冷水机组丨特灵离心冷水机组全面解析（一）：特性、组成、工作原理和能量调节

　　一、CTV离心机组产品特性

　　1、概述

　　以特灵CenTraVac™离心式冷水机组为例，该机组是当今市场上较为可靠、高效、排放低又相对安静的离心式冷水机组。

　　特灵离心式冷水机组系列中单机头离心机型号CVHH1550 (1600-2000冷吨)和双机头型号CDHH3050(2800-4000冷吨)，能够较好满足区域供冷、商业综合体、大型工业设施和基础设施等客户对大冷量离心式冷水机组的需求。它的效率比同冷量段较高能效的机组高出多达10%,有着行业领先的满负荷和部分负荷效率。双机头机组采用串联逆流排布设计，效率在大冷量应用中为业内高。

　　单机头/双机头离心机型号

　　2、冷水机核心特点

　　高效

　　◇相对于其他设计方式效率可提高至10%

　　◇电机直接驱动压缩机方式提高2-3%的效率

　　开启式传动装置

　　半封闭式传动装置

　　备注:半封闭压缩机轴封对密闭性要求较低，少量油或气的泄露，不会造成系统的工作不稳定，同时，也不会影响压缩机的正常工作。无增速齿轮等传动装置可以降低故障，提高机组部分负荷效率。

　　◇多级压缩结合两级经济器提高5-7%的循环效率

　　◇业内高效的低压新一代的低温室效应冷媒

　　◇大冷量项目可以应用串联逆流的组合方式进一步提高效率

　　环保

　　◇接近零GWP的新一代冷媒是少有的几种目前可用的不易燃冷媒之一

　　◇低压、防漏设计可以极大降低冷媒泄漏概率

　　不同机组制冷剂年泄漏量统计

　　◇抽气装置保持机组内的冷媒纯净

　　◇节能选项降低能耗。

　　控制先进

　　◇简洁的设计思路和少的运动部件保证了机组运行时高的可靠性

　　◇半封闭式电机通过冷媒冷却，运行环境清洁稳定，可大限度保证机组使用寿命

　　电机可靠性统计表

　　◇专利的AdaptiView™自适应控制可保证机组不停机

　　◇多级压缩可保证全工况稳定运行

　　◇特灵独有的蒸发器技术可降低冷媒充注量

　　◇支持蓄冷、热回收等多种节能应用

　　二、离心机组组成部分及工作原理

　　1、内部结构概览

　　三级离心结构图

　　内部主要结构如上图所示为：可肉眼见到的三大核心部件蒸发器冷凝器还有压缩机，以及进出水管管口，控制盘压缩机电机等结构

　　三级压缩

　　除以上结构外，离心机组部件结构还含:节流孔板、供油装置、控制柜等组成。其中压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、弯道与回流器、蜗壳组成。

　　2、压缩机

　　3、多级压缩

　　多级压缩

　　多级压缩问世

　　1981年，美国Trane公司开发出世界上第一台直接驱动的三级离心式冷水机组，该机组将三级压缩、直接驱动和二级经济器等先进的技术集于一体，仍是世界上效率高、震动小、噪音低、制冷剂泄漏少的机组。

　　其能效比高可达7.85W/W(0.448kW/ton)，在ARI标准工况下，机组效率比常规离心机组高16%~25%，是世界上效率高的机组。

　　自问世以来，该机组以其性能优越、质量可靠和投资回报率高而赢得了用户的青睐，在美国及全球的销量远远超过了其他品牌的机组，成为了世界空调行业的首选。

　　压缩过程

　　三级压缩压焓图

　　第一级压缩：气态制冷剂从蒸发器中被吸入到压缩机的第一级中，第一级叶轮将其加速。制冷剂气体的温度与压力相应提高。压缩过程为状态点2到状态点3

　　第二级压缩：从第一级压缩机出来的气态制冷剂和来自两级经济器低压侧的制冷剂相混合，然后进入到第二级叶轮中。第二级叶轮将制冷剂气体进行加速，进一步提高制冷剂的压力与温度到状态点4

　　第三级压缩：从第二级来的制冷剂气体和来自第二级经济器的制冷剂相混合，进入到第三级叶轮中加速，压缩到状态点5。这样制冷剂气体在压缩机中完成了压缩过程。

　　冷凝过程

　　状态点5的高温高压的制冷剂气体进入到冷凝器，将热量传给冷凝器中的冷却水，使制冷剂气体冷凝到状态点6。

　　节流过程

　　第一个孔板节流：状态点6制冷剂节流后进入经济器高压级一侧，由于部分制冷剂闪蒸，使制冷剂到达状态点7。

　　第二个孔板节流：状态点7制冷剂节流后进入经济器低压级一侧，由于部分制冷剂再次闪蒸，使制冷剂到达状态点8。

　　第三个孔板节流：节流后进入蒸发器，到达状态点1。

　　蒸发过程

　　从第三级节流装置出来液态制冷剂由状态点1进入到蒸发器后吸热，蒸发为气体后到达状态点2，被吸入到压缩机中。

　　4、压缩机电机

　　电动机的结构，由定子、转子和其它附件组成，定子由定子铁心和定子绕组组成，转子是由转子铁芯及转子绕组组成，作为大型压缩机的动力驱动设备，电动机的选型至关重要，尤其对于多级压缩的冷水机组而言，电机的选型直接影响到冷水机组的使用寿命，影响设备运行安全，及运行效率，影响整个空调系统的使用效果。

　　定子

　　半封闭式电机

　　采用迷宫式轴封，采用液态冷媒冷却，运行温度低，寿命长;机房无需专门的通风设备;运行噪音低，启动电流更小。

　　开启式电机

　　压缩机轴封需要油来密封，制冷剂正常年泄漏量为2%;采用空气冷却，电机工作环境温度高，寿命短，同时机房需要良好的通风降温除湿，可能额外增加运行费用;联轴器需要专业人士定期来校对同轴度，故障率高;开启式电机运行噪音大，启动电流大。

　　转子

　　齿轮增速驱动与直接驱动的区别

　　齿轮增速驱动电机启动力矩很小，延长电机使用寿命，叶轮变得更小，停机时间更短，能较好保证机组安全。

　　直接驱动叶轮体积大，质量重，启动时所需力矩很大， 由于叶轮很大，停机时惯性大，压缩机轴承的负荷较大。

　　5、冷凝器

　　6、经济器

　　经济器的安装位置

　　经济器也叫节能器，如上文所述，经济器的出现可以有效提高冷媒的运转效率，提高冷水机组的能量利用率，进而提高单机COP，甚至可以提升整个空调系统的SCOP值，其主要功能如下：

　　A.经济器将系统运行产生的闪气和液态冷媒在经济器里进行有效的分离。

　　B.当分离后的闪气导入压缩机完成二级压缩。

　　二级压缩流程图

　　C.来自蒸发器含冷媒的油在经济器中被加热为闪气和油，再回到压缩机油箱。

　　D.来自压缩机高温冷冻油则先进入经济器中冷却到适当油温，再注入压缩机需润滑的部件。

　　7、节流孔板(节流装置)

　　复式固定孔板

　　节流原理

　　孔口板节流装置大的优点是简单可靠，使用两组孔口板串联使用，头一片孔口板的作用是管路的液封，第二片孔口板的功能为节流。

　　孔口板节流

　　多片固定式孔口板流量控制装置，取消了运转部件，可在任何负荷情状可靠运行，如上文所述，特灵固定式孔口板就是这种节流控制装置

　　机组满载运行时，液柱高度为H，液柱产生的静压将满载所需的冷媒从第一片孔口板送到第二片孔口板。

　　机组半载运行时，液柱高度由H变为H/4，由于静压不足，通过第一片孔口板的冷媒为满载的一半，上游流量减少造成两片孔口板之间产生闪蒸现象，大量的闪气混合着液态冷媒通过第二片孔口板，冷媒流量也随之降为一半。

　　8、蒸发器

　　9、制冷原理

　　压缩机不断地从蒸发器中抽出制冷剂蒸汽，气流量由导叶的开启度而定。由于压缩机抽取制冷剂减低了蒸发器的压力，使蒸发器里剩余的制冷剂在相对低的温度(一般为3到6℃)沸腾蒸发。制冷剂气化吸取传热管内循环水的热量使之降温，得到空调或工业处理所需的冷水。吸取循环水中的热量之后，制冷剂蒸气被吸入压缩机压缩，压缩后制冷剂温度升高，从压缩机排出温度可达37到40℃，进入冷凝器进行冷凝，温度相对较低的冷却水(18～32℃)流经冷凝器铜管，带走气态制冷剂的热量，使之冷凝成液态。

　　三级压缩循环过程

　　液体制冷剂由限流孔进入闪蒸过冷室。由于闪蒸过冷室压力较低，部分液体制冷剂闪蒸为气体，吸取热量后使剩余的液态制冷剂进一步冷却。闪蒸制冷剂气体在冷却水的铜管外再凝结成液体，流至过冷室与蒸发器之间的节流阀。在节流装置中一只线性浮动阀形成一道液体密封，防止过冷室的蒸汽进入蒸发器。液体制冷剂流过此节流装置时节流，其中一部分由于蒸发器侧压力较低而闪蒸成气体，在闪蒸过程中带走剩余液体的热量，制冷剂回到低温低压状态进行蒸发，又开始制冷循环。

　　制冷剂循环示意图

　　离心式制冷压缩机是一种回转式速度型压缩机，吸气管将要压缩的气体引入到叶轮入口;气体在叶轮叶片的作用下跟着叶轮做高速旋转，通过叶轮中的叶片对叶轮槽道中的气体作功;提高气体的速度后引出叶轮出口处，然后导入扩压腔;由于气体从叶轮流出后，具有较高的流速，为了将这部分速度能转化为压力能，在叶轮排气口外侧设置了流通截面逐渐扩大的扩压器，进行能量的转换，以提高气体的压力;扩压后的气体在蜗壳里汇集起来后，进入机组的冷凝器进行冷凝，以上这一过程就是离心机的压缩原理，另外为了冷凝和把冷量带走，空调系统包括冷却水系统和冷冻水系统。

　　10、压焓图分析总结

　　单级压缩压焓图

　　二级压缩压焓图

　　从图上看：单级压缩机组制冷量=A–B，二级压缩机组制冷量= A–C;表示二级压缩机组制冷量>单级压缩机组制冷量(一般多5%～10%)

　　三、离心机组能量调节

　　导叶是离心式冷水机组的关键部件之一，其作用是调节冷却水的流量和水压，从而实现机组的运行控制。导叶开度指的是导叶的张开程度，一般用百分比来表示。当导叶开度为100%时，导叶完全张开;当导叶开度为0%时，导叶完全关闭。

　　1、导叶执行机构

　　导叶机构

　　导叶开度的调节原理是通过改变导叶的张开程度来调节冷却水的流量

　　当导叶张开程度增大时，冷却水流经导叶的通道面积增大，流量也随之增加;相反，当导叶张开程度减小时，冷却水流经导叶的通道面积减小，流量也随之减小。通过调节导叶开度，可以实现对冷却水流量的精确控制，从而满足不同工况下的制冷需求。

　　导叶开度的大小对离心式冷水机组的运行效果和能耗有着重要的影响

　　导叶开度的不合理选择会导致冷却水流量过大或过小，从而影响机组的制冷效果。当导叶开度过大时，冷却水流量增加，冷却效果会提高，但同时也会增加能耗;当导叶开度过小时，冷却水流量减小，冷却效果会降低，但能耗也会减少。因此，合理选择导叶开度可以在满足制冷需求的同时降低能耗。

　　2、入口导叶

　　导叶入口

　　导叶开度的选择还与机组的运行稳定性和噪音水平有关

　　导叶开度过大或过小都可能导致机组的运行不稳定，甚至产生噪音。因此，在选择导叶开度时，需要综合考虑制冷效果、能耗、运行稳定性和噪音等因素，找到一个佳的平衡点。

　　3、导叶调节

　　导叶调节

　　那么，导叶开度的选择又受到哪些因素的影响呢?

　　首先，制冷负荷是影响导叶开度选择的重要因素之一。制冷负荷越大，需要的冷却水流量就越大，因此导叶开度一般需要相应增大。

　　其次，冷却水温度的变化也会影响导叶开度的选择。当冷却水温度升高时，需要的冷却水流量相应增大，导叶开度也需要相应增大。此外，环境温度、湿度、冷却水泵的工作状态等因素也会对导叶开度产生影响。

　　为了优化导叶开度的选择，提高机组的运行效果和能耗，建议可采取以下方法：

　　首先，通过实时监测和调整导叶开度，根据实际制冷负荷的变化进行动态调节，以保证机组的运行效果和能耗的优化。

　　其次，结合机组的运行数据和历史数据，通过建立模型来预测和优化导叶开度的选择，以实现机组的自动化控制。此外，还可以通过改进导叶的结构和材料，提高导叶的调节性能和稳定性，以适应不同工况下的需求。

　　4、IGV导叶扇门

　　进口导叶，即IGV，inlet guide vane，它的开口角度取决于吸气压力，以保证压缩机不超过其大功率，在压缩机启动时，通常IGV开口角度必须大于80%，手动操作，启动到正常转速后必须小于20%，改为PLC控制

　　离心压缩机的生产过程中，各品牌厂家为了节约成本大多采用入口蝶阀，由此而损失了5%以上的效能。而改用 IGV 不失为一种有效的方法。

　　入口导叶控制系统预旋进入高速叶轮前的气流，以改善气流情况和增进叶轮效率。和用进口阀门调节风量相比，调节入口导叶角度能减少功率损耗5%-10%;

　　而进气流量调节碟阀作用仅仅是调节空压机进气流量的大小，流量改变进入一级叶轮时的气流速度变化了，但气流方向不变，这将影响到叶轮叶片进口速度三角形合成的速度方向，使之与叶轮叶片角之间产生差异，形成冲角，这样会造成叶片背面产生旋涡，使流动损失增大，从而使压缩机效率降低，且影响机器运转稳定性。

　　导叶扇门

　　进口可转导叶(IGV)控制是通过IGV叶片转角的变化限制进入压气机的空气压力。

　　入口导叶控制系统预旋进入高速叶轮前的气流，以改善气流情况和增进叶轮效率，由于旋转的叶轮和人口导叶对流入气流的作用，气流在进入叶轮之前已开始由轴向流动逐级地转变为螺旋推进运动，和用进口阀门调节风量相比，调节入口导叶角度能减少功率损耗5%-10%

　　大量相关试验表明，简单的蝶阀调节与进口导叶之间的效能差异，在设备启动的调节和小流量调节时节能效果为明显，对改善压缩机防喘振性能大有提高。