螺杆冷水机组的技术研发和创新

第一章 绪论1 前言随着社会和科技不断发展，人们对生活和工作环境的舒适性要求日益提高，越来越多的建筑安装空调设备来调节室内空气环境。在我们国家，城市化进程中不断建造的大型公共建筑，使得大型中央空调系统的市场需求越来越大。冷水机组作为中央空调系统的核心部件，其日益增长的市场规模吸引了众多空调设备制造商的参与。由于螺杆压缩机具有运行维护简单，适应工况范围广，单机制冷量较大等特点，在冷水机组中得到广泛应用。目前我国螺杆冷水机组年产量在 1 万台以上。而且由于螺杆压缩机可以由专业压缩机制造商提供，所以很多具有一定规模和实力的空调设备厂家纷纷加入螺杆冷水机组的设计制造行列，使得产品的市场竞争日趋激烈。因此，如何更好地适应市场需求和发展方向，成为众多厂家研究的问题。在全球气候异常变化加剧的大环境下，节能减排、保护环境成为世界各国的共同目标和责任。近年来，联合国等国际机构先后制定了一系列关于环境保护的国际公约和议定书，与空调系统直接相关的主要是保护臭氧层的蒙特利尔议定书和控制温室效应的京都议定书 。空调系统提供舒适环境的在同时，也要消耗大量的能源。冷水机组作为空调系统的核心部件，也是最大的耗能部件。首先，空调系统主要是消耗电能来实现热量从低温热源到高温热源的迁移。而电能的生产过程中会造成大量二氧化碳等温室气体的排放及烟气粉尘等环境污染。同时，大部分的制冷剂本身也都是温室气体，有些制冷剂还对臭氧层有破坏作用。虽然蒙特利尔议定书禁止使用对臭氧层有破坏作用的 CFC 类制冷剂，但新的替代制冷剂温室效应短期内还是无法避免。因此，提高机组的效率和可靠性对空调系统的节能减排及环境保护具有重大的意义，也成为生产厂商一项重要的社会责任。我们国家在签署和批准了这些国际公约和议定书后，为了履行相关的义务，陆续制定颁布和修订了一系列国家标准，在各行各业努力倡导节能降耗和环保减排。首先，为了提高空调制冷设备的能源利用效率，国家质量监督检验检疫总局 2004 年颁布实施了强制性标准 GBl9577-2004冷水机组能效限定值及能源效率等级 ，确定了以 GB/T18430.1-2001蒸汽压缩循环冷水(热泵) 机组工商业用和类似用途的冷水(热泵 )机组标准中规定的性能指标为最低准入标准，并对产品性能划分等级，确定了节能产品认证的指标，改变了以往厂家只注重产品是否满足最低能效的状况，鼓励生产厂家进一步提高产品的能效。同时国家质监局还颁布实施了针对建筑行业的 GB50189-2005公共建筑节能设计标准以及一些其他应用领域的节能标准，在产品的消费领域规定了节能要求，从政策法规上引导和推广节能认证产品的应用，使得消费者将产品的能源效率能级作为选择产品的一个考虑因素。这也从另一个方面促使冷水机组的生产厂家努力提高冷水机组的能源效率，将通过节能认证作为获取市场竞争优势的砝码。总之，提高冷水机组的能源效率，是国家倡导节能降耗、绿色环保的能源政策的要求，为生产厂家提高产品的市场竞争力，也为用户节省能源消耗，具有企业与社会的双重效益，对实现国民经济可持续发展具有重要意义。因此，它也和质量与可靠性一样成为产品的重要指标。2 国内外研究现状螺杆冷水机组的技术研发和创新主要集中制冷剂类型、换热器结构、控制系统和机组的系统优化设计等几个方面。2.1 制冷剂制冷剂是制冷系统的工作介质，空调行业传统使用的制冷剂为氟利昂，其中 R12 和 R22 以其优良的性能和成熟的技术得到广泛的应用。但近年来发现由于其含有氯元素，对臭氧层有破坏作用，且其本身有温室气体效应，所以受到一系列国际环保议定书的限制。因此，新型环保替代制冷剂的研究正在不断地进行。李革的文献从适应环保议定书限制要求的角度，阐述了制冷剂替代进程和我们国家应采取的相应对策。余跃进等在文献中通过对比分析，认为大型机组采用 R134a，小型机组采用 R410A，风冷系统采用 R407C 效果较好。张永梨等在文献中探讨了 HCs 类制冷剂 R290 替代 R22 的问题，并针对其易燃特性给出安全建议。比较全面的资料是德国比泽尔压缩机公司(Bitzer Kuhlmaschinenbau GmbH)的制冷剂研究报告，总结了 40 多种常用制冷剂的性质，涵盖了无机和有机制冷剂，其中氟利昂包括了含氯的过渡制冷剂 HCFC 和仅含氟的及无卤素的中长期制冷剂 HFC 和 HC。文献认为采用 TEWI 参数，可以更加全面地评判制冷剂的温室效应。报告中给出了一些典型的替代方案，包括 R134a 在大型机组中替代 R12 和 R22，R407C 替代 R22 等，并从设备的配置和润滑油选择方面加以分析。报告同时认为目前的替代制冷剂温室效应值仍比较高，将来还会面临被替代的问题。综观各类文献，目前虽然我国作为发展中国家，在国际公约规定的过渡期内还可以生产使用以 R22 为制冷剂的制冷设备，但是，从环保及未来产品技术发展的角度考虑，作为新开发的产品应尽量避免使用过渡制冷剂。2.2 换热器结构换热器结构设计主要工作是换热器的型式选择和传热设计计算。换热器型式选择主要是蒸发器的型式选择，大型冷水机组的换热器基本上都采用壳管式换热器，蒸发器主要有干式、满液式和降膜式。由于降膜式技术涉及到专利问题，且对系统的设计及制造技术要求较高，所以多数厂家都选择干式或满液式的蒸发器。董天禄的离心式/螺杆式制冷机组及应用中将干式和满液式蒸发器的特点做了分析对比。传热设计计算的理论基础是传热学 ，张祉佑的制冷原理与设备及董天禄的文献，给出了针对制冷系统的各种换热器的结构设计和传热计算方法。其中换热管的换热系数及流动阻力计算是以传统的光管和低螺纹管为基础的。随着高效换热管的广泛应用，美国 Wolverine 公司的Engineering Data Book III给出了关于高效换热管计算的基本方法。各换热管厂商都在测试数据基础上，给出其产品的计算公式。2.3 控制系统控制系统是冷水机组安全高效运行的关键，控制系统的研究通常可以分为控制元件、控制信号和控制逻辑优化等主要研究方向。控制元件研究的主要是关于节流元件，适合螺杆式冷水机组的节流元件主要有孔板、热力膨胀阀和电子膨胀阀。孔板和热力膨胀阀属于传统的机械式自适应控制元件，存在调节范围小，精度低，滞后大等缺点，而且无法实现电子控制。电子膨胀阀作为一种电信号驱动的元件，可以直接接受控制系统的电子控制信号，充分利用现代的计算机控制技术，使得制冷系统实现真正的全自动电子控制，通过控制算法的优化实现系统性能的提升。电子膨胀阀需要配合传感器和控制器才能工作。传感器的作用是测量控制点参数，并传送到控制器。选取合适的控制信号可以更好地发挥电子膨胀阀的作用。传统的做法和热力膨胀阀一样用过热度作为控制点，但是对满液式蒸发器来说，液位控制也是很重要的。张光玉在文献中讨论了测量液位的直接方法和间接方法，并提出了一种基于热管技术的液位测定方法。控制器是控制系统的核心，控制器按照控制逻辑和算法处理控制信号，并生成动作指令驱动执行机构，如电子膨胀阀和增减载机构等。随着机组自动化程度的提高，控制器的逻辑和算法的优化和改进也就越来越重要。最初的控制器逻辑算法基本上是模拟机械控制器的方式。随着对系统特性研究的不断深入，以可编程序控制器加电子膨胀阀为代表的控制系统，将以往的控制机构被动响应系统参数变化的方式改为主动适应并调控系统的方式，克服了机械控制器调节范围狭窄的缺点，在宽广的范围内都能对系统进行准确高效的调控。同时，运行状态参数的数字化使得机组通过可以标准的通讯接口，与其它机器或是上层网络进行信息和指令的交换，实现多机联网和集群控制。不同厂家控制程序的先进程度和精确性也成为厂家技术水平的体现。王鹏的论文以风冷机组为平台研究不同工况下电子膨胀阀的控制，一些结论也适用于水冷机组。陈文勇的文献对启动过程等非稳定状态下的电子膨胀阀控制进行研究。2.4 系统优化设计机组的优化设计是结构设计的一项重要内容，对各个零部件进行有效的匹配整合，最大限度地发挥各模块的性能，从而实现机组性能和成本的最优化。丁国良等在文献中，对压缩机、换热器、节流装置、控制策略等影响系统性能的环节及水泵、风机等能量输送系统作了全面的分析总结。带经济器循环是螺杆压缩机特有的系统设计，除丁国良的文献14外，丁兴凤等的文献15 专门进行分析，认为带经济器的循环可以通过增加一些简单地设备提高机组的制冷量和循环效率。对氟利昂满液式螺杆机组来说，由于润滑油密度小于制冷剂，所以进入系统中的润滑油会积聚在蒸发器液面上方，使得回油问题成为的关键技术难点。张永力的文献提出的方法虽然要增加板式换热器，使得系统复杂，可行性不高，但其对回油问题的分析值得参考。王玉贵的文献通过实验得出了酯类合成润滑油和制冷剂互溶性与温度的关系，认为在蒸发器的工作温度下，含油量大于 5%会出现分层，能够满足引射回油的条件。3 本文的研究内容3.1 设计要求和数据3.1.1 设计目标：1000kW 水冷机组3.1.2 计算工况：制冷量 1000KW，冷凝水的进水温度 32，出水温度1wt=36，冷凝温度为 =40，过冷度 3， 蒸发温度