可變壓縮比變頻螺桿機節(jié)能特性分析

文 // 曹文波 科瑞創(chuàng)想（北京）能源技術(shù)有限公司

可變壓縮比變頻螺桿機節(jié)能特性分析

文 // 曹文波 科瑞創(chuàng)想（北京）能源技術(shù)有限公司

建筑物在夏季45%～50%的電能都用于空調(diào)制冷，其中冷水機組能耗又占到空調(diào)能耗的40%以上，因此冷水主機的節(jié)能是空調(diào)系統(tǒng)乃至建筑能源系統(tǒng)的重點。一般空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計以滿負(fù)載需求選配冷水機，而實際運行中，機組滿負(fù)荷運行的機率很低。如何使冷水主機在最優(yōu)化的情況運行，是可變壓縮比式變頻螺桿機市場需求的發(fā)展趨勢，該技術(shù)核心為可變?nèi)荼葔嚎s機與壓縮機變頻，目前可變壓縮比式變頻螺桿機在滿載COP與整合部分負(fù)載效率 (IPLV)，已接近小型磁浮式離心機水平。

1 傳統(tǒng)螺桿式壓縮機的容量控制

常規(guī)傳統(tǒng)螺桿式冷媒壓縮機為有段容量控制系統(tǒng)或無段容量控制系統(tǒng)，目前這兩種容量調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是由調(diào)節(jié)滑閥、活塞桿、活塞缸、活塞以及活塞環(huán)構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑閥與活塞通過活塞桿連接。

其工作原理是利用油壓推動活塞缸中的活塞帶動調(diào)節(jié)滑閥作為容調(diào)控制，潤滑油從油箱中流出，通過油過濾器和毛細(xì)管，由于油壓高于右端彈簧力與制冷劑壓力之和，潤滑油進(jìn)入活塞缸。在壓差的作用下，活塞在活塞缸中向右側(cè)移動。當(dāng)滑閥向右側(cè)移動時，壓縮腔內(nèi)的有效壓縮容積增加。這也意味著制冷劑氣體的排氣量增加，最終導(dǎo)致制冷量增加。然而，當(dāng)有段容調(diào)電磁閥（3段/4段容量調(diào)節(jié)系統(tǒng)）中的任意一個通電時，活塞缸內(nèi)的高壓油旁通至吸氣側(cè)，導(dǎo)致活塞與滑閥向左側(cè)移動，一部分制冷劑氣體從壓縮腔內(nèi)旁通回到吸氣口。結(jié)果由于制冷劑的排氣量減少，制冷量降低。

連續(xù)式無段容調(diào)系統(tǒng)與有段容調(diào)其基本原理相同，但對電磁閥的應(yīng)用不同；連續(xù)式無段容調(diào)采用一個長閉和一個長開的電磁閥，這兩個電磁閥分別控制活塞缸的油出口與油入口，且都受溫度傳感器與微電腦控制器控制，故冷凍的調(diào)控能力穩(wěn)定且較精準(zhǔn)。

傳統(tǒng)容量調(diào)整是活塞缸、滑閥、電磁閥等許多組件所構(gòu)成，增加了壓縮機制造上的復(fù)雜度，也增加了日后故障機率。滑閥與螺桿間的間隙泄漏也是降低壓縮效率的重要原素之一。滑閥的位置會同時影響壓縮容積的大小與容積比值(Vi)。一般雙螺桿式壓縮機在 70%～100%的容量范圍變動時，可維持固定的容積比值，但在70% 以下則容積比值會隨著容量降低而逐漸下降。

2 可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的控制

可變內(nèi)容積比的壓縮機就是將滑閥行程的固定端換成一個可移動的滑塊，使得對壓縮機的排氣口位置可通過滑塊位置的移動進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變壓縮機的內(nèi)容積比即壓頭。這樣，就可隨時根據(jù)制冷系統(tǒng)吸氣壓力和排氣壓力的變化來調(diào)節(jié)壓縮機的內(nèi)容積比，從而使壓縮機的壓縮比時刻于系統(tǒng)壓縮比相匹配，以獲得理想的排氣壓力和保持最大的絕熱效率與容積效率。

根據(jù)制冷系統(tǒng)的壓縮特點，其壓縮比公式為：

其中：CR－制冷系統(tǒng)壓縮比也稱外壓比；Pd－系統(tǒng)排氣壓力；Ps－系統(tǒng)吸氣壓力；

而對于一個近似等熵的壓縮過程，壓縮機自身的設(shè)計壓縮比可由公式(2)確定：

其中：Pi－壓縮機的設(shè)計壓縮比也稱內(nèi)壓比，為壓縮機排氣壓力和吸氣壓力之比；Vi－壓縮機的設(shè)計內(nèi)容積比，為壓縮機吸氣容積和排氣容積之比；k－制冷劑氣體常數(shù)，為制冷劑氣體定壓比熱和定容比熱之比。

在給定的制冷工況下，如果冷凍、冷卻水流量減少，傳熱性能降低，吸氣壓力下降、排氣壓力升高，制冷系統(tǒng)壓縮比增大，就會造成過壓縮；反之，造成欠壓縮。因此，采用可變?nèi)莘e比設(shè)計壓縮比接近或等于制冷系統(tǒng)壓縮比的壓縮機，即Pi= CR時，壓縮機在運行時，就可避免壓縮機壓縮比和系統(tǒng)壓縮比不匹配而產(chǎn)生的欠壓縮和過壓縮的狀況，從而使系統(tǒng)在制冷工況下達(dá)到最高的運行效率。

3 可變與固定容積比螺桿機的比較

根據(jù)美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會手冊給出的雙螺桿壓縮機在不同內(nèi)容積比條件下隨系統(tǒng)壓縮比變化的效率曲線（圖1）；及R22壓縮機性能圖（圖2）。

圖1 螺桿壓縮機固定V i與可變Vi容效比較

圖2 R22壓縮機的典型性能

圖1中X-Y線為可變?nèi)莘e比Vi的效率曲線，曲線為固定容積比Vi的效率曲線。從圖1所示，可變?nèi)莘e比Vi的效率曲線是所有固定容積比Vi的效率曲線的最高點，在部分負(fù)荷下，可變Vi壓機的能效是最高的、能耗是最低的；圖2中虛線為內(nèi)壓比和外壓比相等時的等熵效率變化曲線，上圖表明在系統(tǒng)壓縮比變化范圍較大的情況下，可變內(nèi)容積比的壓縮機效率曲線包絡(luò)了固定內(nèi)容積比壓縮機的效率最高點。

因此，只有當(dāng)內(nèi)外壓比相等或相近時，壓縮機能效最高能耗最低，這也是發(fā)展可變?nèi)莘e比壓縮機的主要因素。

此外，可變內(nèi)容積比還具有以下優(yōu)點：①油分離器中的泡沫較少（無過壓縮）；②夾帶入制冷系統(tǒng)中的油較少（以為油分離器中油泡沫較少）；③延長了軸承壽命，使軸承上的負(fù)載最小；④帶經(jīng)濟器口時可調(diào)整來自經(jīng)濟器的閃蒸氣體量以及來自吸氣端的氣體量，擴大了壓縮機高效運行范圍；⑤噪音低；⑥排氣溫度及油冷卻器排熱量較低。

可變內(nèi)容積比壓縮機的實際系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，吸氣或冷凝壓力變化越大，可變?nèi)莘e比壓縮機就越有利。根據(jù)應(yīng)用場合、制冷劑種類以及系統(tǒng)運行工況，其效率提高可達(dá)30%，目前約克公司、漢鐘公司、萊富康公司、復(fù)盛公司等都有多種相應(yīng)的內(nèi)容積比自動調(diào)節(jié)變頻螺桿機型。

4 可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的特點

可變?nèi)莘e比變頻螺桿機是新一代節(jié)能產(chǎn)品，具有節(jié)能、高效、低碳、環(huán)保、穩(wěn)定、可靠、功能多樣等特點。

在驅(qū)動方面采用變頻變速，變頻器局部制冷劑冷卻，高效電機應(yīng)用，高效變頻器調(diào)節(jié)；變?nèi)荼萔i變頻設(shè)計在50%～25%部分負(fù)荷工況的運行效率，機組全年運行耗電可減少15%～25%；在環(huán)保方面，更高效節(jié)能減少間接排放，同時蒸發(fā)器獨特設(shè)計減少制冷劑充排量，減少溫室效應(yīng)；機械高精度加工、緊湊減震設(shè)計、高效供油潤滑系統(tǒng)、蒸發(fā)器冷凍水量30%～120%范圍調(diào)節(jié)、全面參數(shù)保護(hù)、微電腦中心控制，保障了機組加卸載過程穩(wěn)定可靠運行；機組性能可適應(yīng)低溫、高溫和典型工況運行，可廣泛用于空調(diào)制冷、熱泵和熱回收、蓄冰和工藝?yán)鋮s等工程。

目前，可變內(nèi)容積比螺桿壓縮機已逐步在空調(diào)冷水機中得到應(yīng)用，形成了能耗更低更為節(jié)能的可變?nèi)莘e比變頻螺桿冷水機產(chǎn)品。變?nèi)荼茸冾l螺桿機主要特征見表1。

表1

其中，可變?nèi)莘e比變頻螺桿機負(fù)荷變化時，制冷機流量變化，壓縮容積比同步變化，蒸發(fā)器允許水流量同步變化，因此，可變?nèi)莘e比變頻螺桿機比固定容積比變頻螺桿機在50%～25%負(fù)荷下更節(jié)能、更高效。

同時，蒸發(fā)器允許冷凍水流量同步變化，可以將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計成真正的一次變流量系統(tǒng)，從而可以在部分負(fù)荷工況下，節(jié)約大量循環(huán)水泵的能耗，實現(xiàn)最佳的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

因此，可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的推廣應(yīng)用，將會為空調(diào)、制冷系統(tǒng)帶來新的節(jié)能契機。

5 可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的應(yīng)用

近年來，螺桿壓縮機的銷量已超過容積式壓縮機總銷售量的80%，隨著變頻技術(shù)在螺桿壓縮機上的應(yīng)用，使得螺桿壓縮機在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了進(jìn)一步的作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前發(fā)達(dá)國家變頻螺桿壓縮機的銷售量已經(jīng)占螺桿壓縮機年銷售量的70%。因結(jié)構(gòu)簡單可靠、使用壽命長、維護(hù)方便、節(jié)能經(jīng)濟等特征，變頻螺桿壓縮機具有了美好的發(fā)展前景。

而在實際運行過程變頻螺桿制冷壓縮機內(nèi)外壓比不匹配，負(fù)荷為70%以下時，定容比壓縮機產(chǎn)生欠壓縮或過壓縮的現(xiàn)象，這樣變頻螺桿制冷壓縮機的性能不能充分發(fā)揮出來，導(dǎo)致螺桿壓縮機的性能不是很理想；因此為解決變頻螺桿制冷壓縮機欠壓或過壓縮功耗增加的矛盾，各設(shè)備廠家進(jìn)一步開發(fā)了可變?nèi)莘e比變頻螺桿機，有效解決了寬范圍變頻過程，欠壓或過壓縮功耗增加，能效下降等問題，使可變?nèi)莘e比變頻螺桿機既具有傳統(tǒng)螺桿機的結(jié)構(gòu)簡單耐用的特點，又具備了調(diào)速寬、高效、穩(wěn)定、節(jié)能、低耗的新特征。

表2

表3

目前常用螺桿機的空調(diào)冷水系統(tǒng)有一次、二次水系統(tǒng)，與可變?nèi)莘e比變頻螺桿機空調(diào)冷水系統(tǒng)的特征對比見表2。

通過對比不同類型壓縮機的冷水機組在相同制冷量空調(diào)工況運行能耗狀況見表3。

通過空調(diào)水系統(tǒng)特征對比，采用可變?nèi)荼茸冾l螺桿機可以實現(xiàn)最優(yōu)化一次水系統(tǒng)變頻運行，不但大大降低了制冷機組能耗與循環(huán)泵能耗、提高設(shè)備能效，同時也簡化了系統(tǒng)和減少了設(shè)備數(shù)量，節(jié)約了機房面積，還可獲得超頻冷量，因此，可變?nèi)荼茸冾l螺桿機空調(diào)系統(tǒng)，將成為建筑用能系統(tǒng)進(jìn)一步節(jié)能降耗的最佳選擇。

6 結(jié)論

空調(diào)冷水系統(tǒng)從一次泵定流量、二次泵變流量到一次泵變流量的演變過程，不單是系統(tǒng)循環(huán)泵由不節(jié)能、負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵節(jié)能、冷源側(cè)與負(fù)荷側(cè)循環(huán)泵節(jié)能的過程，更主要的是制冷機組由定容比工頻、定容比變頻、變?nèi)荼茸冾l的技術(shù)進(jìn)步過程；也是制冷機組不斷適應(yīng)使用功能與節(jié)能需求的技術(shù)進(jìn)步；從而帶動了空調(diào)系統(tǒng)配置的簡單、復(fù)雜、再簡單的技術(shù)演化。

可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的開發(fā)，有效解決了欠壓縮與過壓縮的能耗增加問題，優(yōu)化了變?nèi)莘e比與變頻的匹配；并且整合了高效變頻、高效電機、高效潤滑、蒸發(fā)器優(yōu)化、中心控制等多項新技術(shù)新理念，促進(jìn)了可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的廣泛應(yīng)用。

可變?nèi)莘e比變頻螺桿機的應(yīng)用，不但大大提升制冷機部分負(fù)荷運行效率降低了制冷機能耗，并最大限度的擴展了蒸發(fā)器冷凍水流量許可變化范圍，為負(fù)載側(cè)一次變流量系統(tǒng)應(yīng)用提供了最大節(jié)能空間。