第二章往复式制冷压缩机.

第二章往复式制冷压缩机2.1基本结构和工作原理2.2热力性能2.3驱动机构和机体部件2.4气阀2.5封闭式制冷压缩机的内置电动机2.6总体结构2.7润滑系统和润滑油2.8往复式制冷压缩机的振动和噪声2.9安全保护2.1.1基本结构往复式压缩机广泛应用于中、小型制冷装置中。其结构如图2-1所示。图中画出了压缩机的主要零、部件及其组成。压缩机的机体由气缸体1和曲轴箱3组成。气缸体中装有活塞5，曲轴箱中装有曲轴2，通过连杆4将曲轴和活塞连接起来。在气缸顶部装有吸气阀9和排气阀8，通过吸气腔10和排气腔7分别与吸气管11和排气管6相连。当曲轴被原动机带动而旋转时，通过连杆的传动，活塞在气缸内作上、下往复运动，并在吸、排气阀的配合下，完成对制冷剂的吸人、压缩和输送。图2-1单缸压缩机示意图1-曲轴2-气缸体3-曲轴箱4-连杆5-活塞6-排气管7-排气腔8-排气阀9-吸气阀10-吸气腔1I-吸气管12-气缸盖机体：压缩机的机身，用来安装和支承其他零部件及容纳润滑油。传动机构：用于传递动力，包括曲柄、连扦和活塞等部件。配气机构：保证压缩机实现吸气、压缩、排气过程的配气部件，包括吸、排气阀片，阀板和气阀弹簧等。润滑油系统：对压缩机各传动摩擦耦合件进行润滑的输油系统，包括油泵，油过滤器，油压调节部件。卸载机构：它是对压缩机汽缸进行卸载、调节冷量、便于启动的机构，包括卸载油缸、油活塞、推杆、顶针和转环等部件。轴封装置：密封曲轴穿出机体处的间隙，防止泄漏，包括拖板、弹簧、橡胶圈和石墨环。2.1基本结构和工作原理2.1.1基本结构2.1.2工作原理往复式制冷压缩机的工作循环分为四个过程(见图2-2)1.压缩过程通过压缩过程将制冷剂的压力提高。当活塞处于最下端位置1一1(称为内止点或下止点)时，气缸内充满了从蒸发器吸入的低压燕气，吸气过程结束;活塞在曲轴一连杆机构的带动下开始向上移动，此时吸气阀关闭，气缸工作容积逐渐减小，处于缸内的制冷剂受压缩，温度和压力逐渐升高。活塞移动到2-2位置时，气缸内的蒸气压力升高到略高于排气腔中的制冷剂压力时，排气阀开启，开始排气。制冷剂在气缸内从吸气时的低压升高到排气压力的过程称为压缩过程。图2一2压缩机的工作过程图2一2压缩机的工作过程2.排气过程通过排气过程，制冷剂进人冷凝器。活塞继续向上运动，气缸内制冷剂的压力不再升高，制冷剂不断地通过排气管流出，直到活塞运动到最高位置3一3〔称为外止点或上止点)时排气过程结束。制冷剂从气缸向排气管输出的过程称为排气过程。图2一2压缩机的工作过程膨胀过程：活塞运动到上止点时，由于压缩机结构及制造工艺等原因，汽缸中仍有一些空间，该空间的容积称余隙容积。排气过程结束时，余隙容积中的气体为高压气体。活塞开始向下移动时，排气阀关闭，吸气腔内的低压气体不能立即进入汽缸，此时余隙容积内的高压气体因容积增加而压力下降，直至汽缸内气体压力降至稍低于吸气腔内气体压力，即将开始吸气过程时为止。此时活塞处于位置4一40活塞从3一3移动到4一4的过程称为膨胀过程。图2一2压缩机的工作过程4.吸气过程通过吸气过程，从蒸发器吸人制冷剂。活塞从位置4一4向下运动时，吸气阀开启，低压气体被吸人气缸中，直到活塞到达下止点1一1的位置。此过程称为吸气过程。完成吸气过程后，活塞又从下止点向上止点运动，重新开始压缩过程。如此周而复始，循环不已。压缩机经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程.将蒸发器内的低压蒸气吸人，使其压力升高后排入冷凝器，完成吸人、压缩和输送制冷剂的作用。•在表征压缩机的各项性能指标中，将着重讨论与制冷机的制冷量和能耗有关的压缩机输气能力和功率消耗。这是因为现代的压缩机设计要求以较小的气缸容积供应所需的输气量及相应的制冷量，而压缩机的尺寸与气缸工作容积的利用程度有密切的联系;此外，压缩机是一种消耗能量的机器，不断降低其能耗对节约能源、减少费用，有十分重要的意义。2.2热力性能实际循环与理论循环的差异余隙容积气阀弹簧力气体与缸壁及活塞间的热交换和摩擦气体泄漏损失润滑油和吸入湿蒸汽的影响2.2热力性能2.2.1单级往复式压缩机的理论循环在工程热力学中已经讨论过单级往复式压缩机的理论循环，它排除了在其实际循环中所不可避免的容积损失，质量损失和其它各类不可逆损失。从理论循环的研究中可以找到一些循环基本热力参数间的关系、提高循环指标的基本途径以及确定循环的极限指标，用来评价压缩机实际循环的完善程度。衡量压缩机最主要的两个性能指标是其输气量和功率消耗，总是要求以最小的功率愉人获取更多的输气量。对制冷压缩机而言，在给定工况下的翰气量大小是与其制冷大小直接相关的。一、压缩机的理想工作过程•1、压缩机没有余隙容积•2、吸气与排气过程中没有压力损失。•3、吸气与排气过程中没有热量的交换。•4、无漏气损失。•5、无摩擦损失。从图2-1可知，每一循环从一个直径为D,活塞行程为S的气缸中排出的气体容积，如其余隙容积为零，即排气行程结束时的气缸中容积为零，则按压缩机进口处吸气状态(Pso、Tso)计算，等于活塞移动一个行程所扫过的气虹工作容积Vp，单位为m3,即一、往复式压缩机的理论输气量.图2-1单级往复式压缩机的理论循环其中，过程d-a和b-c均为可逆绝热的流动过程。因而d点和a点的气体状态相同，因而b点和c点的气体状态相同，过程a-b为可逆绝热的压缩过程，即等熵压缩过程。过程c-d是压力降低过程，因为此时压缩机的余隙容积为零，故c-d是一条垂直线。式中D—气缸直径，单位为m;S—活塞行程，单位为m（2-1）SD4V2P压缩机的输气量有容积输气量和质量输气量之分。理论容积输气量qvt，。(或称理论排量)，单位为m3/h，是指压缩机按理论循环工作时，在单位时间内所能供给、按进口处吸气状态换算的气体容积。即：（2-2）式中:i-压缩机的气缸数;n--压缩机的转速，单位为r/min压缩机按理论循环工作时，单位时间由吸气端送到排气端的气体质量称为理论质量输气量于是，压缩机的理论质量输气量qmt，单位为kg/h，为：（2-3）式中。，vso—进气口处吸气状态下气体的比体积，单位为m3/kg2PhinSD12.47inV60V2.压缩机的等熵比功压缩机完成理论循环时，吸人lkg气体所消耗的功，称为等嫡比功，它由吸、排气则吸人气体的过程的流动功和压缩过程的压缩功综合而成。令活塞对气体所做的功为正值，体积为V时，输人压缩机的Wt为:（2-4）对于等嫡比功（2-5）式中、wts—等嫡比功，单位为J/kg;hdk--制冷剂在吸气状态下的比焓，单位为J/kg;hso制冷剂在排气状态下的比焓，单位为J/kgbaVdpWtsodkshht2.2.2往复式压缩机的实际循环压缩机气缸内进行的实际过程是相当复杂的，通常用示功器记录不同活塞位置或曲轴转角时气缸内部气体压力的变化，所得的结果就是P-V示功图或P-θ。图，如图2-4所示。有了P-V示功图或P-θ。图，便可运用热力学理论和积累的经验，对整个工作循环及各个工作过程作出分析、判断。把具有相同吸、排气压力，吸气温度和气缸工作容积的压缩机实际循环P一V示功图1-2一3-4一1与理论循环指示图a一b一c一d一a(图2一5a)以及相应的T一s、图(图2一5b)实际循环和理论循环的比较实际循环：1-2-3-4-1理论循环：a-b-c-d-a压缩机具有相同吸、排气压力，吸气温度和汽缸工作容积；与理论循环相比，实际循环多一个膨胀过程；在吸、排气时存在压力损失和压力波动，在整个工作过程中气体同气缸、活塞间有热量交换和摩擦，在气缸与活塞间隙及吸、排气阀之间还有气体泄漏。1)余隙容积Vc中的气体在膨胀过程中与所接触的壁面发生热交换，其强烈程度和热流方向随时间而变。所以，过程的多变过程指数是一个随时间而变化的数值，而理论循环无余隙容积，故过程。c-d是一条直线。当余隙容积内的气体膨胀到压力Pso。时，处于图2一5a的点是5(状态为Pso,T5)，而不是理论循环的点d(Pso,Tso)。2)由于吸气阀的弹簧力，使余隙容积中的气体一直膨胀至点4，气体才被吸人气缸，气体进人气缸后，一方面因流动阻力而降低压力，另一方面一与所接触的壁面以及余隙容积中的气体进行热交换，使吸气终止时缸内气体压力变为。温度为T1(图2一5a的点1),T1Tso,}，而理论循环的吸人过程为d一a，吸人过程中气体的状态不变，压力为Pso，温度为Tso.3)在压缩过程中，缸内气体与所接触壁面进行热交换:压缩过程的前期，因气体温度低于壁面温度，故气体放热;压缩过程后期，气体温度高于壁面温度，气体向壁面放热。气体落缩至压力pdk时，受气阀弹簧力的影响，排气阀并不开启，直至点2时才打开排气阀，进行排气由于这些因素的存在，压缩过程已不是理论循环的等墒压缩过程a一b，而是实际循环的1一24)在排气过程中，气体需克服流动阻力，因而排气终止时，P3Pdk,或写成P3=Pdk+△Pd3,而理论循环的排气过程为b-c。，排气过程中气体的状态不变,压力为Pdk，温度为Tdk。5)气缸内部的不严密性和可能发生的吸、排气阀延迟关闭都会引起气体的泄漏损失。6)就进人压缩机的制冷剂成分和状态而言，在理论循环中假设制冷剂为纯粹的干蒸气，但在实际运转时，往往有一定数量的润滑油随同制冷剂在制冷系统中循环;此外，有时被吸人的制冷剂为湿蒸气，这均影响压缩机的输气能力和功耗。2.2.3压缩机的实际输气量比较实际循环和理论循环可以看出，实际循环输气量小于理论循环输气量。实际循环输气量与理论循环输气量的比值称为容积效率，用表示，即1.影响单级压缩机容积效率的因素容积效率、与容积系数λν、压力系数λp、温度系数λT:和泄漏系数λl，有关。这四个系数的定义如下:1)容积系数λν、容积系数反映余隙容积对容积效率的影响。当余隙内的气休(状态点3)膨胀到压力Pso(状态点5)时，可吸人的气体体积v‘比理论吸人体积Vp减少△v‘,如图2-6a所示。定义λν理论实际vvvη(2)压力系数λp，压力系数反映吸气终了气缸压力降△Ps1,对容积效率的影响。一般情况下，吸人气体由于流动阻力的缘故，P1低于Pso(图2-6a)，导致吸气容积损失△V“。只有吸气管内发生较强烈的压力脉动时，才有可能出现P1大于PSO的情况，那时△V”是负值(图2一6b上的点6，它是压缩过程线1一2的延长线与Pso等压线的交点)，吸气容积增大.定义压力系数λp。为(3)温度系数λT:温度系数是用以衡量气体在吸气过程中的温升对容积效率的影GI_=度。实际吸人气体的容积△V”虽然已经把压力折算到吸气压力Pso的状态，但是如前所述。这部分气体的温度从吸人压缩机，进人气缸，直到开始压缩这一过程中，已由Tso上升至T1，若完全按吸气状态的温度计算，则其折算容积Vx要小于V”。定义温度系数入T:为(4)泄漏系数λl气缸输出的气体容积泄漏系数反映气体泄漏对容积效率的影响。泄漏的存在使得最后Vy(换算到吸气状态的Pso、Tso)要小于Vx。定义泄漏系数为按容积效率:的定义，得出容积效率与上述四个系数的关系为容积效率又称输气系数，为压缩机实际输气量与理论输气量之比，是衡量汽缸空间利用程度的指标。qvaqvtvvpTl效率（2）单级压缩机的容积效率影响因素分析1、容积其中，容积系数λv、压力系数λp、温度系数λT、泄漏系数λl活塞式制冷压缩机的实际工作中，吸入的制冷剂蒸气容积并不等于活塞排量。原因是：容积效率压缩机结构上不可避免存在余隙容积；吸、排气阀阻力；气阀部分及活塞环与气缸壁之间的气体内部泄漏；吸气过程中气体与气缸壁之间的热交换等。因此，实际输气量永远小于理论输气量(活塞排量)，两者之间的比值称为压缩机的容积效率（输气系数），其大小反映了实际工作过程中存在的诸多因素对压缩机输气量的影响，也表示了压缩机气缸工作容积的有效利用程度，通常可用容积系数λv、压力系数λp、温度系数λT、泄漏系数λl的乘积来表示。容积系数λv压力系数λp温度系数λT泄漏系数λl可直接从P-V示功图求得不能从P-V示功图直接求得它们都与