制冷压缩机工作原理 热力学基础及工作方式分类

第二章制冷压缩机-热力学基础郑艺华生物系统热科学与技术研究所制冷压缩机分类制冷压缩机速度型（离心式）容积型往复(活塞)式回转式斜盘(板)式曲柄连杆式曲柄导管式涡旋式滚动转子式旋片式螺杆式单螺杆双螺杆容积型压缩机是蒸气压缩式制冷机中应用领域最广泛、使用数量最多的压缩机。容积型压缩机的单机功率可以从几十瓦到几千千瓦的范围。尽管结构型式众多，但究其热力学基础还有许多部分是相同的。在容积型压缩机中，往复式压缩机是最常用的一种，其压缩理论最易于理解接受，对往复式压缩机基础理伦的剖析大多数都适用其它容积型压缩机。因此，且以它作为典型来讨论其理伦循环。§2-1单级往复式制冷压缩机的理论循环忽略容积损失、质量损失和其他不可逆损失。压缩机没有余隙容积吸气与排气过程中没有压力损失吸气与排气过程中无热量传递无漏气损失无摩擦损失理想工作过程：4-1：吸气过程（下止点）1-2：压缩过程2-3：排气过程（上止点）完成一个循环。关注两个性能指标：输气量理论功率一、往复式压缩机的理论输气量气缸的工作容积理论容积输气量（m3/h）理论质量输气量（kg/h）二、压缩机消耗的理论功率技术功则，所消耗的理论功率为理想气体，作为等熵压缩过程对理想气体或实际气体§2-2容积型压缩机的实际性能现实中，理论循环始终是不可能实现的。许多不可避免的损失使压缩机的实际性能偏离了理想的情况，其结果是输气量的减少和功率消耗的增加。具体情况如下：压缩机中的压力降。制冷剂的受热。气阀运动规律不完善带来的效率下降。制冷剂泄漏的影响。再膨胀的影响。压缩过程偏离等熵过程。压缩过程的过压缩和欠压缩。润滑油循环量的影响。压缩机的机械摩擦损失和内置电动机(封闭式压缩机)的电动机损失。§2-3内容积比固定的压缩机的内容积比效率内容积比Vi是指这类压缩机中吸气终了，压缩刚要开始时的工作容积Vcys与压缩终了，刚要开始打开排气口时的工作容积Vcyc间的几何比例关系，即对应的内压力比假定压缩过程是多变过程，则上述循环所消耗的指示功为不存在过压缩和欠压缩的情况，则所耗指示功为内容积比效率是用以衡量具有固定内容积比故压缩机，在其内压力比不等于系统的压力比的情况下工作时，额外功耗损失的程度。则内容积比效率§2-4制冷压缩机的基本性能参数制冷压缩机的实际性能与按理论循环所得的理想性能必然存存着差距。为了能表征压缩机的实际性能，列举一些常用的主要性能参数。一、实际输气量一定工况下，单位时间内由吸气端输送到排气端的气体质量称为在该工况下的压缩机质量输气量，单位为kg/h。若按吸气状态的容积计算，则容积输气量，单位为m3/h。二、容积效率压缩机的容积效率是实际输气量与理论输气量之比值。用以衡量容积型压缩机的气缸工作容积的有效利用程度。三、制冷量制冷压缩机是作为制冷机中一重要组成部分而与系统中其它部件配合工作而获得制冷的效果。其工作能力有必要直观地用单位时间内所产生的冷量——制冷量来表示，单位为kW，它是制冷压缩机的重要性能指标之一。四、排热量五、指示功率和指示效率单位时间内实际循环所消耗的指示功就是压缩机的指示功率，单位为kW制冷压缩机的指示效率是指压缩1kg工质所需的等熵循环理论功与实际循环指示功之比六、轴功率、轴效率和机械效率由原动机传到压缩机主轴上的功率称为轴功率。轴效率是等熵压缩理论功率与轴功率之比，用它可以评完主轴输入功率的利用完善程度，较适用于开启式压缩机。机械效率是指示功率和轴功率之比，用它可以评定压缩机摩擦损耗的大小程度。七、电功率和电效率输入电动机的功率就是压缩机所消耗的电功率。电效率是等熵压缩理论功率与电功率之比，它是用以评定利用电动机输入功率的完善程度。对于封闭式制冷压缩机：八、性能系数为了最终衡量制冷压缩机的动力经济性，采用性能系数COP，它是在一定工况下制冷压缩机的制冷量与所消耗功率之比。对于开启式压缩机，其性能系数为对于封闭式压缩机，其性能系数为另称为：单位输入功率制冷量；能效比EER第3章制冷压缩机压缩式制冷系统的心脏主机有用能的输入制冷剂在系统中的循环流动整机性能可靠性寿命噪声压缩机称为概述压缩机的分类（一）、按工作原理分类容积式压缩机动力式压缩机（二）、按密封方式分类开启式封闭式半封闭式全封闭式（三）、按使用的制冷剂分类氨压缩机氟利昂压缩机其他：二氧化碳压缩机和碳氢化合物压缩机（四）、按排气压力分类风机通风机15kPa鼓风机0.015～0.2Mpa压缩机低压压缩机0.2～1.0Mpa中压压缩机1.0～10Mpa高压压缩机10～100Mpa超高压压缩机100Mpa（五）、按压缩级数分类单级压缩机两级压缩机多级压缩机（六）、按容积流量分类微型压缩机1(m3／min)小型压缩机1～10(m3／min)中型压缩机10～100(m3／min)大型压缩机≥100(m3／min)容积型速度型容积型压缩机速度型压缩机通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩功能。由旋转部件连续将角动量转换给蒸气，再将该动量转为压力。压缩机的分类（按原理）按结构特征和工作特征分类各种形式的压缩机往复式活塞连杆式回转式转子式回转式滑片式各种形式的压缩机回转式——涡旋式各种形式的压缩机回转式双螺杆回转式单螺杆几种特殊的压缩机ClawcompressorsScrewRadialBlowersRotaryVaneRegenerativeBlowers(alsocalledSideChannelBlowersorRingCompressors)RotaryLobeBlowersPumpCombinations各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围3.1活塞式压缩机概述优点1)能适应较广阔的压力范围和制冷量要求2)热效率较高，单位耗电量较少，特别是在偏离设计工况运行时更为明显3)对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工比较容易，造价也较低廉4)技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验5)装置系统比较简单缺点1)转速受到限制。单机输气量大时，机器显得笨重，电动机体积也相应增大2)结构复杂，易损件多，维修工作量大3)运转时有振动4)输气不连续，气体压力有波动等机体（曲轴箱）气缸活塞吸、排气阀曲轴连杆机构组成活塞式压缩机主要组成部件活塞式压缩机结构活塞式压缩机有以下特点：①因为是往复运动，转速不宜太高②气缸工作腔有余隙容积③气缸工作腔必须设置吸、排气阀，使吸、排气过程产生阻力损失④结构复杂，零部件多。⑤往复式压缩机不允许吸气带液活塞式压缩机的分类按制冷量的大小分类大型单机中温考核工况制冷量在550kW以上中型单机中温考核工况制冷量在25~550kw之间小型单机中温考核工况制冷量在25kW以下按蒸发温度范围分类高温压缩机－10～+10℃中温压缩机－20～－10℃低温压缩机－45～－20℃按压缩机的转速分类低速转速在300r／min以下中速300～1000r／min之间高速1000r／min以上按压缩机的级数分类单级压缩制冷剂蒸气由蒸发压力至冷凝压力只经过一次压缩多级(一般为两级)压缩制冷剂蒸气由蒸发压力至冷凝压力需经过两次压缩来完成按压缩机的气缸布置方式分类卧式气缸轴线呈水平布置直立式气缸轴线呈直立布置角度式气缸轴线呈一定的夹角布置，有V型、W型和S型(扇形)等之分活塞式压缩机的分类开启式半封闭式全封闭式活塞式压缩机的工作过程理想工作过程（1）无余隙容积（2）吸、排气无阻力损失（3）吸、排气无热量交换（4）无制冷剂的泄漏32Vba01P4理想压缩机的工作过程压缩机实际工作过程活塞式压缩机的性能（1）输气系数输气系数的大小反映了实际工作过程中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程度，故也称为压缩机的容积效率。输气系数综合了余隙容积、吸排气阻力、吸气过热和泄漏对输气量的影响。容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数当压缩机结构类型和制冷剂确定后，运行参数压缩比Pk/P0则是主要的影响因素理论输气量实际输气量hsVVltpv输气系数输气系数（2）压缩机的功率和效率轴功率Ni——指示功率，直接用于压缩气体Nm——摩擦功率，用于克服摩擦阻力和带动油泵工作压缩功率＋摩擦功率mieNNN①指示功率取决于压缩机的汽缸数、转数和单位指示功绝热压缩理论功又∵指示效率则压缩机的指示功率Ni可按下式计算：指示效率主要与运行工况、多变指数、吸排气压力损失等诸多因素有关。活塞式0.6～0.8120hhwsiww0ihiRsRihhvVwMwMN1210活塞式压缩机的指示效率指示效率②摩擦功率和机械效率压缩机的摩擦功率主要与压缩机的结构、制造、装配质量、转速和润滑油的温度等有关。活塞式压缩机机械效率0.8～0.9miieimNNNNN活塞式压缩机的摩擦效率机械效率③轴功率和轴效率轴功率轴效率（总效率）电效率实际制冷系数EERmiihmimiehhvVNNNN12mie0meelmieCOP00轴效率随压缩比的变化小型开启式压缩机的轴功率dmihdevhhVNN112)()15.110.1()15.110.1(～～活塞式压缩机的能量调节通过改变压缩机工作气缸数目的实现制冷量的调节。3.2螺杆式压缩机概述1934年螺杆式压缩机问世，近年来，随着螺杆机可靠性方面的改进，它在中等容量的制冷与空调装置上的应用更为广泛了。国内于1976年联合设计并生产出第一台喷油螺杆式制冷压缩机。目前,烟台冰轮集团有限公司、大连冷冻机股份有限公司、武汉新世界制冷工业有限公司等多个厂家已能生产螺杆式制冷压缩机,转子公称直径从91ｍｍ到315ｍｍ,标准工况(-15℃/30℃)制冷量从38ｋＷ到2470ｋＷ,已形成开启式、半封闭式两大系列螺杆式制冷压缩机。主要部件阳转子阴转子机体轴承轴封平衡活塞能量调节装置工作过程工作原理类似于绞肉机工作特点完成一个工作周期，阳转子转两圈，阴转子转4/3圈（齿数比4:6）内容积比工作容积最大值压缩终压对应的容积21VV单螺杆压缩机结构：行星齿轮＋单螺杆工作过程与容积式压缩机类似滑阀调节，负荷10％～100％常用于冷水机组螺杆式制冷压缩机能量调节机构螺杆式制冷压缩机输气量调节的方法主要有吸入节流调节、转停调节、变频调节、滑阀调节、柱塞阀调节等。目前使用较多的为滑阀调节。滑阀调节工作原理即通过改变转子的有效工作长度，来达到输气量调节的目的。滑阀调节的原理图调节机构的组成输气量调节机构由三部分组成：第一部分包括滑阀、滑阀顶杆、油活塞、液压缸、压缩弹簧及端座；第二部分为输气量调节指示器；第三部分为油路及输气量调节控制阀。3)调节过程滑阀轴向移动的动作是根据吸气压力和温度，通过液压传动机构来完成的，图3-20表示电磁换向阀组控制输气量调节滑阀的工作情况。螺杆齿形对称圆弧形、单边不对称的摆线圆弧、GHH（德国公司）不对称形。目前,世界上公认效率较高的型线有ＫＡＳＳＥＲ公司的Ｓｉｇｍａ型线、ＧＨＨ公司的ＣＦ型线、日立公司的56Ｕ型线等。而我国现有的几大螺杆式制冷压缩机生产厂家大都采用标准型线(非对称圆弧摆线齿型)，大连冷冻机股份有限公司部分Ｄ87新齿型，武汉新世界制冷工业有限公司部分机型为ＸＢＹ型线，其效率虽然比标准型线有所提高(5%～10%)，但与国外的(10%～20%)比较,还有一定差距。主要参数公称直径（63、80、100、125、160、200）长径比L/D0:1和1.5理论排气量Vh=60(m1n1V1+m2n2V2)容积效率和指示效率螺杆之间以及螺杆和机壳之间的间隙引起的泄漏。容积效率机械效率指示效率螺杆式0.75～0.950.95～0.980.72～0.85活塞式0.6～0.80.8～0.90.6～0.8螺杆式压缩机的优点转速高（3000～4400r/min），相同制冷量下，体积小，质量轻，占地小，输气脉动小。