麦克维尔离心式冷水机组设计简介：
双压缩机设计
双压缩机冷水机组比单压缩机效率更高、安装成本更低、占地空间更少、可靠性更高。
典型负荷分布
大部分建筑物一年中大约只有几小时（的的确确是以小时
计）是处在最大设计负荷情况下的。而且事实上有些建筑，
比如学校，可能就从来不会达到其最大设计负荷。除了个
别的考虑外，人们为什么还要去关注冷水机组在满负荷下
的性能系数（COP）呢？其实真正应该关心的是“冷水机
组在绝大多数实际负荷条件下的运行费用到底是多少？”
麦克维尔双压缩机冷水机组的部分负荷效率是迄今最为理
想的。在5%-100%的负荷范围内对大多数建筑物而言每年
至少有70%是处于这种情况下运行的，这样双机头机组的
效率便得到了最好的发挥。上述所示建筑物的负荷曲线是
基于对各种类型建筑物负荷的详尽研究之后所作出的。
HFC—134a
保护整个大气臭氧层
麦克维尔正压设计：不需吹除和真空保护系统，无污染。
HFC—134a 在整个制冷剂系统中都在高于大气压力的所
谓正压下运行的。而对于负（低）压系统，运行期间会有
不凝性物质（空气等）进入系统，为保持机组的性能，一
定时期后必须停机，并用吹除放空设备来除去这些不凝性
物质。吹除放空设备，即使是最新的“高效”型的，也会
不可避免地使制冷剂随那些不凝物质一起抽出，并排放到
大气中去。1990 净化空气行动订立并从1992 年7 月1 日
开始禁止有意排出CFC 和HCFC，而环保型正压系统则杜
绝了这一现象的发生。
制造商和维修人员在生产或维修时都特别注意要确保制冷
系统的干燥。因此如果再选择购买运行时会使含有水分的
空气渗入HCFC-123 负压冷水机组就显得毫无意义了。
除了制冷剂的损失和吹除放空设备的维修问题外，负压机
组还需要一个真空保护系统。此系统在机组停机时加热制
冷剂，以获得正压。遗憾的是，真空保护系统只有在机组
停机时才工作，而在机组运行时却不能解决与真空有关的
问题。另外，机组真空加热系统还会额外地耗费能量。
能更可靠
由于是正压设计，麦克维尔离心式冷水机组具有更加可靠
的性能。正压避免了严重影响机组效率的不凝气体的侵入。
这些外来的附在热交换器内表面上的气体能使机组在满负
荷时的效率下降14%之多。
由于没有不凝物质，正压还避免了油的分解变质。变质的
油会发生酸化而损坏电机绝缘并腐蚀破坏其轴和轴承。正
压系统无此缺陷，因而提高了油的使用寿命。
无吹除放空系统
不会破坏臭氧层
降低运行成本
减少年维修费用
负压冷水机组还必须经受机房里不断渗入制冷剂回路的水
分和不凝气体的考验。螺栓连接处、导叶与出口连接处、
电机接线端和控制管路连接处都是容易导入外界气体的薄
弱环节。当机组处在有盐雾的轮船上运行时则更须防范。
所有不凝气体都要被分离、收集，并且要不断把它们从系
统中抽除。
为延长负压制冷系统的使用寿命，必须要有一个自动吹除
放空系统作为标准辅助设备。现在使用的有很多种类的带
压缩机或不带压缩机的吹除放空系统，旧一点型式的效率
从50%到80%不等，更新类型的高效系统效率可达到或超
过95%，此效率可衡量在抽除不凝性气体的同时带出的制
冷剂的多少。吹除放空系统使用的同时也伴随着制冷剂周
期性地向大气层释放，因而也不可避免地增加了补充制冷
剂的费用。
所有McQuay 离心机使用正压制冷剂，因此
无杂物进入系统回路
不会损坏电机绝缘层，润滑油不会变质
不会因不凝物的存在而降低换热系数，从而提高运行费
用
不会因系统有湿气而腐蚀换热管
无吹除放空设备的年维修费用和增购费用
无更换油、过滤器和替换制冷剂的费用
无制冷剂周期性扩散到大气层
环境及人类保护
随着空调工业的不断发展，HFC-134a 作为未来的制冷剂，
通过一种平衡近似法，选择HFC-134a 的合理性日益凸现，
这种平衡近似法主要考虑如下几种因素：
ODP 臭氧损耗潜值：衡量对大气臭氧层的潜在损耗。这
种损耗是由制冷剂中所含的氯所引起的，即HCFC-123
中的第1 个“C”。HFC-134a 不含氯，它的ODP（臭
氧损耗潜值）为0。
GWP 全球变暖潜值：衡量对造成全球变暖的温室效应的
影响程度，其数值，以CO2 的GWP 为参照（时间尺度
为100 年），HCFC-123=90、HFC-134a=1300，使用
HCFC-123 的制造商会设法让你相信GWP 是衡量全球
变暖效应的主要衡量参数。其实这只是问题的一个方面。
TEWI（总热当量效应）：为了科学的反映事物本质，必
须综合考虑GWP（全球变暖潜值），机组制冷剂的排放
率和制冷系统效率，即必须采用一种系统的方法来评估
制冷剂对全球变暖的真正影响，在这方面科学家们已经
取得了一致意见，那就是TEWI。就一台冷水机组来说，
若与供给机组所需电力的电厂的CO2 排放量相比，GWP
所占的份额是很小的。对于TEWI 值来说，HFC-134a、
HCFC-22 或者HCFC-123 之间是没有什么本质差别的。
下图所示的比例可能会随机组制冷剂的损失和当地发电厂
的效率而稍微有所变化。机组操作人员必须设法保持机组
不泄漏并使机组尽可能在最高效率下运行。因为每年能耗
（考虑电厂输出）是衡量的基准，麦克维尔优秀的部分负
荷效率便意味着使电厂CO2 排放量更低，亦即TEWI 值更
低。
实在的系统效率（kW/TR）：每台冷水机组的全年电耗
包括如泵和风扇等辅助设备，它们也很大地影响着系统
的最终能耗和电厂的CO2 排放量。
毒性和易燃率：1997ASHRAE 基础手册
HFC-134a ⇒ A-1
HCFC-123 ⇒ B-1
A = 无明显毒性
B = 有明显毒性
1=在100℃，50%相对湿度，1 个大气压下无燃烧火焰
HFC-134a 的未来
1990 年11 月的净化空气行动，要求EPA（环境保护委员
会）加速对I 级（CFC）和Ⅱ级（HCFC）制冷剂（如果非
常必需的话）的禁止计划。这给HCFC（包括HCFC-22
和HCFC-123）留下了一个继续使用的余地。HFC-134a
并不在净化空气运动或蒙特利尔公约的控制或禁止之列。
商用空调、家用空调及汽车工业正是已经使用并将继续使
用HFC-134a 许多市场中的一部分。将来的发展重心将由
对HFC-134a 的市场需求转变为如何获得性能更加稳定，
价格更低的HFC-134a 产品。
压缩机设计
齿轮驱动式离心压缩机效率高于直接驱动式离心式压缩机
的效率原因在于叶轮的设计并将其应用到制冷系统的结
果。逐步增加的热交换面积和现代热交换器效率已经要求
压缩机头和叶尖速度也随之改变。在单压缩机尺寸范围内，
直接驱动设计已使得制造商们很难在接近或处于峰值叶轮
效率下选择叶轮。选择低效叶轮的机组，也许在最大负荷
时能够得到所需的COP 性能系数，但在部分负荷时它的运
行特性将直接削弱，从而增加了年运行费用。麦克维尔齿
轮驱动离心机有一系列顶尖速比，允许在部分负荷到满负
荷范围内选择最大效率的叶轮。设计标准使齿轮机械损耗
限制在0.5%以下，通过选择齿轮所获得的叶轮效率使冷水
机组的效率提高7%。在电力费用持续上升的今天，由齿轮
传动而取得的最大效率的经济优势就更加的显而易见了。
延长电机寿命
麦克维尔先进的紧凑压缩机设计使得其运行可靠性和耐用
性更高。一个很好的例子就是它大大延长了电机的寿命。
电机启动时，使定子电流上升直至电机转矩达到其运行速
度80%时的扭矩。此时定子电流可上升至电机满负荷时的
6 倍还多。麦克维尔压缩机通过其独特设计的且重量极轻的
齿轮驱动系统大大减小了启动电流对电机的冲击，并能使
500TR(1750kW)的压缩机在3 秒内达到运行速度。
压缩机停机安全
另一个优点就是压缩机停止运转的时间很短。在正常情况
下，压缩机停机时油泵将继续一段时间供油以润滑轴承。
然而当电力突然中断时，油泵将无法供油润滑。麦克维尔
独特的传动设计，使得压缩机能在15 秒内停止运转。为防
止压缩机轴承损坏，压缩机内还设计有紧急供油槽，能在
电力中断情况下确保压缩机润滑部位的要求。
单级意味着节约
压缩机效率不是由多级叶轮决定的。不仅是在峰值，更重
要的是在部分负荷下保持最佳效率是整个压缩机和冷水机
组设计的关键。它包括：
电机效率
制冷剂类型
冷凝器和蒸发器的换热面积
压缩机的机械磨损
叶轮和导叶设计
制冷剂流动通道
上述内容中，多级压缩机设计很少考虑一级叶轮排气和下
一级叶轮进气之间制冷剂流道对实际和理论性能影响的因
素。单个流道能量损耗将大于或等于蒸发器出口与第一级
叶轮进口之间的吸气流道的能耗，这取决于整个压缩机设
计的紧凑性。单级叶轮设计消除了这一额外损耗，从而使
系统拥有最大的效率。
多级离心机在一典型空调系统的压力和容积范围内运行时
最主要的优势是在体积流量减少或负荷降低时能增加叶轮
势能系数。麦克维尔倾向于单级叶轮，通过在叶轮排气设
置首创的可调散流滑块，获得了更优于多级系统的稳定的
运行工况范围。这样， McQuay 机组允许在
10%-100%(WDC 双机头型从5%-100%)能量范围以最高
的效率运行而不发生喘振，无需热气旁通。
压缩机的最佳效率取决于每一个叶轮的设计。麦克维尔叶
轮铸件，两侧全封闭。尽管有16 片后倾式叶片且以某一特
殊距离排列的复杂构造，但通过采用特殊的工艺保证了它
们的精确一致。麦克维尔叶轮设计不但把进口处压力损失
减至最小并使压缩机效率最大，而且将噪音降低到相当低
的声量级，简单小巧的散流滑块和蜗壳设计使压缩气体直
接进入冷凝器，从而保证压缩机效率。
离心式压缩机转速和叶尖速度的
真正影响因素
“它转速有多快？”是人们讨论压缩机时普遍关注的问题。
直接驱动式压缩机制造商们广泛宣扬的一个理念是：对于
压缩机的寿命、效率和可靠性而言，起决定作用的因素是
压缩机的转速。这是绝对错误的。工程测试表明转速本身
并不是回转式机械部件设计所要考虑的问题。实际上这些
部件设计准则所要考虑的是叶轮外边缘速度（叶尖速度）、
质量和物理尺寸。轴、轴承和叶轮的设计是基于诸如表面
速度，直径、重量、旋转和扭转关键点速率以及材料和所
用的润滑系统之上的。作用在叶轮上的应力是与叶尖速度
的平方成正比的，转速只是叶轮直径方程式中的一个变量。
在离心式压缩机的设计中，有两个基本的参数必须决定，
即叶轮直径和叶尖速度。使用如HCFC-123 负压制冷剂，
系统的制冷剂流量较大，因而也需要一个较大直径的叶轮
和制冷剂管道以保持压降在一个合理的范围内。压力降过
大将减少制冷量并使输入功率增加。使用在正压下运行的
制冷剂如HFC-134a 系统由于其所需的制冷剂流量较小，
因而其叶轮直径和吸气管尺寸都较小。HCFC-123 所需制
冷剂气体流量（英尺3/分/冷吨）大概是HCF-134a 的6 倍。
按ARI 标准工况，HCFC-123 每1 冷吨制冷量需18.1 英尺
3/分(8.54 升/秒)，相比而言，HFC-134a 只须3.2 英尺3/分
(1.5 升/秒)。这就说明，在给定的制冷量和相同压降下，
HCFC-123 系统的叶轮进口交叉部分面积“轮眼”以及吸
气管和排气管大小将是HFC-134a 系统的6 倍。轮眼直径
是决定整个叶轮直径和几何参数的主要因素。
除了轮眼直径，叶尖速度要求也是离心式压缩机的设计者
们所必须考虑的。为产生所需的压差，离心叶轮必须达到
一定的叶尖速度。叶尖速度是叶轮顶端相对于周围参照物
的速率。可想象如果一个观察者站在叶轮上，他将看到他
周围的物体将以一定的速度从他身边经过。这个速度便是
叶尖速度，通常表示为英尺/秒（或米/秒）。汽车在路上行
驶也与此类似，轮胎的顶尖速度就是这部汽车的速度。
由于已经讨论到的所有制冷剂都要求顶尖速度在670~700
英尺/秒（204~213 米/秒），我们看到叶轮的角速度在很大
程度将受到其直径的影响。前面讲过由于所需制冷剂流量
的差异，负压系统的叶轮会比正压系统的尺寸大很多。更
大直径的叶轮的转速必须比小直径叶轮的转速低。
我们可以再以汽车行驶为例来阐述不同的直径和转速所产
生的叶尖速度的差异。假想公路上两辆不同轮胎大小的载
重汽车均以55 哩/时的速度行驶。 同样是55 哩/时的顶尖
速度，轻便车小轮胎的转速将比大卡车轮胎的转速高很多。
直径和顶尖速度的关系方程式如下：
转速（rpm）=[叶尖速度（英尺/秒）×229.2] /
直径(英寸)
或转速（rpm）=[叶尖速度（米/秒）×1910] /
直径（厘米）
上式也表明，在给定的速度要求下，直径更小的叶轮工作
时转速比大直径叶轮工作时转速要高，并且应力与叶尖速
度的平方成正比。
麦克维尔最新型百万美元投资的压缩机测试站，拥有最完善的数据收集功能，提供设计压
缩机时各参数的准确性
相同顶尖速度的叶轮其应力也相同。
由于叶轮轴大小必须能够支撑叶轮产生的静载及旋转和扭
转载荷，随着叶轮的增大，轴尺寸也必须相应地增加。设
计和选择轴承时也必须考虑这些因素。轴承设计要考虑的
准则有：
1. 轴承单位面积载荷
2. 轴承两表面间的相对速度
3. 轴承面积
4. 润滑油的粘度
注意第2 项指的又是叶尖速度。表面速度是内轴承表面顶
部速度或者是主轴相对于外轴承的速度，如下所示。
一台机器，更低的旋转部件质量将延长其轴承的寿命。在
轴开始旋转前，轴是紧密接触在轴承上的。一旦轴开始飞
转，轴和轴承之间便会形成油膜并由其支撑着轴。正压机
器较低的质量不但使作用在轴承上的负荷更低，并且先进
的齿轮驱动式压缩机的低惯性和大的旋转加速度也使得此
支撑油膜更快建立起来。这两项特征大大地减少了压缩时
的磨擦。停止运转时间越快，则越好。
右表列出了离心压缩机现在通常使用的制冷剂的几种对比
参数，注意在叶尖速度这一项各自相差均在8%以内。轴承
设计，特别是轴承寿命，主要是由以上几项决定的。转速
本身作为一个绝对量只是设计步骤方程式的一半。我们也
可以看到转速很高体积和重量都很轻的部件实际上也能减
少作用在轴承上的载荷和磨擦。
对轴承的设计和轴承寿命起决定作用的是其表面速度和其
所要承受的载荷。还是拿轻便车与载重大卡车相比，人们
可以看到虽然轻便车轮子转速比大卡车快得多，但大卡车
轮子轴承质量和强度必须更好，原因就在于大卡车的载重
大的多的缘故。轴的转速对轴承的磨损影响不大。
所有麦克维尔离心式冷水机组使用的制冷剂都是
HFC-134a。使用这种制冷剂机组的一些设计特点，如运转
部件体积小、质量轻、惯性低、转动加速度大和设计简洁
等等，从1962 年制造出的第一台此种冷水机组开始，便不
断以雄辩事实证明了它的优越性。
制冷剂 HCFC HFC HCFC 123 134a 22
冷凝器压力 100℉时psig 6.10 124.1 195.9
蒸发器压力 40℉时psig
（英寸水银真空）
(18.1) 35.0 68.5
制冷剂循环流量 磅/分钟/
冷吨
3.08 3.00 2.78
气体流量 cfm/冷吨 18.15 3.17 1.83
叶尖速度 英尺/秒 656 682 707
臭氧损耗潜值 ODP 0.02 0.00 0.05
说明：
1psig=0.0703 千克/厘米2（表压）
1cfm=1.70 米3/小时
1 英尺=0.3048 米
机组设计紧凑降低安装费用
就制冷量比较而言，HFC-134a 系统压缩机所需的制冷剂
循环量平均每冷吨少于3.2 英尺3/分（1.5 升/秒），而
HCFC-123 则超过18.0 英尺3/分（8.5 升/秒）。制冷剂流
量的增加，相应地也要求更大的吸气管和更大尺寸的压缩
机部件，以维持负压设计系统的气体制冷剂流动速度、噪
音和制冷剂压力损失在合理范围之内。相反，麦克维尔离
心机较小的物理尺寸，更具有以下优点：
允许机房面积更小
起运安装费用低
对于较小冷量的机组，机组可以通过标准机房门，故可
按原计划进行建筑施工而不必先安装机组
部件联接处表面积更小，减少了制冷剂泄漏可能
螺栓联接设计使安装更方便
机组主要部件：蒸发器、冷凝器以及压缩机之间是通过螺
栓联接的，必要时可把它们拆开以完成难度较大的吊装工
作。冷水机组发货前由工厂装配，可在麦克维尔授权技术
人员的监督指导下在安装现场进行拆卸和重装。
热交换器
麦克维尔高效壳管式满液蒸发器
麦克维尔离心式冷水机组采用的都是高性能换热器。与以
往设计相比，现行的独特设计使传热效率增加了16%，并
使制冷剂充注量减少40%。冷水机组的设计、制造和测试
都遵循ASME（第Ⅷ部分）、ASHRAE 标准15 要求和TEMA
推荐标准、中国的相关标准或欧洲压力容器标准（ISPESL，
TUV）设计。
可更换的蒸发器及冷凝器换热管都是高效内螺纹加强型
管，壁厚为0.025 英寸铜管。可供选择的还有0.028 英寸
厚蒸发器换热管及均为0.035 英寸厚的蒸发器和冷凝器换
热管。材料可为90/10 铜镍合金、不锈钢或者钛合金。
换热器水侧可为1、2 或3 个流程，并包有20mm 厚的聚
硝酸乙烯标准蒸发器保温材料，所有缝隙都用胶粘住，从
而形成一个有效的保温屏障。整个机组包括可拆封头和管
板都由工厂进行保温包扎。
HFC-134a 叶轮与HCFC-123 叶轮的比较
左边：麦克维尔单级300 冷吨叶轮，直径=16cm，重量=1.4kg
右边：HCFC-123 压缩机300 冷吨三个叶轮的其中一个，直径=66cm，重量=12.2kg
润滑系统
单独驱动的油泵组件以一定的温度和压力将油送至所有轴
承表面及能量控制系统。
控制系统控制压缩机必须在油压达到规定值后才能启动，
并保证压缩机停机时油泵继续工作，以保证润滑。
从油泵来的润滑油经板式换热器和单级或双级百万分之五
的油过滤器后进入压缩机。所有轴承表面都被压力油润滑。
供给驱动齿轮的油是一种雾状油，它能同时起润滑和冷却
作用。
能量控制系统通过油泵中的油压调节进口导叶的位置以适
应机组冷冻水温度的变化，即冷量变化。
一旦电力中断，紧急供油槽将保证供给一定压力的润滑油，
防止断电间因油泵停机而产生机械损坏。
麦克维尔冷水机组是正压运行，所以通常无须经常性更换
润滑油或油泵。建议每年油检一次，以检查润滑油是否变
质。
SurgeGard
压缩机防喘振设计
当离心式压缩机在部分负荷下运行时，进入叶轮的制冷剂
气体体积减少，此时叶轮提高峰值负荷压头的能力也下降。
如果冷凝器冷却管污垢太多，冷却塔故障或控制失效，则
压缩机内压力升高，此时就可能会发生旋转脱速或喘振。
在正常运行状态条件下，所有WSC 机组可在10%能量下
运行而不喘振，而WDC 型机组可在5%能量下正常运行。
针对异常状况，麦克维尔压缩机的设计者开发出了一套保
护控制系统，能感测喘振发生并在喘振发生之前使压缩机
停机。这种称为SurgeGard（防喘卫士）的保护系统，已
作为统一标准装在所有麦克维尔离心压缩机上。
无热气旁通，单机头机组10%~100%冷量
下，双机头机组5%~100%冷量下，安静、
平稳运行
麦克维尔冷水机组在满负荷时冷量达到最大，通过入口导
叶和可调排气散流器，使其冷量在10%~100%可调。这个
看似奥妙而又微不足道的设计细节，象麦克维尔其他的创
新一样，是真正让用户受益的东西。压缩机若不能象这样
很好地卸载，或者如大多数压缩机通过热气旁通卸载，都
会在低负荷下运行时造成能量的极大浪费。
能量控制机构无泄漏
操纵导叶的油压活塞，装在压缩机的内部且内部驱动，从
而消除了外联机构的泄漏及密封问题。导叶位置根据冷冻
水出水温度变化而定。在吸气压力过低或达到电流限定值
时，内设补偿控制将自动关闭导叶。
抽空系统
当冷冻机内部组件需要维修时可用抽空系统收集并保存制
冷剂而不会有制冷剂损失。
冷凝器设计容量在环境温度为32℃(90℉)时应用其90%容
积便可以容纳机组全部的制冷剂。冷凝器进气管装有密封
性很好的截止阀，出液管装有一个手动截止阀。冷凝器和
阀的设计均符合美国D.O.T(运输部门)对制冷剂容器运输
的严格规定和ASME 容器标准之要求。当维修需要时，可
通过重力作用或开启压缩机将制冷剂排至冷凝器。省去了
外部抽空装置的成本和占地，又是麦克维尔机组的一大优
点。
热力膨胀阀
在整个冷量范围内控制制冷剂流量，节约了运行能耗费用。
冷负荷及冷却水温每天都在变化，其他冷水机组的制冷剂
浮球阀和孔板流量计是根据峰值负荷和最大冷却水水温所
选择的，在超过95%的运行状态下都只部分控制制冷剂流
量。
不论冷负荷或冷凝温度如何变化，麦克维尔导向操作热力
膨胀阀直接根据吸气过热度控制制冷剂流量。这样做，可
在整个运行范围内的综合利用压缩机、蒸发器和冷凝器的
效率，同时也无孔板和浮球阀具有的制冷剂间隙回流和过
热的缺点。
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