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单级压缩机与双级压缩机在超市应用中的比较

(艾默生环境优化技术亚太应用工程部香港)

摘要：单级压缩机与双级压缩机的结构不同，制冷温度覆盖的范围也不同，使用场合应该有所区别。对于大型超市常用的-32℃~-38℃蒸发温度，虽然单双级压缩机都能运行，但实际效果却不同。本文从性能, 成本和可靠性等方面，对单级压缩机和双级压缩机在大型超市食品冷冻冷藏中的应用效果进行了分析比较。

关键词：单级压缩机；双级压缩机；超市冷冻冷藏

随着大型超市在国内大中城市的快速普及，超市食品冷冻设备及应用问题已成为业内人士比较关注的一个话题。

由于超市低温柜所需蒸发温度在－32～－38℃之间，属于比较低的温度范畴。有人就建议使用单机双级压缩机（以下简称双级压缩机），并认为双级压缩机制冷量大，效率高。实际情况要复杂一些。

回顾西方发达国家的超市冷冻业变化，就不难看出其中的问题。上世纪八十年代中后期，随着对环境保护的关注，欧美国家以及澳大利亚等纷纷停止使用R502制冷剂，改用R22。由于R22排气温度高，为了保证足够的蒸发温度（－32～－38℃），当时只能选择双级压缩机。九十年代中后期，环保制冷剂R404A以及POE润滑油等技术被认可后，他们纷纷放弃了R22双级压缩机，再次采用了单级压缩机，并开始使用环保制冷剂R404A。

在此背景下，国内超市热衷于双级压缩机的现象已经开始变化，而部分外资大超市也明确要求使用R404A环保制冷剂和高效单级压缩机。

本文针对大超市食品冷冻应用，从排气温度，制冷量，COP，成本，可靠性等方面，对单双级压缩机进行比较分析，以供参考。

对于普通回气冷却型单级压缩机，如果系统工质为R22，当冷凝温度为54.4℃, 蒸发温度为-40℃时，压缩比为21。如果压缩机回气温度为20℃，理论排气温度将高达193℃（排气管上测得的温度约为160℃）。如此高的排气温度会引起润滑油焦化，直接威胁到压缩机运动件的正常润滑和电机寿命。

双级压缩机的出现，解决了低温制冷时压缩机压缩比过大和排气温度过高这一问题。

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双级压缩机的气体压缩是分两步（图1中AB，CD）在两个气缸（低压气缸及与高压气缸）中完成的。于是，在两级气缸连接管路中喷入中温液态制冷剂，冷却低压气缸排气，即降低高压气缸吸气温度（图1中BC），是降低排气温度的有效方法。中温冷凝液来自冷凝器，并经中温膨胀阀降压降温，才可以喷入高低压气缸间的连接管。显然，系统蒸发温度越低，压缩比越大，用于控制排气温度的中温冷凝液体量就会越大，对系统效率影响也就越大。

对于上文中的工况，如果采用双级压缩机，则理论排气温度为126℃（排气管上测得的温度约为100℃），比普通单机压缩机低了67℃。这样的排气温度是比较理想的。

其实，单级压缩机同样可以利用喷液技术，将液体喷入吸气管路或压缩机吸气腔控，从而制排气温度。带有喷液管路的单级压缩机不但可以很好地覆盖超市所需温度，而且结构简单。

使用R404A后，单级压缩机不用喷液就可以工作在－38℃甚至更低温度。

喷液技术和R404A的采用，使双级压缩机失去了排气温度低的优势。

众所周知，液体过冷度能有效增加系统制冷量，而且冷量的增加与过冷度呈正比，与压缩机种类和结构无关。

随着蒸发温度的降低，制冷量剧烈降低。这时由液体过冷而引起的制冷量占系统制冷量的比重迅速升高(图1,2)。因此，低温下增加液体过冷度就显得格外有效。

于是，双级压缩机常常带有一个与之毫无关系的配件――过冷器。过冷器是冷凝器的补充，它通过消耗（蒸发）一小部分制冷剂，使其余制冷剂温度明显降低。

通过消耗冷凝液，过冷器可以为系统增加相当可观的过冷度。从图3可以看出，当蒸发／冷凝温度分别为－40℃／＋40℃，回气温度为25℃时，谷轮25Hp双级压缩级的过冷器产生的液体过冷度高达28℃，此时过冷器消耗的冷凝液占系统冷凝液的比例高达17%。由过冷而蓄积的冷量(显热)占系统制冷量的21%(图2).

值得注意的是，过冷器在增加双级压缩机制冷量的同时，也明显增加了冷凝热。因此带过冷器的双级压缩机系统需要更大的冷凝面积。遗憾的是，人们往往注意不到这个问题，而是根据经验按照压缩机名义功率（匹数）选配冷凝器, 其结果可想而知。

理论上讲，制冷量不应包括液体因过冷而蓄积的那部分冷量。因此，在实际比较制冷量时，应该排除过冷度的影响，即在无过冷度时进行比较。

图4，5显示了无过冷度时，使用R22的谷轮单级蝶阀压缩机（D4DL－1500）与双级压缩机（D6TA－1500），以及使用R404A后，单级蝶阀压缩机（D4DL-150X）的制冷量和COP，他们的名义输入功率都是15Hp。显然，R22双级压缩机与单级压缩机制冷量相当；而使用R404A后，单级压缩机制冷量明显提高，远远超过R22双级压缩机（图4）。

无过冷度时，双级压缩机不仅在制冷量上没有优势，在COP方面更是大大低于单级压缩机（图5）。这就意味着，获得相同的制冷量，需要消耗更多的能源，并且支付更多的电费。

需要提醒的是，与R22压缩机不同，R404A单级压缩机排气温度一般不高，无需喷液冷却装置就可应用于超市低温柜。

制冷系统的成本可分为固定成本和运行成本。双级压缩机的价格明显高于单级压缩机，双级压缩机需要配更大的冷凝器，因此选用双级压缩机系统的固定成本比较高。然而，对于大型超市冷冻系统而言，压缩机固定成本只是一小部分，每年仅压缩机产生的电费这一项开支就是固定成本的几倍。本文对压缩机的耗电做了详细的计算。

年耗电量计算利用了艾默生环境优化技术软件SELECT，并根据上海地区的气温，模拟上海地区的大超市而进行的。计算中设定：冷负荷是压缩机制冷量的90％，回气温度25℃；双级压缩机液体过冷度0℃，单级过冷度5℃；R22系统冷凝温度与环境（冷却水）温差10℃，R404A系统为8℃；最低冷凝温度为25℃。电费是按1.00元/kWh计算的。

图6给出了三种R22单级和双级压缩机在不同蒸发温度下的年电费开支。从图中可以看出，当蒸发温度为－40℃时，一台25Hp的双级压缩机年电费开支高达8万元，远远高于压缩机的成本。

不同压缩机的制冷量不同，比较运行成本更为有效的方法是按照单位制冷量比较压缩机的年电费开支。

图7给出了R22单级和R22双级压缩机的单位制冷量年电费开支。D4DL-1500和D4DT-2200是谷轮15Hp和22Hp单级蝶阀压缩机；D6TA-1500Sub, D6TH-2000Sub和D6TJ-2500Sub是带过冷器的谷轮15Hp, 20Hp和25Hp双级压缩机。由于两种压缩机的COP明显不同，两种压缩机按制冷量计算的年电费泾渭分明。对于超市食品冷冻常用的－35℃蒸发温度，选用单级压缩机，每年每千瓦制冷量可节约约400元。

对于蒸发温度为－38℃，负荷为60kW℃的大型超市，本文选择了三种压缩机配置方案，并计算了相应的耗电量和电费。三种配置分别为：（1）4台25Hp谷轮双级压缩机D6TJ-2500Sub, R22制冷剂；(2)6台22Hp谷轮单级蝶阀压缩机D4DT-2200,R22制冷剂；（3）3台30Hp谷轮单级蝶阀压缩机D6DT-300X，采用R404A。这三种选择均可满足60kW冷负荷要求, 并有10%以上的余量。计算中设定：回气温度25℃；双级压缩机液体过冷度0℃，单级过冷度5℃；R22系统冷凝温度与环境（冷却水）温差10℃，R404A系统为8℃；最低冷凝温度为25℃（冬天）。电费是按1.00元/kWh计算的。三种配置的年电费开支差别明显（图8）。

五年后，选择单级压缩机所节省的电能达126,830kWh；而选择R404A的节能就更为突出了，节电273,125kWh。按1.0元／kWh计算，仅电费一项开支就节约12万元（R22单级系统）到27万元(R404A单级系统)（图9）。

实际上，除运行成本外，维护成本也是超市要考虑的。因此，系统（主要是压缩机）的可靠性就成为另一个值得讨论的问题。

压缩机的可靠性对大型制冷系统的正常运行和维护成本非常重要。就大型超市低温系统而言，压缩机的可靠性主要包括压缩机应付回液的能力以及压缩机振动两个方面。

回液是超市应用中常见的不利现象，很难避免。回液的破坏作用包括稀释润滑油，引起活塞，曲轴和轴承磨损，严重时会造成活塞咬缸和连杆抱轴等，可能使电机反复经受“堵转电流－绕组高温－热保护－堵转电流”循环破环。而每次启动（堵转），绕组都会受电磁力而扭动，漆包线间会出现相互摩擦。如果有金属屑（管道施工时的铜屑，焊渣，以及活塞，连杆，轴承，曲轴等磨损屑等）夹杂于绕组中，很容易引起绕组短路。

如果回液进入气缸，就容易引起液击（压缩液体），造成阀片破碎，活塞和气缸受损，严重时连杆弯曲或折断，直至整个压缩机报废。

双级压缩机的回气直接进入低压级气缸。从这个角度讲，双级压缩机更像空冷型压缩机。因此双级压缩机应付回液的能力是非常脆弱的。

单级压缩机则完全不同。回气先进入电机腔，电机腔容积大，本身就可以看作气液分离器，而发热的绕组有助于液滴的蒸发。所以在对付回液方面，单级压缩机要比双级压缩机好很多。

压缩机的振动除增大噪音外，还容易引起相连管路破裂，引起制冷剂泄漏。

引起振动的原因很多，比如安装位置与地基，地脚弹簧，减振管，消音器，排管等。本文主要讨论压缩机本身引起的振动。

就常用的6缸压缩机而言，双级压缩机有4个缸用作第一级，另外2个缸用作第二级。当蒸发温度为－40℃（R22）时，高压级气缸在压缩时反作用于曲轴的力往往是低压级气缸的4倍。换句话说，曲轴每转一圈，这个方向的作用力就推曲轴一次，这就使双级压缩机的动平衡性大大降低。而单级压缩机各个气缸对曲轴的作用力大小相同，不存在这个问题。

此外，排气脉冲也是引起振动和噪音的一个重要因素。单级6缸压缩机曲轴每转一圈，有6次排气，而双级6缸压缩机只有2次。显然，双级压缩机排气压力变化的幅度大，频率低，脉动就更为明显。

综上所述，双级压缩机的自身结构决定了其脆弱的处理回液的能力和较大的振动和噪音。因此，在相同工况下，双级压缩机的可靠性比单级压缩机要低。双级压缩机的优势在于超低温应用.

本文分析表明，对于超市食品低温冷冻冷藏应用，双级压缩机在制冷量，COP,成本，可靠性等方面都没有优势。

因此，给超市配置双级压缩机，不但不能发挥其超低温制冷的特长，反而会增加用户负担，浪费能源，并且为日后维护埋下了隐患。

从上世纪90年代中期开始，许多国家已经开始淘汰R22，改用环保制冷剂R404A。由于R404A具有排气温度低，制冷量大的优点。因此，单级压缩机再次回到了欧美国家和澳大利亚的超市冷冻冷藏系统。

从R502到R22到R404A，从单级压缩机到双级压缩机再到单级压缩机，伴随着环境保护的步伐，双级压缩机已经圆满完成了从R502到R404A过渡的历史使命，并将从超市中消失。

增加过冷度可以有效增加压缩机的制冷量。由于超市同时使用中温和低温两套制冷系统，因此，只要在系统设计时稍作改动，利用中温系统（COP高）的一小部分冷凝液和一个换热器，就可增加低温系统（COP低）的过冷度，从而大大增加单级压缩机低温系统的制冷量（图4）。由于中温系统的COP比低温系统的高很多，这种方案将使超市中低温制冷系统更加节能。