制冷压缩机研究现状及发展趋势

龙源期刊网制冷压缩机研究现状及发展趋势作者：董丽玮来源：《名城绘》2018年第07期摘要：制冷系统中，压缩机作为核心部件，在制冷空调行业有着极为广泛的应用。本文总结了现有压缩机的应用和研究动态，并通过对比分析各类型制冷压缩机的性能优劣，指出其发展趋势。关键词：制冷压缩机；研究动态；发展趋势制冷系统中，压缩机通过工作，将制冷剂蒸汽从低压提到高压，为气态制冷剂在冷凝器中冷凝液化创造了条件；压缩机通过消耗电能，使制冷剂在制冷系统中持续地克服阻力不断循环流动，从而完成制冷循环。因此，制冷压缩机的热力性能与可靠性，是决定制冷系统的热力性能及可靠性的关键性因素。本文通过总结分析现有压缩机的应用现状和研究动态，对比各类压缩机的性能优劣，提出制冷压缩机未来的发展前景。1、制冷压缩机的分类根据工作原理，制冷压缩机可分为容积型压缩机和速度型压缩机。容积型压缩机通过强制缩小气体容积的方式来提高气体压力。容积型压缩机又可分为回转式压缩机和往复式压缩机。活塞式压缩机是典型的往复式压缩机，回转式压缩机有螺杆式、涡旋式、滚动转子式等。速度型压缩机通过提高被压缩制冷剂气体的速度，再通过扩压器将速度能转化为压力能，从而提高气体的压力。速度型压缩机的主要形式有离心式和轴流式。根据密封形式，制冷压缩机可分为开启式、半封闭式和全封闭式三大类。开启式压缩机主轴伸出机体之外与原动机相连，并设有轴封。开启式压缩机体积较大，密封性能差，散热性能好，便于维修，通常用于制冷量较大的制冷系统中。半封闭式压缩机将压缩机与电动机置于同一壳体之内，封闭壳体由螺栓联接。密封性能好，散热性能差，可维修、更换零部件。一般用于中等制冷量的制冷系统。按工作的蒸发温度，制冷压缩机可分为低温制冷压缩机、中温制冷压缩机和高温制冷压缩机。各类压缩机工作的蒸发温度范围约为：中温制冷压缩机约为-20～-10℃，低温制冷压缩机约为-45～-20℃，高温制冷压缩机约为-10～-20℃。2、应用和研究动态2.1往复式压缩机往复式活塞制冷压缩机广泛应用于制冷空调行业，在全球范围内约99%的家用冰箱采用活塞式压缩机；各交通运输设备中，约85%的客车，货车空调设备均采用活塞式压缩机。此外，龙源期刊网在食品冷链物流中，活塞式制冷压缩机也得到极为广泛的应用。活塞式压缩机的工作过程分为压缩、排气、膨胀、吸气四个过程，其结构图如图1所示。活塞式压缩机是应用范围最广的往复式制冷压缩机，经过长期的研发，技术已十分成熟。能量调节方面，活塞式制冷压缩机调节方式主要有多台间歇运行调节，旁通调节、变频调节、启动卸载调节、关闭吸气通道调节等。张宗珍等建立了压缩机的数学模型，进行模拟仿真，总结了变频调节过程中出现的问题，如泄漏增多、低频运行时气阀工作不稳定、管网共振等，并提出了相应的解决方案。活塞式制冷压缩机的活塞往复运行特性在一定程度上限制了变频特性的发挥，但这种调节方式同其他调节方式相较仍然具有较高的能效比，节能效果显著。提高工作性能方面，采用多级压缩和吸气喷液技术可以有效降低压缩机排气温度，改善润滑工况。多级压缩将一次压缩分为多级进行，并在每级压缩之后将压缩机排气导入中冷器中进行冷却。通过引入外界冷源的冷却，使输入下一级的制冷剂蒸汽比体积减小，提高实际输气量的同时减少了压缩机的输入功。吸气喷液技术是将制冷剂液体直接喷入压缩机吸气腔或吸气管的一种降低排气温度的冷却方式。王枫等人以三洋C-L150M82型压缩机进行实验，在不同工况下对压缩机的排气温度、功耗、系统制冷量和COP进行对比，得出结论为：吸气喷液技术能够有效地降低排气温度，但同时系统的COP也有所降低，功耗增加。2.2涡旋式压缩机渦旋式制冷压缩机也是容积型压缩机的一种，其结构图如图2所示，静涡旋体固定在机架上，动涡旋体在偏心轴的驱动下，以静涡旋体的中心为旋转中心作无自转的回转平动，具有噪声低、振动小、能耗低、质量轻、体积小、运行平稳等优点，目前以全封闭结构为主。涡旋式制冷压缩机被广泛应用于空调领域，并逐渐向冷冻冷藏、热泵采暖市场拓展。对于涡旋式压缩机的研究，目前主要集中在涡旋体型线研究、能量调节和运行范围拓展等领域。在涡旋体型线研究方面，主要是结合涡旋式制冷压缩机在结构力学、空气动力学等学科中的特点修正并优化其涡旋型线。李英总结了涡旋式压缩机现有型线的类型，并给出常用型线始端的修正方法。西安交通大学畅云峰介绍了一种精度高、生成最小圆弧段、运算速度快的涡旋式压缩机型线生成数控加工系统，并给出了具体的程序框图，同时列举了应用实例。在能量调节方面，主要是数码涡旋调节和变频调节。谷轮公司于21世纪初正式推出了涡旋式压缩机的数码涡旋技术变容量调节方式。数码涡旋技术具有以下优点：控制过程简单，可以准确控制需求的输出容量，容量范围较大，回油容易以及系统结构简单。对于全封闭涡旋式压缩机而言，变频调节主要有交流变频和直流变速两种。变频调节控温精度高，制冷系统温度波动小，但变频器成本较高且存在电磁干扰等问题。近年来随着变频器价格的下降，变频涡旋式压缩机在市场中获得广泛的应用。龙源期刊网在运行范围拓展方面，喷液技术和中间补气技术是目前的研究热点。同往复式压缩机相同，涡旋式压缩机也可以采用吸气喷液技术降低压缩机排气温度，改善工作性能。殷翔等通过搭建吸气喷液回路实验台，研究了在不同压比和不同制冷剂流量下，压缩机的排气温度、制冷系统的COP以及系统制冷量的变化情况。得出结论为：较小幅度降低排气温度可以保证制冷系统的COP不降低，但大幅度降低排气温度会使制冷系统COP有微小的降低；同时压比越大，制冷系统的COP下降幅度越小。故吸气喷液技术在高压比下具有较大优势。张剑飞等对有中间补气的涡旋式压缩机制冷系统进行理论分析，在不同蒸发温度下，对涡旋式压缩机的排气温度、功率以及能效比等进行对比。实验表明，蒸发温度在-5℃到-20℃之间变化时，有中间补气的涡旋式压缩机能效比和能力都有较大幅度提升，功耗增加仅约为10%。2.3螺杆式压缩机螺杆式压缩机也是容积型压缩机的一种，其结构图如图3所示。螺杆式制冷压缩机有两种基本结构型式：单螺杆和双螺杆。在气缸中有一对相互啮合的阴阳转子，阳转子与电机主轴相连，并带动阴转子转动。气缸内基元容积不断变化，造成制冷剂气体压缩。由于螺杆式压缩机具有对湿行程不敏感、良好的输气量调节特性等优点，被广泛地应用在空调、冷冻、冷藏等制冷装置中。目前对于螺杆式压缩机的研究主要集中在能量调节、带经济器运行以及喷油特性的研究。螺杆式压缩机的能量调节方式以滑阀调节和变频调节为主。滑阀调节可以实现有级调节和无级调节。滑阀轴向位置的移动可以改变螺杆转子的有效工作长度，从而达到输气量调节的目的。与普通螺杆压缩机相比，变频螺杆压缩机节能效果显著，比普通螺杆压缩机节能20%以上。近年来，变频器价格逐渐下降，变频调节拥有较好的应用前景。在气缸适当的位置开设补气孔口，并与经济器相连，组成带经济器运行的螺杆式制冷压缩机系统，原理图如图4所示。经济器形式主要有干式热交换经济器、满液式热交换经济器以及闪发式热交换经济器。西安交通大学邓定国对带经济器的螺杆式压缩机制冷系统进行了理论分析和计算，并给出在给定的最大制冷系数下，确定补气压力以及补气孔口位置的方法。刘光璋等通过研究带经济器的两极节流螺杆式压缩机制冷系统，给出确定系统最佳运行状态—调节中间压力的方法。双螺杆制冷压缩机的喷油对螺杆式制冷压缩机性能的改进有很大的影响。张小军等通过在阴转子齿根处安装压力传感器，测出压缩机从吸气开始到排气结束基元容积中气体压力的变化。对得到的不同工况下的指示图进行对比分析，研究表明：在较为宽广的排气范围内运行时，螺杆式压缩机未表现出明显的等容压缩过程；转速对压缩机性能的影响较小，可通过调节转速实现容量调节；喷油量约为压缩机容积流量的1%—2%时，系统性能达到最优。2.4离心式压缩机龙源期刊网离心式压缩机属于速度型压缩机，其结构图如图5所示。气体经过高速旋转的叶轮后获得高速度，再在环形通道中将动能转化为压力位能，从而使气体的压力提高。离心式压缩机制冷量大、质量轻、运行平稳、振动小、运动部件少、使用寿命长，被广泛应用于建筑、纺织、食品、精密机械加工等需要集中供冷的大型中央空调以及需冷量较大的化工工艺生产中。目前对于离心式压缩机的研究主要是对于其在运行过程中常见故障的分析和克服。离心式压缩机运行过程中常见问题主要有喘振和机组异常噪音和振动。当进口制冷剂气体的流量瞬间降低，且低于压缩机运行的最小流量时，气流流动方向与叶片进口安装角之间存在较大的偏差，气流出现“旋转脱离”现象，气体在叶道中滞留，叶轮在旋转时不会使气体压力升高，而叶轮背压的存在使气体发生倒流。倒流的气体在叶轮入口处与吸入的气体混合，又增大了流量，恢复正常工作，当流量再次减小时，气体倒流再次发生，如此周而复始形成气流的周期性振荡，即发生“喘振”。赵金凤针对喘振发生的原因，总结了预防喘振的措施。主要有：等流量控制法和流量、压力综合控制法。引起机组异常噪音和振动的主要原因有施工安装问题、设备问题、润滑油问题以及工艺系统问题。3、发展趋势3.1制冷剂替代与环境保护寻找更为环保的制冷剂，最大程度地降低对环境的污染和对臭氧层的影响是制冷空调领域永恒的话题。林恩新等用L41作为替代高GWP的R410A的制冷剂，通过搭建的试验台对压缩机进行性能测试，实验结果表明：用L41作为替代制冷剂，GWP值可减少78%；改进的比基准压缩机排量大10%的压缩机采用L41制冷剂，R410A与L41能力相当，但L41具有更大的COP。张华俊等通过对比分析半封闭活塞式制冷压缩机在分别采用R22和R404A时的工作性能，得出结论为：在低温工况下，同使用R22压缩机相较，使用R404A的压缩机的制冷量有大幅提高，但COP只有在蒸发温度接近-40℃时，R404A才略比R22高；相同工况下运行时，使用R404A的压缩机压比和排气温度都低于使用R22的压缩机。由此可见，R404A座位替代制冷剂拥有很大的发展空间。3.2提高制冷压缩机经济性和改善工作性能的研究压缩机作为制冷、空调设备的主要耗能部件，其效率对整个系统的效率和经济性有着决定性的影响。潘春晖等通过对比分析离心式压缩机在蒸汽驱动和电机驱动两种不同驱动方式下的投资、能耗后得出：用蒸汽驱动的离心式压缩机虽初投资较高，但在长期运行过程中，运行成本低，且节能减排效果明显；万锦康等通过分析双极压缩制冷系统COP的影响因素以及低压级和高压级吸气过热度对制冷系统性能的影响，提出了提高系统经济性和改善压缩机工作性能的措施。补气量会影响高压级的吸气过热度，进而降低高压级压缩机耗功，同时低压级工质循环量的减小会使制冷量减小，因此要保证中间冷却器合理的补气量；与制冷剂的性质有关，采用R22工质时，使用回热循环能够提高系统性能系数。龙源期刊网新型压缩机的研究往復式压缩机是最早出现的制冷压缩机，发展历史不过100多年。涡旋式压缩机、离心式压缩机等进入市场也不过30余年，因而新型制冷压缩机在不断出现。西安交通大学张旭东等提出一种新型的转子压缩机，其端面结构如图6所示。这种内、外转子结构的回转式压缩机拥有良好的力学特性，并且能够承受很大的压力，对该压缩机的数值模拟表现出很好的热力性能，故有很大潜力成为新型的回转式压缩机。针对家用空调机机械摩擦能耗损失大的问题，基于磁悬浮技术的滚动转子式家用空调压缩机应运而生，改进了已有的无油压缩机，并且在能量调节中引入了变频技术，很好地解决了机械摩擦耗能大，润滑油膜厚度不合适造成的热阻大的问题。4、结束语随着制冷空调行业的高速发展，寻找更为环保，性能更优，成本更低的制冷压缩机成为当今制冷空调领域的主要研究主题。国内外学者致力于提高制冷压缩机的经济性和系统的COP，降低能耗，改善压缩机工作性能，寻找低GWP和低ODP的替代制冷剂以及