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　　李红鸣詹雷军梅光磊曾燕平陈玲贵虞洪文：浙江象睿机电设备有限公司，浙江 衢州；赵英杰

　　“碳达峰”是指我国承诺2030年前，二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低。“碳中和”是指企业、团体或个人测算在一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植物造树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“零排放” [1]。在节能减碳的大趋势环境中，空调的冷水机因耗电量大、使用场域广，已是不可忽视的节能重点设备。因此，近年全球各冷水机大厂纷纷推出高效率的冷水机种，这些高效率冷水机组不仅具有高全载效率COP值，更具备高整合性部份负载效率IPLV值。而这些不外乎拜整合高效率变频驱动器、高效率马达、提高压缩机与热交换器效率，以及系统优化控制技术所赐，实现了兼具全载与部份负载效率值的冷水机组。推动绿色发展，促进人与自然和谐共生，已经成为当前中国发展的基本战略方向。在国内大循环为主体，国内国际双循环的大的经济发展格局下，抓紧“节能减排”不动摇，早日实现“碳中和”和“碳达峰”目标成为中国目前发展的主轴之一 [2] [3]。

　　1987年签署的《蒙特利尔议定书》限制了CFCs和其他消耗臭氧的化学品的使用，目前HFC制冷剂是冷水主机使用的制冷剂，但其全球变暖潜能值仍高达1300，所以随着减碳意识的提高，各国对其逐渐减少或限制 [4] [5]。R513A或R1234yf、R1234ze制冷剂有其潜力和优势，因为其ODP (臭氧消耗潜能值)接近于零，而GWP (全球变暖潜能值)为573，小于10 (小于1)，非常适合替代R134a制冷剂。对于冷风机来说，直接替换具有不同性质的工作流体必然会影响流体部件(如压缩机叶轮、系统管道流道)和传热部件(如热交换器等)的性能。就压缩机叶轮而言，针对不同的制冷剂适当调整速度和流量，可以减少由不适当的操作条件引起的问题，如激增或堵塞，因此，有必要预测其速度和性能，以便适当调整容量。此外，满负荷和部分负荷之间的效率变化也是本文讨论的重点 [6]。由于大多数冷水机仍在部分负荷模式下运行，部分负荷效率的分析和预测在控制冷水主机运行方面尤为重要。空压机行业的上游是基础原材料(钢铁、铸件、润滑油)行业、电机行业和标准件行业等。空压机行业的下游主要为石油化工行业、电力行业、冶金矿山和国防工业。这些行业都是关系到国计民生的重要行业，随着这些行业的发展，我国空压机行业也得到了发展的推动 [7] [8]。

　　离心式压缩机的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子的动能转换为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。由于离心式压缩机的流场复杂，用仪器很难观察到内部的变化，所以本研究采用计算流体动力学模拟对原来使用的R-134a制冷剂进行模拟，用高速磁浮离心式制冷剂压缩机进行实验性能模拟，并将模拟结果与实验结果进行对比，作为预测的性能验证。然后，用R-1234yf制冷剂和R-513A制冷剂替换工作液进行模拟和对比分析，探讨直接替换制冷剂后离心式压缩机的性能和内部流场变化 [9] [10]。

　　高速磁浮离心式压缩机对比于传统离心式压缩机有着体积小、噪音低、启动电流低及高效率等特点，同时配合变频器的转速控制，及入口导叶IGV或扩压宽度调节等技术达到容量调节，改善了传统离心式压缩机工作范围小等缺点 [11]。

　　参照空调系统冷水机能源效率标准可发现(表1)，在相同额定制冷能力下，离心式冷水主机的COP分级基准，均高于容积式冷水主机10%以上，而气冷式冷水机组则远低于两者，同时随着国内节能政策的推行，高速离心式压缩机市场必然成为急速成长的热门产品 [12] [13]。本文着重于采不同制冷剂下高速压缩机的性能预测，研究对象为一实验用单段高速磁浮压缩，主要含有四段流道：1) 入口区；2) 叶轮区；3) 扩压区；4) 蜗壳区。

　　入口区定义自压缩机入口至叶轮前端的区域。市售商品在入口区常设置入口导叶(Inlet Guide Vanes, IGV)，其以叶片环状排列，在无作动时平行于制冷剂流向，而在需要减少制冷剂流量时，通过改变叶片角度，控制流体进入叶轮的流量大小，同时使流体产生“预漩”，以此调节冷水主机的冷冻能力。然而，不当的设计或控制不仅无法提供当时运转条件所需预漩，反而因增加其流体阻抗而大为降低其效率，故本研究的入口区采无入口导叶设计，模拟时假设为一圆柱流道，称入口直管。

　　叶轮区位在入口区和扩压区之间，叶轮通过马达驱动转轴以高速旋转，进而将制冷剂以高速高压状态带入扩压区。本研究采封闭式叶轮，降低了泄漏损失的影响，主要包含上盖(Shroud)、叶片(Blade)及下盖(Hub)，如所示。

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　　扩压区包含有叶型扩压器(Vaned Diffuser)及无叶扩压器(Vaneless Diffuser)，其主要功能是将来自叶轮的高流速制冷剂的动能，转变为压力能，本文选用的无叶扩压器，模拟假设其扩压流道为一固定宽度的光滑机构，不计其摩擦与泄漏造成的损失。

　　蜗壳的功能是把流出扩压区的流体汇集后，输送至压缩机出口，并在过程中进一步的将流体的动能转换为压力能。

　　由于《蒙特利尔议定书》基加利修正案限制了R134a制冷剂的使用，为了评估其替换制冷剂的特性，比较了三种制冷剂的物性，分别为R-134a、R-1234yf、及R-513A制冷剂，在固定冷冻循环中的蒸发条件及冷凝条件下，由其压力–焓关系可发现，R513A压缩过程的焓值变化介于R-134a与R-1234yf之间。

　　国外冷水机效率大多参考AHRI Standard5501/590或551/591标准，其将负载状态分为100%、75%、50%与25%，并依据使用频率加权各负载的性能系数，其加权系数分别为0.01、0.42、0.45及0.12，通过规范中的加权系数，可发现其着重在75%负载与50%负载的性能系数，其充分显示出部份负载下性能的重要性。国内则参考CNS12375冷水主机能效规范，以满载性能差异分3级进行标示管制。

　　本研究参考280RT磁浮离心式制冷剂冷水机的IPLV实验中的各项边界条件及参数，包含冷水侧的入水温度、出水温度及流量，冷却水侧的入水温度、出水温度及流量、耗电量，推算压缩机的运转条件，如压缩机吸气口与排气口温度及压力，和冷冻循环的质量流率，以此作为模拟的边界条件，并做以下假设：

　　R-134a制冷剂压缩机在IPLV工况下的性能比较如下所述，其总压比为重要比较参数，结果显示仿真可精准预测各工况的总压比，与实验最大差异低于4%，如所示。

　　模拟的叶轮轴功率与实验冷水机电功率如所示，两者差异随负载增加而变大，因差异的原因为压缩机耗功仅为冷水机中主要的大部份而非全部，实验冷水机电功率除模拟所示的压缩机耗工外仍包含其它损失，如变频器损失、马达效率损失、其它机械损失(如主轴效率损失)及与泄漏损失等。

　　总压比比较如所示，可以发现，在部份负载条件下R-134a制冷剂压缩机的总压比较低，R-1234yf制冷剂则较高，而满载总压比R-513A制冷剂与R-1234yf制冷剂相较于R-134a制冷剂，有微幅下降的趋势，使R134a制冷剂的总压比介于R-513A制冷剂与R-1234yf制冷剂之间，考虑在边界条件设计上，为达相同出口总温度，对R-513A制冷剂与R-1234yf制冷剂的转速调整，可能影响总压比，但实际对转速的调整幅度非常小，在满载工况下，转速挑整不超过1%，按相似定理分析后，认为微调转速对满载总压比下降的影响甚微，推测为流场造成替代制冷剂的满载总压比下降。

　　等熵效率比较如所示，可发现，在满载工况下，R-134a制冷剂有着最高的等熵效率，而R-1234yf

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　　制冷剂在满载时的等熵效率为最低，两者相差13.5%，而R-513A的等熵效率则位于两者之间，与R-134a相比下降约10.0%，而在各部份负载工况下，三种制冷剂的等熵效率十分接近，尤其在75%负载与50%负载工况下，等熵效率皆高于89%，在25%负载工况下，等熵效率皆低于82%。

　　压缩机轴功率如所示，可发现，压缩机使用R1234yf制冷剂较使用R-134a制冷剂须消耗更多的输入功率，其主要原因是在于R-1234yf制冷剂在相同蒸发温度下焓差较R-134a制冷剂小，故在相同冷冻能力下，R-1234yf需要更多的制冷剂质量流率，而叶轮也需要消耗更多的能量推动制冷剂，并且该现象随着转速与负载的提升而更加明显。

　　COP比较如可知，相较于使用R134a制冷剂的COP，使用R-1234yf制冷剂在各负载工况的COP均比使用R-134a制冷剂低，而使用R-513A制冷剂的COP则位于两种制冷剂中间，此现象是由于制冷剂在蒸发过程的焓差的不同，R-1234yf制冷剂的蒸发焓差较小，使其在相同能力下需要较多的制冷剂流量，而推动制冷剂所需的轴功增加，COP因而下降，故COP比较图具有与轴功比较图相反的分布趋势。

　　使用R-134a依然具有三种制冷剂中，最高的IPLV，而使用R-1234yf的IPLV则为最低，通过COP比较图可以预测到该结果。以使用R-134a制冷剂的满载COP与IPLV为基准，对各制冷剂的满载COP与IPLV做比较，发现单独比较满载COP时，与使用R-134a制冷剂相比，使用R-513A制冷剂与R-1234yf制冷剂的满载COP分别降低14%与23%，通过IPLV加权计算，R-513A的IPLV与R-134a的IPLV差距缩减至4%，R-1234yf的IPLV与R-134a的IPLV差距缩减至6%，显示出替代制冷剂在部份负载有着较佳的性能。

　　通过观察各冷媒满载工况中，靠近上盖(shroud)处的马赫数分布，可发现叶片间端的马赫数已接近1马赫，其原因原自于R-1234yf的所需质量流率较高，提高质量流率的同时也提高了流体流速，使其工作在临近阻塞(chock)点或发生阻塞的工作区域，导致流动损失增加，同时相较于R-134a制冷剂，R513A制冷剂有着界于R-1234yf制冷剂与R-134a制冷剂之间的焓差，随着R-513A制冷剂所需质量流率的降低，流体流速也随之下降，对等熵效率影响也逐步降低。流场因制冷剂差异所造成的变化效应已反应于上述的等熵效率中，进一步影响因素后续研究仍持续探讨中 [14] [15] [16]。国际上不断提出碳达峰、碳中和约束性发展目标，积极探索能源转型路径，中国作为最大的发展中国家，陆续提出2030年前实现碳排放达峰和2060年实现碳中和的自主目标。面对经济发展和环境变化的双重约束，工业产品在节能减排方面的问题更加迫切和重要。

　　这项研究模拟了R-134a、R-1234yf和R-513A在IPLV条件下的数值分析得出如下结论：与R-134a制冷剂在满负荷条件下相比，R-1234yf制冷剂和R-513A制冷剂的等熵效率最高下降了13.5%，R-513A制冷剂下降了10.0%。在75%、50%和25%的部分负荷条件下，R-134a制冷剂、R-1234yf制冷剂和R-513A制冷剂的等熵效率非常相似，因此与全负荷单点COP相比，每种制冷剂的IPLV差异很小。在各IPLV条件下，R-1234yf制冷剂的压力比略高于R-134a制冷剂2.0%~8.3%，R-513A制冷剂的压力比在75%~25%负荷下比R-134a制冷剂高约2.5%，在满负荷下比R-134a制冷剂低2.0%。