双级离心式高温水源热泵设计应用分析

制冷文章

压头系数是衡量压缩机能量头达到最大值V2

t的程度，φ=Vvtt；由能量头公式可以得出结论，离心压缩机能提供的压头与叶轮转速的平方成正比。但是，随着转速的提高，叶轮的强度及叶轮直径设计无法匹配过高的转速。目前，采用普通合金钢制造的闭式叶轮，其圆周转速一般小于300m/s。其提供的最大能量头通常不大于39℃温差。

一旦外界系统的压头大于压缩机本身能提供的最大压头，离心压缩机就会发生喘振现象。此时压缩机的气体无法被压出，在叶轮内造成涡流，此时冷凝器中的高压气体会倒流进叶轮，使压缩机内的气体在瞬间增加，气体被排出，待压缩机内部压力下降后气体又会倒流进叶轮，如此往复循环。喘振会对离心压缩机造成极大的危害。这也是单级压

缩离心机组无法提供39℃以上压头的原因。

图1 双级压缩示意图

对于诸如高温热泵这类高压头的场合，需要采用双级或多级压缩来保证压缩机提供更高的压头，双级压缩示意图如图1所示。双级压缩实际上是分两次来完成制冷剂提速再升压的接力过程。双级压缩可以在压缩机内通过多级叶轮实现，也可以利用两个单级叶轮压缩机串联实现；两种方案各有优劣，比较见表1。由于单级压缩机结构简单，属于成熟设计，现在大多是选用单级压缩机组合成双级压缩制冷机，而不针对双级压缩制冷的要求设计和生产多级压缩机。

表1 多级叶轮与串联压缩对比表

多级叶轮压缩机 单级压缩机串联 实现变速控制 无变速控制 多级叶轮须同时工作 可关闭一个压缩机 变工况效率较差 变工况效率较高 成本较高 成本适中 机组外形大

机组外形紧凑

双级串联系统利用离心压缩机纵向的叠加，实现了离心机最高出水77℃左右的应用，大大扩展了离心机应用范围。由于系统容量与单级系统基本一致，可通过串联两个3000TR的单级离心压缩机来实

现最大13000kw左右的制热量。系统中主要部件大部分可以利用单级系统现有的设计，如压缩机、电机、容器等。双级系统设计主要集中在：中间温度的确定；高低压段压缩机、电机容量的选择等。

1.2 双级系统压缩机的选择及中间温度的确定

对双级系统来讲，压缩机和中间温度直接决定了整个系统运行过程中的效率。对已给定的工质和制冷量，已知的蒸发温度和冷凝温度,可以计算出压缩机的吸排气量及所需压头。为了简化计算模型，需要做出一些假设：压缩过程为多变压缩过程；且多变压缩指数保持不变；吸排气口不存在管路压降；润滑油和制冷剂特性对整个系统不产生影响。双级压缩循环P-H图如图2所示。

图2 双级压缩循环 P-H图

首先得到高低压段的压缩比， π1=P3/P2 πh=P4/P3

式中：P2,3,4 ——P-H图中对应点的压力；

进入低压段压缩机的工质质量流量M2为，

M2=Q(h2 h1) （2-2）

式中：Q——系统制冷量；

h1,2——PH图中对应点的焓值；

由能量守恒关系，低压段压缩机排气口焓值为hh2

3=2+Wpp (C2 C21)×0.5（2-3）

Wp=hthηhyd （2-4）

式中：Wp——低压段压缩机绝热压缩功；

C2,C1 ——低压段压缩机出口及入口速度； ηp ——低压段压缩机绝热压缩效率； ηhyd——低压段压缩机水力效率； hth——理论能量头；