第四节 中央空调制冷机组
制冷机组就是将制冷系统中的部分设备或全部设备配套组装在一起，成为一个整体。中央空调制冷机组按照换热设备（冷凝器或蒸发器）的换热介质不同，划分为空气源制冷机组和水冷式制冷机组。对于大型中央空调系统，由于热容量较大，普遍采用水冷式制冷机组。中央空调制冷机组按照压缩机的形式不同，可分为活塞式冷水机组、螺杆式冷水机组和离心式冷水机组。本节将介绍几种目前市场上普遍使用的典型制冷机组。
一、活塞式冷水机组
在空调工况中，制冷量在60～580kW的中、小制冷量范围内，活塞式冷水机组被广泛应用。
活塞式压缩机在工作时，通过活塞在气缸中做往复运动，由阀板上的吸气阀片和排气阀片的开、闭实现制冷剂的吸气、压缩、排气过程，因此也将此类压缩机称为往复式压缩机。
图2-15所示为典型的活塞式冷水机组的系统。由图可知，活塞式冷水机组除装有压缩机、卧式壳管式冷凝器、热力膨胀阀和干式蒸发器四大部件外，还装设有干燥过滤器、视液镜、电磁阀等辅助设备，以及高低压保护器、油压差保护器、温度控制器、水流开关和安全阀等控制保护装置。整个制冷设备安装在底架上，连接冷却水和冷冻水管以及电动机电源就可进行调试使用。机组的自控装置包括冷冻水供水或回水温度的控制，以及制冷系统的高低压力、缺水、缺油等保护。常用的制冷剂为R22，也有R134a、R407C等替代工质。冷凝器和蒸发器可采用高效传热管，提高换热效果。
目前，活塞式冷水机组常为多机头机组，通过起停压缩机的方法实现冷量调节。活塞式冷水机组最常见机型为开利HK和HR系列。其中，HK系列机组可提供110～370kW的制冷量，HR系列制冷量范围为438～950kW。图2-16所示为开利30HK典型接线和接管示意图，两系列机组外形如图2-17所示。
图2-15 活塞式冷水机组
1—压缩机 2—吸气阀 3—排气阀 4—蒸发器 5—水流开关 6—冷凝器 7—安全阀 8—干燥过滤器 9—视液镜 10—电磁阀 11—热力膨胀阀 12—温度控制器 13—吸气压力表 14—油压保护器 15—高低压保护器 16—油压表 17—排气压力表 18—截止阀
图2-16 开利30HK典型接线和接管示意图
1—380V主电源三相四线（380V） 2—控制电路电源（220V） 3—流量开关信号线
图2-17 开利30HK/HR系列活塞式冷水机组外形
二、螺杆式冷水机组
螺杆式冷水机组是由螺杆式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、油分离器、自控元件和仪表等组成的一个完整制冷系统。在大、中型中央空调系统中，广泛使用的螺杆式压缩机分为单螺杆压缩机和双螺杆压缩机。单螺杆压缩机主要是由一个螺杆转子和两个星形轮组成，如图2-18所示，工作原理如图2-19所示；而双螺杆压缩机主要由两个相啮合的螺杆转子组成，如图2-20所示，工作原理如图2-21所示。
图2-18 单螺杆式制冷压缩机结构简图
1—星轮 2—排气口 3—主轴 4—机壳 5—螺杆 6—转子吸气端 7—进气口 8—气缸 9—孔槽
图2-19 单螺杆式制冷压缩机工作原理
图2-20 双螺杆式制冷压缩机
1—阳转子 2—阴转子 3—机体 4—滑动轴承 5—止推轴承 6—平衡活塞 7—轴封 8—能量调节阀 9—排气口 10—吸气口
图2-21 双螺杆压缩机工作原理图
螺杆式制冷压缩机工作也分为吸气、压缩和排气过程，但与活塞式压缩机的工作原理略有不同。活塞式压缩机的三个过程是断续的，而螺杆式压缩机和离心式压缩机的三个过程是连续的。
由于螺杆式压缩机运行平稳，所以机组安装时可不装地脚螺栓，直接置于强度足够的水平地面或楼面上即可。螺杆式压缩机调节性能大大优于活塞式压缩机，且在50%～100%负荷运行时，其功率消耗几乎正比于冷负荷，致使其部分负荷性能系数优于活塞式冷水机组。
螺杆式压缩机的润滑油除了起到润滑运动部件的接触面外，还具有密封、喷油冷却、容量调节机构动作等功能，所以润滑油系统比较复杂。一般情况下，螺杆压缩制冷系统或压缩机本身应具有高效两级甚至多级油分离器，并应设置油过滤器，在必要的情况下，还应设置油泵和油冷却器等安全辅助设备。
目前螺杆式冷水机组制冷剂通常为R22，也有使用R134a、R407C等替代工质的机型。空调工况冷量范围约为120～1200kW之间。图2-22给出了目前在空调工况下，常见的两种典型螺杆式冷水机组系统流程，以供参考。图2-23所示的约克YS系列冷水机组是常见的螺杆式水冷机组结构形式。
三、离心式冷水机组
离心式冷水机组将离心式压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置等设备组成一个整体，例如图2-24所示的约克MaxETMYK型离心式冷水机组。离心式冷水机组采用的制冷剂大多为R11、R123和R134a，也有采用R22作为制冷剂的机型。
图2-22 常见的两种典型螺杆式冷水机组流程
图2-23 约克YS系列冷水机组外形
图2-24 约克MaxETMYK型离心式冷水机组外形图
由于离心式压缩机的结构及其工作特性，决定其制冷量一般不小于350kW。离心式压缩机多采用吸气可调导叶（见图2-25），或采用变频调速和可调导叶协调调节的方式进行容量调节。此外，单级离心式冷水机组工况范围比较窄，冷凝压力不宜过高，一般控制在40℃左右，冷凝器进口水温一般在32℃左右；蒸发压力不宜过低，蒸发温度一般在0～5℃之间，蒸发器出口水温一般在5～7℃，恰好满足空调工程的要求。
图2-25 离心式压缩机吸气可调导叶
图2-26所示为开利19XR系列冷水机组结构示意图；图2-27所示为开利19XR系列冷水机组制冷循环系统；图2-28所示为开利19XR的电动机冷却和油冷却循环流程图，工作原理如下：
（1）开利19XR系列冷水机组制冷循环
制冷剂在蒸发器中汽化吸取循环水的热量使之降温，得到空调所需的冷水。制冷剂蒸气被吸入压缩机压缩，压缩后制冷剂温度升高，从压缩机排出，进入冷凝器进行冷凝，制冷剂流量由压缩机吸气导叶开启度确定。温度相对较低的冷却水（18～32℃）流经冷凝器带走气态制冷剂的热量，使之冷凝成液态。液态制冷剂由节流孔进入闪蒸过冷室，如图2-27所示。由于闪蒸过冷室压力较低，部分液体制冷剂闪蒸为气体，吸取热量后使大部分液态制冷剂进一步冷却。闪蒸制冷剂气体在冷却水的铜管外再凝结成液体，流至闪蒸过冷室与蒸发器之间的线性浮阀室。在线性浮阀室中一只线性浮阀形成一道液体密封，防止闪蒸过冷室的蒸气进入蒸发器。液态制冷剂流过此浮阀时节流，制冷剂回到低温低压状态进行蒸发，又开始制冷循环。
（2）开利19XR系列冷水机组电动机、润滑油冷却循环
电动机和润滑油由来自冷凝器底部的过冷液态制冷剂冷却，如图2-28所示。由于压缩机运行保持压力差，使制冷剂不断流动。制冷剂流过一个隔离阀、一个过滤器、一个视镜/湿度指示器之后，分流至电动机冷却和油冷却系统。
图2-26 开利19XR系列冷水机组结构图
1—导叶执行机构 2—吸气弯管 3—机组显示模块 4—机组铭牌 5—蒸发器安全阀 6—蒸发器压力传感器 7—冷凝器进出水温度传感器 8—冷凝器水压差传感器 9—蒸发器进出水温度传感器 10—蒸发器水压差传感器 11—制冷剂充注阀 12—标准法兰连接 13—放油及油充注阀 14—油位视镜 15—制冷剂油冷却器（背面） 16—润滑系统动力箱 17—电动机 18—冷凝器安全阀 19—电动机主断路器 20—固态起动柜显示屏 21—机载起动柜 22—电动机视镜 23—蒸发器水室端盖 24—放水口 25—冷凝器水室端盖 26—制冷剂温度指示器 27—制冷剂干燥/过滤器 28—液管隔离阀 29—线性浮阀室 30—筒身可拆卸连接 31—排气隔离阀 32—泵出阀 33—冷凝器压力传感器
图2-27 开利19XR系列冷水机组制冷循环系统
图2-28 开利19XR系列冷水机组电动机、润滑油循环系统
到电动机的这一路，制冷剂经过一只节流孔流进电动机。电动机冷却管路的支路上还有一只节流孔和一只电磁阀，电动机需要进一步冷却时，电磁阀就会开启。流过节流孔，制冷剂就流到喷淋嘴上，喷淋整个电动机。制冷剂集中到电动机室的底部排放，回到蒸发器。回气管路上的一只节流孔使电动机室内的压力高于蒸发器的压力。电动机温度由埋在定子绕组内的温度传感器测取。电动机绕组温度高于电动机预先设定温度点时，如温度进一步升高到比设定点高5.5℃，就会逐步关闭进气导叶。如果温度高于安全极限，压缩机就会关机。
另一路流经油冷却系统的制冷剂由一只热力膨胀阀调节。通过热力膨胀阀的制冷剂经一只节流孔始终保持一个最小流量。热力膨胀阀温包感应检测冷却后流进压缩机的油温。由膨胀阀调节板式油冷却器的制冷剂量。制冷剂汽化离开油冷却器后回到蒸发器。
（3）开利19XR润滑系统循环
油泵、油过滤器和极式油冷却器构成一套润滑系统，位于压缩机电动机组件齿轮传动箱铸件一端。润滑油由油泵压进油过滤器组件去除杂质，送至极式油冷却器，冷却到适当的温度，然后分两路：一部分油流到齿轮和高速轴承，余下的流到电动机轴承。油进入齿轮箱下方的油箱完成润滑循环（见图2-28）。
在压缩机运行期间，油箱温度范围为52～66℃。油泵从油箱中吸油，油压释放阀使油泵出油时的压差保持在124～172kPa。油泵排油到油过滤器，该油过滤器可用截止阀隔离，在更换过滤器芯时，不必使系统中的油全部放掉。油经过管路到达油冷却器，制冷剂使油温降到49～60℃之间。油离开油冷却器，经过油压变送器和热力膨胀阀温包，然后分开。一部分油到推力轴承和齿轮喷嘴，余下的油润滑电动机轴承和后小齿轮轴承。在油离开止推轴承和颈轴承时，测量轴承腔中的油温作为轴承温度。然后把油排放到压缩机底座的油箱里。
机组集中控制测量油箱中的油温，并使关机时油温保持在一定温度。在压缩机开动之前，机组接通油泵，油压差建立之后，使轴承有45s的预润滑。在关机时，油泵会在压缩机关机后继续运行60s，作为关机后润滑。在控制测试中，油泵还可接通进行测试，检查油压差能否建立。
润滑油系统“控制加负载”能减慢导叶开启速度，以减少开机时润滑油起泡现象。如果导叶开启速度很快，吸气压力的突然降低会引起润滑油中的制冷剂闪蒸，产生的油泡沫使油泵不能有效地运行，油压差下跌，造成润滑状态恶劣。如果油压差跌至103kPa压差以下，控制系统将使压缩机停机。如果故障停电超过3h以上，在电源恢复后，油泵会定期接通，这有助于除去断电期间进入油箱的制冷剂。这种控制每30min接通油泵60s，直到机组开始运转。
润滑油回油系统主要回收两个区域的润滑油，使之返回到油箱。主要回收区域是导叶罩壳，此外还从蒸发器中回收。
第一种回收方法：油通常从机组导叶罩壳中回收。这是由于机组中制冷剂通常带有油。制冷剂通过导叶被吸入压缩机进行压缩，油往往在此处滴出，落到罩壳底部积累起来。利用排气压力使引射器将罩壳中的油抽回到油箱。另外还从蒸发器制冷剂液位上部将油回收到导叶罩壳后，由引射器回收到油箱。
第二种回收方法：在负荷较轻的情况下，吸入压缩机的制冷剂气体没有足够的速度使油回收。在这种情况下，在蒸发器制冷剂表面上聚集较多的油。油和制冷剂的混合物在蒸发器中闪蒸后被吸入导叶罩壳，管路上有一个过滤器，由于导叶罩壳内的压力比蒸发器压力小得多，制冷剂在其中沸腾，油被留下并被收集后通过第一种方法回收。
四、制冷机组辅助设备
蒸气压缩式制冷循环（或热泵系统）必须有四大部件——冷凝器、压缩机、蒸发器、节流结构，缺一不可。当然，一个实际系统中不止四个部件，还有阀门和其他一些辅助设备和构件，以保证系统安全、可靠、高效运行。其中最常见的附件有：过滤器、干燥过滤器、贮液器、油泵、气液分离器和电动机冷却电磁阀等。
1.过滤器和干燥过滤器
过滤器是从液态制冷剂或气态制冷剂或冷冻油中去除固体杂质的设备。过滤器装在节流装置、压缩机、润滑油泵等设备之前，以防系统中固体杂质堵塞阀孔或损坏机件，其结构如图2-29所示。
干燥过滤器一般装在节流阀机构之前，吸收制冷剂系统中所含的水分，防止水分在节流阀中结冰而堵塞。干燥器中的干燥剂一般是颗粒状的硅胶、分子筛等，其结构如图2-30所示。
图2-29 过滤器（氟利昂液体流过）
2.贮液器
贮液器一般都是用钢板卷成的有压容器，按其外形分，有立式和卧式两种。贮液器一般安装于冷凝器与系统干燥过滤器之间，其功能主要有：
1）接收冷凝器的高压液体，以避免液体浸没冷凝器传热面而影响换热；
2）对系统中的制冷剂流量起到调节的作用，以适应负荷工况变化的需要；
3）起到液封的作用，防止高压侧的气体窜到低压侧；
4）对于小系统还起到贮存系统制冷剂的作用。
图2-30 干燥过滤器
1—过滤芯 2—筒体 3—弹性膜片 4—波形多孔板 5—聚醋垫
3.气液分离器
气液分离器通常安装在压缩机吸气管上，一般是利用惯性原理将质量较大的液体分离下来，其主要功能是避免液态制冷剂“液击”压缩机，保证机组的正常运行。对于大部分蒸气压缩式制冷系统使用的制热工质（如R134a、R22、R12等）虽然蒸发器的供液量是根据吸气的过热度控制的，似乎压缩机液击的可能性很小。但是，实际上有多种原因仍然能够造成压缩机“液击”的情况发生。主要原因如下：
1）膨胀阀或毛细管等节流机构选择不当，热力膨胀阀或电子膨胀阀的感温包（或感温头）安装位置不当；
2）制冷系统中充注的制冷剂过多；
3）在低温环境中，制冷机组停止运行一段时间后，再次起动时由于系统压力不均衡引起。
4.油泵
螺杆式冷水机组常采用油泵用于机组起动时，建立油压，维持机组正常运行。开利30HXC型螺杆式冷水机组的油泵安装在从冷凝器出油接管到压缩机的管路上。当机组起动时，控制系统首先激活油泵。如果油泵能建立起足够的油压，表明压缩机起动时能够得到足够的润滑，压缩机就能顺利起动。一旦压缩机开始运转，油泵将停止运转。如果油泵始终不能建立起足够的油压，控制系统将产生一个报警信息。
5.电动机冷却电磁阀
为了使得压缩机电动机温度始终被控制在一个优化的设定点附近，一旦系统认为电动机绕组需要冷却，液态制冷剂经由电动机冷却电磁阀进入压缩机内进行冷却，由此实现对电动机温度的优化控制。在安装有节能器（或称经济器）的机组上，每个回路有一个电动阀，既控制液态制冷剂的过冷度，又控制电动机绕组的温度，该阀开度根据压缩机电动机温度通过控制系统来调节。