淺談單機雙級螺桿壓縮機制冷系統的應用

陳浩

(廣州擎天實業有限公司，廣東 廣州 510860）

1 概述

隨著全球極端氣溫的頻繁出現，用于驗證電子產品的氣候環境試驗室的性能指標要求越來越高，尤其是低溫環境試驗室的極限溫度通常低于-40℃長時間連續運行。而在大型低溫試驗室的特點是設計冷量大，制冷負荷變化大。適合采用螺桿壓縮機。目前普遍采用單機螺桿壓縮機，但是在低溫工況下單級螺桿壓縮機有以下不利因素：

（1）容積效率下降。蒸發溫度越低，壓力比越高，螺桿壓縮機基元容積之間的壓比及壓差越大，內泄露大，故容積效率下降。

（2）性能系數降低。蒸發壓力越低，則制取單位制冷量的功耗越大，系統的COP值降低。

（3）產生欠壓縮。

（4）噪聲增大。

（5）排氣溫度上升。

雙級壓縮機組由低壓到高壓通過兩次壓縮來完成，這樣的輸氣系數要高于單級壓縮機；同時每一級的壓比減少，排氣溫度相對較低，適合大壓比工況下工作，適合低溫工況使用。

2 單機雙級螺桿壓縮機制冷系統的設計。

單機雙級螺桿壓縮機制冷系統的設計除了考慮蒸發器、冷凝器、膨脹閥、壓縮機這四大件外，還要考慮中間冷卻方式、油路系統和噴液冷卻回路。

（1）中間冷卻方式的選擇

為避免單機雙級螺桿壓縮機排氣溫度過高，同時為了增加節流元件前制冷劑的過冷度，系統設計時必須配置中間冷卻器。考慮到制冷劑供液管道走向復雜，管道阻力較大，因此采用一級節流中間冷卻方式。低溫環境試驗室制冷設計通常采用低溫制冷劑R22或R404A，因此采用中間不完全冷卻方式。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器

（2）噴液冷卻回路的設計。

雙級壓縮機應用的場合主要是中低溫制冷系統，而中低溫系統的壓縮機壓比大，在使用過程中會造成排氣溫度太高，為使機組可以達到正常運轉的目的，系統需要配置液噴射。如下圖所示，引用系統一部分液態制冷劑，直接噴入壓縮室或則電機吸氣側以降低排氣溫度。不過控制排氣溫度主要靠冷凝器、冷凍油和中間冷卻器，而噴液冷卻回路僅僅是作為保護件，防止意外情況下排氣溫度突然增高。噴液冷卻回路的關鍵部件是液噴閥，液噴閥的感溫包與壓縮機出口的排氣接觸，自動控制排氣溫度，使其低于要求值，通過閥門控制的制冷劑直接噴入壓縮機的中間狀態。但是使用噴液冷卻回路會增加壓縮機功耗，減少制冷量，因此最好的設計思路是：盡量不用噴液冷卻回路，僅僅作為保護裝置。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器，7-液噴閥

（3）油路系統的設計。

油路系統在螺桿機組中極其重要，冷凍潤滑油必須符合以下要求：動態密封、軸承的充分潤滑、在高溫高壓下有良好的粘度、在低溫狀態下有良好的可混合性。因此油路系統設計要考慮三方面：保證冷凍油的潔凈度、流量和溫度。油路系統的循環是由于油分離器一排氣壓力與注油口之間的壓力差所形成的。油路系統的主要部件有油分離器、油冷卻器、油過濾器、油流開關、電磁閥組成，油路系統設計如下圖所示。

1-單機雙級壓縮機，2-冷凝器，3-膨脹閥1，4-蒸發器，5-膨脹閥 2，6-中間冷卻器，7-液噴閥，8-油分離器，9-油冷卻器，10-油冷旁通電磁閥，11-油過濾器，12-油流開關，13-油路電磁閥。

單機雙級螺桿壓縮機不同于單級螺桿壓縮機，由于壓縮機內部沒有油腔，因此油分離器需要設計足夠大，以便儲存足夠多的潤滑油來保證系統的安全可靠。螺桿壓縮機通常采用離心式油分，幾乎可以提取所有從壓縮機排氣口帶來的油，這樣就可以限制隨制冷劑進入系統的潤滑油，從而提高蒸發器的換熱效果。由于要保證冷凍油能夠有較好的流動性和潤滑效果，需要在油分離器內安裝有油加熱器和油溫傳感器。

為了保證進入壓縮機的冷凍油有合適的工作溫度和冷卻效果，油分離器后需要設置油冷卻器。油冷卻器是油路系統中最關鍵的部件，根據實際情況可以采用水冷冷凝器、風冷冷凝器、或者采用自身的制冷劑冷卻。由于考慮到冷凍油對壓縮機的冷卻作用，為了避免壓縮機排氣過熱，通常會加大油冷卻器的設計裕量，其“設計換熱量=油的冷卻量+噴液閥的制冷量”。

為了避免冷凍油被冷卻溫度太低，影響油的流動性，因此需要設計一油路與油冷卻器并聯，當油溫低于50℃，控制油冷旁路的電磁閥常通。

冷凍油的潔凈度會影響到壓縮機的潤滑效果、螺桿的密封性和使用壽命，因此在油路上需要設計一個可用于更換濾芯的油過濾器，同時在過濾器的前后分別連接壓差開關的高低壓口，當濾芯出現臟堵，壓差開關會傳出開關信號。

冷凍油流量的大小也會影響到系統運行的安全可靠以及壓縮機的使用壽命，因此在油路上還要設置油流開關，實時監控冷凍油的流動情況。

由于機組設計壓縮機位于高位，停機狀態下冷凍油會在重力作用下流回油冷卻器或者油分離器，這樣會造成壓縮機啟動瞬間的缺油，因此在油路上需要設置油路電磁閥，控制邏輯為“與壓縮機啟停同步”。

另外，實際運行過程中，經常出現由于管徑過小，導致阻力增大，導致油流開關頻繁報警的情況發生。因此，建議管徑設計上要考慮較大裕量，保證油路的通暢和壓縮機安全穩定的運行。

結束語

單級雙級螺桿壓縮機具有制冷量大、壓縮比高、降溫速率快、冷量調節方簡單等特點，是大型低溫試驗室的配套冷源的首選產品。

[1]吳業正，韓寶琦.制冷原理及設備[M].西安交通大學出版社，1995.78-94

[2]李軍.螺桿式雙級壓縮系統的分析與應用（上）[J].制冷與空調，2004，4（4），52-56.

[3]李軍.螺桿式雙級壓縮系統的分析與應用（上）[J].制冷與空調，2004，4（5），66-85.