制冷压缩机工作原理及优缺点分析

1.5 各种制冷压缩机的原理和优缺点分析1.5.1. 活塞式压缩机(1) 活塞式压缩机的工作原理当活塞式压缩机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构 成的工作容积则会发生周期性变化。活塞式压缩机的活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大， 这时，气体即沿着进气管，推开进气阀而进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞式压缩机 的活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开， 气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞式压缩机的活塞再次反向运动时，上述过程 重复出现。总之，活塞式压缩机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即 完成一个工作循环。(2) 活塞压缩机的优点(1) 不论流量大小，都能得到所需要的压力，排气压力范围广，最高压力可达320MPa (工业应用)，甚至700MPa,(实验室中)；(2) 单机能力为在500m3/min以下的任意流量；(3) 在一般的压力范围内，对材料的要求低，多采用普通的钢铁材料，加工较容易，造价也较低廉；(4) 热效率较高，一般大、中型机组绝热效率可达0.70.85左右；(5) 气量调节时，适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范围和制冷量要求；(6) 气体的重度和特性对压缩机的工作性能影响不大，同一台压缩机可以用于不同的气体；(7) 驱动机比较简单，大都采用电动机，一般不调速，可维修性强；(8) 活塞压缩机技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验；(3) 活塞压缩机的缺点(1) 结构复杂笨重，易损件多，占地面积大，投资较高，维修工作量大，使用周期较短，但经过努力可以达到 8000 小时以上(2) 转速不高，机器体积大而重，单机排气量一般小于500m3/min(3) 机器运转中有振动(4) 排气不连续，气流有脉动，容易引起管道振动，严重时往往因气流脉动、共振而造成管网或机件的损坏(5) 流量调节采用补助容积或旁路阀，虽然简单、方便、可靠，但功率损失大，在部分载荷操作时效率降低(6) 用油润滑的压缩机，气体中带油需要脱除(7) 大型工厂采用多台压缩机组时，操作人员多或工作强度较大1.5.2. 滚动转子式压缩机(1) 滚动转子式压缩机的工作原理滚动转子式压缩机是一种容积型回转式压缩机，气缸工作容积的变化，是依靠一个偏心装置的圆筒形转子在 气缸内的滚动来实现的，如下图所示。滚动转子式压缩机的工作过程如下图所示：由上述的工作过程可以看出：1、转子回转一周，将完成上一工作循环的压缩和排气过程及下一工作循环的吸气过程。2、由于不设进汽阀，吸气开始的时机和汽缸上吸气孔口位置有严格的对应关系，不随工况的变化而变动。3、由于设置了排汽阀，压缩终了的时机将随排气管中压力的变化而变动。（2）滚动转子式压缩机的优点 这类压缩机如今在家用电冰箱和空调器中应用也很普遍，它的优点为：1）结构简单，体积小，重量轻，同活塞式压缩机比较，体积可减小40%50%，重量也可减轻40%50%；2）零部件少，特别是易损件少，同时相对运动部件之间的摩擦损失少，因而可靠性较高；3）仅滑片有较小的往复惯性力，旋转惯性力可完全平衡，转速可以较高，并且振动小，运转平稳；4）没有吸气阀，吸气时间长，余隙容积小，并且直接吸气，减小了吸气有害过热，所以其效率高。但其加工 及装配精度要求高。由于没有气阀，可以用于输送污浊和带液滴、含粉尘的工艺用气体；（3）滚动转子式压缩机的缺点 回转式压缩机的主要缺点是滑片与气缸壁面之间的泄漏、摩擦和磨损较大，限制了它的工作寿命及效率的提 高；并且这种压缩机加工精度要求较高。如果采用双层滑片，运行时两块滑片的端部都与气缸内壁保持接触，形 成两道密封线，并在两道密封线之间形成油封，大大降低了滑片端部的泄漏损失，减少摩擦力及摩擦损失，使机 器的工作寿命及效率均有所提高。这种压缩机一旦在其轴承、主轴、滚轮或是滑片处发生磨损，间隙增大，马上会对其性能产生较明显的不良 影响，因而它通常是用在工厂中整体装配的冰箱、空调器中，系统内也要求具有较高的清洁度。1.5.3. 涡旋式压缩机（1）涡旋式压缩机的工作原理涡旋压缩机中的主要部件是两个形状相同但角相位置相对错开 180的渐开线涡旋盘，其一是固定涡旋盘， 而另一个是由偏心轴带动，其轴线绕着固定涡旋盘轴线做公转的绕行涡旋盘。工作中两个涡旋盘在多处相切形成 密封线，加上两个涡旋盘端面处的适当密封，从而形成好几个月牙形气腔。两个涡旋盘间公共切点处的密封线随 着绕行涡旋盘的公转而沿着涡旋曲线不断转移，使这些月牙形气腔的形状大小一直在变化。压缩机的吸气口开在 固定涡旋盘外壳的上部。当偏心轴顺时针旋转时，气体从吸气口进入吸气腔，相继被摄入到外围的与吸气腔相通 的月牙形气腔里。随着这些外围月牙形气腔的闭合而不再与吸气腔相通，其密闭容积便逐渐被转移向固定涡旋盘 的中心且不断缩小，气体被不断压缩而压力升高。（2）涡旋式压缩机的优点 从具体结构上看，涡旋压缩机没有吸、排气阀，这大大提高了高速运转的可靠性。 综合起来看，涡旋压缩机有以下几个主要特点：、属于第三代压缩机，多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容积效率高, 可达 98%，比第二代压缩机转子压缩机效率高 5%左右；（2）、驱动动涡盘运动的偏心轴可以高速旋转，因此，涡旋式压缩机体积小重量轻；、动涡盘与主轴等运动部件的受力变化小，整机振动小；、没有吸、排气阀，涡旋压缩机运转可靠，且特别适应于变转速运动和变频调速技术；、涡旋压缩机的压缩腔是由涡旋型线构成的，为多室压缩机构，当动涡盘中心绕静涡盘中心作圆周运动时, 各压缩腔容积随主轴转角发生变化，将相应地减小或扩大，由此实现气体的吸入、压缩和排气过程，由于吸排气 过程几乎连续进行，整机噪声很低；、轴向和径向柔性结构提高了涡旋压缩机的生产效率，而且保证轴向间隙和径向间隙的密封效果，不因摩 擦和磨损而降低，即涡旋压缩机有可靠和有效的密封性，所以其制冷系数不是随运行时间的增加而减小，而是略有提高；、涡旋压缩机有着良好的工作特性，性能主要受自身压缩比和吸气压力的影响，排气压力范围广，适用各种室内、外环境，确保压缩机一直在高能效比下运行，从而保证空调机组的能效比。在热泵式空调系统中，特别 表现在制热性能高、稳定性好、安全性高；、涡旋式压缩机无余隙容积，在结构上属于多室压缩，相邻的腔室内压力差别不是很大(近似连续变化)同时，动、静涡盘端面接触部的密封条靠轴向背压被压紧而使得动、静涡盘紧密接触，并在冷冻油的帮助下实现 良好的密封效果，从而使得内泄漏几乎不存在；当密封条端平面被磨损后，可以沿轴向方向自动补偿，以保证动 涡盘端面和静涡盘底面始终贴紧，而且压缩机工作时间越长，这些贴紧的相对运动面的配合越好，密封效果也越 好，这些优点使得涡旋压缩机不存在二次压缩制冷剂气体的问题，是保持高容积效率运行的重要保障因素之一；、力矩变化小，平衡性高，振动小，运转平稳，从而操作简便，易于实现自动化；、因其自身运动部件少、没有往复运动机构，所以结构简单、体积小、重量轻、零件少(特别是易损件少)， 可靠性高，寿命在 20 年以上。(3) 涡旋式压缩机的缺点(1) 其运动机件表面多是呈曲面形状，这些曲面的加工及其检验均较复杂，制造需高精度的加工设备及精 确的调心装配技术，因此制造成本较高。(2) 其运动机件之间或运动机件与固定机件之间，常以保持一定的运动间隙来达到密封，气体通过间隙势 必引起泄漏，这就限制了回转式压缩机难以达到较大的压缩比，因此，大多数回转式压缩机多在空调工况下使用1.5.4. 螺杆式压缩机(1) 螺杆式压缩机的工作原理螺杆压缩机是通过由5个凸齿组成的阳转子(以下简称为M转子)与由6个凹齿组成的阴转子(以下简称为F 转子)的啮合形成齿形空间吸入冷媒，通过减小齿形空间来压缩冷媒至所定压力。螺杆压缩机的工作流程如下：吸入行程 从在轴向到半径方向上开口的吸入口吸入冷媒。随着转子的回转，在转子下侧，啮合分开，齿沟长度增大， 冷媒被吸入齿形空间。压缩行程 从齿沟的吸入侧开始进行齿形的啮合，密封线渐渐向排出侧行进，齿形空间减少，进行压缩。压缩行程 通过随着冷媒一起吸入的润滑油，在转子间隙内形成油膜密封，同时对转子进行润滑。阳转子和阴转子渐渐 靠近排出口进行压缩，压力升高。排出行程 齿形空间与排出口连上，开始排出行程。此行程持续到排出端，直到齿形空间的冷媒被完全送出为止。(2) 螺杆式压缩机的优点(1) 零部件少，易损件少，可靠性高;(2) 操作维护方便;(3) 没有不平衡惯性力.运转平稳安全，振动小;(4) 具有强制输气的特点，排气量几乎不受排气压力的影响， 工况适应性强;(5) 螺杆压缩机的转子齿面实际上是有间隙的.因此对湿行程 不敏感，能耐液击;(6) 排气温度低，可在较高压比的工况下运行:(7) 可实现制冷情无级调节，采用滑阀机构，使制冷量可从 15%100%进行无级调节，节省运行费用;(8) 容易实现自动化，可实现远程通信。(2)螺杆式压缩机的缺点(1)转子齿面是一空间曲面，需利用特制的刀具，在价格昂贵的设备上加工，机体零部件加工精度也有较高的 要求，必须采用高精度设备:(2)由于齿间容积周期性地与吸、排气口连通，故压缩机噪 声高;(3) 由于受到转子刚度和轴承寿命等限制，压缩机内部只能依 靠间隙密封，所以螺杆压缩机只能适用于中、低 压范围，不能用于高压场合;(4) 由于喷油量大，油处理系统复杂，故机组附属设备多;(5) 螺杆压缩机依靠间隙密封气休，在小容积范围内不具有优 越的性能。1.5.5. 离心式压缩机(1)离心式压缩机的工作原 离心式制冷压缩机的构造和工作原理与离心式鼓风机极为相似。但它的工作原理与活塞式压缩机有根本的区 别，它不是利用汽缸容积减小的方式来提高气体的压力，而是依靠动能的变化来提高气体压力。离心式压缩机具 有带叶片的工作轮，当工作轮转动时，叶片就带动气体运动或者使叶轮本得到动能，然后使部分动能转化为压力能 从而提高气体的压力。这种压缩机由于它工作时不断地将制冷剂蒸汽吸入，又不断地沿半径方向被甩出去，所以 称这种型式的压缩机为离心式压缩机。(2) 离心式压缩机的优点1、离心式压缩机的气量大，结构简单紧凑，重量轻，机组尺寸小，占地面积小，相对于活塞式压缩机，在 制冷量相同时，重量较活塞式轻58倍。2、由于它没有汽阀活塞环等易损部件，又没有曲柄连杆机构，运转平衡，操作可靠，运转率高，摩擦件少 因之备件需用量少，维护费用及人员少。3、工作轮和机壳之间没有摩擦，无需润滑。在化工流程中，离心式压缩机对化工介质可以做到绝对无油的 压缩过程。4、离心式压缩机为一种回转运动的机器，它适宜于工业汽轮机或燃汽轮机直接拖动。对一般大型化工厂， 常用副产蒸汽驱动工业汽轮机作动力，为热能综合利用提供了可能。(3) 离心式压缩机的缺点1、离心式压缩机目前还不适用于气量太小及压比过高的场合，并且由于适宜采用分子量比较大的制冷剂， 故只适用于大制冷量，一般都在2530 万大卡/时以上。2、离心式压缩机的稳定工况区较窄，其气量调节虽较方便，但经济性较差。3、目前离心式压缩机效率一般比活塞式压缩机低。4、一般要用增速齿轮传动，转速较高，对轴端密封要求高，这些均增加了制造上的困难和结构上的复杂性结构特点：滚动转子式滑片式曲汽缸、滚动转子、偏心轴和畴等组成 滑片装在缸体上的桝内,不随转子做旋转运 亦称固定湖惬缩机n转子沿汽缸内壁滚动.崎海缶间形成月牙 艘工作腔，并由滑片将英分隔为两部分.端盖 、汽缸内壁、转子營切点、滑片构成封闻 的汽饷容积*即基元容积其容积人小随转 r转角变化，容积内气休压力随基元容积天小 改变，从帘晁成压缩机工柞过程弋由气缸、转了、滑片舍部分组處，滑片叢在转子 上的槽内,随转子做旋转运动,称旋转懵斤压编机。在气缸内壁与转子外表面间形成一个月牙形空间- 转子上开有若干纵向凹槽.每个凹槽小都装冇能沿径向 自由活动的滑片;转子旋转心滑片受离业力的作用从 槽中甩出其端部紧贴在誓内表面上，把月牙形空间 隔成若干扇形小室，称基元随着转子的连续旄转， 基尤容积从小到犬周而复始地变化。旋叶式由动涡旋体、挣涡旋体*加轴、 机座及防貞转机构组成弓在动、静涡 旋体间形成一系列月牙龙基元容积口 气体制冷剂进入最外圈月 溉空间， 随若动涡旋体的运动气体被逐渐推 向屮心空间，其容积不断缩小而压力 不断升高:直至与申心排壳孔相通, 高压气体被排出压缩机气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后，再在环形通道（扩压器和 蜗室）将速度动能变为压力位能,从而提高气体压如气体每经过一级叶 轮和扩压-器幷能升高的汗力是有限的，当压力比人吋，岛采用多级压缩。活塞式压缩及油路润滑油通过粗滤油器披油泵吸入，提高压力后经过细滤油器，然后分成三路: 第一路进入曲轴自由端、润滑主轴承，并通过曲轴内部的油路、润滑邻近的连扌干轴承，再通过连杆体中的辿路将油输送至连杆小头、润滑小头轴承；第二路进入轴封室，润滑和幾却轴封摩擦面，然后从曲轴功率输入端主轴颈上的油孔流入曲轴内的油路，润滑至轴乘及邻近的连杆轴承；第三路进入能量调节机构和油分配阀和油缶以及油压羞控制器，为能冒调节机构提供动力螺杆式压缩机气路系统：1、进入螺杆压缩机前的空气先经过进气过滤器进行过滤，防止杂物进入工作腔2、这些气体通过卸荷阀控制其输入量，根据实际用气进行满载和空载运行；3、吸入的空气和油雾被螺杆压缩机一对相互啮合转子的高速旋转进行压缩后排出。4、排出气体的流动方向由单向阀控制，防止停车时管网压力过高而产生气油混合物倒流。5、在经过油气分离器将压缩后的气油混合物进行分离。然后将被压缩后气体进行冷却，经过冷却器的饱和 气体再进行气水分离，完成一个气路循环。螺杆式压缩机油路：螺轩压缩机在运彳亍时，混合有大量油雾滴（空气+油混合 气体）的高温高压空气由压缩机排入油分离器，由于气流在分 离器中发主旋转，碰撞及方向改变，空气中大部分油滴沉淀在 容器底，在分离器内高压作用下，润滑油沿回油管流到温控 阀*根据润滑油的温度，温控阀使油部分或全部流经油冷却 器，得到温度控制的润滑油.在恒定压力下流过油过滤器、单 向节流阀，喷人压缩机螺杆转子及主机工作腔,与吸人的空气 一起被压缩，然后排出机体，进入油分离器，完成个循环亦在