基本制冷循環(huán)

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

　　壓縮機(jī)

　　壓縮機(jī)總成由原動(dòng)機(jī)和離心壓縮機(jī)組成。離心式壓縮機(jī)為非正排量式。它通過(guò)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力來(lái)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(huì)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(kuò)展裝置

　　制冷劑冷凝成液體后，通過(guò)減壓裝置。這可以像孔板一樣簡(jiǎn)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(guò)程、冷卻效果和實(shí)現(xiàn)冷卻所需的工作的優(yōu)點(diǎn)。

　　典型工作條件

　　大多數(shù)水冷 HVAC 系統(tǒng)施加的設(shè)計(jì)條件非常適用于離心式冷水機(jī)組。空調(diào)和制冷協(xié)會(huì) (ARI) 為包括離心式冷水機(jī)在內(nèi)的各種 HVAC 產(chǎn)品提供測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證。ARI 標(biāo)準(zhǔn) 550/590-98 用于測(cè)試和評(píng)估冷水機(jī)組。此外，冷水機(jī)通常有一個(gè)認(rèn)證，為工程師和業(yè)主提供第三方驗(yàn)證，證明冷水機(jī)將滿足制造商表明的性能。ARI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)允許對(duì)不同的冷卻器進(jìn)行“蘋(píng)果對(duì)蘋(píng)果”的比較。

　　標(biāo)準(zhǔn)的 ARI 評(píng)級(jí)條件是：

　　離開(kāi)冷凍水溫度 44oF

　　冷凍水流量 2.4 gpm/ton

　　進(jìn)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(lái)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(jiàn)的形式;

　　負(fù)荷 (btu/hr) = 流量 (USgpm) × (oFin-oFout) × 500 (2)

　　或者

　　負(fù)載(噸 = Flow(USgpm) × (oFin-oFout) / 24 (3)

　　使用該方程和 ARI 設(shè)計(jì)條件，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器中的溫度變化為 10oF。進(jìn)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(jì)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(kāi)蒸發(fā)器的水溫為 94.4oF。這通常被錯(cuò)誤地四舍五入為 10 度 delta T 和 95.0oF 離開(kāi)水溫。

　　ARI 設(shè)計(jì)條件經(jīng)常用作設(shè)計(jì)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(gè)項(xiàng)目的最佳設(shè)計(jì)條件。

　　離心壓縮機(jī)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(jī)的目的是提供這種提升。

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

　　理解原理的簡(jiǎn)單方法是想象一個(gè)球在繩子的末端。一個(gè)人在繩子上揮動(dòng)球。第二個(gè)人站在二樓陽(yáng)臺(tái)。如果揮球的人以足夠的角動(dòng)量釋放球，球就會(huì)飛到二樓陽(yáng)臺(tái)的人身上。球的重量(分子量)、弦的長(zhǎng)度(輪徑)和轉(zhuǎn)速(rpm)都會(huì)影響角動(dòng)量。

　　要注意的關(guān)鍵參數(shù)是壓縮機(jī)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(jī)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(duì)于任何冷水機(jī)都是一樣的。查看表 1，對(duì)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?xún)?nèi))。所需的尖端速度約為 650 fps。無(wú)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(duì)恒定的。

　　表 1，制冷劑特性

　　冷水機(jī)執(zhí)行的實(shí)際冷卻量取決于它通過(guò)壓縮機(jī)移動(dòng)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(jī)的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)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(jī)為例，比較使用流行離心制冷劑的冷水機(jī)。

　　表 2，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

　　表 2 中的信息定義了壓縮機(jī)的幾何形狀。基于 HCFC-123 的壓縮機(jī)通常使用直接耦合電機(jī)，因此在 60Hz 時(shí)，壓縮機(jī)速度固定在 3550 rpm。直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是不需要齒輪箱，但是，如果不使用變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD)，就不可能對(duì)尖端速度進(jìn)行微調(diào)。請(qǐng)注意，要獲得正確的尖端速度，車(chē)輪直徑需要為 40.6 英寸。

　　基于 HFC-134a 或 HCFC-22 的壓縮機(jī)通常使用齒輪箱。小型壓縮機(jī)(直徑為 5 英寸的輪子)速度可高達(dá) 30,000 rpm。同樣，尖端速度恒定在 650 fpm 左右。重要的是要注意車(chē)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(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了設(shè)計(jì)限制。葉輪必須裝在蝸殼中以收集離開(kāi)葉輪的制冷劑。減小葉輪直徑的常見(jiàn)解決方案是使用兩級(jí)或三級(jí)壓縮機(jī)。

　　除了減小葉輪直徑和減小外殼尺寸外，兩級(jí)省煤器壓縮機(jī)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(guò)兩個(gè)膨脹裝置。當(dāng)制冷劑通過(guò)第一個(gè)設(shè)備時(shí)，一些制冷劑會(huì)閃蒸或變成氣體。閃蒸的制冷劑被引入兩級(jí)之間的壓縮機(jī)。它具有“冷卻”離開(kāi)第一級(jí)的過(guò)熱制冷劑氣體的作用。

　　液態(tài)制冷劑的剩余部分通過(guò)第二個(gè)膨脹裝置進(jìn)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(guò)蒸發(fā)器的質(zhì)量流量較少。

　　實(shí)際上，壓縮機(jī)布局限制了兩級(jí)節(jié)能器型壓縮機(jī)可能獲得的實(shí)際效率增益。從第一級(jí)到第二級(jí)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(jī)喘振和失速

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

　　一個(gè)浪涌當(dāng)球開(kāi)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(huì)向后流過(guò)壓縮機(jī)葉輪，直到壓力升高并且制冷劑再次向前移動(dòng)。這甚至比失速更危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)反向加載壓縮機(jī)軸中的推力軸承。

　　正確選擇的冷水機(jī)在其設(shè)計(jì)條件下不會(huì)出現(xiàn)浪涌。如果運(yùn)行條件發(fā)生變化以致升力增加，尤其是在低負(fù)載條件下，冷水機(jī)可能會(huì)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(jì)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致浪涌。

　　離心式冷水機(jī)在部分負(fù)載時(shí)容易出現(xiàn)喘振。

　　在滿負(fù)荷時(shí)，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(kāi)葉輪，但排放面積對(duì)于減少的流量來(lái)說(shuō)太大了，并且制冷劑停轉(zhuǎn)。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，冷水機(jī)使用了可移動(dòng)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(jī)軸承

　　套筒軸承系統(tǒng)通常有一個(gè)強(qiáng)制(油泵)潤(rùn)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(jì)和運(yùn)行的套筒軸承中沒(méi)有軸與軸承的接觸。軸承壽命實(shí)際上是無(wú)限的。軸的旋轉(zhuǎn)會(huì)形成一層潤(rùn)滑油膜，然后軸就會(huì)在上面滑動(dòng)。啟動(dòng)是最關(guān)鍵的時(shí)候。輕型葉輪/軸組件具有加速快和油膜快速形成的優(yōu)點(diǎn)。

　　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(jìn)入軸承，它會(huì)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(shí)更硬。