周子成

3 第二部分水作為制冷劑的冷水機組

水作為制冷劑的有關(guān)研究和商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史,但在機械壓縮式蒸汽制冷機中的應(yīng)用僅僅是最近十幾年的事。目前水作為制冷劑的冷水機組有以下幾種類型:(1)按照循環(huán)流程,有級間水冷卻和經(jīng)濟器冷卻兩種多級壓縮循環(huán);(2)按照壓縮機類型,有離心式和軸流式兩種壓縮機;(3)按照換熱器型式,有直接換熱器、間接換熱器和冷凝波轉(zhuǎn)子三種換熱器。

圖9是一般的冷水機組熱力循環(huán)。1-2表示由蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和水蒸汽制冷劑進入壓縮機被壓縮,使壓力和溫度升高。2-4是在冷凝器中由過熱水蒸汽冷卻至飽和蒸汽 (2-3)并進一步冷凝到液體水 (3-4),冷卻和冷凝過程中使用 30℃至40℃的冷卻水。4-5表示液化的制冷劑水在膨脹閥中膨脹,部分制冷劑液體水蒸發(fā)與剩余的制冷劑液體水一同進入蒸發(fā)器。5-1表示在蒸發(fā)器中被10℃左右的載冷劑水加熱成飽和水蒸汽。由蒸發(fā)器出來的飽和水蒸汽進入透平壓縮機進行壓縮。冷水機組的制冷量是在下列工況下評價:載冷劑水進水溫度12℃和出水溫度7℃、冷凝器的冷卻水進水溫度32℃和出水溫度37℃,并且制冷量的單位表示成kW(或冷噸RT)。1 RT相當于約3.5kW。冷水機組的性能用性能系數(shù)COP評估,并表示為比值Q/W,其中Q是在蒸發(fā)器中從載冷劑水吸取的熱量和W是外部加入的功 (驅(qū)動壓縮機需要的功)。

圖9 冷水機組熱力循環(huán)

圖10表示了采用經(jīng)濟器的兩級壓縮冷水機組制冷循環(huán)的原理圖。由兩級離心式壓縮機和第一級壓縮機下游的經(jīng)濟器 (中間冷卻器)及蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥組成。經(jīng)濟器中的壓力是保持在等于第一級壓縮機排出的壓力P1′,使部分從冷凝器出來的制冷劑液體水蒸發(fā),剩余的制冷劑液體水冷卻到對應(yīng)P1′的飽和溫度,以便提高制冷效果。

第二級壓縮機的吸入溫度T1是第一級壓縮機排出的溫度T1′的制冷劑水蒸汽和經(jīng)濟器內(nèi)蒸發(fā)的制冷劑水蒸汽相混合的結(jié)果。由于來自經(jīng)濟器的制冷劑水蒸汽具有比T1′更低的溫度,故第二級壓縮機吸入溫度 T1比T1′更低。吸入的汽體溫度越低,產(chǎn)生一定壓力的壓縮機需要的能量越少。由于其增大了制冷量和減少了壓縮功,R718兩級經(jīng)濟器循環(huán)可以獲得比R134a一級制冷循環(huán)更高的COP。

圖11和圖12是具有直接蒸發(fā)和冷凝的兩級離心冷水機組循環(huán)簡圖和流程圖。圖中各個狀態(tài)點相互對應(yīng)。由于水蒸汽比容大,將蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機安裝在一個容器內(nèi)可以節(jié)省管路和減少流動損失。圖13是具有直接接觸蒸發(fā)和冷凝換熱的水蒸汽兩級離心冷水機組循流程圖,包括三個水回路:(1)載冷水回路;(2)制冷劑水回路;和 (3)冷卻水回路。

圖14表示了采用直接接觸式換熱器的水作為制冷劑的軸流式壓縮機冷水機組流程圖。

圖15表示了采用間接換熱器的水作為制冷劑的軸流式壓縮機冷水機組流程圖。

圖15 水制冷劑的軸流式壓縮機冷水機組(間接換熱器)

圖16表示了采用波轉(zhuǎn)子代替接觸式冷凝器的單級離心式冷水機組流程圖。波轉(zhuǎn)子是一種非穩(wěn)定流動的裝置,它通過壓力波轉(zhuǎn)換能量。波轉(zhuǎn)子由一系列圍繞軸轉(zhuǎn)動的面積固定的通道組成,像鼓筒一樣在兩側(cè)端板之間旋轉(zhuǎn)。端板上有孔口,以控制汽體進、出通道。當圓筒轉(zhuǎn)動時,通道兩端間歇地暴露在不同壓力的孔口位置。冷凝波轉(zhuǎn)子在一個動態(tài)的過程中采用加壓的水對水蒸汽進行壓縮、降低過熱度和冷凝。這種3孔口的冷凝波轉(zhuǎn)子在水作為制冷劑的冷水機組循環(huán)中是一個有發(fā)展前途的技術(shù),它可以提高R718機組的COP,同時降低它們的成本和尺寸。它在R718循環(huán)中的成功應(yīng)用,取代了中間冷卻器、一個壓縮機的級和冷凝器三個子系統(tǒng)。冷凝波轉(zhuǎn)子的三個孔口分別是:一個冷卻水(狀態(tài)6)進入孔口;一個壓縮機的排汽 (狀態(tài)2)進入孔口和一個冷凝后提高壓力的冷凝水 (狀態(tài)3)流出孔口。

3.1 透平壓縮機

由于水蒸汽的容積制冷量小,流經(jīng)壓縮機的容積流量很大,因而R718冷水機組宜采用透平壓縮機。根據(jù)汽體在壓縮機內(nèi)流動方向的不同,有離心式和軸流式兩種。

圖16 兩級壓縮和直接接觸蒸發(fā)器及冷凝波轉(zhuǎn)子的單級離心式冷水機組流程圖

在離心式壓縮機中,從葉輪排出的汽體放射狀離開軸心呈徑向流出,與旋轉(zhuǎn)軸成直角,故也稱徑流式,如圖17所示。一般在冷水機組工作的壓力范圍內(nèi),壓縮水蒸汽的離心式壓縮機需要兩級壓縮。

在軸流式壓縮機中,水蒸汽從葉輪 (轉(zhuǎn)子)流出的方向是沿旋轉(zhuǎn)軸的方向,即呈軸向流出。

一般來說,在冷水機組工作的壓力范圍,軸流式壓縮機需要四級以上。圖18表示了一臺四級軸流式壓縮機的冷水機組結(jié)構(gòu)簡圖。

離心式壓縮機必須在有限制的流量范圍下運轉(zhuǎn),即具有最大流量和最小流量的運轉(zhuǎn)范圍。這個運轉(zhuǎn)流量范圍被稱為運轉(zhuǎn)范圍或穩(wěn)定運轉(zhuǎn)范圍。一臺壓縮機不能運轉(zhuǎn)在流量超過葉輪的相對速度達到聲速時的流量,或者葉輪流道下游的流速 (絕對速度)達到聲速 (即所謂的阻塞)時的流量。這就是運轉(zhuǎn)范圍的最大限制流量。當冷水機組的制冷量減小時,流過壓縮機的蒸汽流速降低,在一定的小流量下,壓力和流量發(fā)生突然振動并伴隨很大的噪聲,這就是所謂的喘振 (浪涌)。喘振主要是由于在低速時氣流的脫離所致。當發(fā)生喘振時,壓縮機的部件可能會被周期喘振激發(fā)產(chǎn)生的力量所損壞。在此之前的流量就是壓縮機可以運轉(zhuǎn)的最小流量。這就是運轉(zhuǎn)范圍的最小限制流量。

圖19表示了離心式壓縮機的一種葉輪。一般來說,葉輪出口葉片角較大時,流動發(fā)生喘振的流速較低。

圖20表示了R718冷水機組的兩級離心壓縮機的結(jié)構(gòu)。兩個葉輪被安裝在同一個旋轉(zhuǎn)軸上。

傳統(tǒng)的兩級離心式壓縮機的葉輪入口面在相同的方向,如圖20(A)。而R718冷水機組的兩級離心壓縮機的兩個葉輪入口面是背靠背的方向,如圖20(B)所示。

圖21 在壓縮機軸向負荷的壓力作用力

圖21表示了離心壓縮機運轉(zhuǎn)時葉輪受到在輪殼側(cè)和輪背側(cè)作用的靜壓力分布。兩個軸向靜壓力分布的合力 (差值)成為一個作用在葉輪進口端的軸向推力。這個軸向推力由推力軸承承受。當葉輪安排成如圖18(B)的布置時,作用于第一級葉輪和第二級葉輪的軸向推力相互抵消。這種優(yōu)點是使作用于推力軸承上的載荷減小,使軸承的耐久性提高和機械損失減少。

離心式壓縮機一個級的葉輪流出的動能相當于葉輪總輸入功的30%至40%。要設(shè)計出高效率的離心式壓縮機,除了設(shè)計高效率的葉輪外,還必需設(shè)計高效率的擴壓器,以便有效地將從葉輪流出的這部分動能轉(zhuǎn)變成靜壓力能。

離心式壓縮機使用的擴壓器有無葉擴壓器和葉片擴壓器兩種。無葉擴壓器廣泛用于需要寬工作范圍的應(yīng)用中。葉片擴壓器應(yīng)用于需要高壓比或高效率的應(yīng)用中。冷水機組壓縮機需要一個取決于制冷量的寬流量范圍,所以采取了工作范圍寬的無葉擴壓器。

圖22表示了第一級壓縮機的CFD和測試結(jié)果之間的比較。改進后的性能達到了設(shè)計要求。CFD(Computational fluid dynamics)稱為計算流體動力學(xué),是一種使用數(shù)值方法計算流體流態(tài)的計算機軟件,用于分析計算流體的流動。在流體機械設(shè)計中經(jīng)常采用。

圖22 第一級壓縮機性能(CFD與試驗結(jié)果比較)

圖23表示了第一級和第二級壓縮機之間的連接。為了縮小R718離心壓縮機的外形尺寸,第一級流出至第二級流入之間的流道不采用常規(guī)壓縮機的回流器,而將第一級的出口 (渦殼)和第二級的進口 (進氣室)之間用管道連接 (級間管路)。從經(jīng)濟器來的補氣也連接到這一級間管路。進入第二級進口的流動轉(zhuǎn)向軸向方向,與圓周速度分量由一個固定的進口導(dǎo)葉轉(zhuǎn)移方向,然后進入第二級葉輪。為了成功地開發(fā)一種高性能的兩級離心式壓縮機,要選擇一個不會造成任何倒流并盡可能在級間管路中流動和在入口處流動損失小的形狀。對于每個元件使用與葉輪相同的CFD方法計算流動。

圖23 第1級與第2級壓縮機的聯(lián)接管路

圖24表示了在第一級的渦殼和級間管路的計算結(jié)果。從渦殼進入第一級壓縮機聯(lián)接管路的高溫制冷劑汽體和從經(jīng)濟器流出的低溫制冷劑汽體沒有顯著回流或局部損失。圖25表示第二級入口的計算結(jié)果。脫離發(fā)生在固定進口導(dǎo)葉 (IGV)處。如圖26。當發(fā)生脫離時,可以改變導(dǎo)葉的設(shè)置角來防止脫離發(fā)生。

3.2 換熱器

水作為制冷劑的蒸發(fā)器、中間冷卻器和冷凝器能夠使用直接式換熱器。即在載冷劑、載熱劑和制冷劑之間沒有壁面阻隔。因此,沒有阻隔壁面所生成的額外傳熱熱阻。使傳熱量改善和產(chǎn)生載冷水的效率增加。直接式換熱器的系統(tǒng)如圖11、圖12、圖13、圖14所示,間接式換熱器的系統(tǒng)如圖15所示。

圖26 第二級進口圍繞固定進口導(dǎo)葉(IGV)的流線

3.2.1 蒸發(fā)器

對一個非常簡單和高效的蒸發(fā)器設(shè)計進行了大量的試驗。冷水通過管道分配器進入到一個自由的空間,大約1%的水流量被蒸發(fā)掉。所需的潛熱從剩余的水流量中被帶走。蒸汽和水的分離主要是依靠重力分離和填充材料所形成的液滴分離。使蒸汽側(cè)壓力損失最小是進一步開發(fā)的準則,因為所有附加的壓力損失必須由透平壓縮機的耗功來補償。直接蒸發(fā)器的質(zhì)量可以由測量冷水出口溫度與飽和溫度之間的溫差得出。這種較小的溫差使蒸發(fā)器效率提高。目前所選擇的蒸發(fā)器設(shè)計結(jié)果的溫差只有約1 K。

3.2.2 中間冷卻器

中間冷卻器降低了由第一級壓縮機排出蒸氣的過熱度。水均勻地分布在整個中間冷卻器填充材料的表面。蒸汽交叉流過填充材料,冷卻水通過它向下流動,幾乎被降低到飽和溫度。冷卻只能由流過中間冷卻器內(nèi)的水部分蒸發(fā)來實現(xiàn)。蒸發(fā)掉部分的冷卻水不斷地被冷凝器的循環(huán)水補充。

3.2.3 冷凝器

離開第二級壓縮機的蒸汽在冷凝器中降低過熱度和完全冷凝。冷卻水通過沖孔材料的篩板均勻分布在填充材料表面,橫向向下流過并與蒸汽直接接觸。冷凝器的質(zhì)量是由冷卻水出口溫度和飽和溫度之間的溫差確定,像蒸發(fā)器一樣。目前這個方案得到最低的溫差約0.5 K。這個值在很大程度上取決于不凝性性氣體的含量,因此取決于整個系統(tǒng)的密封性。所有進入的不凝性氣體集積在冷凝器中,并且根據(jù)上述的溫差間斷地從濃度最高的地方抽出。圖27表示了溫差的測量值與冷凝器容量間的關(guān)系。

圖27 溫差作為冷凝器容量的函數(shù)

3.3 冷水機組整體結(jié)構(gòu)

圖28為德國德累斯頓技術(shù)大學(xué)機械工程系和德國德累斯頓GmbH空氣和制冷研究所 (ILK)開發(fā)的R718冷水機組第三代系列產(chǎn)品。

ILK從1991年開始研究和開發(fā)水作為制冷劑的壓縮制冷系統(tǒng),自2000年以后第一臺冷水機組已經(jīng)安裝在德國的戴姆勒 -克萊斯勒汽車制造廠和大眾汽車公司運行,那時的機組稱為第一代產(chǎn)品。之后經(jīng)過改進又有了第二代和至今最新的第三代系列產(chǎn)品。

圖28 (ILK)開發(fā)的R718冷水機組第三代系列產(chǎn)品

圖29為日本川崎重工(KHI)獨立開發(fā)和完全工業(yè)化的一臺以水為制冷劑的小型、高效離心冷水機組。機組的制冷量為352kW(100冷噸),機組達到COP為5.1,機組外型尺寸為高2.5m,寬2.0m,深2.2m。適用于小型建筑物的空調(diào)。目前正在進行樣機的耐久性試驗,計劃于2012年4月推出商業(yè)化產(chǎn)品。

圖29 日本川崎重工 (KHI)的R718離心冷水機組

圖30為日本神戶制鋼、東京電力、中部電力,關(guān)西電力共同開發(fā),并受到丹麥能源機構(gòu)的支持,與電力工業(yè)中央研究所、丹麥技術(shù)研究所和江森自控丹麥的APS(一家丹麥冷水機組制造廠)技術(shù)合作的以水為制冷劑的軸流式冷水機組。具有直接接觸式換熱器的機組縮小了30%的安裝面積,具有間接接觸式換熱器的機組縮小了50%的安裝面積,直接接觸式換熱器的機組的制冷COP為5.4,間接接觸式換熱器的機組的制冷COP為4.8,并且是用水作為軸承的潤滑劑。四家公司正在對樣機進行耐久性試驗和改進。

圖30 日本神戶制鋼等共同開發(fā)的R718軸流冷水機組

3.4 本部分小結(jié)

一些研究機構(gòu)和制造公司已經(jīng)在開發(fā)R718冷水機組方面取得了卓越的成果。德國德累斯頓技術(shù)大學(xué)機械工程系和德國德累斯頓GmbH空氣和制冷研究所 (ILK)已經(jīng)開發(fā)出第三代R718冷水機組系列產(chǎn)品,制冷量達700 USRT,COP達到6.3。日本川崎重工已經(jīng)開發(fā)出小型、高效R718離心冷水機組,制冷量為352kW,機組COP達到5.1。日本神戶制鋼、東京電力、中部電力、關(guān)西電力共同開發(fā)出R718軸流式冷水機組,直接接觸式換熱器的機組制冷COP為5.4,間接接觸式換熱器的機組制冷COP為4.8。這些開發(fā)工作都為環(huán)境保護作出了有益的貢獻。相信將會有更多的大學(xué)、研究機構(gòu)和工廠企業(yè)繼續(xù)開發(fā)出更高性能的R718透平冷水機組。

[1]TAMAKI Hideaki et al.,Development of High-Efficiency Centrifugal Compressor for Turbo Chiller,IHI Engineering Review,Vol.42 No.2,2009

[2]Amir A.Kharazi,PezhmanAkbari andNorbertMüller,AnApplication of Wave Rotor Technology for Performance Enhancement of R718 Refrigeration Cycles,2nd International Energy Conversion Engineering Conference,2004

[3]Eberhard WOBST,Nikolai KALITZIN,Rainer APLEY,TURBO WATER CHILLER WITH WATER AS REFRIGERANT,International Compressor Engineering Conference at Purdue,2004