制冷壓縮機工作原理 熱力學基礎及工作方式分類【稻香書屋】

1、第二章 制冷壓縮機-熱力學基礎,鄭藝華 生物系統(tǒng)熱科學與技術研究所,1,高等課堂,制冷壓縮機分類,2,高等課堂,容積型壓縮機是蒸氣壓縮式制冷機中應用領域最廣泛、使用數(shù)量最多的壓縮機。 容積型壓縮機的單機功率可以從幾十瓦到幾千千瓦的范圍。盡管結構型式眾多，但究其熱力學基礎還有許多部分是相同的。 在容積型壓縮機中，往復式壓縮機是最常用的一種，其壓縮理論最易于理解接受，對往復式壓縮機基礎理倫的剖析大多數(shù)都適用其它容積型壓縮機。因此，且以它作為典型來討論其理倫循環(huán),3,高等課堂,2-1 單級往復式制冷壓縮機的理論循環(huán),4,高等課堂,忽略容積損失、質量損失和其他不可逆損失。 壓縮機沒有余隙容積 吸氣與排

2、氣過程中沒有壓力損失 吸氣與排氣過程中無熱量傳遞 無漏氣損失 無摩擦損失,理想工作過程： 4-1：吸氣過程（下止點） 1-2：壓縮過程 2-3：排氣過程（上止點） 完成一個循環(huán),5,高等課堂,關注兩個性能指標： 輸氣量 理論功率,6,高等課堂,一、往復式壓縮機的理論輸氣量,氣缸的工作容積 理論容積輸氣量（m3/h） 理論質量輸氣量（kg/h,7,高等課堂,二、壓縮機消耗的理論功率,8,高等課堂,技術功 則，所消耗的理論功率為,9,高等課堂,理想氣體，作為等熵壓縮過程,10,高等課堂,對理想氣體或實際氣體,11,高等課堂,2-2 容積型壓縮機的實際性能,現(xiàn)實中，理論循環(huán)始終是不可能實現(xiàn)的。 許多

3、不可避免的損失使壓縮機的實際性能偏離了理想的情況，其結果是輸氣量的減少和功率消耗的增加。具體情況如下： 壓縮機中的壓力降。 制冷劑的受熱。 氣閥運動規(guī)律不完善帶來的效率下降。 制冷劑泄漏的影響。 再膨脹的影響。 壓縮過程偏離等熵過程。 壓縮過程的過壓縮和欠壓縮。 潤滑油循環(huán)量的影響。 壓縮機的機械摩擦損失和內置電動機(封閉式壓縮機)的電動機損失,12,高等課堂,2-3 內容積比固定的壓縮機的內容積比效率,內容積比Vi 是指這類壓縮機中吸氣終了，壓縮剛要開始時的工作容積 Vcys與壓縮終了，剛要開始打開排氣口時的工作容積Vcyc間的幾何比例關系，即 對應的內壓力比,13,高等課堂,14,高等課堂

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

5、積計算，則容積輸氣量，單位為m3/h,20,高等課堂,二、容積效率,壓縮機的容積效率是實際輸氣量與理論輸氣量之比值。 用以衡量容積型壓縮機的氣缸工作容積的有效利用程度,21,高等課堂,三、制冷量,制冷壓縮機是作為制冷機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間內所產(chǎn)生的冷量制冷量來表示，單位為kW，它是制冷壓縮機的重要性能指標之一,22,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,單位時間內實際循環(huán)所消耗的指示功就是壓縮機的指示功率，單位為kW 制冷壓縮機的指示效率是指壓縮1k

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

7、壓縮機的制冷量與所消耗功率之比。 對于開啟式壓縮機，其性能系數(shù)為 對于封閉式壓縮機，其性能系數(shù)為 另稱為：單位輸入功率制冷量；能效比EER,30,高等課堂,第3章 制冷壓縮機,31,高等課堂,概述,32,高等課堂,壓縮機的分類,33,高等課堂,容積型壓縮機,速度型壓縮機,通過對運動機構作功，以減少壓縮式容積，提高蒸氣壓力來完成壓縮功能,由旋轉部件連續(xù)將角動量轉換給蒸氣，再將該動量轉為壓力,壓縮機的分類（按原理,34,高等課堂,按結構特征和工作特征分類,35,高等課堂,各種形式的壓縮機,往復式 活塞連桿式,回轉式 轉子式,回轉式 滑片式,36,高等課堂,各種形式的壓縮機,回轉式渦旋式,37,高等

8、課堂,各種形式的壓縮機,回轉式 雙螺桿,回轉式 單螺桿,38,高等課堂,幾種特殊的壓縮機,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,各類壓縮機在制冷和空調工程中的應用范圍,40,高等課堂,3.1 活塞式壓縮機,41,高等課堂,概述,優(yōu)點 1)能適應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，特別是在偏離設計工況運行時更為明顯 3)對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工比較容易，造價也較低廉 4)技術上較為成熟，生產(chǎn)使用上積累了豐富的經(jīng)驗 5)裝置系統(tǒng)比較簡單 缺點 1)轉速受到限制。單機輸氣量大時，機器顯得笨重，電動機體積也相應增大 2)結構復雜，易損件多，維修工作量大 3)運轉時有振動 4)輸氣不連續(xù)，氣體壓力有波動等,42,高等課堂,活塞式壓縮機主要組成部件,43,高等課堂,活塞式壓縮機結構,44,高等課堂,活塞式壓縮機有以下特點,45,高等課堂,活塞式壓縮機的分類,46,高等課堂,活塞式壓縮機的分類,開啟式,半封閉式,全封閉式,47,高等課堂,活塞式壓縮機的工作過程

10、,理想工作過程 （1）無余隙容積 （2）吸、排氣無阻力損失 （3）吸、排氣無熱量交換 （4）無制冷劑的泄漏,48,高等課堂,壓縮機實際工作過程,49,高等課堂,活塞式壓縮機的性能,1）輸氣系數(shù) 輸氣系數(shù)的大小反映了實際工作過程中諸多因素對壓縮機輸氣量的影響，也表示了壓縮機氣缸工作容積的有效程度，故也稱為壓縮機的容積效率。 輸氣系數(shù)綜合了余隙容積、吸排氣阻力、吸氣過熱和泄漏對輸氣量的影響。 容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)、泄漏系數(shù) 當壓縮機結構類型和制冷劑確定后，運行參數(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油泵工作,53,高等課堂,指示功率,取決于壓縮機的汽缸數(shù)、轉數(shù)和單位指示功 絕熱壓縮理論功 又指示效率 則壓縮機的指示功率Ni可按下式計算： 指示效率主要與運行工況、多變指數(shù)、吸排氣壓力損失等諸多因素有關。活塞式0.60.8,54,高等課堂,活塞式壓縮機的指示效率,指示效率,55,高等課堂,摩擦功率和機械效率,壓縮機的摩擦功率主要與壓縮機的結構、制造、裝配質量、轉速和潤滑油的溫度等有關。 活塞式壓縮機機械效率0.80.9,56,高等課堂,活塞式壓縮機的摩擦效率,機械效率,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,小型開啟式壓縮機的軸功率,60,高等課堂,活塞式壓縮機的能量調節(jié),通過改變壓縮機工作氣缸數(shù)目的實現(xiàn)制冷量的調節(jié),61,高等課堂,3.2 螺桿式壓縮機,62,高等課堂,概述,1934年螺桿式壓縮機問世，近年來，隨著螺桿機可靠性方面的改進，它在中等容量的制冷與空調裝置上的應用更為廣泛了。 國內于1976年聯(lián)合設計并生產(chǎn)出第一臺噴油螺桿式制冷壓縮機。目前,煙臺冰輪集團有限公司、大連冷凍機股份有限公司、武漢新世界制冷工業(yè)有限公司等多個廠家已能生產(chǎn)螺桿式制冷壓縮機,轉子公稱直徑從91到315,標準工況(-15/

13、30)制冷量從38到2470,已形成開啟式、半封閉式兩大系列螺桿式制冷壓縮機,63,高等課堂,主要部件,陽轉子 陰轉子 機體 軸承 軸封 平衡活塞 能量調節(jié)裝置,64,高等課堂,工作過程,65,高等課堂,工作原理,類似于絞肉機,66,高等課堂,工作特點,完成一個工作周期，陽轉子轉兩圈，陰轉子轉4/3圈（齒數(shù)比4:6） 內容積比,67,高等課堂,單螺桿壓縮機,結構：行星齒輪單螺桿 工作過程與容積式壓縮機類似 滑閥調節(jié)，負荷10100 常用于冷水機組,68,高等課堂,螺桿式制冷壓縮機能量調節(jié)機構,螺桿式制冷壓縮機輸氣量調節(jié)的方法主要有吸入節(jié)流調節(jié)、轉停調節(jié)、變頻調節(jié)、滑閥調節(jié)、柱塞閥調節(jié)等。目前使

14、用較多的為滑閥調節(jié)。 滑閥調節(jié)工作原理 即通過改變轉子的有效工作長度，來達到輸氣量調節(jié)的目的,69,高等課堂,70,高等課堂,71,高等課堂,72,高等課堂,滑閥調節(jié)的原理圖,73,高等課堂,調節(jié)機構的組成 輸氣量調節(jié)機構由三部分組成： 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節(jié)指示器； 第三部分為油路及輸氣量調節(jié)控制閥。 3)調節(jié)過程 滑閥軸向移動的動作是根據(jù)吸氣壓力和溫度，通過液壓傳動機構來完成的，圖3-20表示電磁換向閥組控制輸氣量調節(jié)滑閥的工作情況,74,高等課堂,螺桿齒形,對稱圓弧形、單邊不對稱的擺線圓弧、GHH（德國公司）不對稱形。 目前,世

15、界上公認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。而我國現(xiàn)有的幾大螺桿式制冷壓縮機生產(chǎn)廠家大都采用標準型線(非對稱圓弧擺線齒型)，大連冷凍機股份有限公司部分87新齒型，武漢新世界制冷工業(yè)有限公司部分機型為型線，其效率雖然比標準型線有所提高(5%10%)，但與國外的(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殼之間的間隙引起的泄漏,76,高等課堂,螺桿式壓縮機的優(yōu)點,轉速高（3000

16、4400r/min），相同制冷量下，體積小，質量輕，占地小，輸氣脈動小。 無吸、排氣閥和活塞環(huán)等易損件，結構簡單，運行可靠、壽命長。 向氣缸內噴油，故排氣溫度低（90）。 無往復運動，不存在不平衡質量慣性力和力矩。 具有強制輸氣的特點，幾乎不受排氣壓力的影響。 對濕壓縮不敏感。 無余隙容積和吸、排氣阻力，容積效率高。 調節(jié)范圍寬，經(jīng)濟性好，無喘振現(xiàn)象,77,高等課堂,螺桿式壓縮機的缺點,油系統(tǒng)復雜，耗油量大 不適于變工況運行 噪聲大 轉子加工精度要求高 泄漏大 只適用于中、低壓比,78,高等課堂,3.3 離心式壓縮機,79,高等課堂,概述,離心式壓縮機依靠氣流速度變化的動力學效應，起到壓縮作用

17、：吸入氣體由葉輪旋轉達到很高速度，然后導入渦殼使速度能轉變成壓力能。，級壓力比受葉輪圓周速度與制冷劑性質的影響。輪周速度受制于材料強度和氣體動力條件,一級葉輪可以達到的壓力比（級壓力比）一般為34,一般限制輪周速度不超過制冷劑進口處音速的1.4 1.5倍,80,高等課堂,離心機的特點是,結構簡單、轉速高、輸氣量大，故體積、重量小,制冷劑不與潤滑油接觸，避免了油對制冷劑的影響,與前述各種容積式壓縮機特性一個重要的不同之處是,它的吸、排氣壓力差（或壓力比）與吸氣量有密切關系，吸氣量變化還影響機器效率，在部分負荷運行時，有可能出現(xiàn)喘振,喘振現(xiàn)象就是氣流在流道內來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,83,高等課堂,滾動轉子壓縮機,零部件少，結構簡單。 易損件少，運行可靠。 無吸氣閥，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)溫度的場合。 體積小，重量輕，運行平穩(wěn)。 加工精度要求高。 密封性能較差，泄漏損失較大。 大、中型的滾動轉子壓縮機適用于冷庫；小型的多用于冰箱和家用空調,84,高等課堂,渦旋式壓縮機,結構簡單 復雜的形線 極高的精度要求,數(shù)控機床技術的發(fā)展,制造困難,渦旋機,85,高等課堂,渦旋機在技術上的特長,沒有氣閥在制冷裝置中,可靠性大大提高,軸的扭矩更均勻，運轉平穩(wěn),壓力脈動小,振動和噪聲低,在給定吸氣條件下,渦旋機的容積效率幾乎與壓力比無關,不存在余隙容積的影響,86,高等課堂,本章總結,