制冷机组的工作原理与选型(冷水机组系统) 毕业论文外文翻译
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外文文献
TheworkingprincipleofrefrigerationunitsandSelection
(ChilledWaterSystems)
Received:JamesB.Bradfordetal.“HV ACEquipmentandSystems”.HandbookofHeat ing,Ventilation,andAir-Conditioning.Ed.JanF.Kreider.BocaRaton,CRCPressLLC.2001 .
Abstract:Inthespaceoftheair-conditioning,refrigerationunitisnecessaryequipment .Refrigerationunitisthecoolingsystemofsomeoftheequipmentorallequipmentsupporting groupassembledtogether,asawhole.Thiscompactunit,theuseofflexible,easymanagement ,installationsimple,someofwhichunitsimplyconnecttotheuseofwaterandpowerforrefrige rationandair-conditioningengineeringdesignandconstruction,hesaid.Thispaperdescribe sthecoldwater-coolingunits,itisthecompressor,condenser,evaporator,cutexpenditure,co ntrolcomponentsandauxiliaryequipment,suchasassemblyasawhole,andspecificallyforth eair-conditionedterminalorotherworksofthecoldtemperature(Hot)water,accordingtotheenvironment,andspacerequirements,andmaketheappropriatechoic eofthechiller.
Keywords:chiller,steamcompressionrefrigerator,reciprocatingcompressors,screw -typecompressors.
Chilledwatersystemswereusedinlessthan4%ofcommercialbuildingsintheU.S.in19 95.However,becausechillersareusuallyinstalledinlargerbuildings,chillerscooledover28 %mercialbuildingfloorspacethatsameyear
(DOE,1998).Fivetypesofchillersarecommonlyappliedtocommercialbuildings:recipr ocating,screw,scroll,centrifugal,andabsorption.Thefirstfourutilizethevaporcompression cycletoproducechilledwater.Theydifferprimarilyinthetypeofcompressorused.Absorptio nchillersutilizethermalenergy(typicallysteamorcombustionsource)inanabsorptioncyclewitheitheranammonia-waterorwater-lithiumbromidesolutiontopro ducechilledwater.
OverallSystem
Anestimated86%ofchillersareappliedinmultiplechillerarrangementslikethatshown inthefigure
(BitondoandTozzi,1999).Inchilledwatersystems,returnwaterfromthebuildingiscircu latedthrougheachchillerevaporatorwhereitiscooledtoanacceptabletemperature (typically4to7°C)(39to45°F).Thechilledwateristhendistributedtowater-to-airheatexchangersspreadthr oughoutthefacility.Intheseheatexchangers,airiscooledanddehumidifiedbythecoldwater. Duringtheprocess,thechilledwaterincreasesintemperatureandmustbereturnedtothechille r(s).
Incoldwaterintheunit,Wateriscirculatedthroughthecondenserofeachchillerwhereita bsorbsheatenergyrejectedfromthehighpressurerefrigerant.Thewateristhenpumpedtoaco olingtowerwherethewateriscooledthroughanevaporationprocess.Coolingtowersaredesc ribedinalatersection.Chillerscanalsobeaircooled.Inthisconfiguration,thecondenserwoul dbearefrigerant-to-airheatexchangerwithairabsorbingtheheatenergyrejectedbythehighp ressurerefrigerant.
Chillersnominallyrangeincapacitiesfrom30to18,000kW
(8to5100ton).MostchillerssoldintheU.S.areelectricandutilizevaporcompressionrefri pressorsforthesesystemsareeitherreciprocating,scr ew,scroll,orcentrifugalindesign.Asmallnumberofcentrifugalchillersaresoldthatuseeithe raninternalcombustionengineorsteamdriveinsteadofanelectricmotortodrivethecompres sor.
Refrigeratorsystemplansandancillaryequipment
FIGURE4.2.2Adualchillerapplicationwithmajorauxiliarysystems (courtesyofCarrierCorporation).
Thetypeofchillerusedinabuildingdependsontheapplication.Forlargeofficebuilding sorinchillerplantsservingmultiplebuildings,centrifugalcompressorsareoftenused.Inappl icationsunder1000kW(280tons)coolingcapacities,reciprocatingorscrewchillersmaybemoreappropriate.Insmallerapplic ations,below100kW(30tons),reciprocatingorscrollchillersaretypicallyused.
VaporCompressionChillers
Table4.2.5showsthenominalcapacityrangesforthefourtypesofelectricallydrivenvap orcompressionchillers.Eachchillerderivesitsnamefromthetypeofcompressorusedinthec hiller.Thesystemsrangeincapacitiesfromthesmallestscroll(30kW;8tons)tothelargestcentrifugal(18,000kW;5000tons).ChillerscanutilizeeitheranHCFC (R-22andR-123)orHFC(R-134a)refrigerant.Thesteadystateefficiencyofchillersisoftenstatedasaratioofthepowerinput (inkW)tothechillingcapacity (intons).Acapacityratingofonetonisequalto3.52kWor12,000btu/h.Withthismeasureo fefficiency,thesmallernumberisbetter.AsseeninTable4.2.5,centrifugalchillersarethemos tefficient;whereas,reciprocatingchillershavetheworstefficiencyofthefourtypes.Theeffic iencynumbersprovidedinthetablearethesteadystatefull-loadefficiencydeterminedinacco rdancetoASHRAEStandard30
(ASHRAE,1995).Theseefficiencynumbersdonotincludetheauxiliaryequipment,suc haspumpsandcoolingtowerfansthatcanaddfrom0.06to0.31kW/tontothenumbersshown (Smitetal.,1996).
Chillersrunatpartloadcapacitymostofthetime.Onlyduringthehighestthermalloadsin thebuildingwillachilleroperatenearitsratedcapacity.Asaconsequence,itisimportanttokno whowtheefficiencyofthechillervarieswithpartloadcapacity.Figure4.2.3showsarepresent ativedatafortheefficiency(inkW/ton)asafunctionofpercentagefullloadcapacityforareciprocating,screw,andscrollchillerplusa centrifugalchillerwithinletvanecontrolandonewithvariablefrequencydrive(VFD)forthecompressor.Thereciprocatingchillerincreasesinefficiencyasitoperatesatasmallerp ercentageoffullload.Incontrast,theefficiencyofacentrifugalwithinletvanecontrolisrelativ elyconstantuntilthe
loadfallstoabout60%ofitsratedcapacityanditskW/tonincreasestoalmosttwiceitsfull yloadedvalue.
FIGURE4.2.3Chillerefficiencyasafunctionofpercentageoffullloadcapacity.
In1998,theAirConditioningandRefrigerationInstitute(ARI)developedanewstandardthatincorporatesintotheirratingspartloadperformanceofchillers (ARI1998c).Partloadefficiencyisexpressedbyasinglenumbercalledtheintegratedpart loadvalue
(IPLV).TheIPLVtakesdatasimilartothatinFigure4.2.3andweightsitatthe25%,50%,75 %,and100%loadstoproduceasingleintegratedefficiencynumber.Theweightingfactorsatt heseloadsare0.12,0.45,0.42,and0.01,respectively.TheequationtodetermineIPLVis:
MostoftheIPLVisdeterminedbytheefficiencyatthe50%and75%partloadvalues.Man ufacturerswillprovide,onrequest,IPLVsaswellaspartloadefficienciessuchasthoseshowni nFigure4.2.3.
FIGURE4.2.4V olume-pressurerelationshipsforareciprocatingcompressor.
Thefourcompressorsusedinvaporcompressionchillersareeachbrieflydescribedbelo w.Whilecentrifugalandscrewcompressorsareprimarilyusedinchillerapplications,recipro catingandscrollcompressorsarealsousedinsmallerunitarypackagedairconditionersandhe atpumps.
ReciprocatingCompressors
Thereciprocatingcompressorisapositivedisplacementcompressor.Ontheintakestro
keofthepiston,afixedamountofgasispulledintothecylinder.Onthecompressionstroke,the gasiscompresseduntilthedischargevalveopens.Thequantityofgascompressedoneachstro pressorsusedinchillershavemultiplecylin ders,dependingonthecapacityofthecompressor.Reciprocatingcompressorsuserefrigeran tswithlowspecificvolumesandrelativelyhighpressures.Mostreciprocatingchillersusedin buildingapplicationscurrentlyemployR-22.
Modernhigh-speedreciprocatingcompressorsaregenerallylimitedtoapressureratioo fapproximatelynine.Thereciprocatingcompressorisbasicallyaconstant-volumevariable-headmachine.Ithandlesvarious
dischargepressureswithrelativelysmallchangesininlet-volumeflowrateasshownbyt heheavyline(labeled16cylinders)inFigure4.2.4.Condenseroperationinmanychillersisrelatedtoambientconditions,forexa mple,throughcoolingtowers,sothatoncoolerdaysthecondenserpressurecanbereduced.W hentheairconditioningloadislowered,lessrefrigerantcirculationisrequired.Theresultingl oadcharacteristicisrepresentedbythesolidlinethatrunsfromtheupperrighttolowerleftofFi gure4.2.4.
Thecompressormustbecapableofmatchingthepressureandflowrequirementsimpose dbythesystem.Thereciprocatingcompressormatchestheimposeddischargepressureatany leveluptoitslimitingpressureratio.Varyingcapacityrequirementscanbemetbyprovidingd evicesthatunload
individualormultiplecylinders.Thisunloadingisaccomplishedbyblockingthesuctio nordischargevalvesthatopeneithermanuallyorautomatically.Capacitycanalsobecontroll edthroughtheuseofvariablespeedormulti-speedmotors.Whencapacitycontrolisimpleme ntedonacompressor,otherfactorsatpart-loadconditionsneedtoconsidered,suchas(a)effectoncompressorvibrationandsoundwhenunloadersareused,(b)theneedforgoodoilreturnbecauseoflowerrefrigerantvelocities,and(c)properfunctioningofexpansiondevicesatthelowercapacities.Withmostreciprocatingcom pressors,oilispumpedintotherefrigerationsystemfromthecompressorduringnormalopera tion.Systemsmustbedesignedcarefullytoreturnoiltothecompressorcrankcasetoprovidefo rcontinuouslubricationandalsotoavoidcontaminatingheat-exchangersurfaces.Reciproca
tingcompressorsusuallyarearrangedtostartunloadedsothatnormaltorquemotorsareadequ ateforstarting.Whengasenginesareusedforreciprocatingcompressordrives,carefulmatch ingofthetorquerequirementsofthecompressorandenginemustbeconsidered.
ScrewCompressors
FIGURE4.2.5Illustrationofatwin-screwcompressordesign (courtesyofCarrierCorporation).
Screwcompressors,firstintroducedin1958
(Thevenot,1979),arepositivedisplacementcompressors.Theyareavailableinthecapac ityrangesthatoverlapwithreciprocatingcompressorsandsmallcentrifugalcompressors.Bo thtwin-screwandsingle-screwcompressorsareusedinchillers.Thetwin-screwcompressor isalsocalledthehelicalrotarycompressor.Figure4.2.5showsacutawayofatwin-screwcomp ressordesign.Therearetwomainrotors(screws).Oneisdesignatedmale(4inthefigure)andtheotherfemale(6inthefigure).
Thecompressionprocessisaccomplishedbyreducingthevolumeoftherefrigerantwith therotarymotionofscrews.Atthelowpressuresideofthecompressor,avoidiscreatedwhenth erotorsbegintounmesh.Lowpressuregasisdrawnintothevoidbetweentherotors.Astheroto rscontinuetoturn,thegasisprogressivelycompressedasitmovestowardthedischargeport.O
ncereachingapredeterminedvolumeratio,thedischargeportisuncoveredandthegasisdisch argedintothehighpressuresideofthesystem.Atarotationspeedof3600rpm,ascrewcompres sorhasover14,000dischargesperminute(ASHRAE,1996).
Fixedsuctionanddischargeportsareusedwithscrewcompressorsinsteadofvalves,asu sedinreciprocatingcompressors.Thesesetthebuilt-involumeratio—theratioofthevolume offluidspaceinthemeshingrotorsatthebeginningofthecompressionprocesstothevolumein therotorsasthedischargeportisfirstexposed.Associatedwiththebuilt-involumeratioisapre ssureratiothatdependsonthepropertiesoftherefrigerantbeingcompressed.Screwcompres sorshavethecapabilitytooperateatpressureratiosofabove20:1
(ASHRAE,1996).Peakefficiencyisobtainedifthedischargepressureimposedbythesys temmatchesthepressuredevelopedbytherotorswhenthedischargeportisexposed.Iftheinte rlobepressureinthescrewsisgreaterorlessthandischargepressure,energylossesoccurbutno harmisdonetothecompressor.
Capacitymodulationisaccomplishedbyslidevalvesthatprovideavariablesuctionbyp assordelayedsuctionportclosing,reducingthevolumeofrefrigerantcompressed.Continuo uslyvariablecapacitycontrolismostcommon,butsteppedcapacitycontrolisofferedinsome manufacturers’machines.Variabledischargeportingisavai lableonsomemachinestoallow controlofthebuilt-involumeratioduringoperation.
Oilisusedinscrewcompressorstosealtheextensiveclearancespacesbetweentherotors ,tocoolthemachines,toprovidelubrication,andtoserveashydraulicfluidforthecapacitycon trols.Anoilseparatorisrequiredforthecompressordischargeflowtoremovetheoilfromtheh igh-pressurerefrigerantsothatperformanceofsystemheatexchangerswillnotbepenalizeda ndtheoilcanbereturnedforreinjectioninthecompressor.
Screwcompressorscanbedirectdrivenattwo-polemotorspeeds
(50or60Hz).Theirrotarymotionmakesthesemachinessmoothrunningandquiet.Reliab ilityishighwhenthemachinesareappliedproperly.Screwcompressorsarecompactsotheyca nbechangedoutreadilyforreplacementormaintenance.Theefficiencyofthebestscrewcom pressorsmatchesorexceedsthatofthebestreciprocatingcompressorsatfullload.Highisentr opicandvolumetricefficienciescanbeachievedwithscrewcompressorsbecausethereareno suctionordischargevalvesandsmallclearancevolumes.Screwcompressorsforbuildingapp
licationsgenerallyuseeitherR-134aorR-22.
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译文
制冷机组的工作原理与选型(冷水机组系统)
出自:JamesB,Bradford等人,暖通空调的设备和系统[M],启联资源中心新闻LLC公司,2001年
摘要:在大空间的空气调节中,制冷机组是必须的设备。
制冷机组就是将制冷系统中的部分设备或全部设备配套组组装在一起,成为一个整体。
这种机组结构紧凑、使用灵活、管理方便、安装简单,其中有些机组只需连接水源和电源即可使用,为制冷空调工程设计和施工提供了便利条件。
本文介绍的是冷水型制冷机组,它是将压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构、辅助设备以及自动控制元件等组装成一个整体,专门为空调末端或其他工艺工程提供不同温度的冷(热)水,根据环境和空间要求,进行相应的冷水机组选择。
关键词:冷水机组,蒸汽压缩式制冷机,往复式压缩机,螺杆式压缩机。
冷水机组
1995年,在美国,冷水机组应用在至少4%的商用建筑中。
而且,由于制冷机组通常安装在较大的建筑中,在同一年里,制冷机组冷却了多于28%的商用建筑的地板空间(DOE,1998)。
在商用建筑中普遍采用五种型式的制冷机:往复式、螺杆式、旋涡式、离心式和吸收式。
前四种利用蒸汽压缩式循环来制得冷冻水。
它们的不同主要在于使用的压缩机种类的不同。
吸收式制冷机在吸收循环中利用热能(典型的是来自蒸汽或燃料燃烧)并利用氨-水或水-锂溴化物制得冷冻水。
总的系统
制冷机系统图及辅助设备
大约86%的制冷机和表所示的一样用在多台制冷机系统中(Bitondo和Tozzi,1999)。
在冷冻水系统中,建筑物的回水通过每个蒸发器循环流动,在蒸发器中,回水被冷却到合意的温度(典型的为4~7℃-)(39~45℉)。
然后,冷冻水通过各设备传送到水-空气换热器。
在换热器中,空气被冷冻水冷却和加湿。
在这个过程中,冷水的温度升高,然后必须回送到蒸发器中。
在冷水机组中,水通过每个机组的冷凝器循环,在冷凝器中,水吸收了来自高压制冷剂的热量。
接着,水用水泵打到冷却塔中,水通过蒸发而降温。
冷却塔将在后一部分讲述。
冷凝器也可以是空冷式的。
在这种循环中,冷凝器应是制冷剂-空气热交换器,空气吸收来自高压制冷剂的热量。
制冷机组名义制冷量为30~18000kw(8~5100tons)。
在美国,出售的大部分制冷机组是用电的,利用蒸汽压缩制冷循环来制得冷冻水。
在设计中,这种系统所使用的压缩机也有往复式、螺杆式、旋涡式和离心式。
一小部分的离心式制冷机利用内燃机或蒸汽机代替电来启动压缩机。
在建筑中所使用的制冷机组类型根据应用场所来确定。
对于大的办公室建筑或制冷机组需服务于多个建筑时,通常使用离心式压缩机。
在所需制冷量小于1000kw(280tons)时,使用往复式或螺杆式制冷机组较合适。
在小的应用场合,若低于100kw(30tons)时,使用往复式或旋涡式制冷机组。
蒸汽压缩式制冷机
图4.2.3制冷机在各种不同满负荷百分数时的效率表4.2.5表示了四种电启动的蒸汽压缩式制冷机组的名义制冷量范围。
每种制冷机以所使用的压缩机类型来命名。
各种系统的制冷能力范围从最小的旋涡式(30kw,8tons)到最大的离心式(18000kw,5000tons)。
制冷机可使用HCFCs (R22,R123)
或HFCs(R-134a)制冷剂。
制冷机的效率通常用输入功(用kw表示)与制冷量(用tons表示)的比值表示。
1tons的制冷量等于3.52kw或1200btu/h。
用这种方法衡量效率,其数值越小越好。
从表4.2.5可以看出,离心式制冷机的效率最高。
而往复式是这四种类型中效率最低的。
表中所提供的效率是根据ASHRAEStandard30(ASHRAE,1995)在稳定状态下测得满负荷时的效率,这些效率中不包括辅助设备的能耗,比如泵,冷却塔的风机,而这些设备可以增加
0.06~0.31kw/ton(Smit et al..,1996)。
制冷机组在大部分时候是在部分负荷下运行的。
只有在建筑物的最高热负荷时,制冷机才在额定制冷量附近运行。
知道制冷机在部分负荷下效率是怎样变化的,这是很重要的。
图4.2.3给出了往复式、螺杆式、旋涡式、带叶片控制的离心式制冷机组、压缩机频繁启动的制冷机组在满负荷时的百分比下相应的效率(用kw/ton表示)。
往复式制冷机在占满负荷较小的百分比运行时,效率增加。
相反地,带叶片控制的离心式的效率在负荷为额定负荷的60%以后是基本不变的,它的kw/ton值随百分数的减小而增加到满负荷时的两倍.1998年,空调制冷学会提出了一项新的标准,用来划归在部分负荷下制冷机组的运行情况。
部分负荷时的效率用综合部分负荷值(IPLV)这个简单的数值来表示。
IPLV在数值上和图4.2.3相似。
用25%,50%,75%,100%负荷时的效率来计算这个简单的综合效率。
在这些负荷下的度量值分别为0.12,0.45,0.42,0.01。
IPLV的计算公式为:
IPLV=1/(0.01/A+0.42/B+0.45/C+0.12/D)
其中A——100%负荷时的效率
B——75%负荷时的效率
C——50%负荷时的效率
D——25%负荷时的效率
大多数的IPLV由满负荷的50%,75%时的效率决定的,根据要求,制造商除了提供如图4.2.3所示部分负荷时的效率,还会提供IPLV值。
以下对使用在蒸汽压缩式制冷机中的四种压缩机做简要的讲述。
离心式和螺杆式压缩机主要应用在制冷机组上。
往复式和旋涡式压缩机应用在整体式空调和热泵中。
往复式压缩机
图往复式压缩机容积-压力的关系
往复式压缩机是一种有确定排量的压缩机。
在活塞的进气冲程时,一定量的气体被吸进气缸。
在压缩冲程时,气体被压缩直到排气阀打开。
在每个冲程被压缩的气体数量等于气缸的体积。
在制冷机中使用的压缩机根据压缩机制冷能力不同有不同个气缸的。
往复式压缩机使用的制冷剂具有较小体积和相对较高的压力。
使用在建筑上的往复式制冷机组目前大多采用R22。
现在高速往复式压缩机所限制的压力比大约为9。
往复式压缩机基本上是具有固定容积可变压力的机器。
从图4.2.4所示的最粗的一条线(16个气缸)可以看出:内容积流量发生较小的变化,压缩机的排气压力会发生各种变化。
在一些制冷机中的冷凝器的运行情况与周围环境有关。
比如,在制冷时,通过冷却塔后,冷凝压力会降低。
当空调负荷降低时,所需的循环制冷剂流量会减少,这种结果—负荷特性在图4.2.4中用实线表示了,从右上角指向左下角。
压缩机必须要和系统压力和所需的流量相匹配。
往复式压缩机在任何水平时会让排气压力达到它限定的压力比。
不同制冷能力的需求可以通过卸载一个或多个气缸来实现。
这种卸载又可通过阻止手动或自动开启的吸气和排气阀门来完成。
制冷能力也可通过使用变速或多速电动机来控制。
当控制好了压缩机的制冷
能力,在部分负荷时的其他影响因素也应考虑,比如(a)压缩机震动的影响和卸载装置运行时的噪声;(b)较低的制冷剂流速需要较好的回油;(c)在较低制冷能力时膨胀装置正确的使用。
在大多数往复式压缩机中,在正常运行时油从压缩机被打到制冷系统中。
系统必须仔细设计使油能回到压缩机曲轴箱,以便连续润滑,同时也能避免对热交换器表面的污染。
往复式压缩机通常是轻载启动的。
一般转矩的电动机也能适用于启动。
当蒸汽机用于往复式压缩机启动时,压缩机所需的转矩和蒸汽机的匹配问题必须仔细考虑。
螺杆式压缩机
螺杆式压缩机,在1958年(Thevenot,1979年)第一次被提出,是一种有固定容积的压缩机。
它的制冷能力是可变的,其范围与部分的往复式压缩机及较小的离心式压缩机一致。
双螺杆和单螺杆这两种都有在制冷机中使用。
双螺杆制冷压缩机也叫螺旋式压缩机。
图4.2.5所示为双螺杆压缩机剖面图。
它有两个转子(即螺杆),一个叫阳转子(图中的4),另一个叫阴转子(图中的6)。
压缩过程是通过螺杆的旋转运动减少制冷剂的体积来完成的。
在压缩机的低压一侧,当转子开始不啮合时,形成一个空间。
低压气体进入转子间的这个空间。
随着转子继续旋转,气体被逐渐地压缩直到移向排气口。
一旦达到预定的体积比,
排气口打开,气体被排到系统的高压侧。
在3600rpm的旋转速度下,螺杆式压缩机有每分钟多于14000的排量(ASHRAE,1996)。
在螺杆式压缩机中,用吸气口、排气口来代替使用在往复式压缩机上的阀门。
它有一个内容积比---指在开始压缩前啮合转子间的液体空间的体积和排气口第一次打开时转子间的体积之比。
内容积比与由被压缩的制冷剂的特性而定的压力比相联系的。
螺杆式压缩机能够在大于20:1的压力比下运行(ASHRAE,1996)。
假如系统的排气压力和排气口打开时转子间的压力相匹配时,可以达到最高的效率。
当内部压力大于或小于排气压力时,就会产生能量的损失,但这对压缩机没有害处。
制冷量的调节靠接有各种变化的吸气旁通管的滑板阀门或延迟吸气口的关闭来减少被压缩的制冷剂的体积来实现。
连续可变的制冷量控制是最普遍的。
但是阶梯式制冷量的控制在一些制造商的机器中也被提供。
各种形状的排气口适用在一些机器中,用来控制运行时的内容积比。
油在螺杆式压缩机上可解决转子间宽大的间隙、冷却机器、润滑和充当制冷量控制时水力上的液体。
在压缩机的排气口需安装一个油分离器,以分离高压制冷剂中的油,这样不会对系统中的热交换器的运行造成不利的影响,而且油能回流到压缩机中。
利用单相电动机(50或60Hz)能直接启动螺杆式压缩机。
它们的旋转部件能使机器平滑安静地运行。
当机器正确运行时可靠性是很高的。
螺杆式压缩机是紧凑的,这使得它能被替代和维修。
最好的螺杆式制冷压缩机的效率等于甚至超过最好的往复式制冷压缩机在满负荷时的效率。
由于螺杆式压缩机没有吸气或排气阀门和只有较小的余隙容积,因此能达到较高的等熵容积效率。
建筑上使用的螺杆式压缩机大体上使用R134a或R22。
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