制冷压缩机工作原理 热力学基础及工作方式分类【稻香书屋】

1、第二章 制冷压缩机-热力学基础,郑艺华 生物系统热科学与技术研究所,1,高等课堂,制冷压缩机分类,2,高等课堂,容积型压缩机是蒸气压缩式制冷机中应用领域最广泛、使用数量最多的压缩机。 容积型压缩机的单机功率可以从几十瓦到几千千瓦的范围。尽管结构型式众多，但究其热力学基础还有许多部分是相同的。 在容积型压缩机中，往复式压缩机是最常用的一种，其压缩理论最易于理解接受，对往复式压缩机基础理伦的剖析大多数都适用其它容积型压缩机。因此，且以它作为典型来讨论其理伦循环,3,高等课堂,2-1 单级往复式制冷压缩机的理论循环,4,高等课堂,忽略容积损失、质量损失和其他不可逆损失。 压缩机没有余隙容积 吸气与排

2、气过程中没有压力损失 吸气与排气过程中无热量传递 无漏气损失 无摩擦损失,理想工作过程： 4-1：吸气过程（下止点） 1-2：压缩过程 2-3：排气过程（上止点） 完成一个循环,5,高等课堂,关注两个性能指标： 输气量 理论功率,6,高等课堂,一、往复式压缩机的理论输气量,气缸的工作容积 理论容积输气量（m3/h） 理论质量输气量（kg/h,7,高等课堂,二、压缩机消耗的理论功率,8,高等课堂,技术功 则，所消耗的理论功率为,9,高等课堂,理想气体，作为等熵压缩过程,10,高等课堂,对理想气体或实际气体,11,高等课堂,2-2 容积型压缩机的实际性能,现实中，理论循环始终是不可能实现的。 许多

3、不可避免的损失使压缩机的实际性能偏离了理想的情况，其结果是输气量的减少和功率消耗的增加。具体情况如下： 压缩机中的压力降。 制冷剂的受热。 气阀运动规律不完善带来的效率下降。 制冷剂泄漏的影响。 再膨胀的影响。 压缩过程偏离等熵过程。 压缩过程的过压缩和欠压缩。 润滑油循环量的影响。 压缩机的机械摩擦损失和内置电动机(封闭式压缩机)的电动机损失,12,高等课堂,2-3 内容积比固定的压缩机的内容积比效率,内容积比Vi 是指这类压缩机中吸气终了，压缩刚要开始时的工作容积 Vcys与压缩终了，刚要开始打开排气口时的工作容积Vcyc间的几何比例关系，即 对应的内压力比,13,高等课堂,14,高等课堂

4、,15,高等课堂,假定压缩过程是多变过程，则上述循环所消耗的指示功为 不存在过压缩和欠压缩的情况，则所耗指示功为,16,高等课堂,内容积比效率是用以衡量具有固定内容积比故压缩机，在其内压力比不等于系统的压力比的情况下工作时，额外功耗损失的程度。 则内容积比效率,17,高等课堂,18,高等课堂,2-4 制冷压缩机的基本性能参数,制冷压缩机的实际性能与按理论循环所得的理想性能必然存存着差距。 为了能表征压缩机的实际性能，列举一些常用的主要性能参数,19,高等课堂,一、实际输气量,一定工况下，单位时间内由吸气端输送到排气端的气体质量称为在该工况下的压缩机质量输气量，单位为kg/h。 若按吸气状态的容

5、积计算，则容积输气量，单位为m3/h,20,高等课堂,二、容积效率,压缩机的容积效率是实际输气量与理论输气量之比值。 用以衡量容积型压缩机的气缸工作容积的有效利用程度,21,高等课堂,三、制冷量,制冷压缩机是作为制冷机中一重要组成部分而与系统中其它部件配合工作而获得制冷的效果。 其工作能力有必要直观地用单位时间内所产生的冷量制冷量来表示，单位为kW，它是制冷压缩机的重要性能指标之一,22,高等课堂,23,高等课堂,四、排热量,24,高等课堂,25,高等课堂,26,高等课堂,五、指示功率和指示效率,单位时间内实际循环所消耗的指示功就是压缩机的指示功率，单位为kW 制冷压缩机的指示效率是指压缩1k

6、g工质所需的等熵循环理论功与实际循环指示功之比,27,高等课堂,六、轴功率、轴效率和机械效率,由原动机传到压缩机主轴上的功率称为轴功率。 轴效率是等熵压缩理论功率与轴功率之比，用它可以评完主轴输入功率的利用完善程度，较适用于开启式压缩机。 机械效率是指示功率和轴功率之比，用它可以评定压缩机摩擦损耗的大小程度,28,高等课堂,七、电功率和电效率,输入电动机的功率就是压缩机所消耗的电功率。 电效率是等熵压缩理论功率与电功率之比，它是用以评定利用电动机输入功率的完善程度。 对于封闭式制冷压缩机,29,高等课堂,八、性能系数,为了最终衡量制冷压缩机的动力经济性，采用性能系数COP，它是在一定工况下制冷

7、压缩机的制冷量与所消耗功率之比。 对于开启式压缩机，其性能系数为 对于封闭式压缩机，其性能系数为 另称为：单位输入功率制冷量；能效比EER,30,高等课堂,第3章 制冷压缩机,31,高等课堂,概述,32,高等课堂,压缩机的分类,33,高等课堂,容积型压缩机,速度型压缩机,通过对运动机构作功，以减少压缩式容积，提高蒸气压力来完成压缩功能,由旋转部件连续将角动量转换给蒸气，再将该动量转为压力,压缩机的分类（按原理,34,高等课堂,按结构特征和工作特征分类,35,高等课堂,各种形式的压缩机,往复式 活塞连杆式,回转式 转子式,回转式 滑片式,36,高等课堂,各种形式的压缩机,回转式涡旋式,37,高等

8、课堂,各种形式的压缩机,回转式 双螺杆,回转式 单螺杆,38,高等课堂,几种特殊的压缩机,Claw compressors,Screw,Radial Blowers,Rotary Vane,Regenerative Blowers (also called Side Channel Blowers or Ring Compressors,Rotary Lobe Blowers,Pump Combinations,39,高等课堂,各类压缩机在制冷和空调工程中的应用范围,40,高等课堂,3.1 活塞式压缩机,41,高等课堂,概述,优点 1)能适应较广阔的压力范围和制冷量要求 2)热效率较高，单位耗

9、电量较少，特别是在偏离设计工况运行时更为明显 3)对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工比较容易，造价也较低廉 4)技术上较为成熟，生产使用上积累了丰富的经验 5)装置系统比较简单 缺点 1)转速受到限制。单机输气量大时，机器显得笨重，电动机体积也相应增大 2)结构复杂，易损件多，维修工作量大 3)运转时有振动 4)输气不连续，气体压力有波动等,42,高等课堂,活塞式压缩机主要组成部件,43,高等课堂,活塞式压缩机结构,44,高等课堂,活塞式压缩机有以下特点,45,高等课堂,活塞式压缩机的分类,46,高等课堂,活塞式压缩机的分类,开启式,半封闭式,全封闭式,47,高等课堂,活塞式压缩机的工作过程

10、,理想工作过程 （1）无余隙容积 （2）吸、排气无阻力损失 （3）吸、排气无热量交换 （4）无制冷剂的泄漏,48,高等课堂,压缩机实际工作过程,49,高等课堂,活塞式压缩机的性能,1）输气系数 输气系数的大小反映了实际工作过程中诸多因素对压缩机输气量的影响，也表示了压缩机气缸工作容积的有效程度，故也称为压缩机的容积效率。 输气系数综合了余隙容积、吸排气阻力、吸气过热和泄漏对输气量的影响。 容积系数、压力系数、温度系数、泄漏系数 当压缩机结构类型和制冷剂确定后，运行参数压缩比Pk/P0则是主要的影响因素,50,高等课堂,输气系数,51,高等课堂,输气系数,52,高等课堂,2）压缩机的功率和效率,

11、轴功率 Ni指示功率，直接用于压缩气体 Nm摩擦功率，用于克服摩擦阻力和带动油泵工作,53,高等课堂,指示功率,取决于压缩机的汽缸数、转数和单位指示功 绝热压缩理论功 又指示效率 则压缩机的指示功率Ni可按下式计算： 指示效率主要与运行工况、多变指数、吸排气压力损失等诸多因素有关。活塞式0.60.8,54,高等课堂,活塞式压缩机的指示效率,指示效率,55,高等课堂,摩擦功率和机械效率,压缩机的摩擦功率主要与压缩机的结构、制造、装配质量、转速和润滑油的温度等有关。 活塞式压缩机机械效率0.80.9,56,高等课堂,活塞式压缩机的摩擦效率,机械效率,57,高等课堂,轴功率和轴效率,轴功率 轴效率（

12、总效率） 电效率 实际制冷系数 EER,58,高等课堂,轴效率随压缩比的变化,59,高等课堂,小型开启式压缩机的轴功率,60,高等课堂,活塞式压缩机的能量调节,通过改变压缩机工作气缸数目的实现制冷量的调节,61,高等课堂,3.2 螺杆式压缩机,62,高等课堂,概述,1934年螺杆式压缩机问世，近年来，随着螺杆机可靠性方面的改进，它在中等容量的制冷与空调装置上的应用更为广泛了。 国内于1976年联合设计并生产出第一台喷油螺杆式制冷压缩机。目前,烟台冰轮集团有限公司、大连冷冻机股份有限公司、武汉新世界制冷工业有限公司等多个厂家已能生产螺杆式制冷压缩机,转子公称直径从91到315,标准工况(-15/

13、30)制冷量从38到2470,已形成开启式、半封闭式两大系列螺杆式制冷压缩机,63,高等课堂,主要部件,阳转子 阴转子 机体 轴承 轴封 平衡活塞 能量调节装置,64,高等课堂,工作过程,65,高等课堂,工作原理,类似于绞肉机,66,高等课堂,工作特点,完成一个工作周期，阳转子转两圈，阴转子转4/3圈（齿数比4:6） 内容积比,67,高等课堂,单螺杆压缩机,结构：行星齿轮单螺杆 工作过程与容积式压缩机类似 滑阀调节，负荷10100 常用于冷水机组,68,高等课堂,螺杆式制冷压缩机能量调节机构,螺杆式制冷压缩机输气量调节的方法主要有吸入节流调节、转停调节、变频调节、滑阀调节、柱塞阀调节等。目前使

14、用较多的为滑阀调节。 滑阀调节工作原理 即通过改变转子的有效工作长度，来达到输气量调节的目的,69,高等课堂,70,高等课堂,71,高等课堂,72,高等课堂,滑阀调节的原理图,73,高等课堂,调节机构的组成 输气量调节机构由三部分组成： 第一部分包括滑阀、滑阀顶杆、油活塞、液压缸、压缩弹簧及端座； 第二部分为输气量调节指示器； 第三部分为油路及输气量调节控制阀。 3)调节过程 滑阀轴向移动的动作是根据吸气压力和温度，通过液压传动机构来完成的，图3-20表示电磁换向阀组控制输气量调节滑阀的工作情况,74,高等课堂,螺杆齿形,对称圆弧形、单边不对称的摆线圆弧、GHH（德国公司）不对称形。 目前,世

15、界上公认效率较高的型线有公司的型线、公司的型线、日立公司的56型线等。而我国现有的几大螺杆式制冷压缩机生产厂家大都采用标准型线(非对称圆弧摆线齿型)，大连冷冻机股份有限公司部分87新齿型，武汉新世界制冷工业有限公司部分机型为型线，其效率虽然比标准型线有所提高(5%10%)，但与国外的(10%20%)比较,还有一定差距,75,高等课堂,主要参数,公称直径（63、80、100、125、160、200） 长径比L/D0:1和1.5 理论排气量 Vh=60(m1n1V1+m2n2V2) 容积效率和指示效率 螺杆之间以及螺杆和机壳之间的间隙引起的泄漏,76,高等课堂,螺杆式压缩机的优点,转速高（3000

16、4400r/min），相同制冷量下，体积小，质量轻，占地小，输气脉动小。 无吸、排气阀和活塞环等易损件，结构简单，运行可靠、寿命长。 向气缸内喷油，故排气温度低（90）。 无往复运动，不存在不平衡质量惯性力和力矩。 具有强制输气的特点，几乎不受排气压力的影响。 对湿压缩不敏感。 无余隙容积和吸、排气阻力，容积效率高。 调节范围宽，经济性好，无喘振现象,77,高等课堂,螺杆式压缩机的缺点,油系统复杂，耗油量大 不适于变工况运行 噪声大 转子加工精度要求高 泄漏大 只适用于中、低压比,78,高等课堂,3.3 离心式压缩机,79,高等课堂,概述,离心式压缩机依靠气流速度变化的动力学效应，起到压缩作用

17、：吸入气体由叶轮旋转达到很高速度，然后导入涡壳使速度能转变成压力能。，级压力比受叶轮圆周速度与制冷剂性质的影响。轮周速度受制于材料强度和气体动力条件,一级叶轮可以达到的压力比（级压力比）一般为34,一般限制轮周速度不超过制冷剂进口处音速的1.4 1.5倍,80,高等课堂,离心机的特点是,结构简单、转速高、输气量大，故体积、重量小,制冷剂不与润滑油接触，避免了油对制冷剂的影响,与前述各种容积式压缩机特性一个重要的不同之处是,它的吸、排气压力差（或压力比）与吸气量有密切关系，吸气量变化还影响机器效率，在部分负荷运行时，有可能出现喘振,喘振现象就是气流在流道内来回撞击而不能正常输出,81,高等课堂,

18、82,高等课堂,3.4 其它型式的压缩机,83,高等课堂,滚动转子压缩机,零部件少，结构简单。 易损件少，运行可靠。 无吸气阀，余隙容积小，输气系数高。 若喷油，则排气温度较低，适于较大压缩比和较低蒸发温度的场合。 体积小，重量轻，运行平稳。 加工精度要求高。 密封性能较差，泄漏损失较大。 大、中型的滚动转子压缩机适用于冷库；小型的多用于冰箱和家用空调,84,高等课堂,涡旋式压缩机,结构简单 复杂的形线 极高的精度要求,数控机床技术的发展,制造困难,涡旋机,85,高等课堂,涡旋机在技术上的特长,没有气阀在制冷装置中,可靠性大大提高,轴的扭矩更均匀，运转平稳,压力脉动小,振动和噪声低,在给定吸气条件下,涡旋机的容积效率几乎与压力比无关,不存在余隙容积的影响,86,高等课堂,本章总结,