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制冷压缩机的技术发展趋势

已有 4875 次阅读 2019-8-1 16:33 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 制冷, 压缩机, 技术, 发展趋势, 节能

制冷压缩机的技术发展趋势

伍赛特

 

1 对制冷压缩机的技术要求

制冷压缩机是制冷系统的“心脏”,其热力性能与可靠性,在很大程度上决定了制冷系统的热力性能和可靠性。为了适应用户的需要和激烈的市场竞争,研究与开发一直在广泛而深入地进行着。目前,科学与杜会发展对制冷压缩机提出了许多要求。

 

1.1制冷剂替代的要求

制冷剂替代对制冷压缩机的研究、设计和制造提出了许多新的要求,如根据各种制冷剂的热物理性质开发新的压缩机,为减少制冷剂泄漏而提高压缩机的密封性和可靠性等等。非共沸混合工质依靠其变温相变的特点可以与变温热源相匹配而使传热不可逆损失最小化,甚至通过改变单位容积制冷量不同的循环工质组成来改变系统的制冷量,从而实现系统负荷的连续调节。这对压缩机及辅机的研究开发提出了不小的挑战。

 

1.2应用领域拓展的要求

制冷与热泵技术的全新应用领域的不断开拓,也在推动着制冷压缩机技术的进步。中高温余热资源回收利用需要高温热泵工质以及与该工质相匹配的压缩机;大型电子设备的芯片和板卡冷却需要高功率微型制冷装备;农林牧产品、水产品、食品加工等生产、储存、运输、销售各个环节构成的冷链技术,医疗卫生事业的生物活体和疫苗的冷链技术,则对制冷压缩机提出了多种类型的需求。

以空调为例,近二十年来空调以异乎寻常的速度进入了普通百姓之家,由于我国地域辽阔,东西南北差异极大,对空调的性能要求也有所不同,所以压缩机也要适应这种差异。

 

1.3高效节能降噪的要求

节能降耗是装备制造业永恒的主题,也是环境保护的迫切要求。目前制冷压缩机的实际效率较理论值尚有相当大的差距。可以确认,压缩较理论上多消耗的能量一方面导致性能系数(COP)下降,另一方面为噪声等污染和机械磨损提供了能源,给环境带来各种破坏作用。例如大型制冷低温丁程使用的透平式压缩机日前的相对内效率仅有70%左右,噪卢却达130dB以上,如果其相对内效率能够提高到85%以上,则剩余能量所能产生的噪声不会超过100 dB

 

1.4新材料、新结构、新工艺、新设计的要求

科学技术的全面进步为制冷压缩机的发展打开了广阔的空间。材料方面,聚醚醚酮(PEEK)聚苯胺酯(PBH)等非金属、高分子材料,Nd-Te-B等永磁材料,记忆合金等材料的工业化,使压缩机制造获得更多的选择,也对压缩机研究提出了更多的要求。激光表面加工与热处理精密铸造、数控加工以及计算机集成制造等新工艺的发展也是如此。

 

2 制冷压缩机的技术类型及技术进步

制冷压缩机种类繁多,当前技术进步主要集中在下列类型上:

 

2.1往复式制冷压缩机

往复式制冷压缩机的历史最长,其技术已经十分成熟。其优点是,适应的压力和制冷量范围广,输出压力不随输气量的变化而改变;热效率高,尤其是变工况运行时。其局限性也很明显:结构复杂,零部件多;转速不能太高,变频特性不如回转式;不能连续输气,且有压力脉动。往复式制冷压缩机所用的制羚剂已经发展到R404aR40cR134a6290R600aCO2等。变频调节技术得到了广泛的应用。在往复运动机构上,普遍采用了十字滑块机构以取代曲柄连杆机构,具有振动小、噪声低机械敚率高、转速范围大适于变频调节、排气气流脉动小、结构紧凑等特点。

谷轮(Copeland)公司推出的蝶阀结构半封闭压缩机对排气结构进行了重大改进,排气阀釆用耐高温聚合物制成的外圈呈锥形的阀体,在环形板簧片的作用下,锥面紧贴在阀板的相应锥座上,确保了阀体座面和中心导向销间的气密性。锥形阀体底面与阀板底面平齐,只有在排气阀开启时,才在阀板上让出排气通道,从而使余隙容积大为减少。布里斯托(Bristol)推出的 Inertia系列为顺流式吸排气通道设计,吸气阀装在活塞顶部,吸排气阀均采用蝶阀,相对余隙容积比双片阀减少20%

大型往复式压缩机方面,英格索-兰德公司推出的VIP压缩机在对动式结构的双作用气缸里,用两个外径与气缸内径相同的进气阀配置于气缸两端,两个排气阀配置于活塞上(实际上活塞就是由两个排气阀组成的),排气接管设置于气缸中部,其优点是两端均为直流形式,余隙容积小。

 

2.2滚动转子压缩机

滚动转子压缩机的技术进步体现在压缩机效率的提高采用变频技术、增大压缩机谷量、优质材料的使用与可靠性的提高压缩机噪声的降低和替代工质用装备的研制等方面。

效率的提高具体落实在压缩机电动机和压缩机本体工作效率的提高。在压缩机设计方面,采用计算机模拟与优化技术分析影响压缩机工作性能的各种因素,如制冷剂与润滑油的泄漏、吸气过热、余隙影响及运动部件摩擦等等;在制造方面,提高加工与装配精度,控制和保证各个关键部件接触部分的间隙。

 

2.3涡旋压缩机

涡旋压缩机商品化于20世纪80年代,90年代得到了迅速的推广与应用其优点为,多个压缩腔同时工作,相邻压缩腔之间的气体压差小,因而泄漏量小,容积效率高达90%98%;力矩变化小、振动小、噪声低;零部件少,无吸排气阀,易损件少,重量轻;抗杂质和液击能力强,可靠性高;可高速运转,变速性好;气流脉动小。

涡旋压缩机的研究目前首先集中于涡旋型线。这是涡旋压缩机的基本问题,关系到设备的效率、运转平稳性加工特性、调节性能等等。当前采用的型线有单一型线、修正型线、组合型线和通用型线。单一型线主要是圆、正多边形、半圆等的开线,阿基米德螺线,代数螺线等等。修正型线是对涡圈始端型线尖角进行修正得到的。

组合型线在同涡圈上采用多段不同类型的型线光滑连接而成,可发挥不同型线的优势,兼顾吸气、排气等过程。而为了解决各种型线模型针对性太强的问题,提出了通用型线的概念,其便于建立优化的统数学模型,对于提高整机性能,增加设计的灵活性和柔性极有益处。

在良好型线的基础上,改进涡旋压编机机构可保证型线发挥出最大的优点使之获得良好的性能和可靠性,并降低机工成本。这方面包括,背压腔与背压孔防自转机构排气孔口偏心主轴平衡柔性结构、轴向端面封机构等等的研究。另外,涡旋盘的加工方法也是涡旋机技术的一个关键。

 

2.4螺杆压缩机

螺杆压缩机可以高速运转,零部件少,可靠性高,能适应较大的压缩比,且对湿压缩不敏感,能量调节性能好,50%负荷以上时功率与输气量成正比。单螺压缩机更有良好的力平衡性和高效率。

螺杆转子型线研究是螺杆压缩机究的主要问题,与此关联的是转子齿数的研究。其他的研究内容与别的压缩机基本相同,即在于提高效率、降低损失和噪声、提高调节和变工况性能、改善加工工艺以提高加工精度等等。在湿膨胀(即气液两相流膨胀)方面,螺杆膨胀机具有良好的应用前景,如果成功地商品化,将使蒸汽压缩制冷循环的理论COP有一个大幅度的提升。

 

2.5叶轮式压缩机

叶轮式压缩机包括离心式压缩机和轴流式压缩机。由于轴流式流量过大,压比偏小,故较少使用。随着制冷空调工程的大型化,叶轮式压缩机的应用将越来越普遍。

 

参考文献

[1] 王承阳. 热能与动力工程基础[M]. 北京:冶金工业出版社, 2010.01:144-146.




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