小型商用涡旋式风冷热泵机组的技术发.doc

小型商用涡旋式风冷热泵机组的技术发展上海一冷开利空调设备有限公司 周雷 封晓伦 朱晖 联合开利（上海）空调有限公司 张小力摘要：本文从压缩机技术、环保工质、制冷系统优化设计、除霜技术、控制系统等多角度阐述了小型商用涡旋式风冷热泵机组的技术现状及发展趋势。1前言 随着社会对空调设备在环保、节能方面的要求增强，风冷热泵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，近年来在广大南方地区及长江流域得到了广泛地应用。特别是小型商用风冷热泵机组，其冷/热量范围一般在40250Kw左右，适用于学校、宾馆、饭店、商场、超市、办公楼等多种场合。同时也应注意到风冷热泵机组亦存在着诸如噪音较高、除霜技术不完善、冬季室外温度较低不能运行等缺点，因此如何进一步提高风冷热泵机组的设计水平，改善运行性能，将是今后几年内制冷空调界研究的重点。本文将从压缩机技术、环保工质、制冷系统优化设计、除霜技术、控制系统设计等若干方面阐述小型风冷热泵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 压缩机技术制冷压缩机是制冷空调设备的心脏部件，如何在系统中选择和使用好压缩机，直接关系到风冷热泵机组的性能和可靠性。与往复式压缩机相比较，涡旋式压缩机具有效率高、运转平稳、结构简单、形小量轻、噪声振动低的特点。与往复式压缩机的对比实验表明，涡旋式压缩机体积小40%，重量轻15%，效率高10%，噪声低5dB(A)。因此目前小型商用风冷热泵机组大多首选涡旋式压缩机。涡旋式压缩机由Creux于1905年发明并取得美国专利，近20年来在结构设计和精密加工方面取得了突破性的进展，被公认为是在小型空调领域内效率最高的压缩机型。因此许多著名的压缩机制造厂商加紧了对该机型的研发，如谷轮公司最新推出的柔性涡旋系统，可以确保压缩机在不同工况下动静盘之间保持稳定的间隙，可靠地运行。又如考虑到涡旋盘在运行中的热弹性变形，日本学者提出了涡旋盘变壁厚的设计方案，使动静盘沿涡旋曲线的径向间隙在吸气侧和排气侧完全一致，保证了压缩机的高效、可靠运行。压缩机能否在低温环境中安全运行是风冷热泵机组最关键的问题之一。涡旋式压缩机属全封闭制冷压缩机，而典型的全封闭压缩机因为它的基本结构决定了不太适合在较低温下使用。因为一方面必须让压缩机回液来保证电机的冷却，但同时过量的回液可能使润滑油稀释，导致润滑系统失效。因此在压缩机设计中，必须正确对待这一矛盾，一方面可采用气液分离器防止大量制冷剂回流到压缩机，另一方面改进润滑系统，使压缩机轴承表面得到加强，为能在高压比下运行提供更高的可靠性。随着国内外对涡旋压缩机内在机理的进一步深入研究，风冷热泵系统适应低温环境的能力不断提高，扩大了风冷热泵机组在更广大地区的应用。3 环保工质目前商用和民用风冷热泵机组广泛使用制冷剂HCFC-22（二氟一氯甲烷）。HCFC-22具有良好的热力和传输性能，并有宽广的材料兼容性，但它的ODP值为0.055，被列为蒙特利尔议定书中受控物质之一。作为过渡制冷剂HCFC-22将逐渐停止使用，因为它也含氯，不过比CFCs含量少而已。我国入世已成定局，随着加入WTO后进口零部件关税的降低，国内企业产品的成本优势将加明显，可以预见小型风冷热泵产品将继家用空调产品后进入发达国家市场。企业在开发产品时，不仅要看国内市场，还要关注全球市场。发达国家对产品的环保性要求极高，如欧盟的小型商用风冷热泵厂商已全部能够提供HFC制冷剂的产品，并将在近期淘汰以HCFC-22为制冷剂的产品。国内空调业只有在环保方面实现技术上的重大突破，才能保证自己的产品在与国外同行竞争中处于优势。 替代HCFC-22的制冷剂很多，目前广泛应用的主要有：HFC-134a，HFC-410A， HFC-407C（见下表）。 HFC-134a可作为理想的低压类替代制冷剂，对臭氧层完全没有破坏，并具有和HCFC-22接近的热力性能，在这三种制冷剂中应用最为广泛。但为了提高效能，所有管路以及换热器本身都需要放大尺寸以降低流阻，保持合理的运行效率，并且需要增大压缩机容积排量。HFC-134a主要运用于制冷量大于200kW的螺杆和离心机组中。HFC-410A由HFC-32和HFC-125混合而成，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。HFC-410A是一种高压类制冷剂，它在比HCFC-22高50%-70%的高压下运行，如果系统按HFC-410A的特性优化后可得到比HCFC-22更优良的性能。但同时，系统的大部分部件需要承受高压，如压缩机、热交换器、膨胀阀等。HFC-410A主要用于小型家用空调中。HFC-407C是一种非共沸制冷剂，由HFC-32、HFC-125、HFC-134a三种制冷剂混合而成 。它在容量和压力方面与HCFC-22最为接近，可以说是HCFC-22的理想替代物之一。HFC-407C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较高的要求，需在生产中保证机组的高品质，降低泄漏方面的风险。HFC-407C目前已在小型商用风冷机组中被广泛应用。物理特性HCFC-22HFC-134aHFC-410AHFC-407C分子量86.5102.072.686.2沸点（），101.3 kPa-40.8-26.2-52.7-43.6冰点（）-160.0-96.6临界温度（）96.1101.172.587.3临界压力（kPa）4978.04066.64964.24820.0饱和液体密度，30 （kg/m3）1174.21188.11038.01129.3液体比热，30kJ/(kgK)1.301.421.721.55等压蒸汽比热（Cp）,30及101.3kPa,kJ/(kgK)0.670.880.880.75蒸汽比热比（k=Cp/Cv）,30及101.3kPa1.181.121.171.14在空气中的可燃密度百分比范围%无无无无ANSI / ASHRAE标准34-1992安全等级A1A1A1/A1A1/A14 结构优化设计 近年来科技的迅速发展，使越来越多的新技术、新材料被应用到风冷热泵机组上，机组的结构得到进一步的优化，机组安装更加简便，性能更加优越，运行更加可靠。4.1风扇电机与风扇 由于风冷热泵机组通常安装在室外，因此对风扇的要求特别高，特别是对噪声的要求。为了减轻风扇对安装支架的冲击，同时为了防腐蚀，许多知名的空调厂商在风扇上采用了复合材料，如聚丙烯和玻璃纤维的复合材料。在设计上，通过计算机的模拟计算和设计，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。在风扇的安装上，为了防止振动传递给机组，风扇固定框架采用了防震的设计方案。 在风扇电机方面，考虑到白天和晚上的负荷变化，多级变速电机被应用到风冷热泵机组上。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。开利公司在其风冷热泵机组上就采用了最新的开利专利的飞鸟系列风扇，提高了机组的性能，并降低了噪音和振动。图1 开利-飞鸟系列风扇4.2集成水系统考虑到许多用户安装机组时的不方便，有些厂商已经在小型商用涡旋式风冷热泵机组上集成了水系统。一般水系统都会包括水泵，水过滤器，膨胀水箱，水压表，及排污阀等部件，用户现场只要接上水管，机组马上就能运行，缩短了安装时间，降低了安装费用，给用户带来了极大的便利。4.3管路设计在机组管路设计方面，为了避免压缩机振动通过管路传递，防止产生共振，在空间允许的情况下，可以采用多弯的设计思想，降低管路机械振动的传递。 图2 改进前的设计 图3 改进后的设计5 除霜技术风冷热泵机组在冬季运行时，当盘管表面温度低于-2C时开始结霜，随着霜层的增厚，盘管的传热效率降低，空气阻力增大，严重时导致机组盘管冻结，机组无法正常运行。因此能否有效除霜成为影响风冷热泵机组动机运行可靠性的最关键因素之一。随着空调技术和控制技术的发展，越来越多的除霜控制技术应用到风冷热泵上来。常用的除霜技术有：定时除霜方案，风侧单温度传感器（盘管温度）除霜方案，风侧双温度传感器（环境温度、盘管温度）除霜方案，室内双温度传感器（室内环境温度、盘管温度）除霜方案，整机功率变化除霜方案，室外风机电流变化除霜方案，以及“白色度”传感器除霜方案等。由于中国幅员广阔，各地气候温湿度及变化差异较大，采用以上任一种方案在应用过程中都各有优缺点。能充分考虑各地气候条件，并应用在除霜控制过程中，从而能够达到真正高效地除霜，而不影响机组附加的能量损耗和可靠运行是当前风冷热泵需解决的紧要问题。6 控制系统 当今计算机科技的迅猛发展，使得风冷热泵的控制系统也有了长足的进步。在控制方面，可以根据冷量的负荷自动调节机组的上下载，如果是多机头的机组，可以调整每台压缩机的启动次数和运行时间。通过控制系统定制运行时间表，使机组能在规定的时间段自动开机运行或停机。同时机组带有自动启动除霜功能，提高了机组运行的可靠性。如果机组集成水系统，那么控制系统会对水泵的运行进行监控。 安全方面，许多机组提供了一系列完善的安全保护控制，如排气压力过高保护，吸气压力过低保护，以及电压过高、过低保护等等。 外部通讯方面，风冷机组也有了很大的改善。考虑到许多用户采用多台机组，控制系统可设置先/后的开机方式，同时通过RS485/RS232等通讯接口，可将机组与远