活塞、涡旋、螺旋离心式压缩机工商应用

     据产业在线数据显示,2021年我国商用压缩机产量达2635万台,同比增长18.6%[1]。不同的应用对压缩机的制冷量范围、耐久性、噪音水平、能效比等性能指标有着不同的要求。本文将重点剖析工商用制冷领域的主流压缩机品类,包括活塞式、螺杆式、涡旋式和离心式压缩机,通过实例说明其技术特性和应用范围,以期为制冷设备的选型和研发提供参考。

1. 活塞式压缩机

   

1.1 结构与分类  
活塞式压缩机利用活塞在气缸内作往复运动,通过改变气缸工作容积实现对制冷剂的吸气、压缩和排气[2]。其主要由曲轴连杆机构、气缸、活塞、配气机构等部件组成。按气缸数量可分为单缸、多缸压缩机,按气缸排列方式可分为直列、V型、W型等。按冷却方式可分为风冷和水冷型。风冷型结构紧凑,但散热效果差;水冷型散热好,但结构复杂。按气阀形式可分为半封闭和全封闭两类,后者密封性好,但维修不便。

1.2 技术特点  
活塞式压缩机的优势在于:
(1)适用范围广,小到几十瓦,大到几百千瓦;
(2)压缩比高,单级可达8-12;
(3)结构简单,加工工艺成熟,制造成本较低。
其不足之处是:
(1)零件磨损较快,需定期维护;
(2)振动噪音大,需采取减振降噪措施;
(3)频繁启停会降低使用寿命[3]。
活塞式压缩机的容积效率一般在75%左右,总效率在70%左右,随压缩比上升而下降。

1.3 制冷剂选用  
常用的制冷剂有R22、R134a、R404A、R407C、R410A等。考虑到R22的淘汰进程以及环保型制冷剂的推广,目前R134a、R404A、R407C在商用领域应用较广[4]。根据压缩机排气温度选择合成润滑油或矿物油。国内外主要厂商均已掌握与新型制冷剂匹配的压缩机设计和制造技术。

1.4 应用实例  
(1)美国谷轮公司的D系列多缸半封闭压缩机,采用直列式四缸设计,制冷量范围50-300kW,使用R404A制冷剂。该系列广泛应用于冷库、制冰、速冻等低温领域[5]。
(2)比泽尔公司的4VES-10型半封闭压缩机,采用V型四缸设计,制冷量69kW,压缩比10.5,使用R134a制冷剂,配备喷液增焓节能装置,应用于医药、食品冷藏[6]。
(3)博雷公司的S系列全封闭压缩机,采用直列双缸设计,制冷量范围0.2-24kW,使用R134a、R404A制冷剂,可实现变频调速,广泛应用于商超展示柜、自动售货机等[7]。
国内厂商如海立、汉钟、福田等也有多系列成熟产品,品质不断提升。

 

2. 螺杆式压缩机      

         

2.1 结构与分类

螺杆压缩机靠一对互相啮合的公、母螺杆旋转,利用螺杆齿间容积的变化实现对气体的连续压缩。公母螺杆形状不同,其中公螺杆的齿数多于母螺杆1-2个[8]。按齿廓形状可分为直线型和弧线型,后者具有更高的容积效率。按润滑方式可分为油润滑和无油型,前者结构简单但存在油气分离问题,后者无油但造价高、维护难度大。单螺杆压缩机只有一个主螺杆,两侧用门齿轮作为密封,结构更加紧凑[9]。

2.2 技术特点  
螺杆式压缩机的优势在于:
(1)输气平稳,无脉动和振动;
(2)体积小,重量轻,功率范围宽;
(3)可实现大排量、高压比,效率高;
(4)可靠性高,使用寿命长。
其不足之处是:
(1)加工工艺要求高,成本较高;
(2)高压端泄漏较大,容积效率略低;
(3)油分离器和油冷却器等附件复杂[10]。
螺杆式压缩机的容积效率可达90%以上,总效率85%以上。随型线不断优化,其性能还在进一步提升。

2.3 制冷剂选用  
螺杆压缩机常使用R22、R134a、R407C等制冷剂。随着R22的淘汰,R134a成为主流选择。考虑到全球变暖问题,R513A、R1234yf、R1234ze等新型低GWP制冷剂也开始得到应用[11]。油润滑型多选用PAG、POE合成油,无油型则选用特种高温润滑脂。

2.4 应用实例  
(1)开利Flexstream系列单螺杆压缩机,制冷量范围200-1000kW,压缩比达25,采用经济器增焓,seasonal IPLV高达7.0,主要用于大型中央空调、热泵系统等[12]。
(2)约克YVWA系列变频双螺杆压缩机,制冷量130-1300kW,采用自适应压缩比控制,在转速25-100%范围内均可高效运行,搭载磁悬浮主轴承,广泛应用于数据中心、工业冷冻[13]。
(3)江森自控耐高温单螺杆压缩机,制冷量90-630kW,在80℃环境下连续运行,充注环保型制冷剂,主要用于替代R22的改造项目[14]。

 

3. 涡旋式压缩机      

         

3.1 结构与分类

涡旋压缩机由固定涡旋和旋转涡旋组成。旋转涡旋在固定涡旋内作公转运动,使两涡旋之间形成一系列新月形压缩腔,随转子公转,压缩腔体积逐渐缩小,完成对气体的连续压缩[15]。按涡旋排数可分为单级、两级压缩机,后者可用于制冷和热泵的双工况运行。按压缩腔数可分为单涡旋、双涡旋、三涡旋压缩机,多涡旋并联可实现大排量[16]。此外,涡旋压缩机多为全封闭直接启动,但也有少量半封闭和无油型。

3.2 技术特点  
涡旋式压缩机的优势在于:
(1)可靠性高,使用寿命长;
(2)振动小,噪音低;
(3)无需吸、排气阀,可实现变工况调节;
(4)压缩效率高,可达等熵效率的80%以上。
其不足之处是:
(1)涡旋加工精度要求高,成本较高;
(2)高压比工况下效率下降明显;
(3)背压腔和轴向间隙泄漏较大[17]。
涡旋压缩机的容积效率可达95%,总效率在80%以上。随着涡旋线型优化设计技术的进步,其在高压比工况下的性能也在不断改善。

3.3 制冷剂选用  
涡旋压缩机常使用R410A、R407C、R134a等制冷剂。得益于其出色的压缩性能,在家用、商用空调领域,R410A已成为主导性制冷剂[18]。针对R32、R454B等新型制冷剂,各大厂商也推出了兼容型号。润滑油主要选用酯类POE油,部分采用多元醇酯PVE油。

3.4 应用实例  
(1)大金VRV X7系列涡旋压缩机,采用气冷变频技术,实现180%-5%的宽频调节,制冷量4-20HP,IEER高达27,满足《能效标识管理办法》一级能效[19]。
(2)日立采用双级涡旋压缩机的Samurai系列冷水机,制冷量360-1280kW,在炎热工况、部分负荷下仍能高效运行,IPLV高达9.0以上[20]。
(3)丹佛斯VSH系列商用涡旋压缩机,采用EVI增焓技术,在高温环境下制冷量衰减小,COP提高30%,制冷量13-26kW,主要用于烘干除湿、热泵热水等[21]。
国产海尔、美的、格力等品牌的涡旋式压缩机在家用领域占据主导,并加速向商用拓展。

 

4. 离心式压缩机      

         

4.1 结构与分类

离心压缩机利用高速旋转的叶轮产生离心力,使气体获得动能,经扩散器将动能转化为压力能,从而提高气体的压力。多级串联可实现更高的压比[22]。按级数可分为单级、两级、三级压缩机。按进气方式可分为单进气和双进气,后者平衡了两侧的轴向力。按转子结构可分为开启式和半封闭式,前者采用机械密封,后者采用磁悬浮轴承,免维护、免润滑[23]。

4.2 技术特点  
离心式压缩机的优势在于:
(1)机械效率高,可达85%以上;
(2)体积流量大,单机容量可达10MW;
(3)寿命长,连续运转可达20年以上;
(4)振动小,噪音低,易于实现无油化。
其不足之处是:
(1)设备庞大,造价昂贵;
(2)需配置专门的润滑和密封系统;
(3)在 ? 工况下效率衰减明显[24]。
离心压缩机多用于大型工业制冷和中央空调系统。随着磁悬浮技术的应用,其在部分负荷工况下的性能也有了很大改善。

4.3 制冷剂选用  
传统离心压缩机常使用R11、R12、R22等制冷剂。随着国际公约对含氟制冷剂的限制,行业加快了对R134a、R123、R245fa的替代[25]。近年来,R1234ze、R1233zd、R514A等新型低GWP制冷剂也开始在离心压缩机上应用,其中R1233zd的热力性能优于R245fa,是其理想替代品。考虑到制冷剂的不可压缩性,离心压缩机对润滑油的粘度指标要求很高,通常选用酯类POE油。

4.4 应用实例  
(1)开利AquaEdge 19DV离心式冷水机组,单机制冷量高达3600kW,采用两级压缩,压比可达5.2,在低负荷时转速可降至20%,IPLV高达11.5[26]。
(2)特灵Stealth系列磁悬浮变频离心式冷水机组,制冷量700-2500kW,采用R134a制冷剂,在10%-100%负荷下均可运行,IPLV高达13.5[27]。
(3)麦克维尔WPV系列两级离心式冷水机组,制冷量2110-4600kW,充注新型制冷剂R1233zd,在高于35℃冷凝温度时,效率比R134a提高5%以上[28]。
目前国内厂商在大型离心压缩机领域尚处在跟跑阶段,广东美芝、上海冰轮等企业已推出国产化机型,离心压缩机的国产化率有望进一步提高。

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