制冷压缩机Word下载.docx
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借助电子计算机对压缩机工作过程的性能仿真，主要部件结构如轴承、滑片、滚动转子、排气阀等结构的特性分析，以及噪声和振动的仿真。
可对压缩机的经济性和可靠性、噪声和振动进行预测，对满足各种要求的滚动转子式压缩机进行优化设计。
4、降低噪声
首先从振动方面入手减少曲轴及轴承的振动，改进压缩机与机壳的连接系统，开发各种新型消声结构和排气阀等。
第四节输汽量调节
一、变频调节
把变频技术引入到压缩机的能量调节中来，具有节能、舒适、启动快速、温控精度高和易于实现自动化等优点，图4-９给出采用变频调节的热泵空调机运行特性。
1、交流变频器调速
感应电动机的转速n与交流电输入频率的关系为
变频器有电流源型和电压源型，又可根据控制电路的调制方式分为脉宽调制方式（PWM方式）和脉幅调制方式（PAM方式），当前空调器用制冷压缩机的电动机变频器多采用电压源型PWM方式，即采用U/f（电压/频率）接近恒定的控制系统，图４-10
是这种变频器的结构框图，它由整流器、逆变器、微机和数字信号控制电路等四部分组成。
图4-11
给出变频器电压波形图，交流电压波形经整流器变为直流，再经PWM方式逆变器转变为频率在30～120Hz范围内变化的U/f（电压/频率）接近恒定的交流电。
2、直流变频器调速
直流变频器是将50Hz或60Hz固定频率的交流电转变成直流电，对直流电动机进行调速，省却了交流变频器又将直流变成交流的麻烦，使电器元件减少，从图4-１2给出的交流电动机和直流电动机效率曲线的比较中看出，在低转速范围内后者的效率比前者高10%，在高速范围内约高4%，这是因为直流电动机是转子为永磁性材料制成的无刷电动机，且不出现二次铜损。
目前直流变频器的调速范围在1500～8250r/min。
二、旁通调节
1、单缸机旁通调节
如图4-13的调节示意图所示。
2、双缸机旁通调节
图4-14是带有旁通调节的双缸滚动转子式压缩机。
三、多机并联运行调节
当需要的制冷量（或制热量）变化范围较大时，采用多台压缩机并联进行制冷量调节是比较高效、经济的调节方式，并且可以减少单台压缩机的停机次数，延长了压缩机的寿命.
第五章
涡旋式制冷压缩机
涡旋式制冷压缩机是20世纪80年代才发展起来的一种新型容积式压缩机，它以其效率高、体积小、质量轻、噪声低、结构简单且运转平稳等特点，被广泛用于空调和制冷机组中。
工作原理与总体结构
涡旋压缩机的结构如图5-1所示。
它由运动涡旋盘（动盘）、固定涡旋盘（静盘）、机体、防自转环、偏心轴等零部件组成。
涡旋压缩机的工作过程如图5-2所示。
由分析可以看出，涡旋压缩机的工作过程仅有进气、压缩、排气三个过程。
而且是在主轴旋转一周内同时进行的，外侧空间与吸气口相通，始终处于吸气过程，内侧空间与排气口相通，始终处于排气过程，而上述两个空间之间的月牙形封闭空间内，则一直处于压缩过程。
因而可以认为吸气和排气过程都是连续的。
二、总体结构
图5-3为一空调用涡旋式制冷压缩机结构总图。
图5-4所示为另一立式全封闭涡旋式压缩机结构。
图5-5是一台制冷量1.8kW的卧式全封闭涡旋式压缩机，它适用于压缩机高度受到限制的机组。
图5-6所示的汽车空调用涡旋式压缩机为开启式压缩机，由汽车的主发动机通过皮带轮驱动压缩机运转。
三、特点
涡旋式制冷压缩机有如下特点：
1、相邻两室的压差小，气体的泄漏量少。
2、转矩变化幅度小、振动小。
3、没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程。
4、无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。
5、由于采用气体支承机构，故允许带液压缩。
6、机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了压缩机的输气系数。
7、涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密加工设备。
8、密封要求高，密封机构复杂。
输汽量调节
一、变转速调节
涡旋式压缩机与滚动转子式压缩机一样均可采用变转速调节方法改变其输气量。
图5-7示出了采用变频调节的三种压缩机（活塞式、滚动转子式、涡旋式）的等熵效率
ηtS及输汽系数λ的比较。
图5-8是涡旋式压缩机变速调节时的振动与噪声特性与活塞式和滚动转子式的比较。
从图中看出，在任何频率下涡旋式压缩机的振动和噪声都比活塞式及滚动转子式低。
综上所述所明，涡旋式压缩机比活塞式和滚动转子式适用于更宽的速度范围，在空调器或热泵中采用涡旋式压缩机进行变频调节输气量是很有前途的。
二、多机并联运行调节
此处介绍两台运行的涡旋式压缩机共用一个机壳并联调节的形式，其结构如图5-9所示。
由图5-10还可以看出，与相同制冷量的一台涡旋式相比，在较宽的制冷量范围内有较高的COP值。
三、变容量旁通调节
在汽车空调中通常采用变容量涡旋式压缩机进行输气量调节，其原理是通过吸气回流旁通输气量。
图5-11
示出一种变容量涡旋式压缩机结构。
从图5-12给出的上述变容量涡旋式压缩机的调节特性曲线中看出，在一定的转速范围内，其制冷量可根据空调工况的要求保持不变
第六章
离心式制冷压缩机
第一节
离心式压缩机的工作原理与结构
离心式制冷压缩机属于速度型压缩机，是一种叶轮旋转式的机械。
它是靠高速旋转的叶轮对气体做功，以提高气体的压力。
气体的流动是连续的，其流量比容积型制冷压缩机要大得多。
一、压缩机的工作原理与主要结构
1.工作原理
离心式制冷压缩机有单级、双级和多级等多种结构型式。
单级压缩机主要由吸气室、叶轮、扩压器、蜗壳等组成，如图6-1所示。
对于多级压缩机，还设有弯道和回流器等部件。
。
多级离心式制冷压缩机的中间级如图6-2所示。
级数较多的离心式制冷压缩机中可分为几段，每段包括一到几级。
1—进口可调导流叶片
2—吸气室
1—叶轮
2—扩压器
3—叶轮
4—蜗壳
5—扩压器
6—主轴
3—弯道
4—回流器
离心式制冷压缩机的工作原理如下：
通过叶轮对气体做功，使其动能和压力能增加，气体的压力和流速得到提高。
然后大部分气体动能转变为压力能，压力进一步提高。
对于多级离心式制冷压缩机，则利用弯道和回流器再将气体引入下一级叶轮进行压缩，如图6-2所示。
离心式制冷压缩机与往复活塞式制冷压缩机相比，具有以下特点：
①
在相同制冷量时，其外形尺寸小、重量轻、占地面积小。
②
无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单。
③
③磨损部件少，连续运行周期长，维修费用低，使用寿命长。
④
润滑油与制冷剂基本上不接触，从而提高了蒸发器和冷凝器的传热性能。
⑤
易于实现多级压缩和节流，达到同一台制冷机多种蒸发温度的操作运行。
⑥
能够经济地进行无级调节。
⑦
对大型制冷机，若用经济性高的工业汽轮机直接带动，实现变转速调节，节能效果更好。
⑧
转速较高，用电动机驱动的一般需要设置增速器。
⑨
当冷凝压力较高，或制冷负荷太低时，压缩机组会发生喘振而不能正常工作。
⑩
制冷量较小时，效率较低。
目前所使用的离心式制冷机组大致可以分成两大类：
冷水机组和离心式制冷机组。
2.主要零部件的结构与作用
（1）吸气室
吸气室的作用是将从蒸发器或级间冷却器来的气体，均匀地引导至叶轮的进口。
吸气室有轴向进气和径向进气两种形式，如图6-3所示。
a）轴向进气吸气室
b）径向进气肘管式吸气室
c）径向进气半蜗壳式吸气室
（2）进口导流叶片
进口导流叶片可用来调节制冷量。
转动导叶时可采用杠杆式或钢丝绳式调节机构。
杠杆式如图6-4所示。
1—小齿轮
2—齿圈
3—转动叶片
4—伺服电动机
5—波纹管
6—连杆
7—杠杆
8—手轮
1—导叶
2—从动齿轮
3—钢丝绳
4—过渡轮
5—主动齿轮
图6-5为钢丝绳传动形式。
（3）叶轮
叶轮也称工作轮，是压缩机中对气体做功的惟一部件。
叶轮按结构型式分为闭式、半开式和开式三种，通常采用闭式和半开式两种，如图6-6所示。
a）
闭式
b）半开式
离心式制冷压缩机的叶轮的叶片按形状可分为单圆弧、双圆弧、直叶片和三元叶片。
（4）扩压器
气体从叶轮流出时有很高的流动速度，为了将这部分动能充分地转变为压力能，在叶轮后面设置了扩压器，如图6-2所示。
一般采用无叶扩压器。
（5）弯道和回流器
弯道和回流器是为了把由扩压器流出的气体引导至下一级叶轮。
在采用多级节流中间补气制冷循环中，段与段之间有中间加气，因此在离心式制冷压缩机的回流器中，还有级间加气的结构。
图6-7给出了三种加气型式，其中b和c型对下一级叶轮入口气流均匀性不利，但可以减少轴向距离。
（6）蜗壳
蜗壳的作用是把从扩压器或从叶轮中（没有扩压器时）流出的气体汇集起来，排至冷凝器或中间冷却器。
图6-8所示为常用的一种蜗壳形式。
蜗壳一般是装在每段最后一级的扩压器之后，也有的最后级不用扩压器而将蜗壳直接装在叶轮之后，如图6-9所示。
其中a为蜗壳前装有扩压器；
a）蜗壳前为扩压器
b）蜗壳前为叶轮
c）不对称内蜗壳
b为蜗壳直接装在叶轮之后；
c为不对称内蜗壳，是空调用单级机组中常用的形式。
蜗壳的横截面常见的有圆形、梯形等。
（7）密封
离心式制冷压缩机中常用的密封型式有如下几种。
1）迷宫式密封
又称为梳齿密封，主要用于级间的密封，如轮盖与轴套的内密封及平衡盘处的密封。
常见的如图6-10所示。
a）镶嵌曲折型密封
b）整体平滑型密封
c）台阶型密封
2）机械密封
主要用于开启式压缩机中的转轴穿过机器外壳部位的轴端密封。
如图6-11所示。
1—轴封壳体
2—弹簧
3、7—O形圈
4—静环座
5—静环
6—动环
a）单片油封
b）充气油封
3）油封
图6-12a为简单的单片油封。
图6-12b为充气密封。
在空调用离心式制冷压缩机上，主要采用充气密封。
除上述主要零部件外，离心式制冷压缩机还有其它一些零部件。
如：
减少轴向推力的平衡盘；
承受转子剩余轴向推力的推力轴承以及支撑转子的径向轴承等。
为了使压缩机持续、安全、高效地运行，还需设置一些辅助设备和系统，如增速器、润滑系统、冷却系统、自动控制和监测及安全保护系统等。
二、压缩机总体结构实例
离心式制冷压缩机和其它形式的制冷压缩机一样，按密封结构型式分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。
表6-1给出了离心式制冷压缩机常用型式结构示意图及特点。
表6-1
离心式制冷压缩机常用形式结构示意图及特点
种类
结构示意图
特点
全
封
闭
式
所有的制冷设备封闭在同一机壳内。
电动机两个出轴端各悬一级或两级叶轮直接拖动，取消了增速器、无叶扩压器和其它固定元件。
电动机在制冷机中得到充分冷却，不会出现电流过载。
装置简单，噪声低，振动小。
有些机组采用气体膨胀机高速传动，结构更简单。
一般用于飞机机舱或船只内空调，采用氟利昂制冷剂。
它具有制冷量小，气密性好的特点
半
压缩机组封闭在一起，泄漏少。
各部件与机壳用法兰面连接，结构紧凑。
采用单级或多级悬臂叶轮。
多级叶轮也可不用增速器而由电动机直接拖动。
电动机需专门制造，采用制冷剂冷却并要考虑电动机的耐腐蚀。
润滑系统为整体组合件，埋藏在冷凝器一侧的油室中
空
调
用
开
启
开启式压缩机或增速器出轴端装有轴封。
电动机放在机组外面利用空气冷却，可节省能耗3%~6%。
也可用其它动力机械传动。
若机组改换制冷剂运行时，可以按工况要求的大小更换电动机。
润滑系统放在机组内部或另外设立。
用于化工企业或空调
低
温
常用于化工流程中。
尽量采用单位容积制冷量大的制冷剂以减小尺寸，通常采用化工工艺流程中的工质作制冷剂。
采用多级压缩制冷循环以提高经济性。
多级压缩机主轴的叶轮可以是顺向或逆向排列，各级有完善的固定元件，压缩机机壳为水平中分面，轴端用机械或其它型式的密封，轴的两端用止推及滑动轴承支撑。
制冷剂有泄漏并有毒易爆，应控制其泄漏量。
润滑系统一般另附油站，以确保转动部分的润滑和调节控制
图6-13为一台2800kW制冷量的空调用单级离心式制冷压缩机纵剖面图。
它由叶轮、扩压器、蜗壳、增速齿轮、电动机和进口导叶等部件组成。
1—导叶电动机
2—进口导叶3—增速齿轮
4—电动机
5—油加热管
6—叶轮
图6-14所示为ALT250-36/-20型氨离心式制冷压缩机的总体结构图。
该机为2段7级，主要用于化工工艺中的冷却或大型食品工业冷藏等，其主要技术参数见表6-2。
表6-2
ALT250-36/-20压缩机主要技术参数
项目
参数
段数
2
二段出口温度/℃
123
级数
7（一段1~4级、二段5~7级）
二段出口压力/MPa
1.4279
设计工况
冷凝温度/℃
+36
转子最大直径/mm
475
蒸发温度/℃
-20
主轴转速/（r/min）
12789
设计工况制冷量/kW
2907
电动机转速/（r/min）
1500
一段进口温度/℃
-12
电动机功率/kW
1600
一段进口压力/MPa
0.1764
机组传动方式
电动机—增速器—压缩机
压缩机的转子由主轴和七级叶轮组成，均用优质合金钢制造。
压缩机的级间密封是轮盖密封和级间轴封组成，均为迷宫密封。
压缩机两段的吸入口分别布置在机体前、后两侧，从而使轴封得以简化。
压缩机主轴的轴端用齿轮联轴器与行星齿轮增速器的输出轴联接。
压缩机吸入口装有蝶形阀，可采用控制其开度的方式调节压缩机的制冷量。
为了确保整个压缩机组各润滑部位的用油，该机需配置润滑油站，上设两套可切换的油系统，一套投入运行，一套备用。
第二节
空调用离心式制冷装置
一、离心式制冷循环
和其它压缩式制冷装置一样，离心式制冷循环是由蒸发、压缩、冷凝和节流四个热力状态过程组成。
图6-15为一单级半封闭离心式制冷机组的制冷循环示意图。
1—电动机
2—叶轮
3—进口导流叶片
4—离心式制冷压缩机
5—冷凝器
6—蒸发器
7—节流阀
8—过冷盘管
9—过滤器
二、离心式制冷装置
离心式制冷装置主要是由离心式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、润滑系统、进口低于大气压时用的抽气回收装置、进口高于大气压时用的泵出系统、能量调节机构及安全保护装置等组成。
1.润滑系统
离心式制冷压缩机一般是在高转速下运行的，其叶轮与机壳无直接接触摩擦，无需润滑。
但其他运动摩擦部位则不然，即使短暂缺油，也将导致烧坏，因此离心式制冷机组必须带有润滑系统。
开启式机组的润滑系统为独立的装置，半封闭式则放在压缩机机组内。
图6-16所示为一半封闭离心式制冷压缩机的润滑系统。
1—液压泵
2—油冷却器
3—油压调节阀
4—注油阀
5—油过滤器
6—磁力塞
7—供油管
8—油压表
9—电动机
10—低油压断路器
11—关闭导叶的油开关
12—油箱压力表
13—除雾器
14—小齿轮轴承
15—径向轴承
16—推力轴承
17—喷油嘴视镜
18—油加热器的恒温控制器与指示灯
油箱中设有带恒温装置的油加热器。
2.抽气回收装置
空调机组采用低压制冷剂（如R11、R123）时，压缩机进口处于真空状态。
当机组运行、维修和停机时，不可避免地有空气、水分或其它不凝性气体渗透到机组中。
因此需采用抽气回收装置，随时排除机内的不凝性气体和水分，并把混入气体中的制冷剂回收。
一般有“有泵”和“无泵”两种型式。
1~9—阀门
10—过滤干燥器
11—冷凝器压力表
12—回收冷凝器
13—再冷器
14—差压开关
15—回收冷凝器压力表
16、18—减压阀
17—止回阀
19—电磁阀
20—抽气泵
21—节流器
作为“有泵”型式的抽气回收装置的例子如图6-17所示，它由抽气泵（小型活塞式压缩机）、油分离器、回收冷凝器、再冷器、差压开关、过滤干燥器、节流器、电磁阀等组成。
“无泵”型抽气回收装置不用抽气泵，而采用新的控制流程，自动排放冷凝器中积存的空气和不凝性气体，达到与有泵装置等同的效果。
目前使用的无泵抽气回收装置控制方式，有差压式和油压式两种。
图6-18为差压式无泵抽气回收装置示意图
1~8—波纹管阀
9、16—过滤器
10—干燥器
11—回收冷凝器
12—压力表
13—电磁阀
14—差压继电器
15—压力继电器
17—冷凝器
18—蒸发器
19—浮球阀
20—过冷段
图6-19为油压式无泵抽气回收装置示意图。
1—三通电磁阀
2—干燥过滤器
3—下浮球阀
4—上浮球阀
5—排气电磁阀
6、11—单向阀
7—冷却盘管
8—润滑油油位
9—回收冷凝器
10—节流口
另外对于采用高压制冷剂（如R22、R134a）的机组，还必须设置泵出系统。
它用于充灌制冷剂、制冷剂在蒸发器和冷凝器之间的转换以及机组抽真空等场合。
第三节
离心式制冷机组的特性曲线及能量调节
一、离心式制冷机组的特性曲线
1.离心式制冷压缩机的特性曲线
对于一般离心式压缩机，为了较清晰地反映其特性，通常在某一转速情况下，将排气压力和气体流量的关系用曲线表示。
图6-20为某空调用离心式制冷压缩机在一定转速下的特性曲线。
它表示了在不同蒸发温度t0时（t0=2、4、6℃），温差（∆t=tk-t0）及压缩机的轴功率Pe与制冷量Q0的关系曲线。
由图中可以看出，蒸发温度和冷凝温度的变化对制冷量都有较大的影响。
当冷凝温度不变时，制冷量Q0随蒸发温度t0的升高而增大；
当蒸发温度不变时，制冷量Q0随冷凝温度tk的升高而下降。
压缩机的轴功率Pe一般情况下随制冷量的增大而增大，但随制冷量增大到某一最大值后发生陡降。
2.冷凝器和蒸发器的特性曲线
在离心式制冷机组中，压缩机与制冷设备是密切相关的，因此需要讨论冷凝器和蒸发器两个主要设备的特性曲线。
由冷凝器换热方程与机组的热平衡方程的综合，可得冷凝器的冷凝温度tk与制冷量Q0之间的关系式：
（6-1）
式（6-1）中，1/Ke即离心式制冷机的比轴功率，此值随制冷量Q0的增大而减小，严格地说，冷凝器的特性曲线tk—Q0是一条稍微向上凸起的曲线。
为分析工况方便，可不考虑Q0的变化，而认为冷凝器的特性曲线是一条斜率与冷却水量Gw成反比的直线（见图6-21中的Ⅰ、Ⅰ&
χεντ;
、Ⅱ、Ⅱ&
）。
当制冷量为0时，tk=tw1。
由图6-21中的冷凝器特性曲线可看出，冷凝温度随着Q0的增加而升高。
当冷却水进水温度tw1改变时，冷凝器的特性曲线tk—Q0在纵坐标上的初始点位置也随之改变。
当进入冷凝器的冷却水量减少时，冷凝器的特性曲线tk—Q0斜率增大；
当冷却水量增大时，则斜率减小。
和冷凝器的方程转换类似，可推导出蒸发器的蒸发温度t0与制冷量Q0的关系为：
（6-2）
由式（6-2）可见：
当载冷剂质量流量Gs及进入蒸发器的载冷剂温度ts1恒定时，蒸发温度t0随制冷量Q0的增加而降低。
若不考虑蒸发器的传热系数K0的变化，则t0与Q0将成为直线关系（见图6-21）。
3.压缩机与制冷设备的联合工作特性
当通过压缩机的流量与通过制冷设备的流量相等，压缩机产生的压头（排气口压力与吸气口压力的差值）等于制冷设备的阻力时，整个制冷系统才能保持在平衡状况下工作。
这样制冷机组的平衡工况应该是压缩机特性曲线与冷凝器特性曲线的交点。
图6-21中压缩机特性曲线与冷凝器特性曲线的交点A为压缩机的稳定工作点。
“喘振”
当冷凝器冷却水进水量减小到一定程度时压缩机的流量变得很小，压缩机流道中出现严重的气体脱流，压缩机的出口压力突然下降。
由于压缩机和冷凝器联合工作，而冷凝器中气体的压力并不同时降低，于是冷凝器中的气体压力反大于压缩机出口处的压力，造成冷凝器中的气体倒流回压缩机，直至冷凝器中的压力下降到等于压缩机出口压力为止。
这时压缩机又开始向冷凝器送气，压缩机恢复正常工作。
但当冷凝器中
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