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冷水机制冷系统中对于往复式压缩机的要求

冷水机压缩机的设计和选择需要考虑的问题包括性能、效率、可靠性、维护、生命周期成本和环境影响。

冷水机是一种通过其制冷系统从液体中去除热量的机器,很可能是一个蒸汽压缩包。然后,这种冷液体可以通过热交换器循环,以根据需要冷却空气或设备。冷水机压缩机的设计和选择需要考虑的问题包括性能、效率、可靠性、维护、生命周期成本和环境影响。往复式压缩机已广泛应用于冷水机组

由于能源、操作和环境问题,对冷水机往复式压缩机的性能、效率和可靠性的要求越来越高。对于冷水机制冷应用中的一些往复式压缩机设计,压缩机性能似乎接近其实际极限。进一步的性能和可靠性改进以及经济的组件设计需要更多地关注关键主题,例如气缸阀设计、脉动控制、卸载系统、压缩机控制、整个压缩机组的流动阻力、压缩过程、压缩系统内的热传递和温度模式在压缩机组件中。

还有其他因素会影响冷水机制冷往复式压缩机的性能和可靠性。气缸阀门动力学、阀门损失以及阀门组件的可靠性或使用寿命很重要。对于压缩过程,再膨胀体积、传热和活塞与气缸壁之间的窜气是最重要的因素。整个制冷压缩机组还应考虑气流阻力、摩擦损失、脉动和振动。

往复式压缩机的经济高效和可靠运行需要在脉动控制、效率、组件可靠性和性能之间取得平衡。对于高速机组,声学激励频率与冷水机通道和管道系统的声学和机械响应频率重叠。

压缩气缸在压缩期间为气体提供限制。活塞在往复运动中被驱动以压缩气体。装置可以是单作用或双作用设计。在双作用设计中,活塞的两侧在前进和后退冲程中都会发生压缩。通过分别使用活塞环和骑手带,气体压力被密封,并且昂贵的压缩机部件的磨损被最小化。

气体由吸入阀吸入气缸,压缩、容纳,然后由排出阀释放。气缸阀实际上是复杂的、专门设计的止回阀,通过压差自动操作。根据系统设计,气缸可能有一个或多个吸入阀和排出阀。

选择和尺寸

今天,大多数往复式压缩机制造商都提供功能强大的选型软件,以帮助工程师、冷水机组包装商和最终用户进行压缩机选型和选择。使用此类软件工具时需要考虑几个关键方面。如果没有适当注意和注意细节,这些尺寸工具可能会产生误导和不受欢迎的尺寸建议。

在压缩机选型和选择中,级数、所需功率和级间压力的估计很重要。每个往复式压缩机制造商都有有限数量的框架和适合这些框架的预先设计的标准气缸系列。因此,框架和气缸的组合数量有限。至少一种可能的组合是特定制造商可以为冷水机组提供的最佳解决方案。

使用对级数和所需功率的计算估计,要审查的案例数量(选定的框架和气缸)可以轻松减少到大约 10 到 80 个组合。通常应考虑每级最小气缸数。如果可以正常运行,最好每级使用一个气缸。显然这在某些情况下是不可能的——例如,对于一些大型制冷压缩机,每级选择两个气缸可能是首选,因为在振动和动态方面,两缸平衡对置比单缸机器更好。还有其他情况要求每级使用两个气缸。单级两缸机型和两级四缸机型已普遍用于包括制冷系统在内的不同行业。在这些情况下,每个阶段应使用相同的气缸。通过如此多的案例(比如 10 到 100 个组合)进行检查,可以在几分钟或几小时内确定最佳解决方案。避免使用串联气缸是一个常见的要求。下一步是确定每级气缸的尺寸。驱动器,几乎总是一个电动机,可以对尺寸产生影响,因为它确实决定了可用的负载和速度。

气缸的尺寸通常是为了在所有阶段实现平衡的压缩比。然而,一些制造商使用的另一种方法是根据在所有阶段保持平衡的排气温度来细化气缸和压缩机单元的尺寸。

气缸效率是重要的选择因素,但经常被许多方面忽视。气缸效率与气体通道和阀口设计有关。它们决定了由于气缸通道和气缸阀门的细节而造成的损失有多高。与流量相比,气缸效率对功率需求的影响往往更大。

行程和杆直径由所考虑的框架确定。最大速度 (rpm) 通常与所考虑的框架有关。每帧的最大速度应考虑一些余量。

不应考虑不安全的组合。例如高杆负载、高级间压力、高级间、温度和过载。此外,如果一个组合在技术上是安全的,但合理地接近问题区域,那么该组合也应该被丢弃,除非它是唯一剩下的。

压缩机尺寸过小是完全不可接受的。应该认真避免这种情况。在负载和功率上过大的压缩机可能导致购买功率超过所需的驱动器,以及大于所需的压缩机框架和气缸。压缩机流量过大可能是可以接受的,因为使用卸载设备——速度、吸入阀卸载器——通常允许设备卸载以满足所需的流量。

因此,在初始尺寸确定过程中,尺寸确定软件可能会倾向于将装置尺寸稍微过大,以实现所需的流速。然后,它应该有利于需要最少功率来压缩略微调整的气体体积的框架和气缸组合。

如今,使用变速驱动器的往复式压缩机提供了广泛的工作点。对于应该实现多个操作点的变速往复式压缩机,流量几乎随速度和间隙呈线性变化——吸入容积效率。

变速往复式压缩机

变速运行是往复式压缩机容量控制的最佳选择之一。如上所述,往复式压缩机的容量或多或少随速度呈线性变化。这提供了极好的无级和高效容量控制机会。往复式压缩机在每个循环中通常具有较大的负载扭矩变化;有些可达平均扭矩的 50%。这种往复式压缩机将电流猛烈地进出,以跟上瞬态扭矩。虽然使用飞轮或大转子惯性来抑制负载动态可能是一种选择,但应研究替代方案以实现最佳采购和运营成本。例如,如果电动机由具有复杂驱动算法的变速驱动器驱动,

另一个重要因素是启动问题。瞬态负载转矩也存在于启动时,因此电机必须能够通过负载瞬态加速,并且能够在压缩机处于最高负载时启动。

高速压缩机

在包括制冷系统在内的所有应用中,都有使用高速往复式压缩机的趋势。这些压缩机对非设计运行非常敏感。它们更容易受到脉动问题、阀门问题和其他值得关注的往复式压缩机领域的影响。由于阀门损失和脉动水平高于预期,高速往复式压缩机的气缸性能可能会下降。因此,这些高脉动导致许多高速往复式压缩机的振动水平高于预期。内部气体通道声学、气缸与气缸和气缸与管道的相互作用以及非线性流动损失会对高速往复式压缩机产生重大影响。

容量控制

在一般形式中,往复式压缩机的容量控制方法有变速驱动、吸入阀卸荷器、无级方法、间隙袋和旁路循环。使用往复式压缩机容量调节有两个主要原因。一是用于调节吸入流量以适应制冷需求;第二个原因是节约能源。压缩机容量控制方法用于在可变制冷条件下维持所需的压缩气体输送。

卸载器和间隙袋是控制压缩机承载的容量或流量的特殊设备。吸入阀卸荷器操纵吸入阀的动作以允许气体循环。间隙腔系统改变气缸盖空间或间隙体积。它们可以是固定的或可变的体积。通常应避免使用间隙槽,尤其是可变容积间隙槽,因为它们可能会带来一些可靠性和操作问题。

如果速度变化不可能或不足以达到所需的部分负载范围,则吸入阀卸载方法是往复式压缩机的首选容量控制方法。由于压缩机机架或 VSD 电动机系统的某些限制,最小速度可能不足以必要地减少体积流量。使用最简单形式的吸入阀卸载的容量控制是通过卸载系统进行的,该系统保持吸入阀打开并让气体返回吸入口。换句话说,吸入阀卸载器是在双作用气缸的每一端保持打开或绕过吸入阀的机构。这提供了气缸一端或两端的完全卸载。对于单缸(双作用)压缩机级,吸入阀卸荷器可以实现三步加载,提供 0%、50% 和 100% 的标称气缸容量。因此,考虑每级两个(双作用)气缸,理论上容量可以控制在 0%、25%、50%、75% 和 100% 五个阶段。

卸荷器通常由仪表气气动操作并配备定位器指示。卸荷器执行器的尺寸也应设计为在最小气压下运行。所有进出卸载器的管线均由适当等级的不锈钢制成——通常是不锈钢 316——因为此类系统中的任何问题或问题都可能损坏整个压缩机组。

另一种选择是使用与吸入阀卸载器相结合的复杂控制系统进行无级容量控制。吸气阀卸荷器的操作会阻止阀门组件的关闭,可以通过复杂的控制系统进行调整,以控制每个循环中将被压缩的气体体积。在每个压缩循环中,吸入阀仅在无级系统计算的特定点关闭;因此,进气量减少到所需的流量。使用这种受控且精确启动的吸气阀卸荷系统,压缩气体的比功可能会略有增加;这是由于吸气阀保持打开状态时进气和排气之间的压差造成的。不过总体来说,

在相对往复式压缩机装置中,通过液压操作和电子控制的执行器调节吸入阀已被接受并用作无级容量控制系统。它们是昂贵且特殊的系统,应用于需要这种无级快速响应容量控制的中型或相对大型机器。吸入阀卸荷器由液压缸驱动,而液压缸又由电磁阀控制。控制信号是在一个电子单元中产生的,该单元从许多不同的传感器接收信息。例如,系统从上止点传感器接收有关活塞实际位置的信息,并从控制系统接收有关质量流量要求的信息。这种组合控制系统的优点在于吸入阀卸荷器运动的快速响应和可自由编程的反应。该系统可以协调所有调节吸入阀的控制,以便在部分负载时也能将级间压力保持在所需的水平。该控制还可用于空载启动,以减少电动机驱动器的负载。

清仓量作为容量控制方法,在多年前就很流行。他们不再流行了。特别是可变容积间隙袋导致了许多操作和可靠性问题,应该避免。在这样的系统中,可调节的体积流量由液压定位活塞的运动控制,该运动改变了间隙体积的大小。此类系统报告了一些执行器故障。在其他情况下,可变容积间隙口袋无法运行,因为这种可变完整间隙口袋的弱点,无论是自动还是手动版本,以及间歇性操作会导致许多操作问题和损坏。固定容积间隙袋可能用于一些特殊的压缩机,其中每级使用一个气缸,并且没有机会使用变速或其他优越的容量控制方法来实现所需的部分负载运行。这种容量控制方法的工作原理是将工作室与额外的间隙腔连接起来,从而通过降低容积效率来减少体积流量。这种类型的控制减少了体积流量,同时将能量输入减少到了可接受的范围内。

旁路控制或再循环控制使用压缩机周围的外部旁路将气体从压缩机排放口再循环到入口。旁路的引出点最好在排放冷水机的下游,这样冷却的气体就会溢出回吸入口。旁路控制效率低下。然而,对于瞬态、短时或微调,由于其平滑性和简单性,它优于其他控制方法。这种方法通常伴随着使用吸入阀卸载器或固定间隙袋,它们以离散的预定步骤降低压缩机容量。

在多级往复式压缩机中,第一级流量的减少会导致所有级间压力下降 – 吸入压力到下一级 – 从而导致过高的高压比和排气温度随后的阶段。此外,这种压力变化可能会导致最后阶段的过载。可以获得的最小容量取决于压缩级数。另一方面,当使用更多级并且每级具有相对较低的压力比时,可以执行更好的容量控制,对于给定的总压缩比使用的级越多,可实现的控制范围越宽