制冷空调压缩机的节能技术

制冷空调压缩机的节能技术班级：11制冷 学号：1141102022 姓名：刘帅摘要：制冷空调的电力消耗主要用于压缩机的运行，改善制冷压缩机的节能性能，将显著提高制冷空调的能效比。主要介绍了对各传统压缩机技术改进、变频技术及天然制冷剂在压缩机节能中的应用等。关键词：节能；制冷；压缩机；制冷剂 空调制冷技术作为20世纪对人类社会影响最大的工程技术成就之一，在人们日常生活中起着十分重要的作用。制冷空调系统的运行，要消耗大量的能源。在我国，建筑能耗占总能耗的20%，其中用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的85%。在夏季用电高峰期，空调消耗的电力占城市全部电力消耗的30%以上1。空调节能已到了刻不容缓的地步，开发节能环保型空调成为当务之急。 制冷压缩机常被人们称为制冷空调的心脏，制冷空调的电力消耗主要用于压缩机的运行。在制冷空调系统中，EER、COP值和制冷剂的选用等都与压缩机有关，压缩机节能技术研究已成为当前制冷空调研究的主题。因此，如何根据各类制冷压缩机的特点和实际运行条件，进行完善的设计和合理使用，提高空调制冷装置的能效比已成为设计人员必须充分考虑的一个问题。目前，在制冷空调领域中，活塞式、转子式、涡旋式压缩机的使用十分广泛。一、活塞式压缩机的节能技术 活塞式压缩机历史悠久，设计制造技术成熟，具有适应较宽的能量范围和热效率高等优点，在制冷空调系统中被广泛的应用。研究其节能方法，可从以下几方面进行： (1)合理设计气阀2。气阀作为压缩机的“心脏”，它的好坏直接影响到压缩机的容积流量、功耗及机器运行的可靠性。气阀阻力损失是压缩机中气体动力损失的主要根源，在设计较好的气阀中，流动阻力损失约为压缩机轴功率的3%5%，而设计不好的气阀，其流动损失可以高达轴功率的15%20%。因此，在设计过程中可以通过增大气阀有效通流面积，来提高其经济性与可靠性。 (2)减少相对余隙容积。任何工作腔都存在余隙容积，相对余隙容积大，说明余隙容积占气缸有效工作容积的比例大。排气终了时，这部分容积中必然存在高压的气体，并在活塞自外止点返回时它先行膨胀，从而降低压缩机的容积效率，增大压缩机的功耗3。在设计时，应减小相对余隙容积，从而提高压缩机的效率。 (3)改进吸排气气体通道。压缩机实际运行时，气体的吸入和排出是间歇的，容易引起气柱及管道振动，产生压力损失。吸排气腔的容积及气流脉动与吸排气通道的结构有关，可以通过改进吸排气气体通道的设计，减小吸排气过程中的沿程阻力损失，以达到节能效果。 (4)减少传动部分的功率损耗。根据压缩机运行过程的参数变化规律，优化零部件结构尺寸，选取合适的配合间隙，减少各运动部件的的摩擦损耗。提高空调压缩机的密封性能，减少冷媒的泄漏量，从而提高压缩机的效率。 (5)正确选择压缩级数。活塞式压缩机的压缩比不宜过大，实际运行时，压缩比应限制在合理的范围之内。当制冷的温度不太低、压缩比不大，单级压缩可以满足要求时，采用单级压缩具有系统简单、投资少、操作调节简单的优点。但是，当压缩比超出一定范围时，输气系数降低，排气温度升高，效率下降，能耗增加。在制冷装置的设计中，应该从节能的角度，考虑如何选择压缩级数的问题。采用多级压缩，每一级压缩的压缩比减小，输气系数提高，效率提高，节省功的消耗，压缩机气缸的容积有效利用率提高。但并不是压缩的级数越多越好，从工程实际考虑，压缩的级数越多，制冷系统和设备越复杂，操作调整的工作量也越大，机器设备的投资越大。因此，应根据实际情况来确定压缩级数。 (6)合理控制吸排气温度。在制冷装置的操作调节中，压缩机的吸气温度是判断系统工作状态的重要标志之一。如果蒸发温度不变，吸气温度过高，吸气过热将使制冷系数下降，即能耗增大。对于在低温工况（压缩比较大）下运行的压缩机，可以在压缩机的吸入口处向吸入气体中喷入液态制冷剂，使吸气过热度减小或使吸入气体成为湿蒸汽。过高的排气温度将影响机器的润滑，影响制冷剂的化学稳定性，易使润滑油炭化、结焦，使活塞、气缸等零部件的温度升高，压缩机的温度系数减小，效率降低。常用的措施是借助于各种换热器，将高温制冷剂的热量传给空气或水，从而利用这些热量。二、滚动转子式压缩机的节能 对于节能和舒适性的要求越来越高，滚动转子式压缩机开始在小型空调、热泵、家用冰箱中得到越来越广泛的应用，在小容量范围有替代往复式压缩机的趋势。这主要是因为它具有如下特点：体积小、结构简单、运转平稳、噪声低，尤其是能适应较大的工况变化（压力变化）。与具有相同制冷量的往复式压缩机相比，其零件少1/3，体积重量均为往复式压缩机的1/2左右，效率提高10%以上1。虽然滚动转子式压缩机的压缩效率较高，但转子和汽缸的间隙应合理设置，否则将明显降低压缩机的可靠性和效率。滚动转子式压缩机节能的主要方法有： (1)选择合适的排气孔口的长度和直径。 (2)严格控制压缩机的装配间隙，主要包括滚动活塞与气缸的径向间隙、活塞与上端盖的间隙、滑片与上下端盖的端面间隙。通过优化零件结构尺寸，减少滑动部分的间隙，可有效降低泄漏损失，减小摩擦功耗，从而提高压缩机的容积效率。尤其是减少径向泄漏量将显著提高压缩机效率。 (3)对热泵型滚动转子式压缩机，优化储液器的内部结构，更好的适应制冷和制热工况的运行要求，也能使其运行效率得到改善。 (4)为了适应大制冷量的要求及改善压缩机的特性，可采用双活塞的压缩机。在一根垂直的轴上装有两个相互错开呈180度的偏心轮，与其相配合的有两个汽缸，使得制冷量增加一倍，而外形尺寸增加不大，同时使平衡性改善，震动减小，转矩变化均匀1。三、涡旋式压缩机的节能技术 涡旋式压缩机的历史相对比较短，因其具有噪声低、尺寸小和效率高等特点，已成为柜式空调、小型RAC的首选机型。但是，涡旋式压缩机缺乏精密加工技术，无法保证型线的良好啮合和控制工质的泄漏。另外，轴向磨损也是一个技术难题4。对涡旋式压缩机节能进行探索主要体现在以下几方面： （1）改进涡旋型线。涡旋式压缩机内气体的压缩主要通过容积的变化来实现，所以型线设计是一个非常重要的问题。为了满足体积小、容积效率高、运转平稳的要求，可以增加涡旋式压缩机型线高压区部位的厚度，提高其刚度和强度，延长机器寿命。 （2）改善动力平衡性。采用双作用涡旋盘可以很好的改善涡旋式压缩机的动力平衡性。动盘两面均有完全对称的型线，他们分别与两侧的静涡旋盘型啮合。这种结构的两侧气体力完全平衡，轴向磨损小，尺寸利用率高，可以扩大单机排气量。 （3）采用柔性机构。柔性机构能有效地减少气体泄露和摩擦损失，遇到液击等异常负荷时能保证压缩机的安全，同时可降低加工精度方面的要求。 （4）轴向密封机构或端面密封机构。为了减少泄露，除保证加工精度和装配精度使其形成精度密封外，一般情况下，可在涡旋体顶部开设一密封槽，其槽宽略大于密封元件，密封元件嵌入槽内且与槽底面保持一定的轴向间隙，借助气体力使其紧贴于涡盘底面。 （5）采用喷液技术。向工作腔喷液来提高密封效果是一种行之有效的方案。当压缩机运行时，将具有一定压力的润滑油喷入压缩腔，利用附着在工作腔周壁上的油膜层减少其工作介质泄露通道的实际间隙，从而达到减少介质泄露的目的。 （6）进行强化冷却。强化传热一方面可以防止工作腔热量直接传到轴承上，提高轴承的工作寿命。另一方面可以降低压缩机的排气温度以提高压缩机效率。四、直线压缩机的应用 随着对压缩机紧凑、轻量化、高效、可靠性和耐久性要求的不断提高，传统的往复活塞式压缩机已经越来越难以适应，直线电动机驱动的直线压缩机应运而生。线性压缩机依赖电机的往复运动实现对气体的压缩，是活塞式压缩机的一种变形结构。这种压缩机能够大大降低活塞移动的摩擦阻力和磨损，能够通过气体的排出压力调整活塞冲程，通过磁偶合理安排改善压缩机效率，通过压缩机的串级连接可以输出高压气体。 新一代直线制冷压缩机一方面可以实现直接传动，不需要将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构，具有结构紧凑、体积小、易于控制、寿命长、运行稳定可靠、高效节能等优点5。 另一方面，直线压缩机还具有优良的控制性能，采用简单的控制环路就可以通过调节容积输气量来直接实现能量调节，再加之目前永磁电机的发展，可以预言：直线压缩机是一种高效节能的新型压缩机，将在空调领域内得到广泛的应用。五、变频技术的应用 为降低年度能耗，并实现长远意义上的节能，需要对压缩机采取高效运行的有效控制。变频压缩机具有高效、节能和控温精度高等优点，在制冷空调中采用变频器来实现变速控制逐渐成为制冷压缩机技术的发展热点。 变频空调通过压缩机转速的适时调节来改变制冷（制热）量的供给。变频空调开始工作时，通常以最大功率、最大风量进行制冷（制热），以便能迅速接近设定温度，达到设定温度后，压缩机便转入低转速、低能耗状态运转。变频压缩机启动电流小，克服了传统空调器调节室内温度需要不停地“开、停”的缺点，节省了频繁启动时为了实现正常的制冷循冷凝、蒸发压力差而消耗的功率。 通过采用变频调速控制、改善电机性能和降低气阀损失等技术，制冷压缩机的制冷系数（能效比）有了很大提高。变频控制双缸旋转式压缩机的出现，使得旋转式压缩机的低速运行范围得到了扩展，容量可调比是原先机型的两倍多，大大降低了能耗。 目前的变频技术与数字化技术紧密地结合起来了，压缩机的数字直流化，使得压缩机在本质上实现了变频。这种压缩机采用数字信号控制，能够根据环境的温度变化精确控制其转速，实现了“无级”调速，使压缩机始终处在最好的工作状态。六、制冷剂在压缩机节能中的应用 目前，全球关注的制冷空调节能技术涉及许多方面，其中制冷剂替代、节能和环保是非常重要的一个问题。虽然HCFC(如R22、R123)和HFC(如R134a、R245ca)制冷剂有优越的综合特性，但是它们能对臭氧层造成破坏和引起温室效应，都将逐渐被禁止和淘汰。因此，为了寻找合适的替代物，在全球范围内开展了广泛的研究，随着人们环保及节能意识逐渐提高，最终我们把目标定在绿色环保型天然制冷剂上。如二氧化碳、碳氢化合物、空气等工质，它们具有无破坏臭氧层的能力以及温室效应极低和高效节能的特征，被视为可长期使用的替代制冷剂。 二氧化碳。与其他工质相比，二氧化碳具有独特的优势：天然的环保型物质，安全无毒，不可燃，其ODP=0，GWP=1，约为R134a和R22的千分之一；化学性能稳定，二氧化碳可以适应各种润滑油及常用机械零部件材料，即使在高温下也不分解产生有害气体，对常用材料没有腐蚀性；二氧化碳运动黏度低，可以在较低的流速下产生湍流，起到很好的换热性能、蒸发潜热较大、单位容积制冷量高，约为R22的5倍，使设备更紧凑；压缩比较低(约为2.53.0)，压缩过程可以更接近等熵压缩而使效率提升；二氧化碳优良的流动特性、传热特性和高的流体密度能够使压缩机实现小型化设计，连接管道变细，整个系统非常紧凑。不少专家预言，二氧化碳将是21世纪制冷空调压缩机的理想制冷剂。国外已将二氧化碳作为未来汽车空调制冷剂的发展方向，其温室效应指数只有原来的1/1300左右6。 HC。HC具有无毒、环保、高效、无腐蚀、溶油、不破坏臭氧层、噪音低、价格便宜等优点。相对其他的化学制冷剂来说，HC制冷剂是很安全的，虽然碳氢化合物属于可燃性物质，存在潜在的危险。但是在预防其燃烧的技术应用上已经取得了较好的成果，并且HC制冷剂早已应用于石化工业，在正确的操作下，将其应用于空调系统内，发挥其高效节能的优点是安全可行的。 新型混合制冷剂。对于某一固定的制冷系统，在其最佳运行工况下，要求制冷剂必须具有特定的热物理性质。合理选用不同的共沸混合制冷剂和非共沸混合制冷剂使其满足这种特定的热物理性质，就可以提高制冷系统的热力学效率，从而达到节能的效果。一些民用空调器，在全年运行期间，外界的环境条件变化相当大，常规使用的单剂的空调器，如单一制冷剂R22，它的适用范围很小，在某一特定气候条件下标非常好，而在气候条件变化时性能指标就会下降。当使用R22/R1381时，夏季制冷以高浓度R22运行，冬季供暖以高浓度R1381运行，使用这种非共沸混合制冷剂后，空调器可以全年在较高的热力学效率下运行，相比使用单制冷剂具有显著的节能效果。R22用于热泵，其制冷系数可提高25%6。采用共沸混合制冷剂能够使压缩机的压比减小，排气温度降低，压缩机容积效率得到提高，最终提高制冷系数和系统的能效比。七、结束语 节能是制冷与空调产业发展的主题，制冷空调压缩机技术的发展正是围绕该主题展开的。生产企业必须以节能为前提，一方面在原有机型的基础上，不断改进局部的结构设计；另一方面，当原有机型的节能潜力不大时，可考虑采用新型节能的压缩机。只有掌握自主的核心关键技术，通过科技创新不断提高产品的综合性能，才能实现中国制冷与空调压缩机行业的健康、可持续发展。参考文献：1王如竹，制冷学科进展研究与发展报告R北京：科学出版社20072潘树林，卢朝霞，张增营等H22氮氢气压缩机高效气阀研究与应用.J广西大学学报，2002，27(4)：2842873郁永章容积式压缩机技术手册K北京：机械工业出版社，20054李连生涡旋压缩机M北京：机械工业出版社，19985谢洁飞直线压缩机的研究现状与发展趋势J流体机械，2004，(12)：140514096朱明善，王鑫制冷剂的过去、现状和未来J制冷学报，2002，(3)：16