中央空调冷水机组与系统辅助设备
概述
冷水机组是一种制造低温水(又称冷水、冷冻水或冷媒水)的制冷装置，任务是为空调设备提供冷源。冷水可以通过冷水泵、管道及阀门送至中央空调系统的喷水室、表面式空冷器或风机盘管系统中，冷水吸收空气的热量后使空气得到降温降湿处理。因此，冷水机组在空调系统中占有很重要的地位。冷水机组广泛用于宾馆、办公楼、大型商场、歌舞厅、影剧院、餐厅、医院及厂矿企业的中央空调系统中。
冷水机组是把制冷机、冷凝器、蒸发器、节流装置、控制系统及开关箱等组装在一个公共机座或框架上的制冷装置。其常见的形式有活塞式、螺杆式、离心式和吸收式冷水机组。安装机组的排热方式可分为水冷式和风冷式冷水机组，后者采用热泵循环后，冬天可提供空调用的热水，成为节能型的冷热水机组，受到用户的欢迎。
一、 空调用冷水机组的种类
(一) 离心式冷水机组
离心式制冷机组是蒸气压缩式制冷机组中的一种。它是由离心式制冷压缩机为主机和包括冷凝器、节流装置、经济器、蒸发器等辅助设备一起组成的机组。这种机组大致可以分成两大类：一类为冷水机组，其蒸发温度在-5℃以上，大多用于大型空调或制取5℃以上冷水或略低于0℃盐水的工业过程用场合；另一类是低温机组，其蒸发温度为-5～-40℃，多用于化工过程。本文重点叙述当今量大面广的空调和工业冷却过程用离心式冷水机组。
离心式制冷机组的主机是离心式制冷压缩机，它不同于当前大量生产的容积式制冷压缩机，而属于速度型制冷压缩机。由于该机械的运动是连续的，其流量比容积式机械要大得多。为了产生有效的动量转换，其旋转速度必须很高。一般都用于大容量的制冷装置中。
离心式制冷压缩机吸气量0.03～15m3/s，转速1800～3000r/min，吸气压力14～700kPa，排气压力小于2MPa，压缩比在2～30之间，几乎可采用所有制冷剂。
1.1 压缩机工作过程
1. 离心式制冷压缩机的总体机构
图8-60是典型的空调用离心式制冷压缩机。它由进口能量调节机构、叶轮转子、扩压器、蜗室、增速器、轴承等部件组成。气缸为垂直剖分型，由蒸发器来的气体从吸气管吸入，流经进口导叶1进入叶轮2，经无叶扩压器扩压后由蜗室6引出排至冷凝器。这是一种半封闭式结构，压缩机、增速器和主电动机均密封在同一个壳体中，省去了轴端密封，因此，气密性好、噪声低、振动小、结构紧凑。
空调用离心式制冷机，每级叶轮的温度头(冷凝温度与蒸发温度之差)大约为40℃。这恰好能满足空调的要求，因此空调用离心式制冷机大都是单级的。但如果要求更低的蒸发温度或制冷工质为低分子量时，则必须应用二级以上的压缩级。
级是组成压缩机的一个基本单元。它由一个叶轮和与之相配合的固定元件构成。从构成来看，可分为中间级和末级二种。中间级由叶轮、扩压器、弯道和回流器等组成。末级
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图8-60 单级离心式制冷压缩机
1-进口导叶2-叶轮3-压缩机壳体4-增速齿轮5-电动机6-蜗室7-扩压器
是由蜗室取代中间级的弯道和回流器，有时还取代级中的扩压器。
2. 离心式制冷压缩机的各部件的作用原理
(1) 吸气室 每段第一级入口都有吸气室，将气体从进气管均匀地引入叶轮。
(2) 进口导叶 用来调节制冷量，当导叶旋转时，改变了进入叶轮的气流的流动方向和气流量的大小。
(3) 叶轮 它随主轴高速旋转，由于受旋转离心力和叶片的作用，气体在流经叶轮流道的整个过程中，压力和速度都不断得到了提高。叶轮是使气体提高能量的唯一元件，是压缩机中最主要的部件。
(4) 扩压器 气体从叶轮流出时，有很高的流动速度。为了将这部分动能充分地转变为压力能，同时为了使气体在进入下一级时有较低的合理的流动速度，在叶轮后面设置了扩压器。对于无叶扩压器，一般情况下它是由前、后隔板组成的通道，随着直径的增大，通流面积增加，使气体速度逐渐减慢，压力得到提高。
(5) 弯道和回流器 为了把扩压器流出的气体引导到下一级继续压缩，设有使气体拐弯的弯道和将气体均匀引入下一级叶轮入口的回流器。弯道是由隔板和气缸组成的通道，回流器则由两块隔板和装在隔板之间的叶片组成。
(6) 蜗室 它把从扩压器或从叶轮后的气体汇集起来，并引向机外。在大多数情况下，由于蜗室外径逐渐增大，通流面积也增大，对气体还起一定的降速扩压作用。
(7) 其他部件 除上述组成级的基本部件外，还有减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密封；减少级间漏气的级间密封；减少或杜绝气体向机外泄漏的轴端密封；减少轴向推力的平衡盘；承受转子剩余轴向推力的推力轴承以及支撑转子的径向轴承等。
为了使压缩机持续、安全、高效率地运行，还必须设有一些辅助设备和系统，如增速器、油路系统、冷却系统、自动控制和监测及安全保护系统等。
1.2 单级离心式制冷压缩机
一般空调用离心式制冷机组制取4～9℃冷冻水时，采用单级、二级或三级离心式制冷
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压缩机。工业用低温装置中作为冷却用则采用多级离心式制冷压缩机，最新开发的也有为-5℃制冷装置中用单级离心式制冷压缩机。
图8-61示出一台2800kW制冷量的单级离心式制冷压缩机的剖面图。该压缩机由叶轮、增速齿轮、电动机和进口导叶构成。采用低压制冷剂R11或R123作为工质。图8-62示出半开式铝合金叶轮的外形。进口导叶的作用是对离心式制冷机组制冷量进行连续控制。导叶的旋转会改变气体进入叶轮的入角，从而减少了叶轮做功。齿轮采用螺旋齿轮(斜齿轮)，在增速箱上部装置有油槽。电动机置于封闭壳体中，电动机定子和转子的线圈都用制冷剂直接喷液冷却。
图8-61 封闭型单级制冷离心压缩机 图8-62 半开式叶轮
1-导叶电动机2-进口导叶3-增速齿轮
4-电动机5-油加热管6-叶轮
图8-63为压缩机的强制润滑油系统简图。增速装置下部插入有油加热器和油温传感器。在停机时为防止油温下降溶解制冷剂，用电加热使油温保持一定温度。润滑油自油泵经油压调节阀、油冷却器和过滤器，送至各轴承和增速齿轮进行强制循环。
图8-63 强制供油装置润滑系统
1-轴承2-油位计3-油箱4-温度传感器5-油加热管6-油泵7-油泵电动机8-油过滤器9-润滑油注排阀
10-油压调节阀11-油冷却器12-喷嘴13-过滤器14-油压开关15-真空压力表
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1.3 开启式和半封闭式离心式制冷压缩机 1. 半封闭式离心式制冷压缩机组
半封闭式机组单级机器可把压缩机、增速齿轮和电动机用一个筒形外壳封装在一起，仅是压缩机的进气口和蒸发器相连，出气口和冷凝器相通。在这种机组中，不需要机械密封。但电动机需专门制造，并要考虑其在运转中的冷却，以及耐制冷剂的腐蚀、电器绝缘问题。半封闭式机组中电动机的冷却方式有以下几种：
1) 用喷入节流后的液体制冷剂进行冷却。因喷液后的温度较低，因此，这个方法可以使用于体积较小的电动机，绝缘的寿命也较长，喷射的温度均匀，电动机不易变形，使用场合最多。但由于电动机和制冷剂直接接触，所用绝缘材料必须和制冷剂兼容，这在当前新老制冷剂更换中，也是非常关键的问题。
2) 电动机用水套冷却，其发热量由载冷剂水直接带走。此方法比较方便，但冷却不够强烈，铸件质量及水质要求高，目前已较少采用。
3) 其他冷却方法，如用压缩排气冷却、液体制冷剂在夹层中蒸发吸热、二次节流中用中间抽气冷却等，但都有一定缺点。
图8-64 半封闭单级离心压缩机的典型剖面与润滑油路
1-喷嘴2-内置电动机3-后电动机轴承4-前电动机轴承5-增速齿轮对6-后小齿轮轴承7-蜗壳 8-去油雾器9-扩压器10-油喷嘴11-叶轮12-高速推力轴承13-进气可调导流机构14-吸气腔 15-油加热器16、20、22-过滤器17-止回阀18-导叶回油器19-电磁阀21-蒸发器回油器
23-引射器24-油压调节阀25-油泵和电动机26-油冷却器27-滤油器
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半封闭式机组的优点是体积小、噪声低和密封性好，因此是目前空调用离心式制冷机组普遍采用的一种型式。图8-64为典型半封闭单级离心压缩机的剖面图。
2. 开启式离心制冷压缩机组
开启式机组的布置是把压缩机、增速器与原动机分开，在机壳外用联轴节连接。有的机组则是压缩机、增速器在同一机壳内，由增速器轴与电动机轴连接。在这些机组中，为了防止制冷剂的泄漏，在轴的外伸端处，必须装有机械密封。
这种与制冷剂完全分离的结构，电动机由空气冷却，不需要液体制冷剂冷却。和半封闭机组比有下列优点：
1) 适用于制冷剂更换。开启式机组电动机绕组与制冷剂不直接接触，在更换制冷剂时，遇到的技术问题较封闭式机组少，且价格便宜。
2) 运行可靠。开启式机组电动机的设计，将电动机与制冷回路完全分离，使制冷剂与电动机完全不接触，那些酸性及其他易进入制冷回路的污染物不会影响电动机的运行，因而减少了因电动机故障导致机组停机维修的时间，提高了可靠性。
3) 维修方便。开启式机组电动机结构简单，一旦烧毁，可在现场直接重新绕组，只需几小时就能重新开机。
4) 可采用多种动力驱动方式。由于电动机与压缩机完全分离，开式机组可采用中压1kW电力、蒸汽透平、燃气等多种驱动方式，这样就扩大了机组的适用性。
5) 降低能耗。开启式机组由空气冷却电动机，不增加机组本身的制冷负担，节约能耗。
图8-65 开启式单级压缩机
1-联轴器2、7-推力轴承3-高速齿轮4、9-止推轴承5-叶轮6-导叶8-低速齿轮10-轴封
当然，由于采用空气冷却电动机，机组体积、重量和噪声比半封闭式机组大，这是它的缺点。目前大型机组，特别是工业制冷用途的机组或用中压直接供电(6000～10000V)多采用这种型式。
但开启式机组也存在着易泄漏、体积较大等缺点。图8-65为开启式单级压缩机剖面图。
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