上海交通大学：低温与制冷原理（制冷部分）：zhil10

1 第三讲压缩机 《制冷原理与技术》 陈江平 上海交通大学制冷研究所 目录 ? 压缩机的类型 ? 活塞式压缩机的工作 过程及热力计算 一、压缩机的分类 制冷压缩机 速度型容积型 离 心 式 轴 流 式 往复(活塞)式 回转式 斜 盘 式 曲 柄 连 杆 式 电 磁 振 动 式 单 螺 杆 式 螺杆式 双 螺 杆 式 涡 旋 式 滚 动 转 子 式 曲 柄 导 管 式 Hermetic compressors - Reciprocating - Rotary -Scroll - Centrifugal -Screw Open compressors - Reciprocating - Centrifugal -Screw Semi hermetic compressors - Reciprocating - Centrifugal -Screw Compressor types Open compressors Semi-hermetic compressors 2 Hermetic compressors Compressor types Increasing TR or KW Screw Compressors Turbo Comprressors Piston Hermetic Piston Semi-hermetic Piston Open Piston Compressors Scroll Compressors Compressor specifiction/influence points ? Capacity, COP general ? discharge tube ? inlet path, muffler ? valves ? Capacity at LBP (low t o ) ? dead volume ? Capacity, COP high t c ? clearance flow ? COP general ? bearing friction ? motor efficiency discharge valves dead volume clearance bearings inlet motor Compressor specification/application Application Evaporation range Condensing max. Main focus Other important factors Household R & F -35 to -10 °C 60 °C Cost, efficiency Lifetime, noise, size Commercial LBP -45 to -10 °C 50 °C Cost, robustness Size, HST Commercial HBP -10 to +15 °C 50 °C Cost, robustness Size, HST AC 0 to +15 °C 60 °C Cost, efficiency Size 制冷用压缩机发展趋势 不同种类压缩机特征 3 二、活塞式压缩机 运动部件较多、效率低、极限转速较低一 般小于3000RPM。但最成熟,应用最广。 应用广泛；排气量小，一般用于中(60～ 600kW)小(<60kW)型制冷机；有单气缸和 多气缸之分；多缸压缩机可采用卸缸方法 调节负荷；有封闭式(hermetic)和开启式 (open-type)之分 1. 高速多缸逆流型压缩机(开启式) 2.开启式压缩机 特点： ?电动机在大气中运转 ?需要轴封 ?制冷量较大或氨压缩机 开 启 式 多 缸 压 缩 机 的 内 部 结 构 卸载装置 卸载装置 unloader mechanism in the unloaded position unloader mechanism in the loaded position Capacity control system 4 开启式车用压缩机的结构： 见《汽车空调》 开启式压缩机的轴封 ?均采用氟利昂 ?压缩机与电动机密 封在一起 ?分类： ?半封闭式：电动机 有独立空间，靠吸 气冷却或空气冷却 ?全封闭式：电动机 靠吸气冷却，能耗 大 3. 封闭式压缩机 4、全封闭活塞压缩机 半 封 闭 式 活 塞 压 缩 机 结 构 Small semisealed compressor. Vertical semisealed compressor. 5 4、全封闭式活塞压缩机结构 全封闭式活塞压缩机 2 5、活塞式压缩机工作过程 1 2 3 4 V P 1' 1" 2' 3' 0 4' Gas in the clearance volume must expand to V 1 before the pressure is low enough to open the suction valves and draw more gas in. ( ) ( ) 3 3 m volume flow rate entering compressor s 100 m displacement rate of compressor s va xη = 31 3 volume of gas drawn into cylinder 100 100 useable volume of cylinder va c VV x x VV η ? == ? 3 100 c c V mx VV = ? 影响活塞式压缩机性能的参数 实际输气量Vs= λ*V h ?理论输气量：V h =nV c ?容积效率(输气系数) λ＝λ v λ p λ t λ l ?余隙(容积)系数λ v ：汽缸内必须留有余隙容积 ?吸排气阀节流(压力)系数λ p ：吸排气节流的影响 ?预热(温度)系数λ t ：吸气受热容积增大 ?泄漏系数λ l ：高低压间泄漏 6 活塞式压缩机输气系数 m-膨胀系数,氨压缩机, 氟利昂 C-相对余隙容积? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?= 11 1 0 m p p C k v λ 15.11.1 ?=m 5.10.1 ?=m ,-吸气阀压力损失. 1 1 1 1 P PC V p ?+ ?= λ λ 1 P? 对于氨压缩机, 氟利昂05.003.0 1 1 ?= ? P P 1.005.0 1 1 ?= ? P P 95.085.0 ?= T λ 98.095.0 ?= l λ 单级、高速多缸压缩机 04.0~03.0min,/720 => Crn ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?= 1085.094.0 0 1 0 n k p p λ R717；R12；R22 n 0 1.28 1.13 1.18 1 max 0 1 0 0 1 1 ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = k k k k k k h k p p p p p k k VW 与压力的关系 lgp-h图上: w=h 2 -h 1 κ κ 1 01 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? = P P T T k 功率： ? 轴功率P e ＝指示功率P i ＋摩擦功率P m ? P i =M R (h 2 -h 1 )/η i ?指示效率，η i =W th /W i =η v f th /f i ? P m =P i (1/η m -1)摩擦效率= P i /P e ? 配用电动机功率 ? P＝(1.10~1.15)Pe/η d 传动效率 ?电动机输入功率 ? P in =P/ η 0 活塞式压缩机的耗功量 ?评价指标 ? COP ? EER ?冷凝温度 ?蒸发温度 影响活塞压缩机性能的主要因素 压比！ 涡漩式与活塞式压缩机效率比较 请注意涡漩式压缩机容积效率随压比影响较小 7 3、螺杆式压缩机 螺杆式压缩机的特点(与活塞式压缩机比)： ?采用喷润滑油或喷冷凝液冷却，排气温度低 (近似等温压缩) ?容积效率高 ?单级压缩比大(20：1) ?大中型机组，70～4600kW ?负荷调节能力强，10～100％ ?转速高，零部件少 ?易损零件少，维护容易 ?运转平稳，振动小，但噪声大 ?可承受少量液击 螺杆式压缩机的特点： 单螺杆压缩机的工作原理 星轮 螺杆 (转子) 进气 排气 单螺杆压缩机的工作原理（2） 星轮 (门转子) 螺杆 滑阀 排气口 进气口 电动机 排气端座 轴承 供油机件 高效油分离器 单螺杆压缩机的内部结构 滑阀调节 8 螺杆压缩机的能量调节 ?采用滑阀调节，改变排气量 ?可实现无级调节 ?调节范围为10~100% ?可进行卸载起动 单螺杆压缩机的能量调节机构 满负荷时滑阀位置 部分负荷时滑阀位置 .单螺杆压缩机的能量调节机构 滑阀调节 满负荷时 部分负荷时 单螺杆压缩机的能量调节 双螺杆 双螺杆压缩机的工作原理 阴转子 阳 转 子 进气压缩过程排气 进气口 排气口 9 型线发展 螺杆式压缩机的COP可达5.7 ? 利用一对互相啮合的的螺杆转子的旋转来实现对制冷气体的压缩 和输送，主要由一对阴阳螺杆、油分离器、油注入阀、卸载机构 组成。 ? 高速运转时的制冷量及容积效率比往复式高，没有排气阀，压力 损失小。 ? 因为压缩腔内存在空隙，有气体泄漏，在低速时对性能影响大， 为此要采用粘性大的润滑油起密封作用。但高粘度油在热交换器 及管路上形成热阻，使换热效率降低，为此要设置油分离器。 ? 省动力，有卸载机构，可根据出风温度或低压压力自动卸载，节 省动力消耗。 ? 寿命长，可靠性高。 ? 低速时效率较差。 高效的螺杆压缩 气体流动方向 有间隔的 降低压力 较少的振动 单位尺寸 排气量大 转动部件少 中间压力制冷剂 隔断吸排气传热 双螺杆压缩机的内部结构 滑阀 阳转子 阴转子 冷媒蒸 气入口 冷媒蒸 气出口 10 螺杆式冷水机组(1) 螺 杆 式 冷 水 机 组 (2) Carrier 30HX 温度(度) HCFC-22 HFC-134A 0 50 100 150 200 250 300 -12.6 40.2 压力 ( PSI G ) 30% 降低 经济器连接/电机 冷却接口 上载电磁阀 油过滤器连通 双螺杆转子 压缩部分 排气口 油路电磁阀 电磁阀 上载部分 第1步第2步第3步 满载制冷量 最小制冷量 第1阶段 上载 第2阶段 上载 压缩机上载 上载制冷量控制 11 电机冷却系统 经济器-电机 冷却接口 制冷剂流动路线短而直接 直接安装于蒸发器上 气体动力单向阀 排气口 经济器 经济器提高效率和冷量 30GX 30HX 经济器 多孔过滤器 充气管 到压缩机 电子膨胀阀 蒸汽 步进电机 到蒸发器的冷媒 冷凝器来的液体 浮球 蒸汽 过冷液位 经济器壳体 无经济器 5 6 8 8a 9 3 2 1 7 Condenser 满液式蒸发器 电机冷却过量 从电机吸收的热量 焓 压力 图例 1-蒸发器压力 2-压缩机吸气 3-中间压缩 4-不适用 5-压缩机排气 6-进入冷凝器 7-离开冷凝器 8-离开过冷器 9-离开低压侧浮球 从蒸发器吸收的热量 压缩机 输入功 热量从冷凝器散发 冷凝器 12 带经济器 图例 1-蒸发器压力 2-压缩机吸气 3-中间压缩 4-排出经济器 5-压缩机排气 6-进入冷凝器 7-离开冷凝器 8-离开过冷器 9-离开低压侧浮球 5 6 8 8a 9 3 2 1 7 热量从冷凝器排出 冷凝器 满液式蒸发器 电机冷却 从马达吸收的热量 焓 压力 经济器 2a 4 9a 8b 8c 从满液式蒸发器吸收的热量 压缩机 输入功 30HX 油分离器系统 排气口 液体线 油线连接 油滤网 截面视图 油 排气口 液体线 油分配循环 30GX 油分 离器系统 油路电磁阀 压缩机中间压力入口 满液体式蒸发器 满液式干式vs. 冷媒 吸气 制冷剂入口 管子 蒸汽 液位传感器 蒸发器 压缩机 直接安装 步进电机 外壳衬套 螺杆 电子连接线 液体进入管路 蒸发器 狭槽 电子膨胀阀 水冷式冷凝器 出油口 冷水线 螺纹管 13 4、离心式压缩机 构造：与离心式水泵相似 两级离心式压缩机的内部结构 叶轮 入口导叶 排气腔 进气腔 轴封 封闭式 电动机 平衡活塞 轴颈轴承 回流器 无叶片扩压器 两级离心式压缩机 p-h图 压缩机性能 one type of centrifugal compressor Cutaway view of one type of centrifugal compressor 14 压缩机的耗功分配 ?实际功＝漏气损失＋轮阻损失＋叶片功 ?叶片功＝动能损失＋流动损失＋有用功 ?级效率＝有用功/实际耗功 ?轴功率＝实际功率/机械效率 离 心 式 压 缩 机 的 性 能 曲 线 离 心 式 压 缩 机 的 性 能 曲 线 吸气量 压缩比 效率 离心式制冷压缩机的调节 ?变转速调节：经济性好 ?进口节流调节： ?简便 ?经济性差 ?进口导叶调节： ?经济性较好 ?较简便，使用最普遍 ?调节扩压器 ?调节范围宽，流量为10～15％也不会喘振 ?已有使用(与调导叶和节流阀结合) 变转速调节 Changing the compressor speed can also control compressor capacity. If the prime mover is a turbine or internal combustion engine, the prime mover’s speed can easily be changed. Induction motors require a Variable Frequency Drive (VFD) to change their speed. Changing the compressor speed also changes the tip speed. As the tip speed is lowered, the lift the compressor can produce is lowered. For compressor speed control to work, the required lift must be reduced either by raising the supply water temperature or lowering the condenser water temperature. The most common way to reduce the lift is to lower the condenser water temperature. As the ambient wet bulb temperature drops, it is possible to lower the condenser water temperature and realize significant savings. However, it is important to remember that unless the compressor lift is lowered, varying compressor speed cannot work. Variable Frequency Drives The Variable Frequency Drive (VFD) replaces the compressor motor starter. They can be unit or remote mounted. In most cases, the VFDs have to be water-cooled. Chilled watercooled units add load to the chilled water loop. Condenser water-cooled units do not affectthe chilled water loop but are vulnerable to scaling from the open tower water and are not recommended. Chillers with VFDs still have inlet guide vanes. The chiller controller monitors the operating conditions and uses a combination of inlet guide vanes and speed control. Compressor speed is typically only lowered to about 60% of the design speed. Since VFDs introduce drive losses, the chiller will not be as efficient at full load (speed) with a VFD as with a standardstarter. VFDs act as a soft starter. They can lower the inrush current for the motor to almost that of the full load running amps. This can be very important where chillers will operate on emergency power generator sets. The power factor with a VFD is typically around 0.96, which is very good. However, the harmonics from a VFD can be of major concern. The chiller motor is typically the largest single electrical load in the building. Harmonics generated by the VFD can disrupt computer and communications equipment. Careful Harmonic analysis is required whenever a VFD chiller is applied. With the right operating conditions, VFDs can offer significant energy savings. A careful economical analysis with realistic load profiles and ambient wet bulb is recommended when considering using VFDs. 15 Hot Gas Bypass Hot gas bypass is a means of recirculating hot discharge refrigerant back into the evaporator. The refrigerant must pass through a pressure reducing device (Hot Gas Bypass Valve). The purpose of hot gas bypass is to maintain a minimum gas volume flow rate through the compressor to avoid surging or stalling during low load conditions. A disadvantage is that the work of compression on the recirculated refrigerant does not generate any refrigeration effect. Hot gas bypass is inefficient and should be avoided whenever possible. Careful selection of equipment size and using compressor that unload to 10 percent of full load capacity can avoid the need for hot gas bypass in most HVAC applications. Many process applications still require hot gas bypass in order to completely eliminate compressor cycling and maintain constant chilled water temperature from zero load to full load. 进口导叶调节 Inlet guide vanes are used to control the capacity of the compressor. Figure 10 shows a cutaway of a McQuay Distinction? Series compressor front end and the inlet guide vanes can be seen. As the inlet guide vanes start to close, they change the gas entry angle to the impeller and reduce gas flow and compressor capacity. As the vanes near the closed position, they throttle the refrigerant flow. Compressor Movable Diffuser Geometry（McQuay Distinction?） ?As the refrigerant flow rate is reduced, the discharge area is also reduced to maintain the proper velocity. 离心式制冷压缩机的特点 ?单机制冷量大，580～28,000kW ?尺寸小，占地面积为活塞机一半 ?没有易损部件，维护费用为活塞机的1/5 ?转动平稳，噪声低 ?导叶＋扩压器宽度调节，可调节负荷30～100％ ?可由蒸气轮机或燃气轮机直接驱动 ?易于实现多级压缩 ?冷凝压力偏低 ?加工要求高 离心式压缩机组Carrier 19XR 16 17 5、涡旋式压缩机 1905年由法国的L. Greux提出，由于加工精度较高一直未 能实用。直至1970年美国ADL公司第一次应用。 涡漩式压缩机靠一个固定涡漩体和一个旋转涡漩体的相 对运动，使密闭空间中的体积发生变化从而排出高压气 体的机械。它具有效率高、动作平稳、有高速旋转可能 这三大优点。与传统的往复式压缩机相比，体积减少40% ，重量减轻15%，效率提高10%，噪声减低5DB。 Scroll 涡 漩 式 压 缩 机 结 构 优 点 ? 密封性好，容积效率高，一般可达90%以上，低速时也可达80%，而一般 往复式压缩机的容效率只有55-70%。涡漩式压缩机的轴向密封是靠线接 触（刀片状密封装置），密封性好低压进气腔与高压排气腔之间不直接 相邻，中间还有形成中间压力的腔室，因此相邻腔室的压差小，气体内 部泄漏少。压缩过程接 近与绝热压缩，绝热效率比往复式高10%左右。 两个涡漩片之间也是线接触，不需要吸气阀片。这些原因造成容积效率 高，因此单位制冷量耗功可减少10-13%。 ? 体积小，重量轻，有高速旋转可能。因为可动半径只有4-5MM，两个涡 漩体之间的相对摩擦速度非常低（是多刮片式的1/10，通常只有3M/S）， 可动体的惯性力小，容量平衡，可以实现高速运转。轴承载荷均匀，机 械摩擦小，从而起动扭矩和工作扭矩非常小，可采用小直径离合器，而 且工作寿命长，运行可靠。最高转速可达10000RPM。 ? 动作平稳，噪音低。完成一个压缩过程要转动2.5圈，吸、压、排三个过 程同时连续进行，扭矩变动小，振动小。 ? 排气温度低，可使用普通机油。 ? 结构简单，零部件少。主要零部件仅为往复式的1/10。 Scroll Compressor Reverse Engineering Hitachi Mitsubishi Copeland Scroll Compressors (Circa 1988) Scroll Compressor Reverse Engineering First Generation Carrier Scroll Compressor (Circa 1990) …after 3 years, and untold $ spent, the Carrier scroll compressor was noisy, in-efficient and unreliable. Although the same approach was used in reverse engineering the scroll compressor... 18 6、刮片式压缩机 ?运动部件少，转速高，最大连续转速可达7000-9000RPM. ?121mL/r 的刮片式压缩机比141mL/r的活塞式压缩机制冷能力提高17% In the mid 1980s, Carrier embarked on a program to gain back their ability to manufacture their own compressors. In most typically sized room air conditioners (5,000 to 15,000 BTU/hr) the rotary compressor is used.They decided to design their own rotary compressor by reverse engineering. The plan was a complete success. Using the mid 80s fleet of rotary compressors as a guideline, a small group of Carrier engineers designed and developed a new rotary compressor. The Carrier rotary compressor was the most efficient compressor on the market! 7、旋转式压缩机 特点： ? 压缩效率高，因为进出口形状简单，通道短，且没有吸 气阀，吸气压力损失小。 ? 采用新型排气阀，使排气口的余隙容积降低，排气口和 排气阀处的压力降减小，从而增加了容积效率。 ? 只有一个刮片，活塞与气缸之间是滚动摩擦，并且采用 润滑油分离器或压差润滑，保证了压缩机内的润滑油量， 所以机械损失小，效率高，功耗小，振动小，转速高， 运转平稳。 ? 结构紧凑，零部件少，重量轻、寿命长。 ? 制造精度要求高。 ? 最大连续转速7000-8500RPM，最大极限转速8500- 10200RPM。 19 八、三角转子式 ? 回转半径小，故适宜高转速旋转。 ? 没有吸气阀，减少了吸气阻力，也不会因液击现象而使吸气阀断裂。 ? OW—135型压缩机采用管状排气阀，使负荷分散到整个阀片上，不仅减 小排气压力损失，而且排气阀片不易疲劳损坏，寿命长，见图 ? 由于点密封、角密封和侧密封等气体密封机构，把内部气体的串通减少 到最小程度， ? 所以在低速下仍能保持较高的制冷能力。 ? 吸、排气脉动小，使制冷气流稳定，工作效率高。 ? 振动小，噪音低，运行平稳。 ? 能在较低的含油循环量下工作，进而能提高制冷能力。这是因为转子的 转速仅为主 ? 轴的l／3缘故，润滑条件奸。 ? 便于系列化，可通过附加转子、改变转子长度等方法较容易地获得不同 排量。 ? 加工难度较大，这是三角转子式压缩机未能大量推广使用的原因之一、 Better & Better Performance…