第２９卷第１期（总１１０期） 文章编号：ＩＳＳＮ１００５—９１８０（２０１０）Ｏ１—００５１—０６ ２ ０ １ ０年３月 制 冷 ５１ 变频离心式压缩机冷水机组 周子成 ［摘要】 高效和节能技术是空调用冷水机组的主要发展方向。本文论述了近年来变频技术在离心式压缩机 冷水机组中的应用，包括大型变频离心式压缩机冷水机组和磁悬浮变频离心式压缩机冷水机组。这两种技 术是当今世界上离心式压缩机冷水机组领域里最先进的技术。 ［关键词］冷水机组；离心式压缩机；变频 【中图分类号］ＴＢ６５２；ＴＨ４５ ［文献标识码】Ｂ Ｔｈｅ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＣＥＩｎｔ词．ｕｇａＩ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｃｈｉｌｌｅｒｓ ＺＨＯＵ Ｚｉｃｈｅｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒ ｏｆ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｇ．Ｉｎ ｔｎｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｒｅｃｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｒｅｓ￣ｒ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒｓ ａｒｅ ｄｉｓ・ ｃｕｓｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｍｓ￣ｒ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒｓ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｒｅｓ－ ｓｏｒ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒｓ．Ｉｎ ｔｏｄａｙ’ｓ ｗｏｒｌｄ．ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆｔｈｅ ａｒｔ ｔｃｈｅｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｃｅｎ－ ｔｒｉｆｕｇａｌ ｃｏｍｐｍｓｓｅｒ ｗａｔｅｒ ｃｈｉｌｌｅｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗａｔｅｒ Ｃｈｉｌｌｅｒ；Ｃｅｎｔｉｒｆｕｇａｌ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；Ｉｎｖｅｒｔｅｒ １ 引言 冷水机组在空调系统里使用十分广泛。通常有 蒸气压缩式冷水机组和吸收式冷水机组两类。蒸气 压缩式冷水机组由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流 离心式压缩机压缩制冷剂气体的方式和容积式 不同，它是通过高速旋转的叶轮对制冷剂气体作 功，气体获得能量后，压力和流速提高，然后，在 扩压器内将流速降低，压力继续提高，并从蜗壳排 出，进入冷凝器。转速的改变不仅引起流量的改 变，而且还会引起压力的改变，此外，当转速减小 机构及其他辅助设备和管道等组成。按照压缩机种 类的不同，分为容积式压缩机冷水组和速度式压缩 使流量减小后，气流在叶轮和扩压器流道里会造成 冲击、旋涡和脱离，并且可能会产生喘振，这是离 心式冷水机组使用变频技术的难点。 塞式、滚动活塞式、涡旋式和螺杆式压缩机等冷水 通常，空气调节系统的冷负荷随季节气候和室 机组，速度式压缩机冷水组目前只有离心式压缩机 内居留人员数量而变化，空调用冷水机组的制冷量 机冷水机组两类。容积式压缩机冷水组包括往复活 冷水机组一种。 需要和它相匹配，也要相应的变化。在一年的运转 变频技术在容积式压缩机冷水机组中应用较 时间内，满负荷制冷量－的运转时间并不长，大部分 多，因为容积式压缩机的制冷量与转速成正比，变 是在部分负荷下运转。因此，部分负荷下的高效、 频技术比较容易实现。目前用得较多的是滚动活塞 节能对降低全年能耗具有十分重要的意义，这就是 式和涡旋式压缩机冷水机组。 离心式压缩机冷水机组发展变频的动力。 收稿日期：２ＯＯ９—１０—２７ 作者简介：周子成（１９３５一），男，教授，主要从事制冷空调的理论研究和新产品设计。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｉｅｈｅｎｇｚｈｏｕ＠１６３．㈣ Ｎｏ．１，２０１０，Ｍａｒ． Ｖｏ１．２９（ＴｏｔａｌＮｏ．１１０） 圆周速度 组成，下标１表示在叶轮进口处，下标 ２大型变频离心式压缩机冷水机组 ２表示在叶轮出口处，图（ａ）表示进口处速度三角 ２．１转速对离心式压缩机性能的影响 形，图（ｂ）表示出口处速度三角形。将绝对速度 图１表示了制冷剂气体按照一元流动流过叶轮 分解成圆周方向的分速和垂直于圆周速度方向的分 时的速度三角形。由绝对速度Ｃ、相对速度￡，和 速，分别用下标／４，和下标ｒ表示。因此，ｃ 分解成 Ｃ１，和Ｃ１ ，Ｃ２分解成Ｃ２，和Ｃ２ 。 ． Ｉ． ＇Ｉ，２ｕ一ｆ～ 【： （ａ）进口处速度三角形 （ｂ）出口处速度三角形 图１气体流过叶轮进１：３和出口时的速度三角形 从速度三角形可得出下列矢量方程： 丌一圆周率。 Ｃ１ “ｌ＋ ｌ （１） 从式（６）可看出，在叶轮直径一定时，圆周 Ｃ２ ｔｔ２＋ ２ （２） 速度 和转速ｎ成正比。 又从式（５）看出，由于Ｃ２ ＞１，Ｃｌ ＝０，因 Ｃ１＝Ｃｌｕ＋Ｃ１， （３） 此，当转速 增大时，ｕ２增大，理论能量头△ｈ Ｃ２＝Ｃ２ ＋Ｃ２ －（４） 增大。理论能量头是叶轮加给ｌｋｇ气体的能量，这 ｌｋｇ气体流过叶轮时所获的能量，称为理论能 部分能量的主要部分在流出压缩机时转变成压力 量头（ｋＪ／ｋｇ），用Ａｈ 表示，根据欧拉方程 能。因此，当转速增高时，从离心式压缩机流出的 气体压力也增高。反之，当转速降低时，从离心式 △ ｔ＾＝ ２ Ｃ２ 一ｕｌ ＣｌⅡ （５） 压缩机流出的气体压力也降低。 式中： 制冷剂气体流过叶轮的体积流量，是叶轮流道 ２， 一叶轮的出口圆周速度，进口圆周速度 的断面积与垂直于断面积的流速的乘积。质量流量 （Ｉｌ１／／ｓ）； 是体积流量与密度的乘积。质量流量的大小代表离 ｔｔ２＝ 百…；“ｌ ： 百 ㈤ Ｌｏ 心式压缩机制冷量的大小。从图１的速度三角形可 以看出，对于一台结构尺寸一定的压缩机，转速越 式中： 高，叶轮出口的圆周速度Ｕ２也越大，这时的绝对 ｃ２ ，ｃ１ ～叶轮出口绝对速度在圆周方向的分 速度在垂直于断面的分量Ｃ２ 也越大，因此，离心 量，叶轮进口绝对速度在圆周方向的分量（ｍ／ｓ）； 式压缩机的流量也越大，压缩机的制冷量也越大， Ｄ２，Ｄｌ一叶轮出口直径，叶轮进ｌＺｌ直径，ｍ； 反之，转速越低，制冷量越小。这就说明，用变频 ／７，一转速，ｒ／ｍｉｎ； 电机驱动的离心压缩机，通过改变频率，使转速变 第２９卷第１期（２ ０ １ ０年３月 总１１０期） 制 冷 化，就可改变制冷量。 在制冷量接近满负荷时相对速度方向变化较小，而 ２．２变频离心式压缩机冷水机组比定频离心式冷 制冷量越接近零时，变化越大。因此，变频离心式 水机组节能的原因 压缩机在部分负荷运行时，并不是只调节频率，而 从图１的叶轮进口速度三角形可以看出，气流 是要与其他调节方法同时配合使用。例如，某公司 的相对速度 】是由圆周速度 】和绝对速度ｃ】合 的变频离心式冷水机组部分负荷的调节方式设计 成的。若进口无预旋，ｃ１＝Ｃ１ 。 成：当制冷量在额定值的１００％至７０％时，仅采用 对于定频离心式压缩机，在部分负荷时，气体 变频降低转速来调节制冷量，而在７０％以下时， 流过叶轮流道的流量减小，ｃｌ，值减小，而圆周速 采用变频降低转速同时配合使用进口导叶调节的方 度 １不变，因此相对速度 的大小和方向都变 式来调节制冷量。 化。相对速度 ，的方向是用相对速度和圆周速度 此外，扩压器的流道也需要调节，对于无叶扩压 之间的夹角 表示，相对速度 】方向变化就是 器，是将两个平行壁面中的一个设计成可移动的壁 角变化。 面，或者是采用一个移动挡板，当部分负荷时，随着 对于变频离心式压缩机，在部分负荷时，气体 气体流量的减小，调节移动部件和固定壁面之间的 流过叶轮流道的流量减小，ｃ， 值减小，但由于转 距离，使其减小，因此扩压器进口的流道断面积缩 速也减小，圆周速度 也减小，在合理的设计下， 小，减少气流进入扩压器时的冲击和避免倒流。 可使相对速度 １的方向（ １角）接近不变，或变 ２．３变频离心式压缩机冷水机组与定频离心式冷 化得较小，但不论怎样，总是比定频时变化要小。 水机组节能性能的比较 这种定频和变频压缩机 的变化关系，发生 大型离心式压缩机空调用冷水机组大部分时间 在整个叶轮流道里。 是在部分负荷下运转，在这些时问里，往往气候不 在离心式压缩机设计时，叶轮流道的形状，应 是最炎热，环境温度比较低，离心式冷水机组工作 和相对速度的方向一致，即叶轮的叶片进口弯曲角 的冷凝温度比较低，因此，变频离心式冷水机组由 应等于卢】，叶片出口弯曲角应等于 ，通常是按 于部分负荷转速降低造成排气压力降低，也能与较 照额定制冷量时的参数设计的。在部分负荷时，制 低的冷却水温度相适应。分析表明，通常变频离心 冷量减小，气体流过叶轮的流速也减小，即ｃ，减 式冷水机组能比定频离心式冷水机组年节电３０％ 小，而流道的几何形状是不变的。对于定频离心压 一３５％，在特殊的部分负荷点运行时，可以比定频 缩机，由于转速不变，叶轮的圆周速度不变，因此 离心式冷水机组节电７５％。一般情况下，在２～３ 相对速度的方向就要改变，和流道的方向 一致， 年内，变频离心式压缩机冷水机组所节省的运行费 这时气流就会产生冲击损失、旋涡损失、脱离损 用，可以补偿变频离心冷水机组和定频离心冷水机 失，甚至局部产生倒流，这些损失都使离心式压缩 组初始投资的差价。 机的效率降低、耗功增大。而对于变频压缩机，当 图２是制冷量２０００ｌ 的变频离心式冷水机组 部分负荷制冷量减小时，气体流过叶轮的ｃ，减小， 和定频离心式冷水机组在各个部分负荷下的性能系 同时圆周速度 也减小，使相对速度的方向改变 数ＣＯＰ的比较。可以看出，制冷量在１００％到９ｏ％ 得小一些，或接近不变。这样，气体流过叶轮时的 时，变频机和定频机的ＣＯＰ差别很小，因为这时 损失就会小一些，因而使离心式压缩机的效率降低 变频机的转速和定频机的转速差异很小。从９０％ 得少一些。这就是变频离心式压缩机冷水机组在部 到１０％时，ＣＯＰ的差异就很大，变频机的ＣＯＰ比 分负荷下运转时，比定频离心式冷水机组节能的原 定频机高很多，因此，在部分负荷时，变频机较定 因。当然，部分负荷时转速降低，消耗在轴与轴承 频机有明显的节能效果。 的摩擦功率也减小。 评价冷水机组的节能性能，通常采用“综合部 但是，变频离心式压缩机也不能在全部部分负 分负荷值硎 （Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐａｒｔ—ｌｏａｄ Ｖａｌｕｅ）”作为 荷时都能满足相对速度方向变化小的要求，一般是 全年效率评价指标，它最早是由美国提出并规定在 Ｎｏ．１，２０ｌ０，Ｍａｒ． Ｖｏ１．２９（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１１０） Ｊ４ Ｉ ｌ２ ｌ（】 ／／、／—、、 ＼ ＼ －吕－变频 ＣＯＰ ８ ｂ 、＼ —、 ＋定频 ４ Ｏ １００ ９０ ８０ ７０ ６０ ５０ ４０ ３０ ２０ １０ 制冷量（％） 图２变频和定频离心式冷水机组部分负荷时ＣＯＰ的比较 ＡＲＩ ５５０／５９０标准和ＡＳＨＲＡＥ的相关标准里，现在 我国标准中也用它作为评价指标。ＩＰＬＶ是从不同 负荷下的效率比例和冷却水温度与实际运转条件相 似时加权平均计算出来的， Ｌｖ的英制单位是 ｋＷ／冷吨，ＩＰＬＶ值越小，节能性能越高。我国常用 国际单位制的ＣＯＰ（ｋＷ／ｋＷ）可从它换算出来， ＣＯＰ值越大，节能性能越高，英、美国家过去使用 的英制单位的能效比ＥＥＲ［（Ｂｔｕ／ｈ）／ｋＷ］也可从 它换算出来，删 的计算公式如下： ＩＰＬＶ＝０．０１Ａ＋０．４２Ｂ＋０．４５Ｃ＋０．１２Ｄ （７） 表１离心式冷水机组的ＩＰＬＶ、ＣＯＰ、ＥＥＲ值 表２麦克维尔１５８０ｋＷ变频离心冷水机组 与定频离心冷水机组ＩＰＬＶ的比较 式中： 一冷却水进口温度２９．４￣Ｃ时在１００％负荷下 的效率； 曰—冷却水进口温度２３．９￣１２时在７５％负荷下 的效率； Ｃ—冷却水进口温度１８．３￣Ｃ时在５０％负荷下 的效率； Ｄ一冷却水进口温度１８．３ｑＣ时在２５％负荷下 的效率； 使用式（７）时，制冷水的出水温度保持在定 值６．７℃。 ． 表３表示了日本三菱重工的ＥＴＩ系列定频和变 频离心冷水机组部分负荷全年效率ＣＯＰ、最大ＣＯＰ 和全年耗电量的比较。 变频离心式冷水机组还具有以下的一些优点： 美国ＡＳＨＲＡＥ标准规定，对制冷量大于 １０５４ｋＷ的离心式冷水机组的硎ｗ（ｋＷ／冷吨）、 ＣＯＰ（ｋＷ／ｋＷ）、ＥＥＲ［（Ｂｔｕ／ｈ）／ｋＷ］的值应符合 表１的规定。 表２表示了麦克维尔１５８０ｋＷ变频离心冷水机 组与定频离心冷水机组ＩＰＬＶ的比较。 美国开利公司１９ＸＲＶ系列变频离心式冷水机 组的ＩＰＬＶ值为０．３７～０．４２ｋＷ／冷吨。 ａ）降低启动电流； ｂ）降低扭矩，延长电机寿命； ｃ）功率因数较高，降低额定电流； ｄ）电机零部件较少，减少维修； ｅ）降低了部分负荷时的转速，使机组运转噪 声比定频机低，通常可降低５ｄＢ（Ａ）左右。 第２９卷第１期（２ ０ １ ０年３月 总１１０期） 制 冷 表３三菱重工的ＥＴＩ系列定频和变频离心冷水机组部分负 离心式压缩机所消耗的功，包括叶轮对气体所 荷全年效率ＣＯＰ、最大ＣＯＰ和全年耗电量的比较 作的功和轴旋转时与轴承间摩擦消耗的功。磁悬浮 离心式压缩机的叶轮、电机转子安设在一条轴上， 两端被支承在轴承上。在起动时，变频电机将转速 慢慢升高，依靠磁力的作用，将轴向上浮起，旋转 的轴与轴承脱离。摩擦功减低到很小。因而降低了 压缩机消耗在轴与轴承间的摩擦功率，轴承消耗的 功率从常规离心式压缩机的１０ｋＷ降低到磁悬浮压 缩机的０．２ｋＷ，使压缩机的效率提高。 图３表示了磁悬浮旋转部件（轴和叶轮）和轴 承配合的结构图，磁悬浮轴承由前径向轴承、后径 向轴承和轴向轴承组成。通过Ｙ轴位移传感器和ｚ 轴位移传感器检测控制，使轴保持在要求的悬浮位 ３磁悬浮变频离心压缩机冷水机组 置上。 通过ｘ轴位移传感器检测控制，使轴保持在 ３．１磁悬浮的工作原理和优点 要求的轴向位置上，精度达到０．００１２７ｍｍ。 图３磁悬浮轴和轴承的配合结构 图４是一台变频磁悬浮压缩机的结构。磁悬浮 通过变频调速并配合进口导叶调节。转速范围在 压缩机采用磁悬浮数控轴承和高性能传感器，它利 １８０００～４８０００ｒ／ｒａｉｎ，起动电流只有２Ａ。采用数控 用稀土永磁体和电磁体间产生的强力磁场来实现对 电力电子设备，集成压缩机、电子膨胀阀、冷水机 压缩机轴的悬浮。在运转时受磁力的作用，轴被悬 组控制的最佳化运行。监控多达１５０个系统参数。 浮起来，不与轴承接触，保证在运转时轴与转子精 当突然停电时，由于高速旋转的转子的惯性，将会 确定位。同时，轴承不需要润滑油，避免了普通压缩 继续旋转一定的时间，这时电机成为发电机，发出 机内部复杂的润滑油系统，大大提高了机组可靠性。 的电力对蓄电池充电，使蓄电池保持至少６０秒的 由于整个制冷系统中没有润滑油循环，热交换器表 电力，以便能控制磁悬浮的轴缓慢地降落到轴承 面没有润滑油热阻，提高了换热器传热效率，也提高 上。当出现严重故障时，由专门设计的降落轴承承 了机组能效。该系列压缩机为两级压缩，有两个叶 受转子，避免引起损坏。降落轴承有碳滚动轴承和 轮，由集成变频直流同步无刷变频电机驱动，轴承为 陶瓷轴承两种，碳滚动轴承能承受１００次硬着落。 无油润滑磁轴承，内置数字电子设备。部分负荷时 陶瓷轴承具有更好的耐热、更高的可靠性。 Ｎｏ．１，２０１０，Ｍａｒ． Ｖｏ１．２９（Ｔ０ｔａｌ Ｎｏ．１１０） 冷冷凝器两种，水冷机组又有干式（直接膨胀）蒸 发器和多压缩机满液式蒸发器两种，制冷量在２１ １ ～３１６４ｋＷ（６０—９００冷吨）。风冷冷水机组，制冷 由于制冷系统不含油，因此，多压缩机时可以 量在２１１～１０５５ｋＷ（６０～３００冷吨）。 共用一个蒸发器和一个冷凝器，也可以多台机组并 联，扩大机组的制冷量，使管路简单，成模块化结 构。如图５所示。 此外，还有其他公司向托波库购买压缩机生产 冷水机组或销售它生产的冷水机组： ａ）麦克维尔，制冷量３８７ｋＷ至７７４ｋｗ（１１０至 图４磁悬浮离心式压缩机结构图 ２９０冷吨），满负荷的ＣＯＰ为５．６７，ＩＰＬＶ为９．３７６。 ｂ）ＡＥＣ公司，生产制冷量为１２０、１４０、１５０、 ３．２磁悬浮变频离心压缩机冷水机组的性能 １７０、１９０冷吨的冷水机组。 这种技术最早由捷丰公司获得专利，后丹佛斯 ｃ）ＡＩＲＥＤＡＲＥ公司，生产风冷冷水机组，制 一托波库公司购买了专利，１９９３年开发，２００３年 冷量２００～１１００ｋＷ。 开始销售，其结构如图４所示。压缩机为两级、半 ｄ）ＡＤＶＡＮＴＡＧＥ公司，生产水冷冷水机组， 开式叶轮，整个系列有ＴＩ３００、ＴＦ４００和Ｔｒ５００三 制冷量为１２０、１５０、１８０冷吨。 种型号，３Ｔ３００制冷量３１６ｋＷ（９０冷吨），ＴＦ４００冷 ｅ）ＳＴＥＲＩＮＧ公司，生产制冷量为１２０至１９０ 量５２７ｋＷ（１５０冷吨）。ＴＩ３００转速为１８０００～ 冷吨的冷水机组。在满负荷时ＣＯＰ为５．８５，５０％ ４８０００ｒ／ｍｉｎ，起动电流仅２Ａ。压缩机重量只有常规 负荷时，ＣＯＰ为ｌ２．３。 压缩机的１／５，占地面积为常规压缩机的１／２。压 ｆ）ＣＬＩＭＡＶＥＮＥＴＡ公司，１３个机型，制冷量 缩机长７８８ｍｍ，宽５１８ｍｍ，高４８２ｍｍ，重１２０ｋｇ， ２２２～８９５ｋＷ。 使用环保制冷剂Ｒ１３４ａ。该压缩机赢得了一系列国 ｇ）ＰＯＷＥＲＰＡＸ公司，ＰＯＷＥＲＭＡＳＴＥＲ公司等。 际上声望很高的奖项，包括美国国家环保总署 （ＥＰＡ）颁发的“气候保护”奖，美国供暖、制冷、 ４结论 空调工程师学会组织的美国制冷空调及供热展览会 （ＡＳＨＲＡＥ／ＡＨＲ）“能源创新”奖、加拿大“节能” （１）高效和节能技术是空调用冷水机组的主要 奖和澳大利亚“ＡＩＲＡＨ制冷”奖等。 发展方向。 使用这种压缩机的冷水机组有水冷冷凝器和风 （２）大型离心式压缩机空调冷水机组大部分时 间是在部分负荷下运转，部分负荷下的高效、节能 对降低全年能耗具有十分重要的意义。 （３）变频离心式冷水机组由于部分负荷时改变 转速，使效率比定速离心式冷水机组高。 （４）磁悬浮离心式压缩机降低了消耗在轴与轴 承间的摩擦功率，并且热交换器不含油，使压缩机 及冷水机组的效率提高。 ５参考文献 ［１］常鸿寿，周子成．制冷离心式压缩机［Ｍ］．北京：机 图５磁悬浮离心式多机组的模块化冷水机组 械工业出版社，ｉ７７Ｃ