螺杆式冷水机组的设计

第一章绪论1.1 引言空气调节（简称空调），就是把经过一定处理的空气，以一定的方式送入室内，使室内空气的温度，相对湿度，清洁度和流动速度等控制在适当的范围内以满足生活舒适和生产工艺需要的的一种专门技术。

中央空调系统是由一台主机（或一套制冷系统或供风系统）通过风道送风或冷热水源带动多个末端的方式来达到室内空气调节的目的的系统。

中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换以及热交换的过程。

按照主机的类型可以把空调分为压缩式和吸收式两大类。

其中压缩式包括活塞式，螺杆式（分单螺杆和双螺杆两种），离心式和涡旋式。

在中央空调系统中，使用各种形式的冷水机组。

螺杆式冷水机组以其对变工况运行有较好适应性，对气体带液运行不敏感，转速高，体积小，重量轻，动力平衡性好，零部件少，尤其易损件少等特点优势广泛应用于商业和工业中央空调系统中，十几年来，国内企业不断从欧美等发达国家引进、消化、吸收冷水机组设计技术和制造工艺，使螺杆式冷水机组水平得到显著提高。

在螺杆式冷水机组中，对系统性能影响最大的主要是螺杆式压缩机、蒸发器、凝冷器和节流装置等的性能，因此，要提高冷水机组性能，除了要提高各部件的性能，同时也要分析研究各种影响因素，并对其进行优化组合。

1.2 螺杆式冷水机组现状及性能特点螺杆式制冷压缩机被广泛应用于空调、冷冻、化工、水利等各个工业领域，是制冷领域的最佳机型。

螺杆式冷水机组应用于商场，写字楼，工厂，餐饮娱乐，宾馆，医院等，据资料显示，在空调领域，螺杆式冷水机组在中央空词系统主机中所占的份额逐年上升，而活塞式、演化锂式等空调主机所占份额则逐年下降。

一方面，螺杆式冷水机组牢固地占据着中小型中央空调系统主机的主导地位，另一方面，它逐步蚕食着大型中央空调系统中离心式压缩机的份额。

空调用螺杆式压缩机的市场潜力巨大，是单台制冷量100。

3C00kW空调系统中的最佳机型。

目前，螺杆式冷水机组应用广泛的主要原因是：a)螺杆式压缩机能量调节范围宽，负荷适应性强，对湿压缩不敏感．b)运转时力矩变化小，动力平衡性好，易损件少，振动小，运行可靠，寿命长；c)转速高，输气脉动小，零部件少，结构简单，紧凑，质量轻，体积小；d)无吸、排气阀，流动阻力小；余隙容积小；喷油运行，排气温度低，因而容积效率高；e)操作简便，易于实现自动化。

螺杆式压缩机与电动机在大致50％～90％负载率时效率最高。

当压缩机和电动机负荷低于50％时，效率急剧下降。

对定水流量的螺杆式冷水机组，部分负荷时由于冷凝和蒸发器的单位负荷换热面积增加，制冷剂和冷冻水、冷却水的换热温差减少；同时由于冷冻水、冷却水进出水温差减小，使机组的冷凝温度下降，蒸发温度升高，从而使机组的效率提高。

以国产某品牌冷水机组为例，当机组在约55％冷负荷时，机组的能效比最高，最省电，100％冷负荷时，机组的能效比约下降20％。

1.3 螺杆式冷水机组的构成螺杆式冷水机组主要由制冷剂，压缩机，换热器（冷凝器，蒸发器），节流元件，控制系统及管路附件等构成。

制冷剂是冷水机组赖以工作的介质，冷水机组工作的原理就是利用制冷剂的状态变化，将环境中的热量从需要冷却的场所转移到大气中。

压缩机由电动机驱动，对制冷剂做功，吸入在蒸发器中蒸发的低温低压制冷器蒸汽，压缩为高温高压的过热制冷剂蒸汽，由于温度高，因此在冷凝器中与外界进行热换才有可能。

冷水机组系统换热器主要为冷凝器与蒸发器。

冷凝器主要有风冷式，水冷式及蒸发冷却式三种，冷水机组中主要采用风冷式与水冷式。

蒸发器主要有干式，满液式及降膜式三种，常用蒸发器为干式和满液式。

蒸发器的作用是将需冷空间的热量通过换热介质-冷水的传递，在蒸发器中与制冷剂进行热量交换，制冷剂由液态吸热后变为气态，被压缩机吸入，进行制冷循环。

冷凝器的作用是将需冷空间的热量通过换热介质-冷水与制冷剂的传递，再由制冷剂与环境中的冷却水或空气进行交换，最终将热量排向大气。

节流元件的功能是节流降压，调节流量，控制过热度，控制蒸发器制冷剂液位等，不同形式的节流元件具有不同的功能。

控制系统是冷水机组重要的组成部分，对制冷系统的运行起着调节，监控，保护等功能。

随着冷水机组自动化控制水平的不断提高，控制系统的复杂程度亦日益增大。

控制系统从早期的机电式发展为电子式，控制系统的核心也从最初的单板机发展到单片机，PLC及电子计算机，运算速度越来越快，控制精度也越来越高，用用户界面十分友好。

【1.4 螺杆式冷水机组发展方向（1）空调专用的开启式螺杆制冷压缩机及冷水机组a)空调专用的开启式螺秆压缩机在空调系统中，可按以下两个思路开发空调专用压缩机：⒈由于空调系统的工况固定，所以螺杆压缩机的内容积比无需调节，固定在2．5即可，因此，可以省去内容积比调节滑闷及其相应的控制机构、油路系统等；⒉制冷用螺杆式压缩机为了兼顾空调至低温之间的各个工况，一般是按内容积比2．5设计径向排气口，按内容积比5．0设计轴向排气口，而空调专用压缩机则可统一按内容积比2．5设计径向排气口和轴向排气口．以减少螺杆式压缩机的过压缩情况，提高压缩机的效率。

因此，空调专用螺杆式压缩机的效率在理论上应高于制冷用压缩机。

虽然名日开发空调专用的螺杆式压缩机，但其工作量并不太，转子、轴承、机体等关键部件及其工装、模具等无需改动，标准化程度高，设计、制造见效快。

b)空调专用开启式螺杆冷水机组⒈空调专用螺杆式冷水机组完全可以采用喷液冷却方式，因为在空调工况下，压比小，排气温度低，油冷却的负荷小，只需喷人少量制冷剂藏体即可达到降低排温的目的；⒉改变传统的液体冷却机组布置方式，将压缩机、电机置于蒸发器上，缩短吸气管长度及减少弯头数量以减小有害吸气过热，提高制冷量；⒊与半封闭螺杆冷水机组类似，减小油分直径及体积，并将油分置于换热器上，使机组的体积进一步缩小。

采用引射技术使进入换热器中的油回到压缩机中。

尽快开发空调专用的螺杆式冷水机组是制冷行业的一个发展方向。

（2）采用除R22以外的其它工质目前，螺杆式冷水机组中主要采用R22为工质，由于2030年期限的临近，未来5年内，采用其它工质的冷水机组将会越来越多。

a)采用R717的螺杆式冷水机组武冷开发了一系列采用R717为工质的螺杆式氨冷水机组，该系列机组采用了国际先进的BPHE不锈钢激光焊接的板式换熟器作为蒸发器和冷凝器，相较普通壳管式换热器其体积缩小了80%。

b)采用RlMa的螵杆式冷水机组R134a的单位容积制冷量较小，对速度型的离心机其影响相对较小，而对螺杆机，不宜以增大压缩机的物理尺寸为代价来换取冷量的提高，只宜采用增速的方法。

上海联合开利生产的30}ⅨY／30HXC半封闭螺杆式冷水机组就采用了R134a，该机组的压缩机采用航空齿轮AGMAl2增速，阳转子转速可达6000—9000rtmin，一方面弥补了R134a单位容积制冷量较小的不足，另一方面缩短了压缩机的长度，利于组成多机头机组。

该机组还采用了满液式蒸发器，用电子膨胀阀控制供液。

（3）采用变频控审l的螺杆式冷水机组变频控制主要有以下几个优点：a)螺杆式压缩机的滑阀式或柱塞式能量控制方法，其实质是吸气旁通方式，变频控制可以得到相对更高的效率；b)当热负荷变化时，螺杆式冷水机组将增减负载或反复地启停压缩机，对电网造成冲击的同时还增加了耗电量并减少了压缩机的使用寿命，而变频控制则可以避免这种情况，压缩机运行更平稳、更经济，使用寿命更长；c)压缩机启动时可降频启动，避免较大的峰值冲击电流，同时还减少了耗电量；d)当压缩机物理尺寸固定时，可以用超频的方式在一定范围内增加压缩机的制冷量。

随着变频器价格的不断降低，变频控制将首先应用到单机头或多机头半封闭螺杆冷水机组中，最终成为其最佳控制方式并为广大用户所接受。

（4）风冷螺杆式冷水(热泵)机组从制冷原理上说，风冷螺杆式冷水(热泵)机组的冷凝温度大大高于水玲机组的冷凝温度，故其轴功率提升较多，同时其制冷量下降，是一种不节能的机型。

计算表明，对R22工质，风冷机组的轴功率较水冷机组提高了约25％，同时制冷量下降约lO％。

之所以说风冷螺杆式冷水(热泵)机组是一个发展方向，是基于以下两点理由：a)未来20年内，中国将有80％的城市缺水，如何有效地减少水的消耗量将是中国经济发展的当务之急；b)西部将成为中国新的经济增长点，而西部大多数地区都缺水。

所以风冷螺杆式冷水(热泵)机组是一种非常适应中国国情的机型，具有广阔的应用前景，近几年的中国国际制冷展充分体现了这一点。

（5）大温差螺杆式冷水机组根据JB／T4329—1997《容积式冷水(热泵)机组》可知，冷水机组蒸发器进出水温差为5℃，大于5℃则称为大温差冷水机组。

空调系统应用经验表明，增大供回承温差，将减少循环水流量，在保证水阻力相同的前提下缩小管道直径及减少保温材料消耗，减小水泵流量，但对系统的末端设备．如风机盘管等，其换热面积需要逐渐增加。

因此。

对整个空调系统．需全面考虑以分析其经济性．选择合适的温差。

对螺杆式冷水机组，冷冻水进出口温差越大，则对数平均温差越大，换热面积越小。

但为了保证换热效果，必须保证管内流速，因此换热器的每流程换热管数将减少，流程数将增加，对端盖的密封性能要求较高。

由于流程数增加，冷冻水侧的阻力将增加，因此需适当降低管内流速，在阻力不大的前提下确定管内流速．复核传热系数，并适当增加其面积。

【5】1.5 结论对于螺杆式冷水机组的设计而言，它需要考虑许多问题诸如：性能，结构，安全，质量，操作等。

而控制器的设计最理想的是采用单片机控制螺杆机组，能方便的按照实际需要提供相应的硬件配置，相较比PLC更显专业实惠。

而且采用单片机控制水冷螺杆机组控制方便，组态简单，灵活性大。

大幅度提到了被控温度的指标，从而能够大大的提高产品的质量。

第二章中央空调的基本原理2.1 中央空调原理空调制冷系统，主要是由制冷压缩机，冷凝器，蒸发器和节流膨胀阀四基本部件组成。

他们之间用管道依次连接，形成一个密闭的系统，制冷剂在系统中不断的循环流动，发生状态变化与外界进行热量交换。

在制冷系统中蒸发器是输送冷量的设备：制冷剂在其中吸收水的热量，使其成为冷冻水，以实现制冷；压缩机是心脏，起着吸入，压缩，输送制冷剂蒸汽的作用；冷凝器是发出热量的设备，将制冷剂的热量一起传递给冷却水或空气带走；节流阀对制冷剂起节流降压作用，同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。

图2.1 中央空调工作原理图2.1 中央空调部件1.制冷主机制冷主机通过压缩机让制冷剂迅速冷冻循环水的温度快速降低（一般经过制冷主机制冷后的水温在7℃左右），这是中央空调冷源提供的地方，通过制冷主机冷冻的冷媒水由冷冻水泵送入空调房间。

(1)冷冻水泵。

制冷主机的制冷剂被降到冷却水的温度后，经过节流阀，温度变的更低，这时用水将冷量带走，这部分水称为冷冻水，冷冻水带走制冷剂的冷量后，再到空调系统末端（如风机盘管，空调机组）与空气换热，温度升高后再回到冷水机组内带走制冷剂冷量，这样构成冷冻水循环系统，在这个系统上的泵称为冷冻水泵。