小型離心式制冷單元設計

錢感

（重慶虹海立志機電設備有限公司，浙江 嵊州 312400）

小型離心式制冷單元設計

錢感

（重慶虹海立志機電設備有限公司，浙江 嵊州 312400）

開發制冷量為50～900kW小型離心式制冷單元，實現離心壓縮機替代螺桿壓縮機是商用制冷發展的趨勢。與螺桿和蝸旋壓縮機相比，小流量高壓比離心式壓縮機存在氣動效率低、價格高的缺點。論文著眼制冷單元，對氣動、傳熱及工程造價進行系統性規劃，并以制冷量100kW為例進行優化設計，探討小型離心式制冷單元設計思路。

小型；離心式；制冷

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.046

1 引言

近年來，隨著能源緊缺形勢的日趨嚴峻，各行各業對節能、產品能耗越來越重視。現代高性能戰斗機的電子設備發熱量較以往機型加劇，同時，其對超音速巡航能力及隱身性能具有很高要求，其電子設備熱載荷基本在50kW內[1]。現代集裝箱船、油輪、液化天然氣船和國防軍艦等艦船迅速發展，其電子設備熱載荷基本在100～300kW。隨著城市化的發展，商用樓宇和民用住宅對集中制冷、供熱的需求也越來越大，其制冷量一般在300～900kW之間。

螺桿壓縮機多年來憑借可靠性高、適應性強、價格低等特點，在制冷量為50～900kW的小冷量市場占絕對份額。然而，離心壓縮機具有重量輕、尺寸小、結構簡單、冷量調節范圍廣、可靠性高等特點[2]，且隨著技術的不斷投入，離心與螺桿壓縮機的價格差距明顯縮短。離心壓縮機替代螺桿壓縮機是商用制冷發展的必然趨勢。

目前，國際上對壓縮機的節能研究工作主要集中在以下幾個方面：研究潤滑特性、壓縮機軸承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高壓縮機效率、降低泄漏損失以提高壓縮機效率、采用變頻技術[3]。然而，僅僅關注壓縮機局部性能是遠遠不夠的，需從制冷單元出發，系統、全局的對每一部分進行優化設計，以獲得低噪、穩定可靠、COP高、調節范圍廣和高性價比的離心式制冷單元。

2 小冷量制冷單元優化方向

1）優化離心壓縮機進出口邊界條件。壓縮機軸功率主要取決于進氣體積流量、蒸發冷凝壓力（即蒸發冷凝溫度）。采用毛細管網換熱器、噴霧式蒸發、改進換熱管管型及排布方式等方法提高傳熱系數，減少管束數量，降低出水溫度與蒸發、冷凝溫度之間的差值，從而降低壓縮機的壓比。優化蒸發器出口，確保氣流不帶液；優化冷凝器進口，降低壓力損失和噪聲。

2）合理節流，降低系統損失。在節流降壓過程中，管道內會產生氣泡，一定程度上影響制冷效果。選擇合理的管徑、節流方式、節流前后流體狀態對于小冷量系統越發顯得重要。

3）提高壓縮機氣動效率和機械效率。改進壓縮機進/排氣流場，確保氣流均勻，減少紊流和分離損失。優化進口導葉、葉輪出口和擴壓氣進口流場，減少氣體渦流、激振等損失。

制冷量在50～300kW壓縮機可采用高速變頻電機直連，軸承采用磁力軸承或氣浮軸承。針對制冷量在300～900kW的壓縮機則應開發單級壓比更高的高效率葉輪，以實現冷熱同機。

通過Numeca數值模擬分析開式葉輪間隙與葉片載荷分布的影響關系，發現間隙主要影響葉輪后半段的葉片載荷，在葉頂后半段選用耐磨/可磨涂層。改變密封型式和密封材料，減少泄漏量。流道表面等離子噴涂的方式，降低流道表面的摩擦系數，提高氣體在靜止元件的流動效率。

4）制冷劑充灌量更合理。

3 機型規劃及舉例設計

顯然，一檔機型無法全部覆蓋50～900kW的制冷量區間。結合用戶需求、軸承特性、高速電機特點、小流量高壓比氣動特性和傳熱方式等，機型按制冷量規劃如下：50～100kW、100～300kW、300～900kW（分單冷和熱泵兩檔機型）。

以制冷量100kW為例，優化設計離心式制冷單元。

設計參數：制冷量100kW、冷凍水進/出水溫度12/7℃、冷卻水進/出水溫度35/30℃、制冷劑R134a。

冷凝器采用毛細管網換熱、過冷的型式，蒸發器采用噴液式蒸發、過熱的型式。冷凝、蒸發溫度分別為6℃、36℃，壓縮機壓比2.585。冷凝液過冷1℃，管徑采用40mm，并采用固定孔板+可調控孔板結合的方式二次節流。取消進口導葉，采用高速變頻電機，通過變頻調速的調節制冷量。增大進氣管道通徑和轉彎半徑，減少壓縮機進氣口阻力損失，加長進氣管擴壓段長度。采用氣浮軸承，通過特殊裝置保證轉子在靜止、低速或變工況運行的穩定性。

氣動計算和Numeca數值分析發現，采用兩級開式三元葉輪與采用一級開式三元葉輪相比，設計點氣動效率相差不大，但采用一級開式三元葉輪，發現對工況波動的適應能力差（在87%設計流量時70%葉高、無葉擴壓器均出現渦流損失），故建議采用兩級半開式三元葉輪，葉輪分別懸掛在高速變頻電機的兩端，并在葉頂側涂敷耐磨涂層。整機氣動效率預測可達83.2%。

氣封采用充氣式迷宮密封或可磨密封，密封效果有待樣機

試驗確定。為降低成本、減少整機重量，壓縮機采用筒式撬裝結構，筒體、蝸室等采用鑄鋁合金。

4 結論

本文對小額型離心式制冷單元的優化方向做了詳盡的描述，對制冷量50～900kW進行機型規劃，并以制冷量100kW為例進行優化設計。

1）離心壓縮機是未來戰斗機、大型艦船及民用住宅集中制冷供暖等小型制冷單元配套壓縮機的發展趨勢。

2）就壓縮機氣動效率而言，離心壓縮機比螺桿壓縮機要高的多。通過氣浮軸承/磁懸浮軸承可實現壓縮機無油運行，大大提高機組的機械效率。通過系列化、模塊化，合理選用各零部件材料，提高換熱效率等方式可降低離心壓縮機的制造成本。

3）通過高速變頻電機/進口導葉可實現制冷量的調節，機組運行工況范圍廣。

4）從制冷單元出發，應用毛細管換熱、耐磨涂層、阻尼氣封、等離子噴涂等新技術，充分考慮氣體、液體的流動損失，從各細節出發，全面提高COP。

【1】高峰，張興娟，袁修干.機載離心式制冷壓縮機設計及特性分析[J].北京航空航天大學報，2013（39）：15-16.

【2】李紅旗.近年來小型制冷壓縮機研究的幾個熱點問題[J].Household applianceTechnology，2005(12)：48-50.

【3】HajimeSato,etal,.FrictionalcharacteristicsofThrustBearinginScroll compressor[M].2004InternationalCompressorEngineeringConference.

Design of Small Centrifugal Refrigeration Unit

QIANGan
（ChongqingHongHaiLiZhiElectromechanicalEquipmentCo.Ltd.,Shengzhou312400,China）

Development of refrigeration capacity of 50～900kw for small centrifugal refrigeration unit, which is the development trend of the commercial refrigeration to replace the screwcompressorwith centrifugal compressors. Compared with the screwand scroll compressor, the small flow high-pressure ratio centrifugal compressor has the disadvantages of lowaerodynamic efficiency and high price.This paper focuses on refrigeration unit tomake systematic planning of aerodynamic, heat transfer and price, and takes refrigeration capacity of 100kw as an example to optimize the design and discusses the design ideas of small centrifugalrefrigerationunit.

small;centrifugal;refrigeration

TH45

A

1007-9467（2016）07-0073-02

2016-5-27

錢感（1983～），男，浙江嵊州人，工程師，從事離心壓縮機設計與研究，（電子信箱）kingstifen@163.com。