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非对称溶剂控制技术对水冷冷水机组IPLV的提升

2019-11-8 17:41| 发布者: 好人| 查看: 17| 评论: 0

摘要: 近几年来,在制冷空调应用领域,螺杆式压缩机已日渐普及。由于可靠性高、体型小、重量轻,在同等制冷能力下,螺杆压缩机成为制冷机组的理想配备。现如今,各行各业对环保节能要求越来越高,对制冷行业而言,高效节能 ...

近几年来,在制冷空调应用领域,螺杆式压缩机已日渐普及。由于可靠性高、体型小、重量轻,在同等制冷能力下,螺杆压缩机成为制冷机组理想配备。现如今,各行各业对环保节能要求越来越高,对制冷行业而言,高效节能型产品受到广泛追捧。

单螺杆式压缩机由一个主转子及两个与其相啮合的星轮片组成(图1)。单螺杆压缩机工作过程分为吸气过程,压缩过程以及排气过程(图2)。

图1  单螺杆压缩机结构

图2  单螺杆压缩机工作过程

1  综合部分负荷能效(IPLV)

目前,制冷机组的更高效率运行正变得愈加重要。但是,因为过渡季节和空调末端工作状况,机组大多运行在25%~75%负荷状态下。

越来越多的用户将IPLV作为产品能效衡量依据。在IPLV考核依据中,50%及75%负荷被赋予更高的权重。这就使压缩机在设计过程中去追求更高的部分负荷能效。目前主流厂商为提高机组IPLV主要采用变频技术去应对,但是变频应用中压缩机的变频改造以及附带变频器的成本几乎使原先的压缩机成本提高近一倍。与常规产品相比,变频机组较高的销售价格仍无法被普通客户所接受。本文研究的非对称容积控制技术能够在不提高压缩机制造成本的前提下很好的提高目前单螺杆式压缩机的部分负荷能效。

在本文之前,已经有对非对称式容积控制机构对压缩机IPLV的提升效果做初步说明,但并未单独、系统地针对冷水水冷机组IPLV的提升做测试研究,且未对非对称滑阀结构能够提升部分负荷能效比的原理进行说明。因此,本文的重点是研究非对称容积控制结构的实施原理及非对称式容积结构对冷水水冷机组部分负荷能效比的提升效果。

2  传统容积控制方法

目前市场主流的单螺杆制冷压缩机的能量控制方式为对称式容积控制方式,压缩机的排气量分别由两个容积控制滑阀控制。移动滑阀改变转子的有效工作长度,可以使部分制冷剂气体未经压缩通过旁通口流到压缩机吸气侧,使压缩机排气量得到调节。对称式容积结构两个滑阀通过连杆由一个连接支撑控制。压缩机在增、减载过程中由电磁阀控制高压供油及低压泄油,油路通过活塞及连接支撑同时控制两个滑阀的运动。此种控制方式在满负荷时两个星轮同时满负荷,在部分负荷时两个星轮同时处于部分负荷状态(图3)。

图3  对称式容积控制结构

3  非对称容积控制机构

非对称容积控制结构压缩机的两个星轮由两个不同的滑阀控制(图4),上侧为无级调节侧滑阀控制,由无级调节滑阀运动实现;下侧为有级调节侧滑阀控制,由有级调节滑阀运动实现。

当压缩机处于12.5%~50%负荷时,无级调节侧滑阀处于工作位置,有级调节侧滑阀处于非工作位置,无级调节滑阀运动实现负荷调节;当压缩机处于62.5%~100%负荷时,有级、无级调节侧滑阀同时处于工作位置,无级调节滑阀处于满负荷,有级调节滑阀运动实现负荷调节。

图4  非对称式容积控制结构

对称式和非对称式容积结构滑阀位置对比如表1所示。

表1  对称/非对称容积控制滑阀位置

4  非对称容积控制原理

对于单螺杆压缩机,部分负荷的性能下降主要由以下几点造成:1)旁通口流速快,压损高;2)吸排气口有旁通泄漏损失,特别是在25%负荷时,机体固定排气口与吸气口的距离很短,会造成排气口高压制冷剂泄漏到低压吸气侧;3)旁通口位于螺杆转子中段,减载之前旁通流量经过压缩做功,为无效做功损耗;4)部分负荷时压缩机内容积比不在最佳位置,造成过压缩或者欠压缩。以上各项原因综合导致部分负荷时对称式容积调节压缩机能效比低,且负荷越低,能效比越差。图5是对称式容积控制压缩机部分负荷的等熵效率图,部分负荷时滑阀处于同一位置,简单将压缩机分成两个能量控制部分来看,每个能量控制滑阀所消耗的功率是总功率的一半,排气流量也是总流量的一半,每个滑阀的等熵效率也是相同的。

图5  对称式部分负荷等熵效率

根据图5和表1,非对称式容积控制在50%负荷时有极调节滑阀在100%位置,旁通泄漏损失少,内容积比所处位置优,有极调节滑阀等熵效率与对称式单个滑阀100%负荷时等熵效率相当,约为82%,综合来看,非对称式容积控制压缩机综合等熵效率约为41%,高于对称式容积控制压缩机50%负荷时37.5%的等熵效率,由此,可推出非对称式容积控制压缩机在50%及以下负荷等熵效率高于对称式(图6)。

图6  对称/非对称式部分负荷等熵效率

5  非对称容积控制对冷水机组IPLV提升的验证分析

为确认非对称滑阀对冷水机组部分负荷能效(IPLV)的提升效果,进行对照试验验证。根据GB/T 18430.1中,关于水冷冷水机组的部分负荷水温和流量规定,压缩机的在不同负荷下的运行工况见表2。

表2  水冷冷水机组压缩机测试工况

取同一排量压缩机进行测试相同工况,除容积控制相关结构导致的差异外,其余关键性能影响部件均保持一致(螺杆转子、星轮片、电机等),测试结果见表3。

表3  对称/非对称容积控制测试结果比较

测试结果显示,非对称式容积控制与变频容积控制对比,满负荷时两者效率一致;部分负荷运行时,非对称容积控制可有效降低功率(图7),提高压缩机能效比。压缩机在 50%、25%负荷下的COP 提升明显,50%负荷COP提升7%,25%负荷COP提升20%(图8)。根据各负荷工况所占的权重,计算压缩机的 IPLV,非对称容积控制机组 IPLV 可提升5%,节能效果明显。

图7  对称/非对称式容积控制电机功率对比

图8  对称/非对称式容积控制COP对比

压缩机采用非对称式容积结构时,0%~50%负荷由于一侧滑阀完全减载,导致螺杆转子的径向力无法完全平衡,因此,维持相同的轴承寿命,需选择较大负荷的轴承。但是由于轴承当量载荷为轴向载荷和径向载荷的加权值,且径向力不平衡发生在低负荷运行,对轴承当量载荷的增加不大,所以轴承的成本上升并不明显。

6  结束语

根据实验研究结果,应用非对称容积控制方式,对于冷水机组IPLV有5%的提升,对于部分负荷,特别是25%负荷,COP提升了20%,能够有效降低了空调机组在过渡季节和空调末端开启较少时的耗电量,节约企业用电成本。

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