螺杆机组的技术发展

螺杆式冷水机组的技术发展张小力特灵空调亚洲研发及采购中心上海200001摘要：本文分析了制冷剂、压缩机、换热器、节流装置、控制系统、风扇和电机、除霜技术、以及其它零部件和系统优化设计的最新进展，从多角度阐述了螺杆式冷水机组的技术现状及发展趋势。1前言螺杆式冷水机组是由螺杆压缩机驱动，提供冷(热)水的装置。主要形式包括水冷冷水机组、水水热泵、风冷冷水机组、风冷热泵等，一些机组还具有自然冷却、热回收、冰蓄冷等功能。我国自1974年自主开发出第一台螺杆制冷压缩机后，到90年代中，当时国内主要骨干企业先后积极引进先进的数控制造装备，开发出多种螺杆式制冷压缩机。改革开放后通过对外交流的不断扩大，以及进口螺杆产品进入国内的市场，广大技术人员积极跟踪国外先进螺杆制冷技术，在企业、高校和研究所培养了一批从事螺杆制冷技术的专业人才。95年开始，国外著名企业逐步进入我国，建立了独资或合资企业，这些企业全部使用其公司自己生产的压缩机，现在这些企业生产的螺杆式冷水机组占具了绝大部分国内螺杆式冷水机组市场，另外，一些台资企业也生产螺杆压缩机或螺杆式冷水机组，而传统的国内螺杆式冷水机组制造厂商的产量已逐渐减少。近几年来，本土的一些民营企业或原家用空调制造商开始采用外购压缩机方式，组装螺杆式冷水机组。随着社会对空调设备在环保、节能方面的要求增强，螺杆式冷水机组因其具有设备利用率高，结构紧凑，安装使用方便等独特的优点，越来越广泛地被用户所接受。同时也应注意到一些螺杆式冷水机组亦存在着诸如效率不高、噪音较高、控制技术水平低、热泵机组除霜技术不完善等缺点，因此如何进一步提高螺杆式冷水机组的设计水平，改善其运行性能，将是今后几年内制冷空调界研究的重点。本文将从制冷剂、压缩机、换热器、节流装置、控制系统、风扇和电机、除霜技术、以及其它零部件和系统优化设计等若干方面阐述螺杆式冷水机组技术现状和发展趋势，为这类机组的设计与应用提供参考。2制冷剂表1制冷剂特性比较制冷剂R22R134aR407CR410A组分/分子式CHCIF2CH2F-CF3R32/125/134aR32/12523/25/52%50/50%沸点（℃），101.3kPa-40.8-26.2-43.7-52.6温度滑移(K)007.4≤0.2饱和液体密度，30℃（kg/m3）1174.21188.111291038临界温度°C961018773臭氧层破坏效应0.05000温室效应1700130016101890压缩机排气量100%154%约100%70%蒸发器换热100%90%90%135%压降100%70%约100%70%离心式冷水机组现在基本使用R123或R134a制冷剂，R22机组已经很少。目前国内螺杆式冷水机组多使用R22制冷剂。R22具有良好的热力和传输性能，并有宽广的材料兼容性，是目前可以接受的制冷剂。但作为过渡制冷剂，R22在未来将逐渐停止使用。替代R22的制冷剂很多，目前广泛应用的主要有：R134a，R410A，R407C，见表1。R134a对臭氧层完全没有破坏作用，并具有和R22接近的热力性能。不含氯曾引起对其热动力应用之外的性能的研究。例如，R134a不与矿物油相溶，而与润滑油相溶是对制冷剂的基本要求之一，以便使润滑油能返回到压缩装置中。这一难题已通过引入合成润滑油得到解决。为了提高效能，所有管路以及换热器本身都需要重新设计以降低流阻，保持合理的运行效率，还需增大压缩机容积排量。一些著名企业已成功商业化生产R134a螺杆式冷水机组。R407C是一种非共沸混合制冷剂，它在容量和压力方面与R22最为接近，替代时可以使用大多已有的零部件，不失为R22的一种快速替代选择。但R407C在蒸发时具有一定的温度滑移，这就对厂家的生产工艺提出了非常高的要求，需在制造、运输、安装使用过程中保证机组的高品质，降低泄漏方面的风险。R410A是一种近共沸混合制冷剂。近共沸混合物具有极小的温度滑移。R410A是一种高压类制冷剂，它在比R22高50%-70%的高压下运行，R410A用于螺杆式冷水机组风险很大。3压缩机技术螺杆压缩机是螺杆式冷水机组的核心部件，如何设计制造、选择和使用好压缩机，直接关系到机组的性能和可靠性。无油双螺杆式压缩机从20世纪30年代发明以来，最初主要用于气体压缩。从60年代开始，喷油双螺杆压缩机开始用于制冷机组，70年代出现了单螺杆制冷机组。随着螺杆新型线开发和加工精度的不断提高，在最近的二十年间螺杆制冷技术迅速发展，与活塞式压缩机相比较，螺杆式压缩机具有可靠性好、效率高、结构简单、安装方便、运转平稳和调节便利的特点。其产品具有效率高、可靠性好、振动轻的特点，已在中型制冷和空调领域迅速推广，可逐步替代大型活塞式制冷机组的市场。现今的技术已开发出压缩机效率损失低于0.5%，可靠性比活塞式压缩机提高5倍的螺杆压缩机，这些与近20年来压缩机设计、制造技术的迅速发展密不可分。如数控加工技术可以保证微米级的转子和壳体加工精度；低扭矩启动减少电机的产热量，从而提高机组效率；减少移动零部件数量保证机组可靠性和寿命；选用的航空轴承在机组寿命期不需更换；喷油或制冷剂冷却电机，润滑系统充分保证压缩机润滑。压缩机的调节有滑阀卸载和柱塞式卸载两种形式，后者常和多压缩机配合使用。压缩机能否在低温环境中安全运行是热泵机组最关键的问题之一。螺杆式压缩机属半封闭制冷压缩机，典型的半封闭压缩机必须让压缩机回液来保证电机的冷却，但过量的回液可能使润滑油稀释，导致润滑系统失效。机组设计中，必须正确对待这一矛盾，如改进润滑系统、使压缩机轴承表面得到加强等等，为能在高压比下压缩机运行提供更高的可靠性。随着国内外对螺杆技术的进一步深入研究，热泵系统适应低温环境的能力不断提高，扩大了热泵机组应用场合。4换热器换热器是螺杆式冷水机组的重要部件。螺杆式冷水机组中，主要使用干式、板式、满液式、降膜式换热器和翅片盘管式换热器。蒸发器形式主要有干式、板式、满液式和降膜式四种。干式蒸发器制冷剂在管内流动蒸发，一部分管内全部为过热气体，其传热面积不能充分利用，管内制冷剂流动存在一定压降，并且内螺纹传热管的换热特性不高，这些导致干式蒸发器的换热效率不佳。但是干式蒸发器的回油性好，结构简单，大型螺杆热泵机组多使用干式蒸发器。干式蒸发器中，小直径新型传热管、改善制冷剂分布和U型管技术应用等还需进一步研究。钎焊板式换热器是一种特殊形式的干式换热器，其换热效率高，结构紧凑，可以作为蒸发器、冷凝器、油冷却器、经济器等使用。板式换热器中，传热片的表面强化换热技术、改善制冷剂流动和环保制冷剂技术应用等还需进一步研究。对于使用开式冷却水系统的水冷冷水机组，使用板式换热器须充分考虑水质的影响。另外，板式换热器在大型机组中的应用尚需研究。1a.满液式蒸发器1b.降膜式蒸发器图1满液式蒸发器和降膜式蒸发器示意图满液式换热器一般用作单冷机组的蒸发器，蒸发器内的传热管浸没在制冷剂液体中，吸热蒸发后的气体混合物中仍含有大量液体，故从蒸发器逸出的湿蒸气须气液分离后进入压缩机，见图1a。满液式蒸发器换热性能好，水侧维护方便，许多螺杆机组现在使用满液式蒸发器。表2表示不同形式的蒸发器比较。类型干式板式满液式降膜式换热性低高高极高制冷剂側阻力大中小小制冷剂充注量一般少多极少水侧污垢维护性一般一般简便简便蒸发器回油性好好一般较好蒸发器串联难难方便方便应用范围热泵100RT以下机组中大型机组中大型机组图1b表示降膜式蒸发器。降膜式换热器在溴化锂吸收式机组中广泛应用，其在螺杆式冷水机组中应用具有新的特点。表2表示不同形式的蒸发器比较，降膜式蒸发器综合性能超群。其换热性佳，可有效提高机组效率；制冷剂充注量少，机组可以快速启动；水从传热管内流动，水侧维护方便，蒸发器可以串联实现冷水大温差运行。翅片盘管式换热器在风冷冷水机组中作为冷凝器、在风冷热泵机组中作为制冷模式的冷凝器和制热模式的蒸发器。翅片盘管式换热器的布置形式包括L型、平直型、V型和倒M型。螺杆式冷水机组中主要使用后三种较多。翅型、新型制冷剂的强化传热管技术、换热器布置、空气和制冷剂流动分布等是进一步提高翅片盘管式换热器性能的重点，CFD和计算机性能模拟技术将会推动这些研究的开展。油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气气液制冷剂混合物进口蒸气回压缩机蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气气液制冷剂混合物进口蒸气回压缩机蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气气液制冷剂混合物进口蒸气回压缩机蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气油与制冷剂混合物蒸气回压缩机冷剂液体冷剂液体布液器蒸气蒸气气液制冷剂混合物进口蒸气回压缩机蒸气蒸气5节流装置螺杆式冷水机组的节流装置主要有：固定孔板、浮子阀、热力膨胀阀、电子膨胀阀。固定孔板、浮子阀在过去的中大型螺杆式水冷冷水机组中配合满液式蒸发器广泛使用，结构简单、工作可靠，但调节精度差，现已较少使用。热力膨胀阀常与干式蒸发器结合使用。在风冷热泵中，由于制冷、制热工况不同，制冷剂循环量变化大，需两个或多个热力膨胀阀以适应工况要求。在液态管路阻力大的场合，要注意适当加大相应膨胀阀的孔径，以免出现供液不足的情况。应注意到电子膨胀阀在新产品开发中的研究。就电子膨胀阀本身特性而言，它可以控制蒸发器液位或过热度。其响应速度快、比热力膨胀阀更为有效地适应负荷的变化，使机组部分负荷性能得到提高。图2为带集成通讯模块电子膨胀阀。可以与主机进行数字量传输，无模拟量对传输线长度的限制，抗干扰能力得到显著提高。6控制系统螺杆式冷水机组的控制技术在过去的十几年得到迅速发展，微电脑技术已替代了传统的继电器控制方式，控制界面清晰，能够实现开停机、参数显示、保护和通讯功能。欧美著名厂商尤其对机组内部控制逻辑开展了大量的研究，对机组运行进行精确显示、控制和保护。采用先进的自适应控制系统将使得螺杆式冷水机组能够更加高效、可靠稳定运行。用户操作界面。过去一般采用代码显示，信息量较少。现在中文显示触摸屏已得到广泛使用，可以有效地进行参数、故障显示。负荷控制。传统机组一般仅以控制冷水出水温度来调节机组出力，机组不能快速匹配外部空调负荷变化。新型控制模式通过连续监视蒸发器冷水进口温度以精确控制机组负载，采用PID控制算法可保证蒸发器出水温度恒定，避免机组频繁启停，有效保持机组运行的稳定性和经济性。机组启动时控制冷水出水温降速率，提高机组性能系数，延长机组寿命。机组控制。采用自适应控制逻辑，包括冷凝压力、蒸发温度、电流等参数，这样在冷却水温度很低或很高时机组仍然正常工作。多台机组应用时能够保证系统最优运行。同时，实现冷水及冷却水泵的联锁，保证机组高效安全运行。故障预诊断和报警。机组能快速模拟检测确认机组的各个开关、传感器、电压和压缩机是否正常。运行中通过人机界面显示各种设置点及实际运行参数，监视机组运行，必要时报警。还能对机组进行有效的保护，如蒸发温度或压力低、输油量少、冷凝温度或压力高、排气温度高、各传感器故障、电机过载、电压过高及过低和缺相、外部突然断电、冷水流量低保护等。一些机组可以提供百余种显示和报警信息，根据报警信息再采取相应的方法即可解除。提供标准串行通讯接口，已被制造商普遍使用。7风扇与风扇电机风冷冷水机组(热泵)通常安装在室外，因此对风扇的要求特别高，特别是对噪声的要求。为减轻风扇对安装支架的冲击，并能防腐蚀，许多知名的空调厂商在风扇上采用了复合材图2电子膨胀阀料，。通过模拟计算和设计，对风扇的扇形和扇叶数量进行了优化，以使风量和噪声达到最佳的平衡。风冷冷水机组(热泵)风扇电机方面，考虑到白天和晚上的负荷变化，变速电机被应用到机组上。夜间负荷比较低，电机低速运转，大大降低了噪声，同时减少了机组的耗电量。另外，风扇电机效率提高可以改善机组效率。8除霜技术风