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行业资讯

制冷压缩机的工作原理

编辑:欧科隆制冷来源:欧科隆制冷时间:2016-06-05
       制冷压缩机是制冷系统的核心和心脏。压缩机引的能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。某种意义上,制冷系统的设计与匹配就是将压缩机的能力体现出来。因此,世界各国制冷行业无不在制冷压缩机的研究上投入了大量的精力,新的研究方向和研究成果不断出现。压缩机的技术和性能水平日新月异。压缩机的种类很多,根据工作原理的不同,制冷压缩机可以分为定排量压缩机和变排量压缩机。
1机械概述
   制冷压缩机是制冷系统的核心耗能部件,提高制冷系统效率的最直接有效手段是提高压缩机的效率,它将带来系统能耗的显著降低。同时这样还能避免仅在系统上采集。
    采取措施(如一味加大换热器面积等)所造成的材料消耗的大量增加。随着世界上能源紧缺形势的日益严重,各个国家越来越重视节能工作、对耗能产品的效率提出了越来越高的要求。
由于各种损失,诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等因素的存在,压缩机工作时实际效率远低于理论效率。因此,从理论上讲,任何能够降低任意一种损失的措施都能够提高压缩机的效率。这一客观事实导致了对压缩机的节能研究范围广、方向宽,研究课题与研究成果多种多样。
    国际上对压缩机的节能研究工作主要集中在几个方面:研究润滑特性、压缩机轴承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高压缩机效率;降低泄漏损失以提高压缩机的效率;采用变频或变容技术通过制冷系统的出力与用户负荷的最佳匹配来实现节能,有关这方面的内容特别是变频技术已相对较为成熟且广为人知。
    气阀的研究是一个古老的课题但也是一个永恒的课题,改进气阀的设计以提高压缩机效率的研究永无止境也永有收获。这方面的研究非常之多,从气阀材料、运动规律、结构优化到适用理论、测试方法等包罗万象。总之,关于压缩机节能方面的研究已成为制冷行业的一个首要热点问题。
2发展
近年来,随着国际制冷压缩机行业的迅速发展,全球压缩机市场集中度逐渐提高,领先的压缩机生产企业通过行业整合不断提高竞争力。
与此同时,近几年我国制冷压缩机行业也受下游需求带动而快速发展。十一五期间,我国工业制冷各大领域内的制冷压缩机成套设备国产化率不断提高,冷链物流以及家电等领域对制冷压缩机的需求量也不断攀升,为中国制冷压缩机行业的发展提供了巨大的商机。2008-2010年装配有冷媒压缩机的制冷系统市场需求,每年平均在500亿元左右,根据成本分析估算,冷媒压缩机的市场需求在100亿元左右;装配有冷媒离心式压缩机的制冷系统市场容量平均在190亿元左右,根据成本分析估算,冷媒离心式压缩机的市场容量约在60亿元左右。
伴随我国十二五发展规划的提出,国内市场将给制冷压缩机行业提供广阔的发展空间,同时也为制冷压缩机行业加快提升产品品质、赶超世界水准提供了前所未有的机遇和挑战。十二五期间我国冷链物流领域的总量需求比十五、十一五期间的需求总量进一步增加,加之工业制冷需求的快速增长以及家电市场的稳定需求作为保障。预计十二五期间,我国制冷压缩机市场规模将保持高于10%的速度快速增长。
目前,我国制冷压缩机企业众多,绝大多数从事中低端制冷压缩机的生产。而生产螺旋式制冷压缩机的大部分企业的主要核心零部件双螺旋转子(占总成本25%以上)基本依赖进口。正是由于国内大多数企业不具备核心技术,只能提供整机产品,从而很大程度上抑制了国内制冷压缩机行业的发展。
随着中国逐渐成为全球制造业中心,全球压缩机制造重心也逐渐向中国大陆转移,国际主要的压缩机生产企业纷纷进入中国市场。国际主要压缩机生产企业进入中国加剧了我国制冷压缩机行业的市场竞争。
3机械分类
容积型
    容积型压缩机是靠工作腔容积的改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机的有往复式压缩机和回转式压缩机。速度型压缩机是靠高速旋转的T作I1"轮对蒸气做功,压力升高,并完成输送蒸气的任务。属于这类压缩机的有离心式和轴流式压缩机,常用的是离心式压缩机。它应用比较广泛,制造技术成熟,结构简单,而且对加工材料和加工lT艺要求较低,造价比较低,适应性强,能适应广阔的压力范围和制冷量要求,可维修性强。
    缺点:无法实现较高转速,机器大而重,不容易实现轻量化,排气不连续,气流容易出现波动,而且工作时有较大的振动。由于曲轴连杆式压缩机的上述特点,已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式,曲轴连杆式压缩机大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。
螺杆式
    螺杆式压缩机是一种回转式容积式压缩机。它利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成蒸气的吸入、压缩和排气过程。无油螺杆压缩机在本世纪三十年代问世,主要用于压缩空气。后来汽缸内喷油的螺杆式压缩机出现,性能得到提高,喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩机中主要机种之一。螺杆式压缩机分为双螺杆和单螺杆两大类,双螺杆压缩机习惯上称为螺杆式压缩机。
变排量
变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器m风口的温度信号,而是根据空调管路内压力变化信号来控制压缩机的压缩比从而自动调节m 风口温度。在制冷的全过程中,压缩机始终是工作的,制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端压力过高时,压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比,这样就会降低制冷强度。当高压端压力下降到一定程度,低压端压力上升到一定程度时,压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。
定排量
v的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例提高的,它不能根据制冷的需求而自动改变功率输 ,而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号来实现,当温度达到设定的温度,压缩机停止工作;当温度升高后,压缩机开始T二作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制,当管路内压力过高时,压缩机停止工作。
4分类
按工作原理分类
容积型压缩机、速度型压缩机
按工作的蒸发温度范围分类
对于单级缺位压缩机,一般可按其工作蒸发温度的范围分为高温、中温和低温压缩机三种,但在具体蒸发温度区域的划分上并不统一。一般的温度范围为:高温制冷压缩机:-10~10;中温制冷压缩机:-20~-10;低温制冷压缩机:-45~-20.
按密封结构形式分类
开启式压缩机、封闭式压缩机
5机械原理
活塞式压缩机
   制冷压缩机在蒸汽压缩式制冷系统中,把制冷剂从低压提升为高压,并使制冷剂不断循环流动,从而使系统不断将内部热量排放到高于系统温度的环境中。制冷压缩机是制冷系统的心脏,制冷系统通过压缩机输入电能,从而将热量从低温环境排放到高温环境。制冷压缩机的能效比决定整个制冷系统的能效比。由于环境温度是经常变化的,故压缩机大部分时间是处于部分负荷状态,因此压缩机要具有能量调节。
    螺杆式压缩机没有活塞式压缩机所需的气缸,活塞、活塞环、汽缸套等易损部件,机器结构紧凑,体积小,重量轻,没有余隙容积,少量液体进入机内时无液击危险。可利用活阀进行10%~100%的无级能量调节,适用范围广,运行平稳可靠,需检修周期长,无故障运行时间可达(2~5)×104h。由于使用润滑油使机器的冷却使用和密封性能得到改善,排气温度降低,即使蒸发温度较低(-40℃)和压缩比较高(25左右),仍然可以单级运行,即在一定范围内可以代替两级压缩循环。但是,螺杆式制冷压缩机的加工和装配要求精度较高,不适宜于变工况运行,有较大的噪音,在一般情况下,需装置消音和隔音设备,在制冷压缩时,需要喷加润滑油,因而需要油泵、油冷却器和油回收器等较多辅助设备。
在压缩机壳体外侧封闭联通一个Helmholtz共鸣器,即由Helmholtz共鸣器的腔室通过孔颈与压缩机壳体内部空腔相连成,以降低压缩机腔内受激声学模态的幅值。将共鸣器共振频率调制到实际压缩机空腔的最大受激振动模式上,会大幅降低共振峰值和导致响应频谱的显著改变。但是这样会影响压缩机外观和在冰箱中的布置,其研究结果尚未应用于产品中。
    压缩机作为跨临界二氧化碳空调系统效率及可靠性影响最大的部件,应当充分结合二氧化碳超临界循环具体特点重新进行设计。 CO2和氨一样,其绝热指数K 值较高,达1.30,这可能会使压缩机排气温度偏高,但由于CO2需要的压缩机的压比小,因此不需要对压缩机本身进行冷却。正因为绝热指数高,压比小,可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失,使压缩机容积效率较高。经过实验和理论研究,Jurgen SUB和Horst Kruse发现,往复式压缩机有良好的油膜滑动密封,成为CO2系统的首选。BOCK对其二氧化碳压缩机排气阀进行了改进,排气改良后的二氧化碳压缩机效率提高了7%。
     剩余润滑油量和电机端线圈绕组也会导致同种型号成批压缩机声级之间存在差异(偏离声级平均值)。通过改变壳体外部支承来增加扭转刚度,且减小振动面;噪声研究的复杂性要求研究者具有较强的理论素质、要求企业具有较好的技术基础、并且需要较大的投资和较长的时间。这方面是中国压缩机企业的薄弱环节之一,基本上处于定性的实验研究阶段,伴随着很大的随意性和偶然性。
    基于环保要求的新制冷剂的应用也是制冷压缩机行业的一个热点问题,随着用于冰箱产品的R22制冷剂替代工作的结束,新制冷剂压缩机的研究主要集中在空调行业。除了已比较成熟的R410A、R407C方面的研究外,最大的热点问题是二氧化碳压缩机的研究。由于二氧化碳系统压力远远大于传统的压临界循环系统,压缩机的轴封设计要求比原有压缩机高得多,压缩机的轴封泄漏在一段时间内仍将是阻碍其实用化的主要原因。
6机械研制
制冷压缩机
    研制一台制冷压缩机包括多方面的内容:气动热力计算、强度与振动计算、结构设计、各种材料的选择、加工制造工艺设计、自动控制与调节设计、以及驱动型式选择等。其中的难重点主要有以下几个方面:
叶轮的设计
    转子作为制冷压缩机的运动部件,其核心部分为叶轮.现在国内外各大离心机厂家均采用三元流方法进行叶轮设计。三元流方法要求设计人员具备数值模拟、计算流体动力学、流体机械内部流场理论等非常专业的常识.国内企业技术人员大部分不具备这些专业常识,要设计高效的三元叶轮,只有和高校科研机构合作。
叶轮的加工制作
以三元流理论设计的叶轮叶片形状一般为空间曲面,叶片及叶轮的加工成型是制造的重点,也是难点。对于三元叶轮,常用的加工方法主要有两种:
1)三体焊形式:也就是说轮盘、叶片、轮盖分别加工.这种加工方法对设备要求比较简单,轮盘、轮盖只需要车出外形就够了。叶片加工要麻烦一些,首先要利用三坐标机床铣出叶片模具,然后将下好料的叶片进行热处理,压型得到所需的叶片形状.最后将叶片焊接到轮盘上,再将轮盖焊好。这样的话需要的设备大概是三坐标铣床、热处理炉、油压机以及其他所需的一些常规设备,所需投资比较低,更适合开始做。
2)整体铣制:也就是轮盘和叶片是在一起利用多坐标设备进行整体铣制而得到一个半开式叶轮.为避免干涉,目前国际上对这种叶轮的加工大都是利用五坐标加工中心进行。一台五坐标设备大概从几百万到上千万不止,成本非常高.以加工600mm叶轮为例,国内五轴床大概要350万人民币,进口五轴床大概要480万人民币,通过四坐标机床旋转工作台的倾斜实现三元叶轮的四坐标整体铣制,如果叶片稠度比较大,干涉问题在四坐标上就不可避免。四坐标的设备相对比较便宜,大概100多万人民币。
转子的临界转速的计算
临界转速是设计转子转速时要考虑的一个重要因素,转子转速要避开临界转速,临界转速的计算一般采用普洛尔法,市场上有专门计算临界转速的App,也可以自己开发计算App。
防喘振系统的设计
由制冷压缩机的工作机理可知,喘振是离心机所固有的性质,不可消除,但可通过有效途径加以避免,离心式制冷压缩机发生喘振的原因:流量过低及冷凝压力过高.喘振对机组的危害相当大,须认真设计防喘振系统。
滑动轴承的设计
制冷压缩机一般采用增速齿轮,转子转速一般都在5000RPM以上,都采用滑动轴承,滑动轴承的设计也是研制离心机的一个重点。
7机械特点
1、绝大多数全封闭活塞式压缩机制冷量不超过0.5KW,主要应用于家用电冰箱/冷冻柜和小型商用制冷设备。
2、涡旋式压缩机制冷量范围为0.75~15KW(不包括特殊型号),并且多数在3~5KW之间,最多应用是在小型家用空调、商用空调系统中。此类压缩机不用于零下5度的制冷工况。
3、离心式制冷压缩机主要用于空调工况的冷水机组。
4、螺杆式压缩机单机制冷量在30kw-1500kw,可用于冷库、人造冰场、冷水机组中。
5、半封闭活塞式制冷压缩机用途广泛,单机制冷量从3kw-100kw,同时可以多机头并联使用,因此可提供制冷量范围从3kw-1000kw,多工况使用,既可用于制冷工况,又可以适用于空调工况。
6、开启活塞式制冷压缩机只常用于冷库,极少数空调工况的冷水机组。
8机械应用
    目前中国制冷压缩机组的大部分市场主要由欧日美一些制冷企业所占据。随着社会的发展,用户需要的冷量越来越高,另外由于节能的要求使得离心机组具有越来越广的市场。
    随着能源的形式日趋紧张,节能降耗是产品发展的一大趋势。另外由于中国城镇化水平的不断提高,建筑能耗不断增加,具有最高性能系数的离心冷水机组无疑将成为市场的热点,近年来离心冷水机组的销量不断提高。
9机械故障
制冷压缩机排气温度过高的原因有:
曲轴连杆式压缩机
曲轴连杆式压缩机
⑴ 压缩机汽缸中余隙过大。
⑵ 压缩机中吸、排气阀门、活塞环损坏。
⑶ 压缩机安全旁通阀泄漏。
⑷ 压缩机吸气温度过高。
⑸ 压缩机汽缸中润滑油中断。
⑹ 压缩机吸气压力过低或吸气阀开的过小。
⑺ 压缩机吸气管道或过滤器有堵塞现象,隔热层保温层损坏。
⑻ 压缩机回气管道中阻力过大,气体流动速度慢易产生过热现象,致使排气温度升高。
⑼ 制冷压缩机冷凝压力过高;冷凝器中有油垢或水垢等。
⑽ 压缩机缸盖冷却水套水量不足;或冷却水温度过高。
⑾ 压缩机的制冷能力小于库房设备能力,如蒸发面积过大。
⑿ 压缩机排气管道中阻力过大。
⒀ 制冷压缩机节流阀开启度过大或堵塞。

⒁ 压缩机自身效率差。

⒂氨液分离器安装高度过低。

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