單級(jí)壓縮機(jī)與雙級(jí)壓縮機(jī)在超市應(yīng)用中的比較

1、單級(jí)壓縮機(jī)與雙級(jí)壓縮機(jī)在超市應(yīng)用中的比較摘要：?jiǎn)渭?jí)壓縮機(jī)與雙級(jí)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，制冷溫度覆蓋的范圍也不同，使用場(chǎng)合應(yīng)該有所區(qū)別。對(duì)于大型超市常用的-32-38蒸發(fā)溫度，雖然單雙級(jí)壓縮機(jī)都能運(yùn)行，但實(shí)際效果卻不同。本文從性能,成本和可靠性等方面，對(duì)單級(jí)壓縮機(jī)和雙級(jí)壓縮機(jī)在大型超市食品冷凍冷藏中的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析比較。關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?jí)壓縮機(jī)；雙級(jí)壓縮機(jī)；超市冷凍冷藏Comparison of Single-stage Compressors Versus 2-stage Compressors In Supermarket ApplicationJet Han Joe HealyEmerson Cl

2、imate 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

3、 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.

4、引言 隨著大型超市在國(guó)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(gè)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(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱雙級(jí)壓縮機(jī)），并認(rèn)為雙級(jí)壓縮機(jī)制冷量大，效率高。實(shí)際情況要復(fù)雜一些?；仡櫸鞣桨l(fā)達(dá)國(guó)家的超市冷凍業(yè)變化，就不難看出其中的問題。上世紀(jì)八十年代中后期，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注，歐美國(guó)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(dāng)時(shí)只能選擇雙級(jí)壓縮機(jī)。九十年代中后期，環(huán)保制冷劑R404A以及POE潤(rùn)滑油等技術(shù)被認(rèn)可后，他們紛紛放棄

5、了R22雙級(jí)壓縮機(jī)，再次采用了單級(jí)壓縮機(jī)，并開始使用環(huán)保制冷劑R404A。在此背景下，國(guó)內(nèi)超市熱衷于雙級(jí)壓縮機(jī)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(jí)壓縮機(jī)。 本文針對(duì)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(duì)單雙級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行比較分析，以供參考。2. 排氣溫度 對(duì)于普通回氣冷卻型單級(jí)壓縮機(jī)，如果系統(tǒng)工質(zhì)為R22，當(dāng)冷凝溫度為54.4, 蒸發(fā)溫度為-40時(shí)，壓縮比為21。如果壓縮機(jī)回氣溫度為20，理論排氣溫度將高達(dá)193（排氣管上測(cè)得的溫度約為160）。如此高的排氣溫度會(huì)引起潤(rùn)滑油焦化，直接威脅到壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)件的正常潤(rùn)滑和電機(jī)壽

6、命。雙級(jí)壓縮機(jī)的出現(xiàn)，解決了低溫制冷時(shí)壓縮機(jī)壓縮比過大和排氣溫度過高這一問題。pphG GF FE E D DA A C BhG GF FE E D DA A C B圖1 單雙級(jí)制冷系統(tǒng)壓焓圖 雙級(jí)壓縮機(jī)的氣體壓縮是分兩步（圖1中AB，CD）在兩個(gè)氣缸（低壓氣缸及與高壓氣缸）中完成的。于是，在兩級(jí)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(huì)越大，對(duì)系統(tǒng)效率影響也就越大。 對(duì)于

7、上文中的工況，如果采用雙級(jí)壓縮機(jī)，則理論排氣溫度為126（排氣管上測(cè)得的溫度約為100），比普通單機(jī)壓縮機(jī)低了67。這樣的排氣溫度是比較理想的。其實(shí)，單級(jí)壓縮機(jī)同樣可以利用噴液技術(shù)，將液體噴入吸氣管路或壓縮機(jī)吸氣腔控，從而制排氣溫度。帶有噴液管路的單級(jí)壓縮機(jī)不但可以很好地覆蓋超市所需溫度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 使用R404A后，單級(jí)壓縮機(jī)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(jí)壓縮機(jī)失去了排氣溫度低的優(yōu)勢(shì)。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(jī)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(shí)由液體過冷而

8、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(duì)雙級(jí)壓縮機(jī)冷量的貢獻(xiàn) 于是，雙級(jí)壓縮機(jī)常常帶有一個(gè)與之毫無關(guān)系的配件過冷器。過冷器是冷凝器的補(bǔ)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(dāng)可觀的過冷度。從圖3可以看出，當(dāng)蒸發(fā)冷凝溫度分別為4040，回氣溫度為25時(shí)，谷輪25Hp雙級(jí)壓縮級(jí)的過冷器產(chǎn)生的液體過冷度高達(dá)28，此時(shí)過冷器消耗的冷凝液占系統(tǒng)冷凝液的比例高達(dá)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

9、，過冷器在增加雙級(jí)壓縮機(jī)制冷量的同時(shí)，也明顯增加了冷凝熱。因此帶過冷器的雙級(jí)壓縮機(jī)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(gè)問題，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照壓縮機(jī)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(shí)際比較制冷量時(shí)，應(yīng)該排除過冷度的影響，即在無過冷度時(shí)進(jìn)行比較。圖4，5顯示了無過冷度時(shí)，使用R22的谷輪單級(jí)蝶閥壓縮機(jī)（D4DL1500）與雙級(jí)壓縮機(jī)（D6TA1500），以及使用R404A后，單級(jí)蝶閥壓縮機(jī)（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(jí)壓縮機(jī)與

10、單級(jí)壓縮機(jī)制冷量相當(dāng)；而使用R404A后，單級(jí)壓縮機(jī)制冷量明顯提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過R22雙級(jí)壓縮機(jī)（圖4）。圖4單雙級(jí)壓縮機(jī)制冷量比較無過冷度時(shí)，雙級(jí)壓縮機(jī)不僅在制冷量上沒有優(yōu)勢(shì)，在COP方面更是大大低于單級(jí)壓縮機(jī)（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(fèi)。圖5 單雙級(jí)壓縮機(jī)COP比較 需要提醒的是，與R22壓縮機(jī)不同，R404A單級(jí)壓縮機(jī)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(yùn)行成本。雙級(jí)壓縮機(jī)的價(jià)格明顯高于單級(jí)壓縮機(jī)，雙級(jí)壓縮機(jī)需要配更大的冷凝器，因此選用雙級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)的固定成本比較高。然而，對(duì)于大型超

11、市冷凍系統(tǒng)而言，壓縮機(jī)固定成本只是一小部分，每年僅壓縮機(jī)產(chǎn)生的電費(fèi)這一項(xiàng)開支就是固定成本的幾倍。本文對(duì)壓縮機(jī)的耗電做了詳細(xì)的計(jì)算。 年耗電量計(jì)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(jìn)行的。計(jì)算中設(shè)定：冷負(fù)荷是壓縮機(jī)制冷量的90，回氣溫度25；雙級(jí)壓縮機(jī)液體過冷度0，單級(jí)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(fèi)是按1.00元/kWh計(jì)算的。 圖6給出了三種R22單級(jí)和雙級(jí)壓縮機(jī)在不同蒸發(fā)溫度下的年電費(fèi)開支。從圖中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度為40時(shí)，一臺(tái)25Hp的雙級(jí)壓縮機(jī)年電費(fèi)開支高達(dá)8萬元，遠(yuǎn)

12、遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)的成本。圖6 雙級(jí)壓縮機(jī)的年電費(fèi)開支 不同壓縮機(jī)的制冷量不同，比較運(yùn)行成本更為有效的方法是按照單位制冷量比較壓縮機(jī)的年電費(fèi)開支。 圖7給出了R22單級(jí)和R22雙級(jí)壓縮機(jī)的單位制冷量年電費(fèi)開支。D4DL-1500和D4DT-2200是谷輪15Hp和22Hp單級(jí)蝶閥壓縮機(jī)；D6TA-1500Sub, D6TH-2000Sub和D6TJ-2500Sub是帶過冷器的谷輪15Hp, 20Hp和25Hp雙級(jí)壓縮機(jī)。由于兩種壓縮機(jī)的COP明顯不同，兩種壓縮機(jī)按制冷量計(jì)算的年電費(fèi)涇渭分明。對(duì)于超市食品冷凍常用的35蒸發(fā)溫度，選用單級(jí)壓縮機(jī)，每年每千瓦制冷量可節(jié)約約400元。圖7 按制冷量計(jì)算的壓縮

13、機(jī)年電費(fèi) 對(duì)于蒸發(fā)溫度為38，負(fù)荷為60kW的大型超市，本文選擇了三種壓縮機(jī)配置方案，并計(jì)算了相應(yīng)的耗電量和電費(fèi)。 三種配置分別為：（1）4臺(tái)25Hp谷輪雙級(jí)壓縮機(jī)D6TJ-2500Sub, R22制冷劑；(2)6臺(tái)22Hp谷輪單級(jí)蝶閥壓縮機(jī)D4DT-2200,R22制冷劑；（3）3臺(tái)30Hp谷輪單級(jí)蝶閥壓縮機(jī)D6DT-300X，采用R404A。這三種選擇均可滿足60kW冷負(fù)荷要求, 并有10%以上的余量。計(jì)算中設(shè)定：回氣溫度25；雙級(jí)壓縮機(jī)液體過冷度0，單級(jí)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(fèi)是按1.00元/kWh計(jì)算的。

14、三種配置的年電費(fèi)開支差別明顯（圖8）。 五年后，選擇單級(jí)壓縮機(jī)所節(jié)省的電能達(dá)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(jì)算，僅電費(fèi)一項(xiàng)開支就節(jié)約12萬元（R22單級(jí)系統(tǒng)）到27萬元(R404A單級(jí)系統(tǒng))（圖9）。圖8 60kW超市不同配置及年電費(fèi)圖9 選擇單級(jí)壓縮機(jī)而節(jié)省的電費(fèi) 實(shí)際上，除運(yùn)行成本外，維護(hù)成本也是超市要考慮的。因此，系統(tǒng)（主要是壓縮機(jī)）的可靠性就成為另一個(gè)值得討論的問題。6. 可靠性 壓縮機(jī)的可靠性對(duì)大型制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行和維護(hù)成本非常重要。就大型超市低溫系統(tǒng)而言，壓縮機(jī)的可靠性主要包括壓縮機(jī)應(yīng)付回液的能力以及壓縮機(jī)振動(dòng)

15、兩個(gè)方面。61壓縮機(jī)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?；匾旱钠茐淖饔冒ㄏ♂対?rùn)滑油，引起活塞，曲軸和軸承磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成活塞咬缸和連桿抱軸等，可能使電機(jī)反復(fù)經(jīng)受“堵轉(zhuǎn)電流繞組高溫?zé)岜Ｗo(hù)堵轉(zhuǎn)電流”循環(huán)破環(huán)。而每次啟動(dòng)（堵轉(zhuǎn)），繞組都會(huì)受電磁力而扭動(dòng)，漆包線間會(huì)出現(xiàn)相互摩擦。如果有金屬屑（管道施工時(shí)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(jìn)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(yán)重時(shí)連桿彎曲或折斷，直至整個(gè)壓縮機(jī)報(bào)廢。雙級(jí)壓縮機(jī)的回氣直接進(jìn)入低壓級(jí)氣缸。從這個(gè)角度講，雙級(jí)壓縮機(jī)更像空冷型壓

16、縮機(jī)。因此雙級(jí)壓縮機(jī)應(yīng)付回液的能力是非常脆弱的。 單級(jí)壓縮機(jī)則完全不同?；貧庀冗M(jìn)入電機(jī)腔，電機(jī)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(duì)付回液方面，單級(jí)壓縮機(jī)要比雙級(jí)壓縮機(jī)好很多。62壓縮機(jī)振動(dòng)及相應(yīng)的危害壓縮機(jī)的振動(dòng)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(dòng)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(jī)本身引起的振動(dòng)。就常用的6缸壓縮機(jī)而言，雙級(jí)壓縮機(jī)有4個(gè)缸用作第一級(jí)，另外2個(gè)缸用作第二級(jí)。當(dāng)蒸發(fā)溫度為40（R22）時(shí)，高壓級(jí)氣缸在壓縮時(shí)反作用于曲軸的力往往是低壓級(jí)氣缸的4倍。換句話說，曲軸每轉(zhuǎn)一圈

17、，這個(gè)方向的作用力就推曲軸一次，這就使雙級(jí)壓縮機(jī)的動(dòng)平衡性大大降低。而單級(jí)壓縮機(jī)各個(gè)氣缸對(duì)曲軸的作用力大小相同，不存在這個(gè)問題。此外，排氣脈沖也是引起振動(dòng)和噪音的一個(gè)重要因素。單級(jí)6缸壓縮機(jī)曲軸每轉(zhuǎn)一圈，有6次排氣，而雙級(jí)6缸壓縮機(jī)只有2次。顯然，雙級(jí)壓縮機(jī)排氣壓力變化的幅度大，頻率低，脈動(dòng)就更為明顯。綜上所述，雙級(jí)壓縮機(jī)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(dòng)和噪音。因此，在相同工況下，雙級(jí)壓縮機(jī)的可靠性比單級(jí)壓縮機(jī)要低。雙級(jí)壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于超低溫應(yīng)用.7. 結(jié)論 本文分析表明，對(duì)于超市食品低溫冷凍冷藏應(yīng)用，雙級(jí)壓縮機(jī)在制冷量，COP,成本，可靠性等方面都沒有優(yōu)勢(shì)。 因此，給超市配置雙級(jí)壓縮機(jī)，不但不能發(fā)揮其超低溫制冷的特長(zhǎng)，反而會(huì)增加用戶負(fù)擔(dān)，浪費(fèi)能源，并且為日后維護(hù)埋下了隱患。從上世紀(jì)90年代中期開始，許多國(guó)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(diǎn)。因此，單級(jí)壓縮機(jī)再次回到了歐美國(guó)家和澳大利亞的超市冷凍冷藏系