設(shè)備管理_單級壓縮機與雙級壓縮機在超市應(yīng)用中的比較

單級壓縮機與雙級壓縮機在超市應(yīng)用中的比較摘要：單級壓縮機與雙級壓縮機的結(jié)構(gòu)不同，制冷溫度覆蓋的范圍也不同，使用場合應(yīng)該有所區(qū)別。對于大型超市常用的-32-38蒸發(fā)溫度，雖然單雙級壓縮機都能運行，但實際效果卻不同。本文從性能, 成本和可靠性等方面，對單級壓縮機和雙級壓縮機在大型超市食品冷凍冷藏中的應(yīng)用效果進行了分析比較。關(guān)鍵詞：單級壓縮機；雙級壓縮機；超市冷凍冷藏Comparison of Single-stage Compressors Versus 2-stage Compressors In Supermarket ApplicationJet Han Joe Healy Emerson Climate Technologies, Hong KongAbstract: Single-stage and 2-stage compressors are very different in structure, and the ranges of temperature they cover are not identical, applications of these two compressors should therefore be discriminated. Although both compressors can be used for supermarket food preservation at evaporating temperature of 32-38, the results are different. Analysis of the performances, costs and reliabilities of both compressors in applications to supermarket is carried out in this paper.Key words: Single-stage compressor; 2-stage compressor; Supermarket cold preservation1. 引言 隨著大型超市在國內(nèi)大中城市的快速普及，超市食品冷凍設(shè)備及應(yīng)用問題已成為業(yè)內(nèi)人士比較關(guān)注的一個話題。 由于超市低溫柜所需蒸發(fā)溫度在3238之間，屬于比較低的溫度范疇。有人就建議使用單機雙級壓縮機（以下簡稱雙級壓縮機），并認為雙級壓縮機制冷量大，效率高。實際情況要復(fù)雜一些。 回顧西方發(fā)達國家的超市冷凍業(yè)變化，就不難看出其中的問題。上世紀八十年代中后期，隨著對環(huán)境保護的關(guān)注，歐美國家以及澳大利亞等紛紛停止使用R502制冷劑，改用R22。由于R22排氣溫度高，為了保證足夠的蒸發(fā)溫度（3238），當時只能選擇雙級壓縮機。九十年代中后期，環(huán)保制冷劑R404A以及POE潤滑油等技術(shù)被認可后，他們紛紛放棄了R22雙級壓縮機，再次采用了單級壓縮機，并開始使用環(huán)保制冷劑R404A。 在此背景下，國內(nèi)超市熱衷于雙級壓縮機的現(xiàn)象已經(jīng)開始變化，而部分外資大超市也明確要求使用R404A環(huán)保制冷劑和高效單級壓縮機。 本文針對大超市食品冷凍應(yīng)用，從排氣溫度，制冷量，COP，成本，可靠性等方面， 對單雙級壓縮機進行比較分析，以供參考。2. 排氣溫度 對于普通回氣冷卻型單級壓縮機，如果系統(tǒng)工質(zhì)為R22，當冷凝溫度為54.4, 蒸發(fā)溫度為-40時，壓縮比為21。如果壓縮機回氣溫度為20，理論排氣溫度將高達193（排氣管上測得的溫度約為160）。如此高的排氣溫度會引起潤滑油焦化，直接威脅到壓縮機運動件的正常潤滑和電機壽命。 雙級壓縮機的出現(xiàn)，解決了低溫制冷時壓縮機壓縮比過大和排氣溫度過高這一問題。phG GF FE E D DA A C B 圖1 單雙級制冷系統(tǒng)壓焓圖 雙級壓縮機的氣體壓縮是分兩步（圖1中AB，CD）在兩個氣缸（低壓氣缸及與高壓氣缸）中完成的。于是，在兩級氣缸連接管路中噴入中溫液態(tài)制冷劑，冷卻低壓氣缸排氣，即降低高壓氣缸吸氣溫度（圖1中BC），是降低排氣溫度的有效方法。中溫冷凝液來自冷凝器，并經(jīng)中溫膨脹閥降壓降溫，才可以噴入高低壓氣缸間的連接管。顯然，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度越低，壓縮比越大，用于控制排氣溫度的中溫冷凝液體量就會越大，對系統(tǒng)效率影響也就越大。 對于上文中的工況，如果采用雙級壓縮機，則理論排氣溫度為126（排氣管上測得的溫度約為100），比普通單機壓縮機低了67。這樣的排氣溫度是比較理想的。 其實，單級壓縮機同樣可以利用噴液技術(shù)，將液體噴入吸氣管路或壓縮機吸氣腔控，從而制排氣溫度。帶有噴液管路的單級壓縮機不但可以很好地覆蓋超市所需溫度，而且結(jié)構(gòu)簡單。 使用R404A后，單級壓縮機不用噴液就可以工作在38甚至更低溫度。 噴液技術(shù)和R404A的采用，使雙級壓縮機失去了排氣溫度低的優(yōu)勢。3. 過冷度 眾所周知，液體過冷度能有效增加系統(tǒng)制冷量，而且冷量的增加與過冷度呈正比，與壓縮機種類和結(jié)構(gòu)無關(guān)。 隨著蒸發(fā)溫度的降低，制冷量劇烈降低。這時由液體過冷而引起的制冷量占系統(tǒng)制冷量的比重迅速升高(圖1,2)。因此，低溫下增加液體過冷度就顯得格外有效。 圖2 過冷器對雙級壓縮機冷量的貢獻 于是，雙級壓縮機常常帶有一個與之毫無關(guān)系的配件過冷器。過冷器是冷凝器的補充，它通過消耗（蒸發(fā)）一小部分制冷劑，使其余制冷劑溫度明顯降低。圖3 過冷器消耗的液體及產(chǎn)生的過冷度 通過消耗冷凝液，過冷器可以為系統(tǒng)增加相當可觀的過冷度。從圖3可以看出，當蒸發(fā)冷凝溫度分別為4040，回氣溫度為25時，谷輪25Hp雙級壓縮級的過冷器產(chǎn)生的液體過冷度高達28，此時過冷器消耗的冷凝液占系統(tǒng)冷凝液的比例高達17%。由過冷而蓄積的冷量(顯熱)占系統(tǒng)制冷量的21%(圖2). 值得注意的是，過冷器在增加雙級壓縮機制冷量的同時，也明顯增加了冷凝熱。因此帶過冷器的雙級壓縮機系統(tǒng)需要更大的冷凝面積。遺憾的是，人們往往注意不到這個問題，而是根據(jù)經(jīng)驗按照壓縮機名義功率（匹數(shù)）選配冷凝器, 其結(jié)果可想而知。4. 制冷量與COP 理論上講，制冷量不應(yīng)包括液體因過冷而蓄積的那部分冷量。因此，在實際比較制冷量時，應(yīng)該排除過冷度的影響，即在無過冷度時進行比較。 圖4，5顯示了無過冷度時，使用R22的谷輪單級蝶閥壓縮機（D4DL1500）與雙級壓縮機（D6TA1500），以及使用R404A后，單級蝶閥壓縮機（D4DL-150X）的制冷量和COP，他們的名義輸入功率都是15Hp。顯然，R22雙級壓縮機與單級壓縮機制冷量相當；而使用R404A后，單級壓縮機制冷量明顯提高，遠遠超過R22雙級壓縮機（圖4）。圖4 單雙級壓縮機制冷量比較 無過冷度時，雙級壓縮機不僅在制冷量上沒有優(yōu)勢，在COP方面更是大大低于單級壓縮機（圖5）。這就意味著，獲得相同的制冷量，需要消耗更多的能源，并且支付更多的電費。圖5 單雙級壓縮機COP比較 需要提醒的是，與R22壓縮機不同，R404A單級壓縮機排氣溫度一般不高，無需噴液冷卻裝置就可應(yīng)用于超市低溫柜。5. 成本 制冷系統(tǒng)的成本可分為固定成本和運行成本。雙級壓縮機的價格明顯高于單級壓縮機，雙級壓縮機需要配更大的冷凝器，因此選用雙級壓縮機系統(tǒng)的固定成本比較高。然而，對于大型超市冷凍系統(tǒng)而言，壓縮機固定成本只是一小部分，每年僅壓縮機產(chǎn)生的電費這一項開支就是固定成本的幾倍。本文對壓縮機的耗電做了詳細的計算。 年耗電量計算利用了艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)軟件SELECT，并根據(jù)上海地區(qū)的氣溫，模擬上海地區(qū)的大超市而進行的。計算中設(shè)定：冷負荷是壓縮機制冷量的90，回氣溫度25；雙級壓縮機液體過冷度0，單級過冷度5；R22系統(tǒng)冷凝溫度與環(huán)境（冷卻水）溫差10，R404A系統(tǒng)為8；最低冷凝溫度為25。電費是按1.00元/kWh計算的。 圖6給出了三種R22單級和雙級壓縮機在不同蒸發(fā)溫度下的年電費開支。從圖中可以看出，當蒸發(fā)溫度為40時，一臺25Hp的雙級壓縮機年電費開支高達8萬元，遠遠高于壓縮機的成本。 圖6 雙級壓縮機的年電費開支 不同壓縮機的制冷量不同，比較運行成本更為有效的方法是按照單位制冷量比較壓縮機的年電費開支。 圖7給出了R22單級和R22雙級壓縮機的單位制冷量年電費開支。D4DL-1500和D4DT-2200是谷輪15Hp和22Hp單級蝶閥壓縮機；D6TA-1500Sub, D6TH-2000Sub和D6TJ-2500Sub是帶過冷器的谷輪15Hp, 20Hp和25Hp雙級壓縮機。由于兩種壓縮機的COP明顯不同，兩種壓縮機按制冷量計算的年電費涇渭分明。對于超市食品冷凍常用的35蒸發(fā)溫度，選用單級壓縮機，每年每千瓦制冷量可節(jié)約約400元。圖7 按制冷量計算的壓縮機年電費 對于蒸發(fā)溫度為38，負荷為60kW的大型超市，本文選擇了三種壓縮機配置方案，并計算了相應(yīng)的耗電量和電費。 三種配置分別為：（1）4臺25Hp谷輪雙級壓縮機D6TJ-2500Sub, R22制冷劑；(2)6臺22Hp谷輪單級蝶閥壓縮機D4DT-2200,R22制冷劑；（3）3臺30Hp谷輪單級蝶閥壓縮機D6DT-300X，采用R404A。這三種選擇均可滿足60kW冷負荷要求, 并有10%以上的余量。計算中設(shè)定：回氣溫度25；雙級壓縮機液體過冷度0，單級過冷度5；R22系統(tǒng)冷凝溫度與環(huán)境（冷卻水）溫差10，R404A系統(tǒng)為8；最低冷凝溫度為25（冬天）。電費是按1.00元/kWh計算的。三種配置的年電費開支差別明顯（圖8）。 五年后，選擇單級壓縮機所節(jié)省的電能達126,830kWh；而選擇R404A的節(jié)能就更為突出了，節(jié)電273,125kWh。按1.0元kWh計算，僅電費一項開支就節(jié)約12萬元（R22單級系統(tǒng)）到27萬元(R404A單級系統(tǒng))（圖9）。圖8 60kW超市不同配置及年電費圖9 選擇單級壓縮機而節(jié)省的電費 實際上，除運行成本外，維護成本也是超市要考慮的。因此，系統(tǒng)（主要是壓縮機）的可靠性就成為另一個值得討論的問題。6. 可靠性 壓縮機的可靠性對大型制冷系統(tǒng)的正常運行和維護成本非常重要。就大型超市低溫系統(tǒng)而言，壓縮機的可靠性主要包括壓縮機應(yīng)付回液的能力以及壓縮機振動兩個方面。61壓縮機應(yīng)付回液的能力 回液是超市應(yīng)用中常見的不利現(xiàn)象，很難避免。回液的破壞作用包括稀釋潤滑油，引起活塞，曲軸和軸承磨損，嚴重時會造成活塞咬缸和連桿抱軸等，可能使電機反復(fù)經(jīng)受“堵轉(zhuǎn)電流繞組高溫熱保護堵轉(zhuǎn)電流”循環(huán)破環(huán)。而每次啟動（堵轉(zhuǎn)），繞組都會受電磁力而扭動，漆包線間會出現(xiàn)相互摩擦。如果有金屬屑（管道施工時的銅屑，焊渣，以及活塞，連桿，軸承，曲軸等磨損屑等）夾雜于繞組中，很容易引起繞組短路。 如果回液進入氣缸，就容易引起液擊（壓縮液體），造成閥片破碎，活塞和氣缸受損，嚴重時連桿彎曲或折斷，直至整個壓縮機報廢。 雙級壓縮機的回氣直接進入低壓級氣缸。從這個角度講，雙級壓縮機更像空冷型壓縮機。因此雙級壓縮機應(yīng)付回液的能力是非常脆弱的。 單級壓縮機則完全不同?；貧庀冗M入電機腔，電機腔容積大，本身就可以看作氣液分離器，而發(fā)熱的繞組有助于液滴的蒸發(fā)。所以在對付回液方面，單級壓縮機要比雙級壓縮機好很多。 62壓縮機振動及相應(yīng)的危害 壓縮機的振動除增大噪音外，還容易引起相連管路破裂，引起制冷劑泄漏。 引起振動的原因很多，比如安裝位置與地基，地腳彈簧，減振管，消音器，排管等。本文主要討論壓縮機本身引起的振動。 就常用的6缸壓縮機而言，雙級壓縮機有4個缸用作第一級，另外2個缸用作第二級。當蒸發(fā)溫度為40（R22）時，高壓級氣缸在壓縮時反作用于曲軸的力往往是低壓級氣缸的4倍。換句話說，曲軸每轉(zhuǎn)一圈，這個方向的作用力就推曲軸一次，這就使雙級壓縮機的動平衡性大大降低。而單級壓縮機各個氣缸對曲軸的作用力大小相同，不存在這個問題。 此外，排氣脈沖也是引起振動和噪音的一個重要因素。單級6缸壓縮機曲軸每轉(zhuǎn)一圈，有6次排氣，而雙級6缸壓縮機只有2次。顯然，雙級壓縮機排氣壓力變化的幅度大，頻率低，脈動就更為明顯。 綜上所述，雙級壓縮機的自身結(jié)構(gòu)決定了其脆弱的處理回液的能力和較大的振動和噪音。因此，在相同工況下，雙級壓縮機的可靠性比單級壓縮機要低。雙級壓縮機的優(yōu)勢在于超低溫應(yīng)用.7. 結(jié)論 本文分析表明，對于超市食品低溫冷凍冷藏應(yīng)用，雙級壓縮機在制冷量，COP,成本，可靠性等方面都沒有優(yōu)勢。 因此，給超市配置雙級壓縮機，不但不能發(fā)揮其超低溫制冷的特長，反而會增加用戶負擔，浪費能源，并且為日后維護埋下了隱患。 從上世紀90年代中期開始，許多國家已經(jīng)開始淘汰R22，改用環(huán)保制冷劑R404A。由于R404A具有排氣溫度低，制冷量大的優(yōu)點。因此，單級壓縮機再次回到了歐美國家和澳大利亞的超市冷凍冷藏系統(tǒng)