　C= 流體的比熱 (btu/lboF 或 kJ/(kgoC))

　　ΔTF= 流體的溫度變化(oF 或oC)

　　假設(shè)流體是水，則公式采用更常見的形式;

　　負荷 (btu/hr) = 流量 (USgpm) × (oFin-oFout) × 500 (2)

　　或者

　　負載(噸 = Flow(USgpm) × (oFin-oFout) / 24 (3)

　　使用該方程和 ARI 設(shè)計條件，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器中的溫度變化為 10oF。進入蒸發(fā)器的水溫為 54oF。

　　回想一下，需要從冷凝器中去除的熱量等于蒸發(fā)器中收集的熱量加上壓縮功。假設(shè)壓縮功是蒸發(fā)器收集熱量的25%，那么冷凝器排出的熱量將是蒸發(fā)器熱量的125%。

　　使用上述方程和 ARI 設(shè)計條件，現(xiàn)代高效冷卻器的冷凝器溫度變化為 9.4oF，流量為 3 gpm/ton。離開蒸發(fā)器的水溫為 94.4oF。這通常被錯誤地四舍五入為 10 度 delta T 和 95.0oF 離開水溫。

　　ARI 設(shè)計條件經(jīng)常用作設(shè)計條件。盡管它們代表了良好的“平均”使用條件，但它們可能并不代表適用于每個項目的最佳設(shè)計條件。

　　離心壓縮機理論

　　如前所述，這些溫度的飽和壓力是已知的。在典型的 ARI 條件下，所需的壓力增加或升力為 81.7 psig。壓縮機的目的是提供這種提升。

　　離心式壓縮機不同于容積式壓縮機(如渦旋式、往復(fù)式和螺桿式)。離心機是空氣動力型或渦輪型。它們通過將動能轉(zhuǎn)換為壓力能來移動氣體。容積式壓縮機在壓縮過程中將一定量的制冷劑裝入體積減小的壓縮機中。它們提供出色的提升特性。離心式壓縮機的優(yōu)點是其高流量能力和良好的效率特性。

　　理解原理的簡單方法是想象一個球在繩子的末端。一個人在繩子上揮動球。第二個人站在二樓陽臺。如果揮球的人以足夠的角動量釋放球，球就會飛到二樓陽臺的人身上。球的重量(分子量)、弦的長度(輪徑)和轉(zhuǎn)速(rpm)都會影響角動量。

　　要注意的關(guān)鍵參數(shù)是壓縮機產(chǎn)生的升力與其尖端速度成正比。表 1 列出了用于離心壓縮機的常用制冷劑的特性。回想一下，冷凍水和冷凝水溫度以及接近溫度設(shè)置了所需的升程。這對于任何冷水機都是一樣的。查看表 1，對于任何流行的離心制冷劑，所需的尖端速度都非常接近(在 4% 以內(nèi))。所需的尖端速度約為 650 fps。無論是小輪轉(zhuǎn)快還是大輪轉(zhuǎn)慢，不管制冷劑如何，葉尖速度都是相對恒定的。

　　表 1，制冷劑特性

　　冷水機執(zhí)行的實際冷卻量取決于它通過壓縮機移動的制冷劑 (cfm) 量。表 1 顯示了流行的制冷劑每噸冷卻需要多少 cfm 的制冷劑。HFC-134a 需要大約 3 cfm/噸，而 HCFC-123 需要大約 17 cfm/噸。HFC-134a 具有更高的密度。

　　離心式壓縮機的一個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)是制冷劑氣體的葉輪入口速度。必須保持在 1 馬赫以下。通常，入口速度限制在 0.9 馬赫左右。以 1000 噸冷水機為例，比較使用流行離心制冷劑的冷水機。

　　表 2，壓縮機設(shè)計參數(shù)

　　表 2 中的信息定義了壓縮機的幾何形狀。基于 HCFC-123 的壓縮機通常使用直接耦合電機，因此在 60Hz 時，壓縮機速度固定在 3550 rpm。直接驅(qū)動的優(yōu)點是不需要齒輪箱，但是，如果不使用變頻驅(qū)動器 (VFD)，就不可能對尖端速度進行微調(diào)。請注意，要獲得正確的尖端速度，車輪直徑需要為 40.6 英寸。

　　基于 HFC-134a 或 HCFC-22 的壓縮機通常使用齒輪箱。小型壓縮機(直徑為 5 英寸的輪子)速度可高達 30,000 rpm。同樣，尖端速度恒定在 650 fpm 左右。重要的是要注意車輪本身的應(yīng)力與尖端速度的平方成正比，而不是rpm。如果尖端速度相同，則緩慢旋轉(zhuǎn)的大輪將具有與快速旋轉(zhuǎn)的小輪相同的應(yīng)力。

　　HCFC-123 所需的大葉輪直徑給壓縮機設(shè)計帶來了設(shè)計限制。葉輪必須裝在蝸殼中以收集離開葉輪的制冷劑。減小葉輪直徑的常見解決方案是使用兩級或三級壓縮機。

　　除了減小葉輪直徑和減小外殼尺寸外，兩級省煤器壓縮機在理論上具有更高效的制冷循環(huán)。在這種情況下，制冷劑通過兩個膨脹裝置。當(dāng)制冷劑通過第一個設(shè)備時，一些制冷劑會閃蒸或變成氣體。閃蒸的制冷劑被引入兩級之間的壓縮機。它具有“冷卻”離開第一級的過熱制冷劑氣體的作用。

　　液態(tài)制冷劑的剩余部分通過第二個膨脹裝置進入蒸發(fā)器吸入口，其焓低于從冷凝器壓力一步閃蒸的情況。因此，通過蒸發(fā)器的質(zhì)量流量較少。

　　實際上，壓縮機布局限制了兩級節(jié)能器型壓縮機可能獲得的實際效率增益。從第一級到第二級的通道代表了顯著的系統(tǒng)效應(yīng)并限制了效率的提高。

　　壓縮機喘振和失速

　　回到球和弦的例子，如果球被釋放到二樓陽臺上的人，但沒有到達人處，那么就發(fā)生了失速。實際上，制冷劑不再流經(jīng)壓縮機，也就沒有冷卻效果。更糟糕的是，所有的軸功都在壓縮機中轉(zhuǎn)化為熱量，這可能會導(dǎo)致永久性損壞。

　　一個浪涌當(dāng)球開始回落到地面上的人出現(xiàn)。在這種情況下，制冷劑每隔幾秒鐘就會向后流過壓縮機葉輪，直到壓力升高并且制冷劑再次向前移動。這甚至比失速更危險，因為它會反向加載壓縮機軸中的推力軸承。

　　正確選擇的冷水機在其設(shè)計條件下不會出現(xiàn)浪涌。如果運行條件發(fā)生變化以致升力增加，尤其是在低負載條件下，冷水機可能會喘振。升高塔供水溫度或降低冷凍水供應(yīng)溫度超出設(shè)計點會導(dǎo)致浪涌。

　　離心式冷水機在部分負載時容易出現(xiàn)喘振。

　　在滿負荷時，葉輪和蝸殼之間的間隙大小正確。隨著冷卻器容量的降低，制冷劑流量下降。制冷劑仍然以正確的葉尖速度離開葉輪，但排放面積對于減少的流量來說太大了，并且制冷劑停轉(zhuǎn)。

　　為了解決這個問題，冷水機使用了可移動的排放幾何結(jié)構(gòu)。隨著制冷劑流速的降低，排放面積也隨之減少以保持適當(dāng)?shù)乃俣取?/p>

　　壓縮機軸承

　　套筒軸承系統(tǒng)通常有一個強制(油泵)潤滑系統(tǒng)。油被加熱或冷卻以保持適當(dāng)?shù)臏囟确秶?/p>

　　在正確設(shè)計和運行的套筒軸承中沒有軸與軸承的接觸。軸承壽命實際上是無限的。軸的旋轉(zhuǎn)會形成一層潤滑油膜，然后軸就會在上面滑動。啟動是最關(guān)鍵的時候。輕型葉輪/軸組件具有加速快和油膜快速形成的優(yōu)點。

　　套筒軸承材料通常是巴氏合金、青銅或鋁。軸承材料必須比軸材料軟，因此如果異物進入軸承，它會嵌入軸承而不是軸。由于鋁比巴氏合金硬，因此軸必須比使用巴氏合金時更硬。