南京佩诗机电科技有限公司官网丨工业冷水机
十年专注从事工业制冷设备定制
全国服务咨询热线:

136-0516-3836

当前位置首页  »  资讯动态  »  产品知识 » 离心式冷水机的基本原理

离心式冷水机的基本原理

返回列表 作者:工业冷水机厂家 浏览:6893 发布日期:2021-06-01【

  基本制冷循环

  离心式冷水机利用蒸汽压缩循环来冷却水,并将从冷冻水中收集的热量和来自压缩机的热量排放到由冷却塔冷却的第二个水回路中。它由以下四个主要部分组成;

  蒸发器
  蒸发器是一种热交换器,可从冷却水中去除建筑热量,从而在此过程中降低水温。热量用于使制冷剂沸腾,将其从液体变为气体。富液式蒸发器在管中装有冷冻水,在壳中装有制冷剂。大型冷却器的热交换器中可能有超过 5 英里的管道。

  压缩机

  压缩机总成由原动机和离心压缩机组成。离心式压缩机为非正排量式。它通过将动能转化为压力来提高制冷剂的压力和温度。

  冷凝器

  与蒸发器一样,冷凝器也是一种换热器。在这种情况下,它从制冷剂中带走热量,使其从气体冷凝成液体。热量会升高水温。然后冷凝水将热量带到冷却塔,在那里热量被排放到大气中。

  扩展装置

  制冷剂冷凝成液体后,通过减压装置。这可以像孔板一样简单,也可以像电子调节热力膨胀阀一样复杂。

  压力-焓

  压力-焓 (PH) 图是查看制冷循环的另一种方式。它具有以图形方式显示过程、冷却效果和实现冷却所需的工作的优点。

  典型工作条件

  大多数水冷 HVAC 系统施加的设计条件非常适用于离心式冷水机组。空调和制冷协会 (ARI) 为包括离心式冷水机在内的各种 HVAC 产品提供测试标准和认证。ARI 标准 550/590-98 用于测试和评估冷水机组。此外,冷水机通常有一个认证,为工程师和业主提供第三方验证,证明冷水机将满足制造商表明的性能。ARI 测试标准允许对不同的冷却器进行“苹果对苹果”的比较。

  标准的 ARI 评级条件是:

  离开冷冻水温度 44oF

  冷冻水流量 2.4 gpm/ton

  进入冷凝器水温 85oF

  冷凝水流量 3.0 gpm/ton

  0.0001 蒸发器结垢系数和 0.00025 冷凝器结垢系数

  冷凝器或蒸发器的流体温度变化可以使用以下公式来描述:

  Q = W × C × ΔTF (1)

  在哪里

  Q = 热交换量(btu/hr 或 kw)

  W= 流体流速(USgpm 或 l/s)

  C= 流体的比热 (btu/lboF 或 kJ/(kgoC))

  ΔTF= 流体的温度变化(oF 或oC)

  假设流体是水,则公式采用更常见的形式;

  负荷 (btu/hr) = 流量 (USgpm) × (oFin-oFout) × 500 (2)

  或者

  负载(吨 = Flow(USgpm) × (oFin-oFout) / 24 (3)

  使用该方程和 ARI 设计条件,发现蒸发器中的温度变化为 10oF。进入蒸发器的水温为 54oF。

  回想一下,需要从冷凝器中去除的热量等于蒸发器中收集的热量加上压缩功。假设压缩功是蒸发器收集热量的25%,那么冷凝器排出的热量将是蒸发器热量的125%。

  使用上述方程和 ARI 设计条件,现代高效冷却器的冷凝器温度变化为 9.4oF,流量为 3 gpm/ton。离开蒸发器的水温为 94.4oF。这通常被错误地四舍五入为 10 度 delta T 和 95.0oF 离开水温。

  ARI 设计条件经常用作设计条件。尽管它们代表了良好的“平均”使用条件,但它们可能并不代表适用于每个项目的最佳设计条件。

  离心压缩机理论

  如前所述,这些温度的饱和压力是已知的。在典型的 ARI 条件下,所需的压力增加或升力为 81.7 psig。压缩机的目的是提供这种提升。

  离心式压缩机不同于容积式压缩机(如涡旋式、往复式和螺杆式)。离心机是空气动力型或涡轮型。它们通过将动能转换为压力能来移动气体。容积式压缩机在压缩过程中将一定量的制冷剂装入体积减小的压缩机中。它们提供出色的提升特性。离心式压缩机的优点是其高流量能力和良好的效率特性。

  理解原理的简单方法是想象一个球在绳子的末端。一个人在绳子上挥动球。第二个人站在二楼阳台。如果挥球的人以足够的角动量释放球,球就会飞到二楼阳台的人身上。球的重量(分子量)、弦的长度(轮径)和转速(rpm)都会影响角动量。

  要注意的关键参数是压缩机产生的升力与其尖端速度成正比。表 1 列出了用于离心压缩机的常用制冷剂的特性。回想一下,冷冻水和冷凝水温度以及接近温度设置了所需的升程。这对于任何冷水机都是一样的。查看表 1,对于任何流行的离心制冷剂,所需的尖端速度都非常接近(在 4% 以内)。所需的尖端速度约为 650 fps。无论是小轮转快还是大轮转慢,不管制冷剂如何,叶尖速度都是相对恒定的。

  表 1,制冷剂特性

制冷剂 氟氯烃 123 HFC 134a 氟氯烃 22
冷凝器压力机。psig @ 100oF 6.10 124.1 195.9
蒸发器出版社。psig @ 40oF(汞真空英寸) (18.1) 35.0 68.5
净制冷剂效应 (BTU/lb) 66.0 68.0 73
制冷剂。流通磅/分/吨 3.08 3.00 2.78
气体流量 cfm/ton 18.15 3.17 1.83
头 (BTU/磅) 7.73 8.34 9.0
尖端速度英尺/秒。 656 682 707
臭氧消耗潜能值 (ODP) 0.02 0.00 0.05

  冷水机执行的实际冷却量取决于它通过压缩机移动的制冷剂 (cfm) 量。表 1 显示了流行的制冷剂每吨冷却需要多少 cfm 的制冷剂。HFC-134a 需要大约 3 cfm/吨,而 HCFC-123 需要大约 17 cfm/吨。HFC-134a 具有更高的密度。

  离心式压缩机的一个关键设计参数是制冷剂气体的叶轮入口速度。必须保持在 1 马赫以下。通常,入口速度限制在 0.9 马赫左右。以 1000 吨冷水机为例,比较使用流行离心制冷剂的冷水机。

  表 2,压缩机设计参数

制冷剂 HFC 134a 氟氯烃 22 氟氯烃 123
冷水机尺寸(吨) 1000 1000 1000
压缩机气体流量 (cfm/ton) 2.68 1.74 17.08
压缩机气体流量 (cfm) 2680 1,740 17,080
提示速度 (fps) 653 678 629
轮速 (rpm) 11,884 19,464 3550
@60hz
轮径(英寸) 12.6 8 40.6
声速@ 50oF (fps) 484 535 417
最低限度。入口直径。(在) 4.6 3.5 13.0

  表 2 中的信息定义了压缩机的几何形状。基于 HCFC-123 的压缩机通常使用直接耦合电机,因此在 60Hz 时,压缩机速度固定在 3550 rpm。直接驱动的优点是不需要齿轮箱,但是,如果不使用变频驱动器 (VFD),就不可能对尖端速度进行微调。请注意,要获得正确的尖端速度,车轮直径需要为 40.6 英寸。

  基于 HFC-134a 或 HCFC-22 的压缩机通常使用齿轮箱。小型压缩机(直径为 5 英寸的轮子)速度可高达 30,000 rpm。同样,尖端速度恒定在 650 fpm 左右。重要的是要注意车轮本身的应力与尖端速度的平方成正比,而不是rpm。如果尖端速度相同,则缓慢旋转的大轮将具有与快速旋转的小轮相同的应力。

  HCFC-123 所需的大叶轮直径给压缩机设计带来了设计限制。叶轮必须装在蜗壳中以收集离开叶轮的制冷剂。减小叶轮直径的常见解决方案是使用两级或三级压缩机。

  除了减小叶轮直径和减小外壳尺寸外,两级省煤器压缩机在理论上具有更高效的制冷循环。在这种情况下,制冷剂通过两个膨胀装置。当制冷剂通过第一个设备时,一些制冷剂会闪蒸或变成气体。闪蒸的制冷剂被引入两级之间的压缩机。它具有“冷却”离开第一级的过热制冷剂气体的作用。

  液态制冷剂的剩余部分通过第二个膨胀装置进入蒸发器吸入口,其焓低于从冷凝器压力一步闪蒸的情况。因此,通过蒸发器的质量流量较少。

  实际上,压缩机布局限制了两级节能器型压缩机可能获得的实际效率增益。从第一级到第二级的通道代表了显着的系统效应并限制了效率的提高。

  压缩机喘振和失速

  回到球和弦的例子,如果球被释放到二楼阳台上的人,但没有到达人处,那么就发生了失速。实际上,制冷剂不再流经压缩机,也就没有冷却效果。更糟糕的是,所有的轴功都在压缩机中转化为热量,这可能会导致永久性损坏。

  一个浪涌当球开始回落到地面上的人出现。在这种情况下,制冷剂每隔几秒钟就会向后流过压缩机叶轮,直到压力升高并且制冷剂再次向前移动。这甚至比失速更危险,因为它会反向加载压缩机轴中的推力轴承。

  正确选择的冷水机在其设计条件下不会出现浪涌。如果运行条件发生变化以致升力增加,尤其是在低负载条件下,冷水机可能会喘振。升高塔供水温度或降低冷冻水供应温度超出设计点会导致浪涌。

  离心式冷水机在部分负载时容易出现喘振。

  在满负荷时,叶轮和蜗壳之间的间隙大小正确。随着冷却器容量的降低,制冷剂流量下降。制冷剂仍然以正确的叶尖速度离开叶轮,但排放面积对于减少的流量来说太大了,并且制冷剂停转。

  为了解决这个问题,冷水机使用了可移动的排放几何结构。随着制冷剂流速的降低,排放面积也随之减少以保持适当的速度。

  压缩机轴承

  套筒轴承系统通常有一个强制(油泵)润滑系统。油被加热或冷却以保持适当的温度范围。

  在正确设计和运行的套筒轴承中没有轴与轴承的接触。轴承寿命实际上是无限的。轴的旋转会形成一层润滑油膜,然后轴就会在上面滑动。启动是最关键的时候。轻型叶轮/轴组件具有加速快和油膜快速形成的优点。

  套筒轴承材料通常是巴氏合金、青铜或铝。轴承材料必须比轴材料软,因此如果异物进入轴承,它会嵌入轴承而不是轴。由于铝比巴氏合金硬,因此轴必须比使用巴氏合金时更硬。