離心式冷水機組利用蒸汽壓縮循環來冷卻冷凍水，并将從冷凍水中吸收的熱加上壓縮機中産生的熱排放到另一個被冷卻塔冷卻的水路循環中。包括四大組成：

蒸發器是一個熱交換器，将冷凍水中熱量移走，降低冷凍水溫度。這些熱用來蒸發制冷劑使其從液體變為氣體。均使用換熱效率高的滿液式蒸發器。

在滿液式蒸發器中，冷凍水在管程，制冷劑在殼程。大型冷水機組的熱交換器中的換熱管總長度超過6km長。

壓縮機組件由電機和離心式壓縮機組成。離心壓縮機使用液态制冷劑冷卻的半封閉電機。離心式壓縮機是速度型的，它通過将動能轉換成壓力來提高制冷劑的壓力和溫度。

冷凝器：同蒸發器一樣，冷凝器是一個熱交換器。在這裡，制冷劑中的熱量被排放掉并将制冷劑從氣體冷凝為液體。這些熱量使水溫升高，冷卻水将熱量運送到冷卻塔并排放到大氣中。

膨脹裝置：制冷劑被冷凝為液體後經過一個降壓裝置，這可以是簡單的孔闆或複雜的電子膨脹閥。

壓焓圖：

從制冷循環的壓焓(P－H)圖。每個組成部分的過程都表示在圖上。蒸發過程從點1到點2，當制冷劑從液體變為氣體時，壓力（和溫度）保持不變，熱量被吸收後發生相變（潛能）。制冷效果是從點1到點2的焓值變化，簡單表示為循環制冷劑的單位制冷量BTU/lb.。

從點2到點3的曲線表示壓縮過程。做功等于從點2到點3的焓值變化與制冷劑流量的乘積。簡單表示為BTU/lb.乘以lb./min等于壓縮機做功。壓縮機将壓縮功最終轉化成制冷劑的熱量。開啟式電機将電機繞組的熱量排放到機房，由于冷水機組電機的效率通常高于95％，小于電機額定功率5％的功率最終轉化為熱量排到機房中。曲線的垂直部分表示制冷劑壓力（和溫度）從點2升高到點3。

下一個過程發生在冷凝器。第一部分（在制冷劑圓弧曲線外面）是将過熱蒸汽降溫的過程。一旦制冷劑成為飽和氣體，就出現冷凝過程将制冷劑從氣體變為液體，同蒸發器一樣，水平直線表示恒壓（或恒溫）。注意曲線左邊的冷凝器過冷部分，在壓焓圖上很容易看出過冷是如何增加總的冷卻效果的，過冷延長了制冷劑單位質量的制冷效果（較大的△H），這樣在沒有增加耗功的情況下增加了冷卻量。

最後的過程是在膨脹裝置，圖中從點4到點1的垂直線表示在制冷劑通過熱力膨脹閥時壓力（和溫度）降低。

ARI550/590-2003标準（美國）與GB18430-2007标準（中國）用來測試和評估冷水機組。兩者對比如下：

被大多數水冷式暖通空調系統采用的設計工況在離心式冷水機組上運行很好。空調和制冷協會（ARI）為包括離心式冷水機組在内的多種暖通空調産品提供測試标準和認證。ARI550/590－98标準用來測試和評估冷水機組，加上冷水機組有了一個提供給工程設計人員和業主的第三方認證，以證明冷水機組滿足制造廠家說明的性能參數，ARI測試标準使不同的冷水機組可以進行比較。

ARI設計工況經常被作為設計工況。盡管它們表述了好的“平均”使用工況，但對于每一個項目來說，這并不表示是最好的設計工況。

在蒸發器與冷凝器中水的溫度變化可用下述公式表示：Q = C × M ×△T

其中：Q = 熱交換量，kW；M = 流體流量，m3/h；

C = 流體比熱，kJ/(kg*℃) ；△T= 流體溫差，℃。

蒸發器中，利用公式與設計工況，可計算出：

我們知道冷凝器需要排放的熱量等于蒸發器吸收的熱量加上壓縮機所做的功，假設壓縮機所做的功是蒸發器吸收熱量的25％，那麼冷凝器需要排放的熱量就是蒸發器吸收熱量的125％。

在冷凝器中：

冷凝器：制冷劑保持恒定溫度36℃。制冷劑從氣體變為液體并釋放出冷凝潛熱。同時，來自冷卻塔的30℃的水進入冷凝器獲得顯熱并使水溫升高到35℃；

蒸發器：制冷劑保持恒定溫度5.5℃。制冷劑從液體變為氣體，同時吸收蒸發潛熱，12℃的冷凍水釋放顯熱并使水溫降低到7℃；

壓縮機提升力：對于R134a，在36℃時的冷凝壓力為912kPa，在5.5℃時的蒸發壓力為354kPa。壓縮機提升力558kPa；

上圖顯示了冷凝器和蒸發器的熱傳遞過程。使用GBI設計工況，圖上顯示了典型溫度。對于冷凝器，制冷劑保持恒定溫度36℃。制冷劑從氣體變為液體并釋放出冷凝潛熱。同時，來自冷卻塔的30℃的水進入冷凝器獲得顯熱并使水溫升高到35℃。

蒸發器的情況相似，在這個過程中，蒸發器中的制冷劑保持恒定溫度5.5℃。制冷劑從液體變為氣體，同時吸收蒸發潛熱。12℃的冷凍水釋放顯熱并使水溫降低到7℃。

蒸發器或冷凝器中的壓力為給定溫度下的飽和壓力，這可以從溫度壓力圖表中查出。對于HFC－134a，在36℃時的冷凝壓力為912kPa，在5.5℃時的蒸發壓力為354kPa。

熱量從一種流體到另一種流體的傳遞可以用以下公式來表示：Q = U× A×LMTD；

LMTD= △T/ Loge (Εθ1/θ2)

其中：Q = 熱交換量 (kW)

U = 總的熱傳遞系數 (kW/(m2*℃))

A = 換熱管面積 (m2)

LMTD = 流體和制冷劑之間的對數平均溫差(℃)

△T = 流體的溫差 (℃)

θ1 = 進口溫差 (℃)

θ2 = 出口溫差 (℃)

從公式中可以看出：

增加管數（增加表面積A）将提高熱傳遞，也會降低流體的壓力降，但增加換熱管會增加成本；

增加熱傳遞系數U會提高熱傳遞；

設計工程師的決定會影響對數平均溫差(LMTD)：改變飽和吸氣溫度或飽和冷凝溫度将改變θ1和θ2。降低吸氣壓力或升高冷凝壓力，将降低換熱器成本，增大壓縮機功率；

設計工程師對運行水溫的選擇也将影響熱傳遞。

從這些公式中可以看出一些重要關系，增加管數（增加表面積A）将提高熱傳遞，這也會降低流體的壓力降，但增加換熱管會增加成本。

增加熱傳遞系數U會提高熱傳遞。大多數冷水機組使用銅管作為換熱管。使用厚壁管比較堅固，但會降低傳熱系數U值并降低傳熱性能。在冷凝器中使用熱傳遞性能不好的材料也會影響傳熱性能。内螺紋管可以提高熱傳遞系數，螺紋增加了表面積并增加擾動從而提高總的傳熱。換熱管外表面強化提供了更多的集結點有助于沸騰。這些參數由冷水機組制造廠家在設計時加以控制。

制造廠家或設計工程師的決定會影響對數平均溫差(LMTD)。改變飽和吸氣溫度或飽和冷凝溫度将改變θ1和θ2。如果吸氣飽和溫度從42℉降到40℉，對數平均溫差LMTD将增加，這就有可能從機組中減少換熱管而維持原有的熱傳遞，蒸發器成本将降低。然而，新的飽和壓力将降低到35psig，壓縮機提升力将從81.7psig提高到83.3psig，壓縮機也更費力。

設計工程師對運行水溫的選擇也将影響熱傳遞。将回水溫度從54℉變為58℉(将溫差從10℉變為14℉)增加△TF并提高對數平均溫差LMTD。然而，将冷凝器出水溫度從 95℉改變到100℉(将溫差從10℉變為15℉)增加△TF并降低對數平均溫差LMTD。解決彌補較大的冷凝器溫差的方法是增加換熱管(增加表面積)或提高冷凝器的飽和壓力，後者使壓縮機更費力。

如前所述，在GB标準工況下，需要的壓力提升或提升力是558kPa，壓縮機的作用就是提供這個提升力。

離心式壓縮機不同于容積式壓縮機(如渦旋式、活塞式和螺杆式)，離心式是通過葉輪的高速旋轉，将動能轉化為壓力能來提升壓力。容積式壓縮機在壓縮過程中封閉一定量的氣體并減小體積，通過體積變化來提升壓力。

一般離心式制冷壓縮機氣流均沿軸向進入葉輪，即在葉輪進口處氣體流速在圓周切線方向的投影為0，因此：

Ψu2－葉輪出口處氣流切線分速度系數,也稱為周速系數。

理論能量頭與葉輪外緣圓周速度相關，成二次方關系；

理論能量頭與制冷劑無關，無論是R123、R134a達到同樣壓比，葉輪葉尖的速度是基本相同的。

理解原理的簡單方法是設想一個系在繩子末端的球，一個人旋轉繩子上的球，另一個人站在二樓的陽台上。如果旋轉球的人釋放有足夠角動力的球，球就能飛到在二樓陽台的人那裡。球的重量(分子重量)、繩子的長度(葉輪半徑)和轉動速度(rpm)影響角動力。

不同制冷劑應用比較：

對于任何離心機常用的制冷劑，它們所需要的葉尖速度非常接近(相差在4%以内)，大約是200m/S。不論是小葉輪高轉速還是大葉輪低轉速，葉尖速度相對恒定而不管是什麼制冷劑。

機組實際的冷量決定于有多少制冷劑(m3/h)通過壓縮機，表1列出了常見制冷劑每冷噸冷量需要多少制冷劑流量m3/h。R134a需要大約1.45m3/h/kW，而R123需要大約8.97m3/h/kW，R134a的密度較高。

對于離心式壓縮機設計的一個關鍵參數是制冷劑氣體進入葉輪的速度，其速度要低于1馬赫，通常進氣速度的極限在大約0.9馬赫。以一台1000冷噸的冷水機組為例來比較使用離心機常用的制冷劑冷水機組。

起決定作用的因素是壓縮機的提升力與它的葉尖速度成正比。

壓縮機設計參數：

上表的數據決定了壓縮機的幾何尺寸。制冷劑為R123的壓縮機通常使用直聯式電機，在60Hz時，壓縮機轉速為3550rpm。直聯式的優勢在于不需要變速箱，然而，在不使用變頻裝置(VFD)的情況下不能調整葉尖速度，注意要達到适當的葉尖速度，葉輪直徑需要1031mm。

使用R134a或R22的壓縮機通常需要一個變速箱。小壓縮機(130mm直徑的葉輪)，轉速可達到30,000rpm。

使用R123的大直徑葉輪，為了減小葉輪直徑，通常的解決方法是使用兩級或三級壓縮。

為了提高壓縮機效率，兩級壓縮中常使用制冷劑經濟器。

除了減小葉輪直徑和壓縮機外殼外，兩級壓縮機還有較高的理論制冷循環效率。在兩級壓縮過程中，制冷劑通過兩個膨脹裝置。當制冷劑通過第一個膨脹裝置時，一些制冷劑閃發，或者變成氣體。閃發制冷劑被引入兩級壓縮之間，這可以“冷卻”離開第一級壓縮的過熱制冷劑氣體。

其餘的液态制冷劑通過第二個膨脹裝置并進入蒸發器，此時制冷劑的焓值比如果在冷凝器壓力下閃發時的焓值低。因此，通過蒸發器的制冷劑流量要小。

離心式壓縮機特性：

典型的壓縮機曲線與離心風機曲線類似。

設計點D：在該工況點壓縮機效率最高，偏離此點越遠，效率下降越多；

喘振點S：在該工況點氣體獲得的能量頭最大，流量減小時，将進入不穩定運行狀态。

最大流量點E：最大冷量點，葉輪出口處發生堵塞。

同風機曲線一樣，左邊的區域描述不穩定的壓縮機運行。回到球和繩子的例子，若球被釋放到站在二樓陽台的人那裡，但不能到達而停了下來，這時就發生了失速。事實上，通過壓縮機的制冷劑不再移動是達不到制冷效果的，更糟糕的是所有的軸功率在壓縮機中轉化成熱導緻壓縮機損壞。

典型的壓縮機曲線：

喘振線：不同轉速下S點組成；

堵塞線：不同轉速下E點組成；

喘振區：喘振線以左區域，壓縮機在該區域發生喘振，不能運行；

堵塞區：堵塞線以右區域，壓縮機流量達到最大；

運行區：壓縮機正常運行區域，分高效率區域低效率區。

失速與喘振：

回到球和繩子的例子，若球被釋放到站在二樓陽台的人那裡，但不能到達而停了下來，這時就發生了失速。事實上，通過壓縮機的制冷劑不再移動是達不到制冷效果的，更糟糕的是所有的軸功率在壓縮機中轉化成熱導緻壓縮機損壞。

當球開始落向在地面上的人那裡時就發生了喘振。在這個過程中，制冷劑每幾秒鐘就流回壓縮機葉輪，等壓力建立起來後又向前移動，這比失速更危險，因為這颠倒了壓縮機軸上的推力軸承的負載。

經過适當選型的冷水機組在設計工況下不會出現喘振。運行工況發生改變時需要的提升力增加，特别是在部分負荷時機組可能出現喘振。提高冷卻塔供水溫度或降低冷凍水供水溫度而超過設計點都會導緻喘振。必須對壓縮機喘振采取措施。

預防措施：提高設計壓比，拓展壓縮機小負荷範圍，可能會降低效率；通過控制，使機組運行在運行區内，可能造成壓縮機能力下調幅度小，小負荷時造成機組頻繁開停機；

保護措施：通過檢測壓縮機排氣壓力或者電流的周期性變化，判斷機組是否發生喘振，在發生喘振時及時停機保号。

工況變化對壓縮機性能影響：

蒸發溫度愈低，制冷量下降愈劇烈；

當冷凝溫度高于設計值時，離心式制冷壓縮機的制冷量将急劇下降；随轉速的降低能量頭急劇下降，因而制冷量也将急劇下降。

離心式壓縮機受蒸發溫度的影響程度比活塞式壓縮機大；

當冷凝溫度低于設計溫度時，冷凝溫度對離心式壓縮機制冷量影響較小；當冷凝溫度高于設計溫度時，離心式壓縮機制冷量随冷凝溫度的升高急劇下降。

蒸發溫度和冷凝溫度一定時，離心式壓縮機制冷量與葉輪外緣圓周速度平方成正比，活塞式制冷壓縮機制冷量與轉速成正比；

離心式壓縮機能量調節：

離心式制冷機組的能量調節，決定于用戶熱負荷大小的改變。一般情況下，當制冷量改變時，要求保持從蒸發器流出的載冷劑溫度為常數（這是由用戶給定的），而這時的冷凝溫度是變化的。

離心式制冷壓縮機制冷量的調節方法很多，主要有以下三種：

壓縮機進氣節流調節：在蒸發器和壓縮機的連接管路上安裝一節流閥，通過改變節流閥的開度，使氣流通過節流閥時産生壓力損失，從而改變壓縮機的特性曲線，達到調節制冷量的目的。這種調節方法簡單，但壓力損失大，不經濟。

采用可調節進口導流葉片調節：在葉輪進口前裝有可轉動的進口導流葉片，導流葉片轉動時，進入葉輪的氣流産生預定方向的旋繞，即進口氣流産生所謂的預旋。利用進氣預旋，在轉速不變的情況下改變壓縮機的特性曲線，從而實現機組能量的調節。通常，采用葉輪入口導流葉片與葉輪出口擴壓器寬度調節相結合的雙重調節。

改變壓縮機轉速調節：以汽輪機或可變轉速電機驅動，改變壓縮機轉速進行調節，這種條件方法最經濟。

每個壓縮機轉速n （n1＞n2＞n3）有不同的溫度曲線工作點将随之改變，從而達到調節機組能量的目的。

通常情況下，變頻離心機冷量調節都采用與進口導葉聯合調節的方式。

離心壓縮機結構：

離心式壓縮機工作原理：氣體由吸氣室吸入，通過葉輪對氣體做功，使氣體壓力、速度、溫度提高。然後流入擴壓器，使速度降低，壓力提高。如果是多級離心式壓縮機還會有彎道和回流器，彎道和回流器主要起導向作用，使氣體流入下一級繼續壓縮。最後，由末級出來的高壓氣體經蝸殼和出氣管輸出。

由于氣體在壓縮過程中溫度升高，而氣體在高溫下壓縮，消耗功将會增大。為了減少壓縮耗功，故對壓力較高的離心式壓縮機，在壓縮過程中采用中間冷卻。

吸氣室：其作用是将從蒸發器或級間冷卻器來的氣體，均勻地引導至葉輪的進口；為減少氣流的擾動和分離損失，吸氣室沿氣體流動方向的截面一般做成漸縮形。

進口導流葉片：導流葉片可用來調節制冷量。當導流葉片旋轉時，改變了進入葉輪的氣流流動方向和氣體流量的大小。

葉輪：葉輪設計要求高，加工複雜，精度高，通常采用鑄鋁葉輪。

離心壓縮機唯一運動部件為葉輪，運轉速度可高達10000rpm以上，是壓縮機的心髒，其可靠性，很大程度上決定了機組的可靠性。

閉式三元葉輪與開式葉輪比較：

擴壓器：将氣體動能轉變為壓力能的固定部件，氣體流過擴壓器時，速度逐漸降低，壓力逐漸升高。

變截面擴壓器與固定括壓器比較：

對于固定擴壓器，在滿負荷時，在葉輪和蝸殼之間的制冷劑流量适當，當機組制冷量減小時制冷劑流速降低，制冷劑依然以适當的葉尖速度流過葉輪出口，但對于減小的流量來說排氣面積過大，從而使制冷劑失速。 變截面括壓器：當制冷劑流速減小時，排氣面積也随之減小從而維持适當的速度，擴大了壓縮機的有效運行範圍 。

彎道和回流器：彎道和回流器将由擴壓器流出的氣體引導至下一級葉輪。

蝸殼的作用是把從擴壓器或葉輪中（沒有擴壓器時）流出的氣體彙集起來，排至冷凝器或中間冷卻器。

密封的作用是防止氣體在壓縮機内部各腔體間互相流動及向外洩露。最常用的是内密封是迷宮密封，其作用原理，是利用氣流經過密封時的阻力來減少洩漏量。

軸承的作用是支撐、固定轉子，并保持壓縮機轉子平穩運轉。對壓縮機而言，功率越大，振動問題越嚴重。采用三油楔軸承設計，可提高機組運行穩定性，确保運行可靠。

壓縮機輔助系統包括：

潤滑系統：潤滑齒輪、軸承；

冷卻系統：冷卻主電機、潤滑油；

冷媒提純系統(回油系統)：定期回收冷媒中的油；

潤滑系統：為壓縮機的齒輪、軸承提供潤滑。

潤滑系統由油泵、油冷器、過濾器、壓力傳感器、溫度傳感器、油加熱器組成。

離心壓縮機電機内部油路與氣封：

采用高壓氣體形成軸封，阻止潤滑油跑入電機腔。

電機冷卻：采用高壓液體冷媒在電機腔内直接冷卻，冷媒蒸發後回蒸發器。

軸承冷卻：軸承的熱量由油帶走，再采用高壓冷媒冷卻潤滑油。冷媒蒸發後回蒸發器。

回油系統：将混入制冷劑中的潤滑油分離，以提高制冷劑的純度，并将分離後的潤滑油送回油箱。

本文來源于互聯網，作者：劉華。暖通南社整理編輯。

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