新型高速变频离心式冷水机组的研制及性能分析

陈锦虹

江森自控日立万宝空调（广州）有限公司广东广州510935

摘要：近年来，变频离心式冷水机组已越来越多地应用在我国的公共建筑节能项目中，且被越来越多的用户所关注。变频离心式冷水机组采用变频技术，能极大地提高机组的满负荷性能系数（COP）与综合部分负荷性能系数（IPLV）。在当前市场上关于变频离心式冷水机组的应用技术有很多，主要有直流变频、磁悬浮变频、永磁同步变频等，这些变频技术都各有其特点。本文将介绍一种新型高速变频离心式冷水机组，其具有效率更高、性能更好特点，自投入市场以来已应用于多个大型项目且得到了用户的高度认可。

关键词：变频；离心式冷水机组；新型高速变频；离心机

新型高速变频离心式冷水机组（简称“新型高速变频离心机”）与普通变频离心式冷水机组相比，最大的不同就是采用高速变频电机，单轴直驱双级叶轮，较常规齿轮增速压缩机，减少了齿轮传动而导致的机械损失，拥有更高的满负荷性能。同时，采用全新的回转数控制逻辑，大大地提升了部分负荷性能。此外，还采用了专门的供油装置系统和全自动油回收系统，极大地提高了机组运行的稳定性。

1新型高速变频离心机结构

机组结构主要由高速变频压缩机、壳管式蒸发器、壳管式冷凝器、经济器、变频控制柜以及管路系统等部件组成。机组结构示意图，见图1。

图1机组结构示意图

2新型高速变频离心机工作循环及其特点

机组工作循环主要采用二级压缩+经济器循环方式。机组工作循环示意图，见图2。

图2机组工作循环示意图

机组运行时，在高速变频压缩机内经压缩升压的气体制冷剂在冷凝器内被冷却液化。这些制冷剂液体在返回蒸发器的过程中一部分汽化，这部分汽化的制冷剂不参与蒸发器管程中的冷水制造，却需要消耗压缩机功率，降低了效率。为实现高效率工作，高速变频压缩机采用离心式二级压缩技术。与单级压缩比较，二级压缩可降低压缩机转速，提高轴承寿命。其中二段压缩循环采用两枚叶轮，在冷凝器返回蒸发器的中间压力位置设置经济器，在节流减压时产生的一部分制冷剂气体被二级叶轮吸入，如此降低了一级叶轮的输气量，可减少压缩机所消耗功率，实现高效率化。

与传统的过滤网分离型经济器比较，机组采用的经济器为离心式气液分离型，其阻力小，分离效果更好，分离效率可达99%。离心式气液分离型经济器在使用时，气液两相制冷剂经由进液管高速进入至经济器壳体内壁与套管外壁之间的环形腔体，利用旋流离心力更高效地分离出液相制冷剂。由于在经济器壳体靠近进液管的上侧设有隔板，可以防止液相制冷剂飞溅到气液分离网上部并进入经济器出气管而造成机组湿压缩。此外，在经济器壳体底部的出液管上侧设置有挡板，可以防止旋流离心力高速分离出来的液相制冷剂扰动经济器壳体底部的制冷剂液体，产生剧烈波动，从而可使机组稳定运行，避免造成机组湿压缩，提高了系统的效率，延长了机组的运行寿命。

3新型高速变频压缩机研制

新型高速变频离心机的压缩机采用变频控制器+高速变频电机+单轴直驱双级叶轮的技术，创新性的通过变频技术使直驱压缩机电机最高转速达到13085rpm，变频范围由常规的25~50Hz扩大至频率最高可达221Hz，由高速变频电机直接驱动压缩机。新型高速变频压缩机结构示意图，见图3。

图3新型高速变频压缩机结构示意图

3.1三维高效双级叶轮设计

压缩机通过采用流动损失小的翼状三维构造的叶轮，在更宽广的领域内实现高效率。叶轮的材质是具有高强度的特殊合金，通过真空精密铸造，做出理想的流线型形状。三维高效双级叶轮结构图，见图4。

图4三维高效双级叶轮结构图

3.2低损失轴承构造

压缩机取消了齿轮传动装置，减少了运动部件，从而使传动系统更简单，压缩机结构紧凑、体积小巧。主要易损易耗件由6个减少为2个，减少率为66%；另外，润滑油量降低约33.3%。由于采用二级压缩，降低了压缩机的转速，减小了轴承的耗损，故可提高机组的机械寿命。压缩机传动部件简图，见图5。

图5压缩机传动部件简图

3.3叶片式扩压器设计

制冷剂气体从叶轮流出时，有很高的流动速度。为了将这部分动能充分地转化为压力能，同时为了使制冷剂气体在进入下一级时有较低的合理的流动速度，在叶轮后面设置了叶片式扩压器。在把被叶片加速的制冷剂气体变成静压的腔体中，通过电脑设计，设置了压力回收率优良的独有扩压器。在扩压器的加工中，利用精密数控机床，加工成理想的形状，实现压缩机从高负荷到低负荷之间始终能保持高效率运行。

4压缩机用的专门供油装置系统设计

为了解决机组蒸发器中润滑油增多和油箱中油减少的问题，需要为压缩机设置专门的供油装置系统。供油装置系统示意图，见图6。

在此专门供油装置系统中，润滑油通过油冷却器直接冷却，无需冷却水管，大大增强了可靠性。油过滤器前后的配管系统设有截止阀，方便滤芯的清洁与更换。油泵通过特殊结构法兰与油箱联接，密封性能好，采用的是润滑油冷却，性能可靠。在突然停电时，可通过重力紧急供油装置系统确保轴承的润滑，不会发生异常磨耗和损伤。与压差供油方式相比，该系统有避免润滑不足、避免压缩机发生故障等优点。

此外，当压缩机回转速较低时，轴承摩擦热减少。在油箱的底侧设置有油加热器，通过增加不同转速下轴承供油温度控制，可确保机组油温不至于过低。为了防止机组启动时有油雾产生，在机组停止期间，油加热器自动工作，以确保油温适当。

图6供油装置系统示意图

5全自动油回收系统设计

机组采用独有的全自动回油方式，采用油泵排油喷射方式进行引射回油。全自动油回收系统示意图，见图7。

图7全自动油回收系统示意图

油回收装置（油回收器）采用二重套管结构。在蒸发器中，制冷剂和润滑油互溶性低，并且润滑油密度低于制冷剂密度，因此润滑油就聚集在蒸发器里的制冷剂表面上而形成油层。通过在该油层面上设置油返回用配管，回收的制冷剂和油的混合物，流入第1重套管。在第1重套管中，内部管路是冷凝器出来的高温高压制冷剂液体，与制冷剂和油的混合液通过管壁进行换热，使第1重套管中制冷剂闪发为气体后与油分离，制冷剂气体液化后回到蒸发器，润滑油分离出来。利用油泵提供动力连接到文丘里管引入侧，通过文丘里管的引射作用，使分离出来的润滑油和从油箱出来的油混合后一起回到油箱。在冷凝温度较低时，可通过压缩机排气口侧的高温高压蒸汽直接引入第2重套管，通过管壁与第1套重管换热来实现制冷剂和油的分离。

与传统的压缩机排气喷射方式相比，采用二重套管的全自动回油方式，可使回油系统结构紧凑，不需要设置过多的额外部件，并且直接利用油泵提供的动力，不仅可以保证动力需求，也使油压更加稳定。解决了采用冷凝压力和蒸发压力的压差引射回油方式易受外界环境影响问题，如冬季开机时，存在排气压力过低而回油不能顺利进行导致油压保护装置动作而不能正常运行机组的问题。

6高性能热交换器研制

蒸发器和冷凝器都是壳管式结构，采用新开发的高性能传热管，通过计算重新确定合理的换热面积，并从整体上实现管群最合理的布置，提高了热交换器的性能。

7性能分析

新型高速变频离心机的额定COP规格点高，可完美替代现行变频离心机。以新型高速变频离心机的GFVG高效系列和GXVG标准系列为对象，在蒸发器的冷水进/出口温度为12/7℃、冷凝器的冷却水进/出口温度为32/37℃工况下，和现行变频离心机的额定COP进行试验对比（见图8），发现新型高速变频离心机的额定COP规格点更高，其中GFVG高效系列的COP最高可达6.5，可完美替代现行变频离心机。

图8新型高速变频离心机与现行变频离心机的COP对比曲线图

此外，新型高速变频离心机在AHRI标准、电源380V、50Hz的试验条件下，以对象机型HC-F30D1000GFVG（1000USRT）为例，采用高速变频电机，单轴直驱双级叶轮，较常规齿轮增速压缩机，电机效率提高约1.5%，压缩机效率提高约4%，拥有更高的能效，综合能效IPLV在AHRI工况下高达11.5。

8结论

新型高速变频离心式冷水机组的研制，响应了国家和市场对中央空调冷水机组高效节能的要求，既重视额定COP规格又重视综合能效IPLV。机组冷量范围为300-1100RT，采用高速变频电机，按高转速和高频率工作设计，电机效率和压缩机效率高，机组调频范围广，在容量控制范围10%-100%内可实现无级调节。

机组采用R134a环保制冷剂，节能环保达到了国家一级能效，系列机型获得了中国节能产品认证证书。其推广应用可大幅降低各类大型公共建筑、商业地产、轨道交通等大型场所的空调能耗，在为用户节约大量的运行费用而带来显著经济效益的同时，更可为环境保护和人类可持续发展创造出巨大的社会效益。

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