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      全封闭制冷压缩机技术发展趋势与动态
众所周知,压缩机是制冷/空调系统的关键部件和心脏,压缩机的品质直接决定了制冷设备的品质。近年来,随着节能与环境保护要求的不断提高以及市场上一些制冷产品新的应用领域的出现,对压缩机也提出了越来越高的要求。为了适应新的市场变化和形势要求,上海奇冷压缩机有限公司压缩机的研究也在不断深入和宽泛,出现了一些新的研究方向。压缩机技术复杂、制造要求高,意味着为了满足市场的需求将要付出更大的努力、密切关注形势的变化、走在市场需求的前面。
1 政策对全封闭制冷压缩机的要求
1.1 环境保护
环境保护对制冷设备的要求是多方面的,如臭氧层破坏问题、覆盖产品全生命周期的绿色设计问题、原辅材料和生产过程中的有毒有害物质排放问题、回收与再生利用问题等。笔者仅对臭氧层破坏问题进行分析。ODS破坏臭氧层这一问题已在国际上得到广泛认可,随着其他ODS物质的逐步被淘汰,可在制冷空调行业中用作制冷剂、发泡剂和清洗剂的氢氯氟烃(HCFCs)成为目前剩余数量最大的一族消耗臭氧层物质。
中国作为第5条款国中最大的HCFCs生产和消费国,正面临着2013年冻结和至2030年逐步削减HCFCs消费的巨大挑战。HCFCs淘汰已进入实质性实施阶段,中国制冷空调行业将主要面临淘汰HCFC-22制冷剂的巨大挑战(见图1)。CFCs淘汰的经验表明,新制冷压缩机的供应将是新制冷剂制冷空调设备产业化的关键。因此,开发和生产零ODP和低GWP制冷剂压缩机将是未来一段时期全封闭制冷压缩机的一个主要发展方向。
国际上对HCFC-22制冷剂的替代物研究正在进行中,目前尚未有明确的结论,而采取淘汰行动又是不可拖延的。从当前的形势分析来看,未来一段时期将是多种替代制冷剂共存的状态制冷压缩机开发的投入和工作量将倍增。
1.2 节能
压缩机是制冷空调设备主要的耗能部件,压缩机能效的提高将直接带来整机的节能。而且缩机能效的提高不依赖于增加材料消耗,是一种比较理想的节能途径。尽管节能是一个老话题,但是随着能效的不断提高,对制冷空调产品的节能要求出现了新的变化。这些变化将对压缩机的能效提出了新的要求。首先,国家能效标准对制冷空调产品的能效要求不断提高。以房间空调器为例,新的能效标准大幅度提高了产品的能效限定值,制冷量在4 500 W以下的产品,其能效限定值由EER=2.6提高到EER=3.2,这就要求更高效的压缩机。很显然,这种思路下能效的提高不是无限制的。
其次,节能要求将主要体现在产品能效评价方法的变化上。这种变化表现在2个方面:一方面,目前很多制冷空调产品的能效评价仅限于一个固定工况下的单点评价上。很显然,这种评价方法并不能如实反映产品在使用过程中的能效,将出现虚假的节能现象。以家用电冰箱为例,在一个固定的环境温度下测试冰箱的耗电量,测试过程中冰箱既无负载也不开门,这远远偏离了使用时的状态,这种条件下测试出的耗电量并不能代表冰箱的实际耗电量。再以房间空调器为例,目前测试定速空调器的能效也仅在一个固定的工况下进行,不考虑空调器实际使用过程中的环境温度变化,也不对其制热性能进行考核,这显然也是脱离实际的。能效评价方法的变化将是必然的,如在测试冰箱耗电量的过程中,周期性开门并定期添加新负荷甚至进一步改变测试时的环境温度,以模拟四季的厨房温度变化;房间空调器测试时改变测试工况,同时考核制冷与制热,进而发展到以APF综合评价空调器的能效。另一个方面的变化将可能表现在能效评价的系统化上。很多情况下制冷设备只是一个大的系统中的一个组成部分,显然作为部件的制冷设备的高效并不意味着系统的高效,在整个系统能量过程的层次上考核能源利用率将是节能要求的另外一个趋势。总之,随着节能工作的深入,对产品能效的评价将由点到线、由线到面不断发展,对制冷压缩机能效的要求也将走向多样化、深层次、系统性,压缩机设计的变化也将是必然的。
2 市场对全封闭制冷压缩机的要求
高效、低噪声、高可靠性和低价格是市场对制冷压缩机的总体要求,所有对制冷压缩机的研究无不围绕着这一终极目标进行。近年来,市场上出现了这些常规要求之外的对制冷压缩机新的需求。这些需求主要体现在制冷空调设备应用领域的扩展。如热泵热水器用压缩机、工业加热过程节能的热泵用压缩机、能量回收或可再生能源利用的热泵用压缩机、用于气态物料冷凝回收的低温压缩机、空调热水器用压缩机等。这些压缩机的研究不同于已有应用领域压缩机的技术提高,而是应用领域的扩展对压缩机的工况范围、设计要求、可靠性等提出了全新的要求。
3 压缩机的主要研究方向
为了满足对制冷压缩机节能、环保、低噪声、高可靠性和低价格的总体要求,对压缩机的研究从未停止过。海奇冷压缩机有限公司研究内容包括制冷压缩机的数学模拟、热力学过程、动力学过程、传热传质过程、流动、噪声、振动与气流脉动、摩擦润滑、气阀、电动机、开发工具、测试技术、容量控制、工艺过程、材料、制冷剂应用等各个方面,涵盖了往复式压缩机、转子式压缩机涡旋式压缩机、速度式压缩机、螺杆式压缩机等传统机型,以及摆动式压缩机、线形压缩机等新的机型或结构。这些研究内容过去是、现在是、将来也是制冷压缩机的主要研究方向,其终极目标是满足上述市场对制冷压缩机的总体要求。在此仅对几个研究方向举例说明。
 
3.1 数学模拟
 
Yasutaka Ito等建立了转子式压缩机的数学模型(见图3),通过理论计算分析了滚动活塞旋转运动特性的影响因素。结果表明,滚动活塞和滑片顶端间的摩擦力是最大的影响因素,旋转运动还受滚动活塞自身惯性的影响,可通过减小滚动活塞的质量来减小活塞和滑片间的相对滑动速度。

Joan等采用CFD&HT方法建立了往复式压缩机的热力学和流体力学数学模型,计算出压缩机的温度场、质量流量以及汽缸内压力变化(见图4)。数学模拟结合了数学模型和数值计算2方面的知识,是压缩机研究的一个历史悠久的手段,可用于压缩机研究的各个方面。问题在于数学模型所用的各种基础理论往往不足以描述压缩机内部复杂的热力、动力和传热传质过程,必须结合必要的专门试验,否则就变成了单纯的数字游戏。
 
3.2 摩擦润滑
 
制冷压缩机的摩擦与润滑是影响压缩机能效、寿命、可靠性以及噪声的关键问题。长期以来对其开展了大量的研究。描述润滑油膜厚度和润滑油膜压力分布的雷诺方程针对边界润滑和流体动力润滑2种情况,在刚性表面假设下,研究了纵向和横向2个方向不同表面结构(表面粗糙度)对压缩机活塞润滑的影响。研究结果表明,流体动力润滑时表面结构对润滑的影响较小,但在边界润滑情况下,表面结构的影响非常显著。
 
3.3 气阀
 
气阀是压缩机的薄弱环节,直接影响着压缩机的寿命和可靠性,同时气阀运动的正确与否也将显著影响压缩机的能效。因此,对压缩机气阀的研究虽历经数十年,至今仍方兴未艾,并且仍将持续下去。某种程度上,气阀研究所用到的理论已基本定型,问题在于如何从理论上更为准确地描述气阀的运动、如何方便地测量气阀的运动以及如何将气阀的运动与压缩机的性能联系起来。
 
Marcelo Alexandre REAl 等在往复式压缩机的汽缸内安装光纤位移传感器(见图5)和压力传感器,测量压缩机吸气阀和排气阀的运动规律以及汽缸内的压力,分析了压力变化对气阀运动的影响、气阀延迟关闭和延迟开启等不正常现象。ShuheiNAGATA 等采用应变片的方法做了类似的工作(见图6),测出了气阀的运动规律(见图7)_5]。



很显然,被测压缩机的吸气阀运动规律并不正常:因弹簧力过强产生的颤振现象将大大增加噪声和振动、降低压缩机的效率。这正是研究气阀的目的所在。这也可以通过数学模拟来完成,但前提是计算准确。国内外全封闭制冷压缩机的研究涵盖了前述的所有研究方向,在此仅作示例说明,不一一列举。
 
4 新型压缩机压缩机的新结构
 
为了提高压缩机的品质或者适应应用领域的扩展,新的制冷压缩机机型不断出现,或者是全新的运动原理、或者是现有运动原理的结构变化。上海奇冷压缩机有限公司介绍几种新型压缩机和压缩机的新结构。
 
4.1 线形压缩机
 
线形压缩机是在往复式压缩机的基础上发展起来的。传统往复式压缩机的驱动电机输出的是旋转运动,而压缩机活塞运动需要的是往复运动,这样就必须采用曲柄连杆机构将电动机的旋转运动转换为活塞的往复运动。这样的运动转换是必不可少的,但这既增加了运动零部件数量又产生了不可避免的能量损失,使压缩机的振动和噪声增加、能效下降。如果电机输出的就是往复运动,则上述问题就可以完全避免。在此思路基础上就形成了线形压缩机的概念。它采用直接输出往复运动的直线电机,活塞向一个方向的运动由电机驱动,反方向的运动则由一个弹簧驱动,形成一个机电振荡系统来实现活塞的往复运动。尽管仍然依靠活塞往复运动压缩气体,但与传统往复式压缩机在结构上有本质的区别,可视为一种全新的压缩机。线形压缩机的工作原理早已存在,它具有高能效的先天优势,是一种较有发展潜力的压缩机。但它具有较高的技术难度,在广泛产业化方面仍有大量的工作要做,目前仅在国外有小批量试用。国内一些压缩机制造商也曾尝试开发这种压缩机,但至今未见成功的报道。
 
4.2 螺旋叶片压缩机
 
螺旋叶片压缩机的工作原理如图8所示,偏心置于圆筒形汽缸中的转子上,开有变节距螺旋槽,槽内嵌有变节距的螺旋叶片。螺旋叶片与转子一起由主轴驱动,并以相同的速度旋转,与此同时存在着螺旋叶片与转子间的径向相对运动。随着主轴的旋转,由螺旋叶片、汽缸和转子所组成的封闭容积向排气端运动并逐渐缩小体积,以实现气体的压缩。
 
这种压缩机具有结构简单、紧凑,电机定子可置于汽缸外(以主轴转子作为电机的转子),将电机与泵体重叠起来,轴向尺寸可大大缩小,较好的性能,较小的噪声与振动,无气阀、强制排气的特点。这种压缩机广泛产业化的前景尚不明朗。
 
4.3 摆动式压缩机
 
摆动式压缩机是在转子式压缩机基础上发展起来的一种压缩机。常规转子式压缩机的转子与滑片是2个独立的零件,滑片在其背部弹簧力的作用下紧压在转子上并随转子的运动做往复运动。摆动式压缩机的转子与滑片做成一个整体,称为摆动转子。图9所示为摆动式压缩机的工作原理。

 
4.4 3D涡旋式压缩机
 
随着对传统制冷压缩机研究的不断深入,其结构和功能可能发生较大的变化,从而形成压缩的新结构,前述的线形压缩机和摆动式压缩机均属于此类情况。Hajime SATO等则介绍了一种在涡旋式压缩机基础上发展出来的3D涡旋式压缩机[8],图10所示为这种压缩机的动盘。
图10 3D涡旋式压缩机的动盘3D涡旋式压缩机在传统涡旋式压缩机径向压缩气体的基础上,通过涡旋线高度的变化(中心部位较低,传统涡旋式压缩机高度不变)增加了气体的轴向压缩。与传统涡旋式压缩机相比,具有高效、低噪声、结构紧凑、高可靠性的特点。
 
4.5 C02压缩机和热泵热水器用压缩机
 
C02属于纯天然物质,其GWP值低,属于环保制冷剂。同时其跨临界循环的特征还使得其在热泵热水器中应用具有独特的节能优势。严格意义上讲,c02压缩机属于新制冷剂压缩机,大多数的现有压缩机机型如往复式、转子式、涡旋式、螺杆式等都可以采用这种制冷剂开发出相应的压缩机。所须解决的问题是跨临界循环的高压力和大压差带来的强度问题及高压下采用人工合成润滑油带来的润滑和摩擦问题等。考虑到热泵热水器巨大的市场发展空间,CO。压缩机具有良好的发展潜力,已成为制冷压缩机的一个主要发展方向。
目前上海奇冷压缩机有限公司热泵热水器用C02压缩机的开发和产业化应用尚有待时,且C02热泵热水器的开发仍有一定难度。热泵热水器多使用普通的HCFC-22压缩机,这就形成了热泵热水器用HCFC-22压缩机的市场需求,成为短时期内制冷压缩机的一个发展方向。所须要解决的问题是较高冷凝温度造成的可靠性、能效问题以及冬季和夏季巨大的工况差异问题。
 
4.6 新制冷剂压缩机
 
与C2压缩机类似,新制冷剂压缩机不属于新的机型,所有的现有压缩机机型如往复式、转子式、涡旋式、螺杆式等都可以采用各种新制冷剂开发出相应的压缩机。目前有可能替代HCFC_22作为制冷剂的物质可分为几大类:天然物质如NH ,H O,R290和C02及这些物质的混合物等;人工合成单质或混合制冷剂如R410A,R134a,R32和R407C等;以及尚处于开发阶段的一些混合制冷剂。其中一些制冷剂的压缩机技术已经成熟、具备了批量供货能力。未来的主要开发方向是NH。,R290,R32和CO2及未来出现的制冷剂。开发新制冷剂压缩机相对比较简单,主要的难题在于长期替代制冷剂的不确定性造成的研发投入和工作量问题,以及制造装备、制造工艺的改造问题。在采用易燃易爆制冷剂时尚存在安全性问题。
 
4.7 其他
 
此外,还有其他一些新型压缩机或新的压缩机结构,如旋转滑片式压缩机、利用转动导杆原理开发的椭圆压缩机、转缸驱动转子滑片式压缩机以及旨在改善制热性能的补气增焓涡旋式压缩机等,在此不一一赘述。
 
5 结束语
 
综上所述,全封闭制冷压缩机的发展特征表现为借助于热力学、动力学、传热传质、润滑摩擦等研究方向,提高现有压缩机机型的品质或开发新型压缩机/新结构以满足节能、环保、可靠、低噪的总体要求。上海奇冷压缩机有限公司认为市场的要求不断提高,压缩机的发展也将是永恒的。

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