制冷壓縮機(jī)工作原理 熱力學(xué)基礎(chǔ)及工作方式分類【稻香書(shū)屋】

1、第二章 制冷壓縮機(jī)-熱力學(xué)基礎(chǔ),鄭藝華 生物系統(tǒng)熱科學(xué)與技術(shù)研究所,1,高等課堂,制冷壓縮機(jī)分類,2,高等課堂,容積型壓縮機(jī)是蒸氣壓縮式制冷機(jī)中應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛、使用數(shù)量最多的壓縮機(jī)。 容積型壓縮機(jī)的單機(jī)功率可以從幾十瓦到幾千千瓦的范圍。盡管結(jié)構(gòu)型式眾多，但究其熱力學(xué)基礎(chǔ)還有許多部分是相同的。 在容積型壓縮機(jī)中，往復(fù)式壓縮機(jī)是最常用的一種，其壓縮理論最易于理解接受，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)基礎(chǔ)理倫的剖析大多數(shù)都適用其它容積型壓縮機(jī)。因此，且以它作為典型來(lái)討論其理倫循環(huán),3,高等課堂,2-1 單級(jí)往復(fù)式制冷壓縮機(jī)的理論循環(huán),4,高等課堂,忽略容積損失、質(zhì)量損失和其他不可逆損失。 壓縮機(jī)沒(méi)有余隙容積 吸氣與排

2、氣過(guò)程中沒(méi)有壓力損失 吸氣與排氣過(guò)程中無(wú)熱量傳遞 無(wú)漏氣損失 無(wú)摩擦損失,理想工作過(guò)程： 4-1：吸氣過(guò)程（下止點(diǎn)） 1-2：壓縮過(guò)程 2-3：排氣過(guò)程（上止點(diǎn)） 完成一個(gè)循環(huán),5,高等課堂,關(guān)注兩個(gè)性能指標(biāo)： 輸氣量 理論功率,6,高等課堂,一、往復(fù)式壓縮機(jī)的理論輸氣量,氣缸的工作容積 理論容積輸氣量（m3/h） 理論質(zhì)量輸氣量（kg/h,7,高等課堂,二、壓縮機(jī)消耗的理論功率,8,高等課堂,技術(shù)功 則，所消耗的理論功率為,9,高等課堂,理想氣體，作為等熵壓縮過(guò)程,10,高等課堂,對(duì)理想氣體或?qū)嶋H氣體,11,高等課堂,2-2 容積型壓縮機(jī)的實(shí)際性能,現(xiàn)實(shí)中，理論循環(huán)始終是不可能實(shí)現(xiàn)的。 許多

3、不可避免的損失使壓縮機(jī)的實(shí)際性能偏離了理想的情況，其結(jié)果是輸氣量的減少和功率消耗的增加。具體情況如下： 壓縮機(jī)中的壓力降。 制冷劑的受熱。 氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律不完善帶來(lái)的效率下降。 制冷劑泄漏的影響。 再膨脹的影響。 壓縮過(guò)程偏離等熵過(guò)程。 壓縮過(guò)程的過(guò)壓縮和欠壓縮。 潤(rùn)滑油循環(huán)量的影響。 壓縮機(jī)的機(jī)械摩擦損失和內(nèi)置電動(dòng)機(jī)(封閉式壓縮機(jī))的電動(dòng)機(jī)損失,12,高等課堂,2-3 內(nèi)容積比固定的壓縮機(jī)的內(nèi)容積比效率,內(nèi)容積比Vi 是指這類壓縮機(jī)中吸氣終了，壓縮剛要開(kāi)始時(shí)的工作容積 Vcys與壓縮終了，剛要開(kāi)始打開(kāi)排氣口時(shí)的工作容積Vcyc間的幾何比例關(guān)系，即 對(duì)應(yīng)的內(nèi)壓力比,13,高等課堂,14,高等課堂

4、,15,高等課堂,假定壓縮過(guò)程是多變過(guò)程，則上述循環(huán)所消耗的指示功為 不存在過(guò)壓縮和欠壓縮的情況，則所耗指示功為,16,高等課堂,內(nèi)容積比效率是用以衡量具有固定內(nèi)容積比故壓縮機(jī)，在其內(nèi)壓力比不等于系統(tǒng)的壓力比的情況下工作時(shí)，額外功耗損失的程度。 則內(nèi)容積比效率,17,高等課堂,18,高等課堂,2-4 制冷壓縮機(jī)的基本性能參數(shù),制冷壓縮機(jī)的實(shí)際性能與按理論循環(huán)所得的理想性能必然存存著差距。 為了能表征壓縮機(jī)的實(shí)際性能，列舉一些常用的主要性能參數(shù),19,高等課堂,一、實(shí)際輸氣量,一定工況下，單位時(shí)間內(nèi)由吸氣端輸送到排氣端的氣體質(zhì)量稱為在該工況下的壓縮機(jī)質(zhì)量輸氣量，單位為kg/h。 若按吸氣狀態(tài)的容

5、積計(jì)算，則容積輸氣量，單位為m3/h,20,高等課堂,二、容積效率,壓縮機(jī)的容積效率是實(shí)際輸氣量與理論輸氣量之比值。 用以衡量容積型壓縮機(jī)的氣缸工作容積的有效利用程度,21,高等課堂,三、制冷量,制冷壓縮機(jī)是作為制冷機(jī)中一重要組成部分而與系統(tǒng)中其它部件配合工作而獲得制冷的效果。 其工作能力有必要直觀地用單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的冷量制冷量來(lái)表示，單位為kW，它是制冷壓縮機(jī)的重要性能指標(biāo)之一,22,高等課堂,23,高等課堂,四、排熱量,24,高等課堂,25,高等課堂,26,高等課堂,五、指示功率和指示效率,單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際循環(huán)所消耗的指示功就是壓縮機(jī)的指示功率，單位為kW 制冷壓縮機(jī)的指示效率是指壓縮1k

6、g工質(zhì)所需的等熵循環(huán)理論功與實(shí)際循環(huán)指示功之比,27,高等課堂,六、軸功率、軸效率和機(jī)械效率,由原動(dòng)機(jī)傳到壓縮機(jī)主軸上的功率稱為軸功率。 軸效率是等熵壓縮理論功率與軸功率之比，用它可以評(píng)完主軸輸入功率的利用完善程度，較適用于開(kāi)啟式壓縮機(jī)。 機(jī)械效率是指示功率和軸功率之比，用它可以評(píng)定壓縮機(jī)摩擦損耗的大小程度,28,高等課堂,七、電功率和電效率,輸入電動(dòng)機(jī)的功率就是壓縮機(jī)所消耗的電功率。 電效率是等熵壓縮理論功率與電功率之比，它是用以評(píng)定利用電動(dòng)機(jī)輸入功率的完善程度。 對(duì)于封閉式制冷壓縮機(jī),29,高等課堂,八、性能系數(shù),為了最終衡量制冷壓縮機(jī)的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，采用性能系數(shù)COP，它是在一定工況下制冷

7、壓縮機(jī)的制冷量與所消耗功率之比。 對(duì)于開(kāi)啟式壓縮機(jī)，其性能系數(shù)為 對(duì)于封閉式壓縮機(jī)，其性能系數(shù)為 另稱為：?jiǎn)挝惠斎牍β手评淞?；能效比EER,30,高等課堂,第3章 制冷壓縮機(jī),31,高等課堂,概述,32,高等課堂,壓縮機(jī)的分類,33,高等課堂,容積型壓縮機(jī),速度型壓縮機(jī),通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作功，以減少壓縮式容積，提高蒸氣壓力來(lái)完成壓縮功能,由旋轉(zhuǎn)部件連續(xù)將角動(dòng)量轉(zhuǎn)換給蒸氣，再將該動(dòng)量轉(zhuǎn)為壓力,壓縮機(jī)的分類（按原理,34,高等課堂,按結(jié)構(gòu)特征和工作特征分類,35,高等課堂,各種形式的壓縮機(jī),往復(fù)式 活塞連桿式,回轉(zhuǎn)式 轉(zhuǎn)子式,回轉(zhuǎn)式 滑片式,36,高等課堂,各種形式的壓縮機(jī),回轉(zhuǎn)式渦旋式,37,高等

8、課堂,各種形式的壓縮機(jī),回轉(zhuǎn)式 雙螺桿,回轉(zhuǎn)式 單螺桿,38,高等課堂,幾種特殊的壓縮機(jī),Claw compressors,Screw,Radial Blowers,Rotary Vane,Regenerative Blowers (also called Side Channel Blowers or Ring Compressors,Rotary Lobe Blowers,Pump Combinations,39,高等課堂,各類壓縮機(jī)在制冷和空調(diào)工程中的應(yīng)用范圍,40,高等課堂,3.1 活塞式壓縮機(jī),41,高等課堂,概述,優(yōu)點(diǎn) 1)能適應(yīng)較廣闊的壓力范圍和制冷量要求 2)熱效率較高，單位耗

9、電量較少，特別是在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)更為明顯 3)對(duì)材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工比較容易，造價(jià)也較低廉 4)技術(shù)上較為成熟，生產(chǎn)使用上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) 5)裝置系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單 缺點(diǎn) 1)轉(zhuǎn)速受到限制。單機(jī)輸氣量大時(shí)，機(jī)器顯得笨重，電動(dòng)機(jī)體積也相應(yīng)增大 2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量大 3)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有振動(dòng) 4)輸氣不連續(xù)，氣體壓力有波動(dòng)等,42,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)主要組成部件,43,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu),44,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)有以下特點(diǎn),45,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的分類,46,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的分類,開(kāi)啟式,半封閉式,全封閉式,47,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的工作過(guò)程

10、,理想工作過(guò)程 （1）無(wú)余隙容積 （2）吸、排氣無(wú)阻力損失 （3）吸、排氣無(wú)熱量交換 （4）無(wú)制冷劑的泄漏,48,高等課堂,壓縮機(jī)實(shí)際工作過(guò)程,49,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的性能,1）輸氣系數(shù) 輸氣系數(shù)的大小反映了實(shí)際工作過(guò)程中諸多因素對(duì)壓縮機(jī)輸氣量的影響，也表示了壓縮機(jī)氣缸工作容積的有效程度，故也稱為壓縮機(jī)的容積效率。 輸氣系數(shù)綜合了余隙容積、吸排氣阻力、吸氣過(guò)熱和泄漏對(duì)輸氣量的影響。 容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù) 當(dāng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)類型和制冷劑確定后，運(yùn)行參數(shù)壓縮比Pk/P0則是主要的影響因素,50,高等課堂,輸氣系數(shù),51,高等課堂,輸氣系數(shù),52,高等課堂,2）壓縮機(jī)的功率和效率,

11、軸功率 Ni指示功率，直接用于壓縮氣體 Nm摩擦功率，用于克服摩擦阻力和帶動(dòng)油泵工作,53,高等課堂,指示功率,取決于壓縮機(jī)的汽缸數(shù)、轉(zhuǎn)數(shù)和單位指示功 絕熱壓縮理論功 又指示效率 則壓縮機(jī)的指示功率Ni可按下式計(jì)算： 指示效率主要與運(yùn)行工況、多變指數(shù)、吸排氣壓力損失等諸多因素有關(guān)?；钊?.60.8,54,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的指示效率,指示效率,55,高等課堂,摩擦功率和機(jī)械效率,壓縮機(jī)的摩擦功率主要與壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)、制造、裝配質(zhì)量、轉(zhuǎn)速和潤(rùn)滑油的溫度等有關(guān)。 活塞式壓縮機(jī)機(jī)械效率0.80.9,56,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的摩擦效率,機(jī)械效率,57,高等課堂,軸功率和軸效率,軸功率 軸效率（

12、總效率） 電效率 實(shí)際制冷系數(shù) EER,58,高等課堂,軸效率隨壓縮比的變化,59,高等課堂,小型開(kāi)啟式壓縮機(jī)的軸功率,60,高等課堂,活塞式壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié),通過(guò)改變壓縮機(jī)工作氣缸數(shù)目的實(shí)現(xiàn)制冷量的調(diào)節(jié),61,高等課堂,3.2 螺桿式壓縮機(jī),62,高等課堂,概述,1934年螺桿式壓縮機(jī)問(wèn)世，近年來(lái)，隨著螺桿機(jī)可靠性方面的改進(jìn)，它在中等容量的制冷與空調(diào)裝置上的應(yīng)用更為廣泛了。 國(guó)內(nèi)于1976年聯(lián)合設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出第一臺(tái)噴油螺桿式制冷壓縮機(jī)。目前,煙臺(tái)冰輪集團(tuán)有限公司、大連冷凍機(jī)股份有限公司、武漢新世界制冷工業(yè)有限公司等多個(gè)廠家已能生產(chǎn)螺桿式制冷壓縮機(jī),轉(zhuǎn)子公稱直徑從91到315,標(biāo)準(zhǔn)工況(-15/

13、30)制冷量從38到2470,已形成開(kāi)啟式、半封閉式兩大系列螺桿式制冷壓縮機(jī),63,高等課堂,主要部件,陽(yáng)轉(zhuǎn)子 陰轉(zhuǎn)子 機(jī)體 軸承 軸封 平衡活塞 能量調(diào)節(jié)裝置,64,高等課堂,工作過(guò)程,65,高等課堂,工作原理,類似于絞肉機(jī),66,高等課堂,工作特點(diǎn),完成一個(gè)工作周期，陽(yáng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)兩圈，陰轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)4/3圈（齒數(shù)比4:6） 內(nèi)容積比,67,高等課堂,單螺桿壓縮機(jī),結(jié)構(gòu)：行星齒輪單螺桿 工作過(guò)程與容積式壓縮機(jī)類似 滑閥調(diào)節(jié)，負(fù)荷10100 常用于冷水機(jī)組,68,高等課堂,螺桿式制冷壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),螺桿式制冷壓縮機(jī)輸氣量調(diào)節(jié)的方法主要有吸入節(jié)流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)停調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)、滑閥調(diào)節(jié)、柱塞閥調(diào)節(jié)等。目前使

14、用較多的為滑閥調(diào)節(jié)。 滑閥調(diào)節(jié)工作原理 即通過(guò)改變轉(zhuǎn)子的有效工作長(zhǎng)度，來(lái)達(dá)到輸氣量調(diào)節(jié)的目的,69,高等課堂,70,高等課堂,71,高等課堂,72,高等課堂,滑閥調(diào)節(jié)的原理圖,73,高等課堂,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的組成 輸氣量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由三部分組成： 第一部分包括滑閥、滑閥頂桿、油活塞、液壓缸、壓縮彈簧及端座； 第二部分為輸氣量調(diào)節(jié)指示器； 第三部分為油路及輸氣量調(diào)節(jié)控制閥。 3)調(diào)節(jié)過(guò)程 滑閥軸向移動(dòng)的動(dòng)作是根據(jù)吸氣壓力和溫度，通過(guò)液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，圖3-20表示電磁換向閥組控制輸氣量調(diào)節(jié)滑閥的工作情況,74,高等課堂,螺桿齒形,對(duì)稱圓弧形、單邊不對(duì)稱的擺線圓弧、GHH（德國(guó)公司）不對(duì)稱形。 目前,世

15、界上公認(rèn)效率較高的型線有公司的型線、公司的型線、日立公司的56型線等。而我國(guó)現(xiàn)有的幾大螺桿式制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家大都采用標(biāo)準(zhǔn)型線(非對(duì)稱圓弧擺線齒型)，大連冷凍機(jī)股份有限公司部分87新齒型，武漢新世界制冷工業(yè)有限公司部分機(jī)型為型線，其效率雖然比標(biāo)準(zhǔn)型線有所提高(5%10%)，但與國(guó)外的(10%20%)比較,還有一定差距,75,高等課堂,主要參數(shù),公稱直徑（63、80、100、125、160、200） 長(zhǎng)徑比L/D0:1和1.5 理論排氣量 Vh=60(m1n1V1+m2n2V2) 容積效率和指示效率 螺桿之間以及螺桿和機(jī)殼之間的間隙引起的泄漏,76,高等課堂,螺桿式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn),轉(zhuǎn)速高（3000

16、4400r/min），相同制冷量下，體積小，質(zhì)量輕，占地小，輸氣脈動(dòng)小。 無(wú)吸、排氣閥和活塞環(huán)等易損件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)。 向氣缸內(nèi)噴油，故排氣溫度低（90）。 無(wú)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不存在不平衡質(zhì)量慣性力和力矩。 具有強(qiáng)制輸氣的特點(diǎn)，幾乎不受排氣壓力的影響。 對(duì)濕壓縮不敏感。 無(wú)余隙容積和吸、排氣阻力，容積效率高。 調(diào)節(jié)范圍寬，經(jīng)濟(jì)性好，無(wú)喘振現(xiàn)象,77,高等課堂,螺桿式壓縮機(jī)的缺點(diǎn),油系統(tǒng)復(fù)雜，耗油量大 不適于變工況運(yùn)行 噪聲大 轉(zhuǎn)子加工精度要求高 泄漏大 只適用于中、低壓比,78,高等課堂,3.3 離心式壓縮機(jī),79,高等課堂,概述,離心式壓縮機(jī)依靠氣流速度變化的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，起到壓縮作用

17、：吸入氣體由葉輪旋轉(zhuǎn)達(dá)到很高速度，然后導(dǎo)入渦殼使速度能轉(zhuǎn)變成壓力能。，級(jí)壓力比受葉輪圓周速度與制冷劑性質(zhì)的影響。輪周速度受制于材料強(qiáng)度和氣體動(dòng)力條件,一級(jí)葉輪可以達(dá)到的壓力比（級(jí)壓力比）一般為34,一般限制輪周速度不超過(guò)制冷劑進(jìn)口處音速的1.4 1.5倍,80,高等課堂,離心機(jī)的特點(diǎn)是,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速高、輸氣量大，故體積、重量小,制冷劑不與潤(rùn)滑油接觸，避免了油對(duì)制冷劑的影響,與前述各種容積式壓縮機(jī)特性一個(gè)重要的不同之處是,它的吸、排氣壓力差（或壓力比）與吸氣量有密切關(guān)系，吸氣量變化還影響機(jī)器效率，在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有可能出現(xiàn)喘振,喘振現(xiàn)象就是氣流在流道內(nèi)來(lái)回撞擊而不能正常輸出,81,高等課堂,

18、82,高等課堂,3.4 其它型式的壓縮機(jī),83,高等課堂,滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī),零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 易損件少，運(yùn)行可靠。 無(wú)吸氣閥，余隙容積小，輸氣系數(shù)高。 若噴油，則排氣溫度較低，適于較大壓縮比和較低蒸發(fā)溫度的場(chǎng)合。 體積小，重量輕，運(yùn)行平穩(wěn)。 加工精度要求高。 密封性能較差，泄漏損失較大。 大、中型的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)適用于冷庫(kù)；小型的多用于冰箱和家用空調(diào),84,高等課堂,渦旋式壓縮機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 復(fù)雜的形線 極高的精度要求,數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展,制造困難,渦旋機(jī),85,高等課堂,渦旋機(jī)在技術(shù)上的特長(zhǎng),沒(méi)有氣閥在制冷裝置中,可靠性大大提高,軸的扭矩更均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),壓力脈動(dòng)小,振動(dòng)和噪聲低,在給定吸氣條件下,渦旋機(jī)的容積效率幾乎與壓力比無(wú)關(guān),不存在余隙容積的影響,86,高等課堂,本章總結(jié),