磁悬浮模块化冷水机组
磁悬浮模块化冷水机组
摘要：本文所提到的磁悬浮模块化冷水机组中，磁悬浮所表示的是磁悬浮压缩机，模块化所表示的是冷水机组。本文将从压缩机的发展与模块化冷水机组的发展到磁悬浮模块化冷水机组的结合来介绍。并介绍各个发展阶段的问题和改进方法。
一、引言：
1985年，MUL TISTACK在澳大利亚墨尔本首创了模块化冷水机组，这一与20世纪工业设计潮流相一致的重要发明，以其所标识的节能性、可靠性和灵活性，将制冷空调技术的发展带入了一个新的方向。今天，世界许多国家和地区的用户，都能够正视感受到模块化空调技术所带来的好处，并且在中国，使用模块化冷水机组的建筑越来越多。在2004年MUL TISTACK发明了磁悬浮模块化冷水机组，使制冷空调技术的发展又进入了一个新的时代。
二、模块化冷水机组：
模块化冷水机组的发明者Mr. Ron Conry拥有20年在美国和澳大利亚空调业的从业经验，在20年中他在心中勾勒了一种理想制冷系统的愿望清单：
---紧凑节省空间、易安装且便于操作；
---峰值运行，高效节能；
---可靠且便于维护；
---调节灵活且扩容方便；
在这样的愿望下，他发明了模块化冷水机组。在模块化冷水机组的发明中创造了很多个第一：
1、第一个将板式热交换器应用在冷水机组；
2、第一个将冷水机组内安装水过滤器；
3、第一个开始无油磁悬浮离心式制冷压缩机技术的研究；
4、创造了第一台模块化热泵机组；
5、创造了第一台模块化热回收机组
在模块化冷水机组的发明初期，主要用到的是以下几种设备（压缩机、热交换器、水过滤器）：
1、涡旋式制冷压缩机：全封闭涡旋式制冷压缩机马达密封与机
体内部，吸入的冷媒均匀的流过马达，对马达进行充分的冷
却，确保马达在最佳的环境和温度下工作。涡旋式压缩机内
的动涡旋盘在马达的群东西啊，与静涡旋盘做圆周啮合运动，
纯旋转运动使压缩机的工作平稳、安静。涡旋式压缩机通过
集合结构控制压缩机的吸气和排气过程，没有吸气阀片和排
气阀片，避免了阀片的损失，因此比传统的活塞式压缩机具
有更高的工作效率。
2、螺杆式压缩机：使用的是40000小时长寿命的高强度轴承，
通过电脑控制的压缩机均衡运行，机组使用寿命期内完全不
需要更换轴承。并且与压缩机一体的高效油分离器，将98%
以上的润滑油从排除的冷媒中分离出来，避免过多的润滑油
进入系统，保持压缩机的润滑和机组的效率。
3、板式热交换器：对于水冷型机组，冷凝器和蒸发器为高效、
紧凑、耐腐蚀的MTB钎焊板式热交换器。其板片由不锈钢
制成，在真空炉内焊接而成，板式换热器的制造过程绝对满
足制冷系统对洁净、干燥和无泄漏的要求。由人字形板片以
各种相反的方向叠加组合而成的办式热交换器，其内部通道
使水流形成旺盛的紊流状态，不仅提高了换热效率，而且延
缓了污垢的形成，从而保持传热效率。
4、盘管式热交换器：对于风冷型机组，空气-冷媒热交换器为翅
片套管式热交换器，铝箔制成的翅片，经过机械涨管，紧紧
地贴合在铜管的表面，扩大了空气侧传热面积。翅片表面形
状经过三维强化，提高了气流的扰动度，增强了空气的换热
系数。翅片表面的亲水膜不仅保护了翅片，而且强烈的亲水
性使机组热泵运行时，减小凝结水的倾角，加速凝结水的排
泄，延缓水桥的形成，减小空气流动阻力。
5、内部水过滤器：每个模块单元内部，无论是冷冻水或是冷却
水的进水管上，都安装了MUL TISTACK专利的可拆式内置
不锈钢过滤器，可以避免外部的固体颗粒性杂质随水循环被
带入热交换器，造成堵塞，保证机组安全可靠地运行。
模块化技术的特点有以下几点：
1、节能：模块化解决了部分负荷下效率降低的难题，模块
化冷水机组根据系统需求调节投入相应水量的运行的模块单
元，每个运行中的模块单元都以峰值效率运行。不仅轻松解
决了在部分符合运行时制冷效率降低的问题，而且还大大提
高了运行的效率。使每个模块化冷水机组都能高效运行。
2、可靠：模块化赋予了每个模块单元无可比拟的独立性，
模块化冷水机组中的每个模块单元都是独立完整的制冷系
统。在电脑控制器的控制下，有序运行，当其中的一个或几
个模块单元发生故障时，不会影响其他模块单元的运行。这
样也方便、简化了维修。
3、安装便利：模块化冷水机组中的标准模块单元在现场完
成组合，整个运输及搬运过程不需要大型的起重机器和专门
的楼内通道，简化了在设计时要专门留下通道，运输后又要
填埋的不便，可以轻松运送。
模块化冷水机组不仅有以上的优点，它还能应用于出水温度四摄氏度至二十摄氏度或以上的低温制冷，适用于冰蓄冷的制冰运行，或者工业生产的工艺过程控制。当应用于低温制冷时，根据使用温度的不同，应当使用乙二醇或者其他凝固点较低的溶液作为载冷剂，但不能够使用盐水等对铜或不锈钢有腐蚀性的溶液，以避免损坏板式热交换器。
在模块化技术的基础上，结合变水量控制技术Multistack公司发明了变水量型的模块化冷水机组专利产品，其工作原理是在每个模块单元内安装了冷水和冷却水流量控制阀，这个控制阀和模块单元的压缩机同步工作，当模块单元压缩机投入运行时，模块单元上的流量控制阀同步开启，繁殖，压缩机关闭时，流量控制阀同步关闭。因此，使冷水机组的工作流量和压缩机的制冷输出同步调节，在低负荷运行时，不仅能够节省冷水机组的运行耗电，还能够大幅度节省水泵的运行耗电。更为重要的是传统的变流量应用必须采用二次泵系统，即冷水机组侧的一次泵是定流量的，负荷侧的二次泵才是变流量的。二次泵系统由于冷水机组侧定流量运行，因此，不是一个纯粹的变水量系统，不能完全起到节省水泵电力的目的。而变水量型模块化冷水机组由于机组本身可以适应变水量运行，因此，通过一次泵就可以实现全系统的变水量工作，不仅使系统变得简单，而且能够最大幅度地节省水泵的耗电量。
模块化冷水机组在发明初期，就在中国有了很好的发展，但由于
资金等方面原因，一直没有很广泛的应用，MUL TISTACK公司一直努力的开拓中国市场。在现在，在中国已经应用在了许多的工程中，虽然在初投资上会比传统的冷水机组高，但是在之后的运行中，每年的运行费用的要低很多。在北京某医院的设计中，对于传统冷水机组和模块化冷水机组的投资做了比较，虽然模块化冷水机组的初投资比传统的多了30万元（需要模块化冷水机组3台），但是每年的运行费用（如电费、管理费、维修费、设备零部件更换费用等等）少了10万元，这样三年后的投资就相同了，在之后的几十年使用中可以将少上百万元的运行费用。模块化冷水机组不仅能峰值运行，节省了电量，起到了节能的目的，而且还节省了大量的资金。
三、压缩机的发展过程及各类压缩机优缺点：
（1）活塞式压缩机：活塞式压缩机利用气缸中的活塞的往复
运动来压缩气体，通常是利用曲柄连杆机构将原动机的旋转运
动转变为活塞的往复直线运动，所以也成为往复式压缩机。在
理想化的工作过程中：假设压缩机没有余隙容积、再在吸排气
时没有阻力损失并且没有热交换、没有制冷剂的泄露。但是在
实际过程中由于存在余隙容积，排气之后必须等残余气体膨胀
之后才能进入吸气过程；由于存在阻力，在吸、排气过程中的
压力会随着过程的紧张而降低；由于存在热交换，过程中会出
现吸热或放热。这些都会降低压缩机的效率。并且其中应用的
润滑油也会降低活塞式压缩机的效率。
（2）涡旋式压缩机：主要由一对涡盘组成，其中一个为相对
静止的成为静涡盘，另一个跟随静涡盘作平动的成为动涡盘。
两个涡盘在几个点上啮合并形成月牙形的工作容积。动涡盘一
方面为了与静涡盘啮合而保持不变的旋转半径，另一方面做不
自转的旋转运动，气体由涡盘高度边缘吸入，进图月牙形工作
容积，并在顺时针向中心运动的同时，使工作容积逐渐缩小而
压缩气体。涡旋式压缩机虽然在零件数、机体体积、震动、摩
擦损失、气体泄漏等方面相较活塞式有了很大的改进，单这些
问题仍然存在，并且由于精度的要求限制了它的普及。
（3）螺杆式压缩机：普遍技术较成熟的是双螺杆压缩机，在工作中电机驱动压缩机的阳转子，阳转子带动阴转子转动。
在转动过程中阳转子的齿逐渐侵入阴转子的齿槽使被压缩的制
冷剂体积逐渐减少，压力逐渐升高，并最终被排出压缩机，从
而完成压缩过程。缺点是发生故障时维修复杂并且费用高，震
动大，需定期更换电机等。
（4）离心式压缩机：它与活塞式和螺杆式压缩机不同，是一种速度型的压缩机。它将从吸气口的动能转换成势能，从
而完成将制冷剂从低压气体升高到高压气体的过程。但是在部
分符合较小的时候，压缩机会发生“喘振”现象。
四、磁悬浮压缩机：
无油离心式磁悬浮压缩机是一种完全不需要使用润滑油的压缩机，轴承并非是机械轴承而是磁悬浮轴承，利用磁铁异性相斥的原理，轴承内径与轴的外径同极，使得轴承的内径与轴相互之间不接触。电动机、驱动轴，以及离心叶轮都被磁力轴承托起，处于没有直接接触的悬浮状态，就像是现在的磁悬浮列车一样，因此消除了机械摩擦，在实际运行时，而代之的是气流磨擦，而气流摩擦损失只是机械摩擦损失的百分之二，并且能够大大的降低噪音。不仅如此，它还减少甚
至消除了机械摩擦所产生的效率损失、震动和噪音等等问题。
在轴与轴承之间存在两个磁场：第一个是永磁体，保证轴和轴承之间不接触，可保持30年磁性不消除，30年之内不用大修。另一个是电磁场—数字式的控制系统，每分钟六百万次的测试，时刻保证轴不偏离中心，并且在检测到偏心时及时修正偏心距，使轴的位置偏移量被限制在0.007毫米内，确保压缩机的可靠性。
磁悬浮压缩机转轴的转速可高达到1.8万至4.8万转，而普通压缩机转轴的转速最高的只能达到8000转。由于磁悬浮压缩机转轴的转速高就减小了叶轮半径，一般叶轮半径只有5~8cm，大大节省了空间，这样磁悬浮压缩机就能放到模块化冷水机组中，形成单压缩机配单板换的模块化系统。而且由于系统没有润滑油，因此省去了油泵、供油系统，同时也避免了润滑油对换热器的效率损失，据计算，传统离心式压缩机最多只能做到从制冷剂中分离出最多96.5%的润滑油，而剩下的至少3.5%的润滑油会带来至少8%冷量的损失，不仅如此，90%的压缩机烧毁都是由于润滑失效。可见润滑油的存在带来的损失很大。在磁悬浮压缩机内部配有专门针对电动机冷却的冷却环路。保证电动机不会因为长时间的运行，烧毁而出现事故或是温度过高会造成损失等等问题。
在实际运行中磁悬浮压缩机还有一下两个优点：
1、悬浮压缩机的启动为软启动，启动电流仅为0~6A，传统
的启动电流需要200~600A。并且在实际运行中磁悬浮模块
化冷水机组多个模块是顺序启动，没有冲击电流。前一个启
动平稳后下一个才启动。使得运行更安全。
2、在突然断电时，压缩机中电容器中的电可以保证转轴速
度慢慢变慢直到为零。避免了突然停运对压缩机的损坏。五、磁悬浮模块化冷水机组：
磁悬浮模块化冷水机组是超高效率型的机组。它使用的是磁悬浮无油离心式压缩机，是一个两级压缩机械循环的压缩机，在第一级压缩机腔和第二级压缩机腔之间，具有一个中间吸气接口，它可以吸入一股中间压力的制冷剂，实现经济器循环。它以此为基础，采用了经济器制冷循环，在蒸发器和冷凝器之间安装了一个经济器，从冷凝器冷凝出来的液体冷媒分成两个回路，一个回路的冷媒通过一个膨胀阀膨胀节流后，在经济器中对另外一个回路的液体冷媒进行再冷却，提高将要进入蒸发器的这部分冷媒的过冷度，而膨胀节流的冷媒在经济器内完全蒸发后，由压缩机中间吸气口回到压缩机。
经济器循环可以在几乎不增加压缩机功率的情况下，提高机组的制冷量，是机组达到更高的效率。
磁悬浮冷水机组的COP能达到7.18，而传统的COP只能达到5~6。在最新的改造中，磁悬浮冷水机组的COP值已经达到8，这与逆卡诺循环的极限值又接近了很多，在以后的改进过程中也会有更好的发展。
但是这一技术在中国发展还不是很好，由于初投资的提高，很多公司不愿意使用模块化的冷水机组。在很长一段时间中，模块化机组的效率没有了很大的提高，这也是模块化冷水机组在中国至今没有很好的发展的一个重要原因。MUL TISTACK公司在2004年发明磁悬浮压缩机并将其应用到模块化冷水机组中形成磁悬浮模块化冷水机组后，中国对于模块化冷水机组的应用还是停滞不前的，其中一个很大的原因，就是很多冷水机组的生产厂家(如：海尔)，只引进磁悬浮压
缩机，而不是将模块化磁悬浮冷水机组一起使用，这样将磁悬浮压缩机与自己生产的冷水机组合并使用，不仅使冷水机组的体积并没有减小，而且根本不能很大程度的提高COP。MUL TISTACK公司北京办事处的工程师说，他们现在的目标就是尽可能的做更多的项目，用实际又省钱又节能的实例来推动磁悬浮模块化冷水机组在中国的应用。