制冷流体机械二.doc

制冷流体机械第一章 压缩机总述关键字：制冷流体机械第一章 压缩机总述第一节 压缩机的分类和型号编制首先,我们必须明白一个问题,那就是：什么是压缩机？用来压缩气体借以提高气体压力的机械称为压缩机。也有把压缩机称为压气机和气泵的。提升的压力小于0.2MPa时，称为鼓风机。提升压力小于0.02MPa时称为通风机。在蒸气压缩式制冷装置中，压缩机是四个主要部件之一。它把制冷剂蒸气从低压状态压缩至高压状态，创造了制冷剂液体在蒸发器中低温下气化制冷和在冷凝器中常温液化的条件。此外，由于压缩机不断地吸入和排出气体，使制冷循环得以周而复始地进行，因此它有整个装置的心脏之称。一、 压缩机的分类与命名（一）、按工作原理分类1容积式压缩机 直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小、压力提高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。2动力式压缩机 它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能；然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。动力式压缩机也称为速度式压缩机。（二）、按密封方式分类制冷系统内的制冷剂是不允许泄漏的。从防止泄漏所采取的密封结构方式来看，制冷压缩机可分为开启式和封闭式，而后者又可进一步分为半封闭式和全封闭式两种。 开启式压缩机功率的输入是通过伸出机体之外的主轴进行的，压缩机和电动机分为两体，它们通过传动装置(联轴器、传动带或变速箱)相连接传动。为防止制冷剂蒸气的外泄和外界空气的渗入，必须在主轴伸出部位上采用防止泄漏的轴封装置加以密封。由于轴封装置不可能实现绝对可靠的密封，制冷剂的泄出和外界空气的渗入是难以避免的。采用封闭式的结构可以避免或大大减少渗漏。封闭式压缩机所配用的电动机与压缩机共同组装在一个机体(壳)内，并共用一根主轴，且不伸出机体(壳)，因而不需设置轴封装置，减少了泄漏的可能性，同时又可降低噪声。使用吸入的低温制冷剂冷却电动机，有利于机器的小型轻量化。但由于制冷剂和电动机直接接触，因此要求电动机的绝缘材料能耐油和耐制冷剂的腐蚀，且压缩机的油泵能正反转工作。半封闭式与全封闭式压缩机的区别在于，前者的机体、气缸盖装配后如有必要仍可卸拆，其密封面以法兰连接，靠垫片或垫圈密封；而后者是压缩机和电动机全部安装在一个封闭罩壳内，罩壳全部焊死，不能拆卸，这样可大大减轻压缩机的重量。但由于封闭式压缩机不易拆卸，修理不便，因此对机器零部件的加工、装配质量、可靠性和使用寿命要求较高，它们应能保证1015年使用期限。氨含有水分时要腐蚀铜，因此，氨压缩机一般均为开启式。（四）、按使用的制冷剂分类按使用的制冷剂来分类制冷压缩机可分为氨压缩机、氟利昂压缩机、二氧化碳压缩机和碳氢化合物压缩机等。不同制冷剂对材料及结构的要求也不同，如氨对铜有腐蚀故氨压缩机中不允许使用铜质零件(磷青铜除外)；氟利昂渗透性较强，对有机物有溶胀作用，故对压缩机的材料及密封机构均有较高的要求。（五）、按排气压力分类分 类 名 称 排气压力(表压)风 机 通风机 100Mpa按排气压力分类时，压缩机进气压力为大气压力或小于0.2MPa。对于进气压力高于0.2MPa的压缩机，特称为增压压缩机，这种压缩机在空气动力方面应用较多，例如化工厂中常用的循环气压缩机(循环泵)即为增压压缩机的一种。（六）、按压缩级数分类单级压缩机 气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩两级压缩机 气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩多级压缩机 气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩，相应通过几次便是几级压缩机在容积式压缩机中，每经过一次工作腔压缩后，气体便进入冷却器中进行一次冷却；而在动力式压缩机中，往往经过两次或两次以上叶轮压缩后，才进入冷却器进行冷却，并把每进行一次冷却的数个压缩级合称为一个段。在日本把容积式压缩机的级称为段。我国个别地区，个别文献受此影响，也把级称为段。（七）、按容积流量分类名 称 容积流量(m3min)微型压缩机 1小型压缩机 110中型压缩机 10100大型压缩机 100（八）、按结构特征与工作特征分类及命名二、各种压缩机型号表示型号示例1)LG 16 AC-表示转子名义直径为160mm、以R717为制冷剂、长导程的开启螺杆式单级制冷压缩机。2)BLG 10 D2-表示转于名义直径为100mm,以R22为制冷剂、短导程、第二次改型的半封闭螺杆式单级制冷压缩机。3)LG 16 A 100 Z2-表示转子名义直径为160mm,以R717为制冷剂、配用电动机功率为100kW，用于中温名义工况的第二次改型的开启螺杆 式单级制冷压缩机组。4)BLG 12.5-40 D1-表示转于名义直径为125mm、以R22为制冷剂、配用电动机功率为40kW、用于低温名义工况的第一次改型的半封闭螺杆式单级制冷压缩机组。5)JLG 12.5F 40-1-表示转子名义直径为125mm、以R22为制冷剂、配用电动机功率为40kW、第一次改型的经济器开启螺杆式单级制冷压缩机组。S612.5AC-表示制冷剂为氨、6缸布置、气缸直径125mm、行程为110mm的单机双级压缩机。S810F-30-表示制冷剂为氟利昂、8缸布置、气缸直径100mm、行程80mm、配用电动机功率为30KW的开启式压缩机。第二节 压缩机的发展动态一、制冷压缩机发展动态当前，我国改革和对外开放正在不断深化，工农业产品市场已从国内扩展到国际范围。国际贸易的飞速发展迫切需要我国制订的有关标准向国际标准靠拢。标准的国际化工作正在政府的关注下由工业、农业、贸易部门在科研单位和高等学校的配合下积极地进行。目前，我国参照了国外一些具有较高权威的标准，组织制订了各类制冷压缩机的国家标准和专业标准，以此来促进我国产品性能、质量、可靠性和耐久性的提高，谋求生产、流通、使用各阶段的合理化。这些标准主要有容积式制冷压缩机性能试验方法标准，中小型活塞式单级制冷压缩机的型式、基本参数和技术条件标准，家用房间空气调节器的全封闭型电动机-压缩机标准，家用电冰箱全封闭型电动机-压缩机标准和喷油螺杆式单级制冷压缩机型式、基本参数等标准。活塞式压缩机发展历史悠久，具有丰富的设计、制造和运行的经验，至今在各个领域中依然被广泛采用和得到发展。制冷压缩机的持续进步也反映在其种类的多样化方面，活塞式以外的各类压缩机型，如离心式、螺杆式、滚动转子式和涡旋式等都在被卓有成效地开发而各具特色，令人刮目相看。这对于从事制冷工程的技术人员在制冷压缩机类型的选择上提供了更多的可能性。在这种背景下，活塞式压缩机的使用范围必受到影响而出现逐渐缩小的趋势，这种趋势在大冷量范围内表现得更显著。但是，在中小冷量范围内，实用上还是以活塞式压缩机为主。 随着压缩机本身可靠性和耐久性不断得到提高和压缩机紧凑轻量化的追求，制冷压缩机从开启式逐渐向封闭式发展是很自然的，如在日本，功率在1522kW之间的活塞式压缩机中，90以上实现了半封闭化；对于不能依赖外界维修的。船舶、车辆以及边远地区，便于现场维修的开启式压缩机还是有它的优势。对于小型制冷压缩机而言，业内人士一般将开启式活塞压缩机称之为第一代，全封闭活塞压缩机称之为第二代，旋转滑片式压缩机称之为第三代，涡旋式压缩机称之为第四代，现正在开发的环形压缩机即为笫五代小型制冷压缩机。第一代压缩机由电动机通过联轴器或皮带驱动的活塞压缩机组成因有许多接头和轴封泄漏制冷剂，制冷糸统需定期充装制冷剂，所以与第二代的全封闭活塞压缩机相比称之为开启式活塞压缩机。第二代全封闭活塞压缩机为了克服开启式活塞压缩机工作过程中制冷剂的泄漏，通过专门的设计将有机地结合为一体的电动机-活塞压缩机组封闭在耐压壳体内，解决了开启式活塞压缩机工作过程中制冷剂的泄漏，并通过整个制冷糸统接口的全部焊接解决了整个制冷糸统工作过程中制冷剂的泄漏，大大地提高了整个制冷糸统工作的可靠性。虽然第二代全封闭活塞压缩机克服了开启式活塞压缩机工作过程中制冷剂的泄漏，大大地提高了整个制冷糸统工作的可靠性，但活塞压缩机固有的进排气伐片故障丶曲轴连杆活塞这些将电机旋转运动转换为往复直线运动对效率的影响丶转动部分的抱轴卡涩丶活塞余隙对效率的影响等问题并没有解决。正是在这种背景下，没有曲轴连杆丶进气伐片的旋转滑片式压缩机应运而生。旋转式压缩机的活塞象一个在扁平圆盒子内旋转的转子一样，活塞装在扁心轴上沿汽缸侧壁面做平面滚动，作用于汽缸内的制冷剂。为了隔断吸气区与排气区，在气缸侧壁上开有一个垂直的槽，槽内装有一个与转子配合很好，可以被压进转子侧壁槽内的滑片。与活塞压缩机相比消除了进气伐片故障丶曲轴连杆这些将电机旋转运动转换为往复直线运动对效率的影响丶曲轴连杆部分的抱轴卡涩丶活塞余隙对效率的影响等问题。小型制冷压缩机技术有了很大进步，效率有了很大的提高，所以称之为第三代。第三代旋转滑片式压缩机在实际应用中确实比活塞压缩机有着不可比拟的优越性，但其滑片的密封及排气伐片的故障等问题并没有彻底解决，于是出现了只有运动滑盘、固定滑盘等组成的第四代小型制冷压缩机-涡旋式压缩机。它的原理是由偏心轴带动运动滑盘绕固定滑盘的轴线摆动而完成进气和压缩的功能。与旋转式相比，涡旋式压缩机不仅同样没有曲轴连杆进排气阀等，而且无旋转式所必须有的滑片丶排气阀而极大地提高了工作的可靠性，使工作更加可靠。涡旋式压缩机的活塞就是那个绕固定滑盘的轴线摆动的运 动滑盘。但涡旋式压缩机的制造加工要求非常高，加工成本直接影响了成本及应用。现在国内有些压缩机工作者正在研制所谓的第五代压缩机。从第一代开启式活塞压缩机到第四代涡旋式压缩机，它们都是由电动机驱动压缩机进行工作的，其能量传递过程为电源-控制器-电动机定子-电动机转子-轴-活塞式的连杆-活塞。可以看出，从电源到活塞经过了许多能量转换环节，第五代小型制冷压缩机就是从减少能量转换的中间环节着手来提高整机效率，并尽量简化结构力求降低生产成本增加运行的可靠性，这就是环型压缩机。这种环形压缩机具有往复式压缩机的容易加工，又有旋转式涡旋式压缩机的不用曲轴连杆系统的优点，并且没有进排气阀、滑片的全新型压缩机，具有结构简单、加工容易、 转换效率高、工作可靠的优点，结构是：由压缩部分和电动机定子两大部分组成。省去原有的电机转子，轴系统等，而且无进排气伐、滑片等密封部件，结构很简单，整台压缩机不超过十种零部件，所以运行可靠；从减少动力的中间传递环节上提高整机的转换效率。但这种压缩机生产和应用技术还不完善，在市场上还没有推广应用。 在小型制冷压缩机中，虽然回转式压缩机作为大批量生产的某些制冷设备(如电冰箱、房间空调器)的专用压缩机，其产量和应用较多，但在压缩冷凝机组这类通用机械中，活塞式压缩机的应用还是居多数。据统计在100W7.5kW的小型封闭式压缩机中，活塞式占75。为了提高制冷系统的综合运转性能，对制冷压缩机的容量控制能力提出了愈来愈高的要求。小型制冷压缩机本身从结构上难以设置合适的输气量调节机构。1980年，空调用变频器控制的产品2590Hz的出现和应用是制冷空调装置技术进步中的重大创举，它不仅使空调器更迎合人们的舒适感要求，而且对膨胀阀、换热器等系统构件产生了很大的影响。如今，变频器控制在7.5kW以下的全封闭式制冷压缩机和311kW的半封闭式活塞式制冷压缩机上的应用已经商品化，预计这类变速压缩机将会成为未来的发展潮流。根据1990年修订的蒙特利尔协定，为使大气臭氧层免遭破坏，减轻地球的温室效应，包括R11，R12在内的含氯氟烃(CFCs)制冷剂将被完全停止生产使用。为此，在国际范围内正谋求向对环境无害而具有相似性能的替代工质有计划和平稳地过渡。迄今认为最有希望替代R12而用于活塞式蒸气压缩式制冷空调系统的制冷剂有R134a(HFC，ODP0，GWP0.26)和三元近共沸工质(HCFC22HFCl52aHCFCl24)系列等。当然，这些替代工质并不能完全达到原来R12的性能，但它们都安全、不可燃，饱和蒸气压力相接近，在制冷量和能耗方面具有可比拟的性能，能与R12系统中的许多结构材料相容并存。虽然如此，在改造已有设备以取用替代工质的过程中，犹需与设备制造工厂咨询研究，以求达到所花的代价最小而得益最大。它们实际上已经开始在汽车空调、家用电冰箱、冷冻箱、冷水机组、冷藏运输、制冰机、除湿机等方面得到应用。对于R502的替代，正在试验开发中的有R125和混合工质等。另外，有迹象表明，R22在中低温制冷设备中有替代R12的趋势，当然随之还有一些技术问题有待克服，如压缩机排温过高、轴承负荷大和回油不足等。二、大型压缩机的发展动向（制冷，包括化工和气动领域）21世纪，离心压缩机、往复压缩机、螺杆压缩机是大中型压缩机的三大主流。离心压缩机占主导地位推动离心压缩机发展的动力：制冷机组的大型化。在很多大型制冷机组中，往复压缩机已无法胜任，往复式压缩机一般体积硕大无比，占地面积也相当可观，因此要求用离心压缩机取而代之。清洁气体的要求。离心压缩机所压缩的气体不会被润滑油污染，同时中间冷却器的传热性能得到改善，且可省去油分离装置。可靠性要求。正确设计与制造的离心压缩机可靠性很高，一般都只需单台运行，而往复压缩机目前还不能做到不用备机，因为在一般的运行过程中，气阀、活塞与填料的更换是难以完成的。可用工业汽轮机直接驱动，使能量利用更趋完善。离心压缩机实用化的因素： 三元流理论等流场计算的实用化。应用三元流理论可正确设计离心压缩机的叶轮流场与蜗壳流道，大幅度提高了离心压缩机的性能，近年来，计算机的飞速发展及各种成熟软件的编制使这种计算变得很方便。 物性数据的完善。对被压缩气体性质的掌握、各种实际气体热力学过程研究的完善加深了压缩机设计和研究人员对气体压缩过程能量变换的认识，提高了计算的正确性和准确性。五轴数控铣床等精密加工设备的应用。完善的设计而无加工手段也枉然，自20世纪60年代发展起来的数控加工设备能够很好地满足空间精密加工的要求，这对离心压缩机及其它具有复杂加工表面的机器的发展起了举足轻重的推动作用。工艺流程的改进。在高压范围内离心压缩机的应用还有相当困难，为适应离心压缩机的工作特点，各种需要高压的工艺逐渐通过改进而在低压下完成。 离心压缩机流量与压力: 根据气体性质，目前高压离心压缩机压力达1525MPa，有个别文献报导在气动领域中应用已达70MPa。最小的空气动力用离心压缩机10m3/min。往复压缩机仍为大中型制冷系统中的重要设备往复压缩机存在必要性：往复压缩机在经历了19世纪末至20世纪中叶的辉煌后，在一些领域中已逐渐为离心压缩机所取代，但有三个因素使它显得仍很有生命力。类型规格繁多。从气量和压力两方面来看，往复压缩机的型式是非常多的，具有极其宽广的应用范围，一些产品只能中、小规模生产而又需要较高的压力，它只能由往复压缩机来完成。 低密度气体压缩的需要。氢气、甲烷等密度小的气体用离心压缩机压缩相对较困难，而往复压缩机则不存在这方面的限制。往复压缩机本身的不断完善。经过百余年的努力，往复压缩机的研究与制造已相当完善，如气缸内工作过程与气阀的数学模拟，管路系统的压力脉动与管道振动的数学模拟，零部件结构强度的有限元分析，制造中普遍应用加工中心保证高的零部件形位及尺寸精度等。往复压缩机的可靠性与寿命有了很大提高，一些工艺系统中已可做到单机运行而不用备机；即使是问题最多的气阀，其可靠性也大大提高，对于清洁气体，低压级已可达8000小时以上，中、高压级也可达40006000小时。就热效率而言，往复压缩机在众多机种中处于领先地位。新材料的应用。材料科学的发展也为往复压缩机提供了方便，现在气缸无油润滑在15MPa以下已较容易实现，用PEEK（聚醚醚酮）材料制造的气阀流量系数和流通面积有很大提高，由此降低了压缩机的功率消耗，同时，非金属阀片的撞击噪声也低于金属阀片。因此，现代往复压缩机已不再是令人烦恼的机械产品。螺杆压缩机螺杆压缩机取得进展的基础：工作腔内喷油技术的应用。采用工作腔内喷油技术，可对压缩过程进行内冷却，单级压力比可达810，而且排气温度较低（不超过150）；并且阳、阴螺杆可以进行自啮合驱使，结构大为简化;同时，喷入工作腔的润滑油所起的密封作用使对螺杆的加工精度要求也相应降低。对螺杆型线的深入研究。针对严重影响螺杆压缩机性能的密封线泄漏问题现在已制造出一些先进的型线，使螺杆压缩机纵向接触线长度、泄漏三角形与压缩终了封闭容积处于最优情况，由此使压缩过程的泄漏大大降低。精密螺杆专用铣床与磨床的研制成功。这些生产设备的出现使螺杆型线的加工不仅精度大为提高，而且生产效率也大大提高。 噪声的降低。气罩式降噪的实现使原本噪声比往复压缩机大的螺杆压缩机反倒变成了低噪声压缩机，因此，在3100m3/min的动力用空气压缩机、驱动功率在750kW的空调与制冷压缩机、相应范围的其它气体压缩机中，螺杆式占据了主导地位。但螺杆压缩机的压力一般低于4MPa或压力比在10以下，也即它的工作范围不会有离心式与往复式那么广泛。20世纪50年代以后，螺杆压缩机得到了飞速发展，以至现在和可以预见的将来它将在很大范围内取代往复压缩机。制冷流体机械第二章 往复式压缩机关键字：制冷流体机械第二章 往复式压缩机第一节 概 述 往复式制冷压缩机(Reciprocating refrigeration compressor)是应用曲柄连杆机构或其它方法，把原动机的旋转运动转变为活塞在气缸内作往复运动而进行压缩气体的。它的应用最广，具有良好的使用性能和能量指标。 但是，往复运动零件引起了振动和机构的复杂性，限制了它的最大制冷量，一般小于500kW(考核工况)。往复式制冷压缩机包括滑管式、斜盘式和电磁振动式等。下面将重点介绍活塞式制冷压缩机。一、活塞式制冷压缩机(piston compressor)概述在各种类型的制冷压缩机中，活塞式压缩机是问世最早、至今还广为应用的一种机型，这无疑是因为它具有一系列其它类型压缩机所不及的优点： 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。相比之下，螺杆式制冷系统中需要装设大容量油分离器；离心式制冷机系统中要配置工艺要求高的增速齿轮箱、复杂的润滑油系统和密封油系统等。活塞式压缩机的上述优点使它在各种制冷用途，特别是在中小制冷量范围内，成为制冷机中应用最广、生产批量最大的一种机型。但是，与此同时，也要看到活塞式压缩机也有其不足之处： 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。随着喷油螺杆式和离心式压缩机的迅速发展，它们在大制冷量范围内的优越性-结构简单紧凑、振动小、易损件少和维修方便等日益显示出来。因而，一般倾向认为将活塞式制冷机的制冷量上限维持在350550kW以下是较为合适的，我国高速多缸压缩机系列中最大的8ASl7型氨制冷压缩机的中温考核工况制冷量为512kW。二、活塞式制冷压缩机的分类活塞式制冷压缩机的型式和种类较多，而且有多种不同的分类方法。目前常见的有下列几种。(1)按制冷量的大小分类按制冷量大小压缩机可分为大型、中型和小型三种，但是，迄今制冷量的划分界限尚无统一的标准。一般认为，单机中温考核工况制冷量在550kW以上的为大型制冷压缩机； 25kW以下的为小型；居中的属中型。按照我国国家标准GBl0871-89和GBl0874-89规定，配用电动机功率不小于0.37kW、气缸直径小于70mm的压缩机为小型活塞式制冷压缩机；气缸直径为70170mm的压缩机为中型活塞式制冷压缩机。我国的高速多缸系列产品均属中小型压缩机的范围，大型的多为非系列产品，例如8AS25型制冷压缩机，其气缸直径为250mm，当蒸发温度为15、冷凝温度为30时，制冷量约为1160kW。(2)按压缩机工作的蒸发温度范围分类对于单级制冷压缩机，在其运转的蒸发温度最低到45的范围内，可以按其工作的蒸发温度分为高温、中温和低温压缩机三种。但在具体蒸发温度区域的划分上并不统一。下面列举其大致蒸发温度范围：高温压缩机 10+10中温压缩机 2010低温压缩机 4520另外，也可根据压缩机蒸发压力的大小划分压缩机为低背压压缩机、中背压压缩机和高背压压缩机等。 (3)按压缩机的转速分类 压缩机按其转速可分为低速、中速和高速三种。尽管单从转速出发而不顾及压缩机的尺寸大小来衡量其高速性是不全面的，而且实际上亦未曾定出明确的界限标准。可是，根据一般习惯认为，转速在300rmin以下的为低速，3001000rmin之间的为中速，1000rmin以上的属于高速。现代多缸压缩机多属高速范围，它可以较小的外形尺寸获得较大的制冷量，而且便于电动机直连。但是，转速的提高势必要求压缩机在结构、材料、制造和精度等方面都要采取相应的技术措施来保证其可靠性和耐久性。(4)按压缩机的级数分类按压缩机的级数可分为单级压缩和多级(一般为两级)压缩。单级压缩即制冷剂蒸气由蒸发压力至冷凝压力只经过一次压缩，因此适用于进、排气压力比不太大的场合。两级压缩即制冷剂蒸气由蒸发压力至冷凝压力需经过两次压缩来完成。一般两级制冷压缩可由两台压缩机来实现，也可由一台压缩机来实现。这后一种压缩机被称为单机双级制冷压缩机。(5)按压缩机的气缸布置方式分类按气缸布置型式压缩机可分为卧式、直立式和角度式三种类型。压缩机的气缸布置方式直接影响到外形尺寸和重量大小。卧式压缩机的气缸轴线呈水平布置。这种型式在大型制冷压缩机中较为多见，此外在全封闭制冷压缩机中也有采用。直立式压缩机的气缸轴线呈直立布置。考虑到压缩机结构的紧凑性、运转平稳性及振动的大小，以双缸直立式为常见型式。角度式压缩机的气缸轴线呈一定的夹角布置，有V型、W型和S型(扇形)等之分。角度式布置方式能够使压缩机结构紧凑，体积和占地面积小、振动小、运转平稳等，因此为现代中、小型高速多缸压缩机所广泛采用。三种类型如图2-1所示。另外还有按其它特征，如密封方式、冷却方式，使用工质和气阀布置方式等进行分类的，这里不予多述。第二节 活塞制冷压缩机的性能一、活塞式制冷压缩机工作过程首先，我们还是来熟悉一下几个活塞式制冷压缩机工作过程描述名词：活塞的上止点和下止点：活塞在气缸内上下往复运动时，最上端的位置称为上止点(又称上死点)，最下端的位置称为下止点(又称下死点)。活塞行程：上止点与下止点之间的距离称为活塞行程，它也是活塞向上或向下运动一次所走的路程，通常用s表示。气缸工作容积：上、下止点之间气缸工作室的容积。用Vp表示.余隙容积与相对余隙容积：当活塞运动到上止点时，活塞顶与气阀座之间的容积，第一道活塞环以上的环形空间以及气阀通道(与气缸一直相通的)的三部分容积组成称为余隙容积，用Vc表示余隙容积与气缸工作容积之比，称为相对余隙容积，用c表示。前面动画为活塞式压缩机的结构示意。图中示出了压缩机的主要零部件及其组成。为了更清楚了解压缩机工作过程，首先将压缩机实际工作过程简化成理想工作过程进行分析。压缩机的理想工作过程是假设：压缩机没有余隙容积，吸、排气过程没有阻力损失，吸、排气过程中与外界没有热量交换；没有泄漏。其过程如图2-3所示。图2-3(a)为活塞运动时气缸内气体压力与容积的变化，活塞式压缩机对制冷剂蒸气的压缩，是由活塞在气缸内的往复运动来完成的。整个工作过程分吸气、压缩和排气三个过程。 压缩过程：当活塞处于最下端位置I-I即下止点(1点)时，吸气过程结束，吸气阀关闭，气缸内充满了由蒸发器吸入的低压蒸气。活塞在曲柄连杆机构的带动下开始向上移动时，气缸的工作容积逐渐减小，密闭在气缸内的蒸气的压力和温度逐步升高；当活塞移动到位置时，气缸内的蒸气压力升高到等于排气管的压力p2时(点2)，排气阀门便自动打开，开始排气。制冷剂蒸气在气缸内，从进气时的低压p1升高到排气压力p2的过程，即12过程称为压缩过程。排气过程:活塞继续向上运动，气缸内的蒸气压力不再升高，而是不断地排出气缸，经过排气阀向排气管输送，直到活塞运动到最高位置即上止点时(点3)，排气过程结束。蒸气从气缸向排气管输送的过程，即23过程称为排气过程。吸气过程：当活塞从上止点位置(点4)向下移动时，进气阀门自动打开，压力为p1的低压蒸气便不断地由蒸发器经吸气管和吸气阀进入气缸，直到活塞到达下止点位置(点1)为止。这41过程称为吸气过程。完成吸气过程后，活塞又从下止点向上止点运动，重新开始了压缩过程，如此周而复始地完成吸入、压缩和输送制冷剂蒸气的作用。压缩机的实际工作过程与理想工作过程存在着较大的区别，实际工作过程如图2-4所示。由于实际压缩机不可避免地存在有余隙容积，当活塞运动到上止点时，缸内气体不可能全排出，而在余隙容积内存留有高压气体。当活塞由上止点开始向下运动时，吸气阀在压差作用下不能打开，吸气管内的低压蒸气不能进入气缸，而首先是残留在气缸内的高压蒸气因容积增大而膨胀，压力下降，直至气缸内的气体压力下降到稍低于吸气管内的压力p0时，吸气阀才自动开启，开始吸气过程。由此可知，压缩机的实际工作过程是由膨胀、吸气、压缩，排气四个工作过程组成的。图2-4中的34表示膨胀过程，41表示吸气过程，12表示压缩过程，23表示排气过程。故同图2-3相比，实际循环多一个膨胀过程。除此之外，在吸、排气时存在有压力损失和压力波动，在整个工作过程中气体同气缸、活塞间有热量交换和摩擦，同时通过气缸与活塞之间的间隙及吸、排气阀还有气体泄漏。因此，实际压缩机的工作过程要复杂得多。二、压缩机的输气系数压缩机的输气量是指在单位时间内，由吸气腔往排气腔输送的气体质量。此气体如换算为吸气状态的容积，便是压缩机的容积输气量，单位是m3s或m3h。在理想情况下，压缩机应在活塞的全行程吸气。如果忽略吸气阀门的压力损失，则吸入气缸内的气体状态与吸气腔内的相同，并且无泄漏地全部排入排气腔。这时，曲轴每旋转一圈，压缩机一个气缸所吸入的低压气体体积(或称气缸工作容积)为Vp。Vn通常称为活塞式压缩机的活塞排量或理论输气量。它仅与压缩机的转速、气缸直径、活塞行程、气缸数目等有关，而与制冷剂的种类和压缩机的运行工况无关。 活塞式制冷压缩机的实际工作中，吸入的制冷剂蒸气容积并不等于活塞的排量。其原因是：在压缩机的结构上，不可避免的会有余隙容积；吸、排气阀门有阻力；气阀部分及活塞环与气缸壁之间有气体的内部泄漏；吸气过程中气体与气缸壁之间有热量交换等。因此活塞式制冷压缩机的实际输气量Vs永远小于理论输气量Vn(即活塞排量)。两者之间的比值称为压缩机的输气系数，用表示(1)，即= Vs /Vn (2-3)的大小反映了实际工作过程中存在的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利用程度，顾也称为压缩机的容积效率。通常可用容积系数人v、压力系数p、温度系数T、泄漏系数l的乘积来表示。1)容积系数 它反映了压缩机中余隙容积的存在对压缩机输气量的影响。由于余隙容积的存在，工作过程中出现了膨胀过程，占据了一定的气缸工作容积，使部分活塞行程失去了吸气作用，导致压缩机吸气量的减少，亦即压缩机的实际输气量的减少。2)压力系数 它反映了吸气压力损失对压缩机输气量的影响。在压缩机的吸气过程中，由于吸气阀开启时要克服气阀弹簧力，以及气体流过气阀时，通道截面较小，流动速度较高，故产生一定的流动阻力，使吸气过程中气缸内的压力p1恒低于吸入管中的压力po。要使气缸内的压力升高到po，则要损失一部分活塞行程，使压缩机的实际吸气量减少。3)温度系数T 它反映在吸气过程中，因气体的预热对输气量的影响。吸入气体在吸气过程中，不断地受到所接触的各种壁面的加热，使吸入气体的温度升高，比容增大。从而使吸入气体量减少。吸入气体与壁面的热交换是一个复杂的过程，与制冷剂的种类，压力比，气缸尺寸、压缩机转速、气缸冷却情况等因素有关。T的数值通常用经验公式计算。4)泄漏系数 它反映压缩机工作过程中由于泄漏所引起的对输气量的影响。压缩机的泄漏主要是由于活塞环与气缸壁面之间的不密封，吸、排气阀关闭不及时或不严密，造成制冷蒸气从高压侧泄漏到低压侧，从而引起输气量的下降。 泄漏量的大小与压缩机的制造质量、磨损程度、气阀设计、压力差大小等因素有关。的数值一般推荐在0.970.99范围内。压缩机的输气系数不仅与压缩基本身的结构及所用的制冷剂性质有关，而且与运行工况有关不同类型的压缩机，使用不同的制冷剂，以及在不同工作条件下，其输气系数的数值不相同。三、压缩机的功率和效率压缩机实际工作过程与理想工作过程的区别，也影响到它的耗功。如吸、排气时压力损失、运动机械的摩擦、压缩过程偏离等熵压缩过程等，均使压缩机的耗功增大。为了提高压缩机运行的经济性，有必要分析影响压缩机功耗的各种因素，从中找出提高效率的途径。 （1）指示功率与指示效率直接用于完成气缸中工作循环所消耗的功称为指示功。单位时间内所有消耗的指示功，称为压缩机的指示功率。理想循环中压缩1kg制冷剂所消耗的功Wo，与实际循环中所消耗的功Wi的比值，称为压缩机的指示效率，用i表示。影响指示功率和指示效率的因素有压缩比，吸排气过程的压力损失，相对余隙容积，吸气预热程度及制冷剂泄漏等。(2)轴功率、摩擦功率与机械效率压缩机运转时，需要克服机械摩擦，如各轴承和轴颈之间的摩擦，活塞、活塞环和气缸壁之间的摩擦等。消耗在克服压缩机各运动部件之间摩擦阻力的功率，称为压缩机的摩擦功率，用Nm表示。而且润滑油泵消耗的功率也包括在摩擦功率之内。所以，压缩机运转中，消耗在其轴上的功率应该是指示功率和摩擦功率之和，称为压缩机的轴功率，用Ne表示。显然，压缩机的轴功率必然比指示功率大，两者之比值称为机械效率，用m表示。摩擦功率主要有往复摩擦功率(活塞、活塞环与气缸壁之间的摩擦损失)和旋转摩擦功率(轴承、轴封的摩擦损失及驱动润滑油泵的功率)组成，前者约占6070，后者占3040%。实验证明，摩擦功率和压缩机的结构、润滑油的温度和转速有关，几乎与压缩机的运行工况无关。摩擦功率可以通过测定空载下压缩机的轴功率求得，也可以通过机械效率来计算。制冷压缩机的机械效率一般在0.750.9之间。机械效率m与压缩比之间的关系曲线是：m随下降而下降。这是因为增大，指示功率减少而摩擦功率几乎保持不变，从而导致m下降的缘故。指示效率i与机械效率m的乘积称为压缩机的绝热效率，用k表示。k一般在0.60.7之间，它反映压缩机在某一工况下运行时的各种损失。(3)配用电动机功率确定制冷压缩机所配用的电动机轴功率时，应考虑到压缩机与电动机之间的联接方式及压缩机的类型。对于开启式压缩机，如用皮带轮联接时，应考虑传动效率d0.90.95，如用联轴器直接传动时，则不必考虑传动效率d。对于封闭式压缩机，因电动机与压缩机共用一根轴，也不必考虑传动效率问题制冷压缩机所需要的轴功率，是随工况的变化而变化的选配电动机功率时，还应考虑到这一因素，并应有一定的裕量，以防意外超载。如果压缩机本身带有能量卸载装置，可以空载启动，则电动机的轴功率可按运行工况下的轴功率，再考虑适当裕量(约1015)选配。则制冷压缩机配用电动机功率N为N(1.1-1.15)Ne/d kW (2-15)还应指出，在吸气通过电动机的封闭式压缩机中，由于电动机绕组获得了较好的冷却，它的实际轴功率可比名义值大。因此，它的电动机的名义功率，可取得比一般开启式压缩机的电动机的功率小些。压缩机运转时，电动机的输入功率可用电功率表测得。在正常情况下，电动机的输入功率应小于配用电动机的额定功率，若电动机超载运行，不但会降低电动机效率，而且可能烧毁。四、压缩机的工作特性活塞式制冷压缩机的工作特性用实际输气量Vs和实际质量输气量G、活塞式制冷压缩机计算工况下的制冷量Qo表示。对于一台制冷压缩机，当使用某一种制冷剂时，其制冷量随着工况的不同而变化。因为工况改变时，压缩机的输气系数和制冷剂的单位容积制冷量qv都随之而变。活塞式制冷压缩机的性能，除了它的输气量、输气系数、制冷量和功率外，还应包括能耗指标。为了评价压缩机运转时的经济性，目前常采用两个能耗指标：一个是单位轴功率的制冷量Ke，或称为制冷压缩机的性能系数，用符号COP(coefficient of performance)表示；另一个是能效比EER，此指标考虑到驱动电动机效率对能耗的影响，而且用单位电动机输入功率的制冷量进行评价。目前常用Ke值或COP评价开启式制冷压缩机的运转性能，而多用EER值评价封闭式制冷压缩机的运转性能。因为封闭式制冷压缩机和电动机已组合成整体，电动机的优劣将直接影响到压缩机的运转特性参数。活塞式制冷压缩机的性能指标(制冷量、功率、能耗指标)的计算公式可以看出，对于某一台活塞式制冷压缩机，转速一定，压缩机的理论输气量为定值，所以输气系数、压缩机的指示效率和机械效率、电动机效率、单位容积制冷量和单位理论功等，都影响着压缩机的性能。蒸发温度越低，冷凝温度越高压缩比就越大，压缩机的输气系数、指示效率和机械效率就越低。同时，单位容积制冷量和单位理论功对于某种制冷剂来说，也与蒸发温度和冷凝温度有关。所以一台活塞式制冷压缩机，如果所用的制冷剂已经确定，影响其性能的两个主要因素为制冷剂的冷凝温度tk和蒸发温度t。在实际情况下，-台压缩机可以有各种不同的用途，因而它们的蒸发温度也各不相同；另外，由于使用地区和季节的不同，冷凝温度也会有所改变。对于活塞式制冷压缩机，可以得出这样的结论：当蒸发温度t。不变，冷凝温度tk升高时，压缩机的制冷量减小，所消耗的功率增大从而能耗指标Ke和EER值降低；如果冷凝温度tk降低时，将会得到相反的结果。当冷凝温度tk不变，蒸发温度t。降低时，压缩机的制冷量减小；而蒸发温度t。升高时，制冷量增大。至于压缩机消耗的功率随蒸发温度变化的情况，与变化前后t。的数值有关。当蒸发温度由环境温度tk逐渐下降时，功率先是增加，然后降低，即压缩机的功率存在一个最大值，而且对于不同的制冷剂来说，压缩比约等于3时，压缩机的功率最大。一般情况下，当蒸发温度t。降低时，无论所消耗的功率是增大还是减小，压缩机的能耗指标总是降低的；而当蒸发温度t。升高时，压缩机的能耗指标总是升高的。综上所述，对于活塞式制冷压缩机的运转，希望能保持较高的蒸发温度，设法尽量控制冷凝温度，使它不要太高，以保证获得较多的制冷量和较多的经济性。当然在压缩机的实际运转中，冷凝温度受冷却介质温度的限制，而蒸发温度必须满足被冷却介质所要求的低温，不能任意改变。但是，了解和掌握制冷压缩机性能及其变化规律，对正确使用压缩机及进行工况分析和故障排除都是十分重要的。一台实际制冷压缩机在各种不同工况下的制冷量和所需要的轴功率或输入电功率，可以通过公式进行计算，也可以由生产厂家按照规定的试验方法，作出压缩机制冷量和轴功率或输入电功率性能曲线。五、压缩机的工况活塞式制冷压缩机的工况是表示压缩机工作温度条件的技术指标。压缩机的工况用稳定工作时的吸入压力饱和温度、吸入温度、排出压力饱和温度和制冷剂液体温度等温度数值来表示。 由上分析可知，一台压缩机在不同的工况下运转时，它的制冷量，功率及能耗指标等是不同的。为了说明一台压缩机的制冷量、轴功率和能耗指标的大小，必须同时说明是对应什么工况，不讲压缩机的工作条件而单讲它的制冷量大小是没有意义的。同样，只有在相同的工况下，才可以比较两台压缩机的制冷量、轴功率和能耗指标的大小。此外，压缩机的零部件需要根据使用的工况来设计和制造，电动机的功率和润滑油的牌号等，也都要根据工况来选择。根据我国的具体情况，制定的有关压缩机的标准中，规定了名义工况、考核工况、最大功率工况、低吸气压力工况等，作为设计和试验活塞式制冷压缩机的依据。表2-1、表2-2列出GBl087-89规定的小型活塞式单级制冷压缩机名义工况和考核工况；表2-3、表2-4列出GB0874-89规定的中型活塞式单级制冷压缩机名义工况和考核工况。考核工况(是考核压缩机和压缩机组性能指标的工况。在此工况下，压缩机和压缩机组按规定条件进行试验，并作为性能比较的基准性能工况。 最大功率工况和低吸气压力工况是对压缩机和压缩机组进行性能试验的另外两种工况，用以考核压缩机和压缩机组能否在比较恶劣工况下正常运行。目前，许多生产厂家仍按原定的标准工况(standard condition)和空调工况(air-conditioning condition)来标示压缩机的各项性能指标，在压缩机的铭牌上分别标出其标准(工况)制冷量或空调(工况)制冷量。表2-5和表2-6分别示出标准工况和空调工况的温度条件。应该指出，规定的工况是为厂统一标示或考核压缩机的各项性能指标，并不是说压缩机只能在这几种工况下运转。活塞式制冷压缩机的工况可以根据实际需要加以调整和改变，但是在使用压缩机时，应注意运转工况不能超出限定的工作条件，否则经济性和安全性都得不到保证。GBl0872-89，GBl0875-89中分别规定了小、中型活塞式单级制冷压缩机的设计和使用条件。见表2-7和表2-8，压缩机在此条件下应能长期可靠工作，并根据此规定确定压缩机的最大压缩比和工作范围。第三节 往复式制冷压缩机的结构近年来，我国已设计和制造出各种型式的活塞式制冷压缩机，各项技术经济指标都显著提高，许多产品进入国际先进行列，一些工厂在制造压缩机时，考虑了对R12，R22，R717，R502等几种常用制冷剂的通用性，即生产所谓多工质通用压缩机。其实，所谓多工质通用，只是使这种压缩机的大部分零部件的结构、材料和强度都能满足几种制冷剂的要求，并不是不需要任何改动就可以适用于任何制冷剂。活塞式制冷压缩机的构造多有相似之处。下面通过介绍我国生产的三种不同结构型式的制冷压缩机，分别对开启式，半封闭式和全封闭式活塞制冷压缩机的总体及主要零部件结构的一般情况进行说明。一、总体结构制冷压缩机的结构型式很多，现仅以密封方式的不同分为开启式、半封闭式、全封闭式三种类型来加以介绍。(1)开启式制冷压缩机开启式压缩机的曲轴功率输入端伸出机体，它通过联轴器或皮带轮和原动机相连接。它的特点是容易拆卸、维修，但密封性较差，工质易泄漏，因此带有轴封装置。压缩机的曲轴箱和气缸体是一个整体铸件，吸、排气腔设置其中，形成一个坚固的机体，用来堆装各个零部件。底部用来存放润滑油。曲轴箱两侧开有孔口，用于压缩机内部零件的装配和拆检，并用侧盖封闭，一只侧盖上还装有油面指示器和油冷却器，分别用来检查油面的高低及冷却润滑油。压缩机的曲轴用球墨铸铁整体铸造，两曲拐夹角为180度，用两个滑动轴承支承。每个曲拐上装有一个工字型连杆，每个连杆通过活塞销带动一个铝合金的筒形活塞，使活塞在气缸套内作往复运动。活塞上面装有一道气环和一道油环。气缸中装有气缸套，吸气阀布置在气缸套上部的凸缘处，排气阀布置在气缸套的顶部。吸入的氨气经进气管和过滤网进入吸气腔(即气缸套周围的空腔)，然后经吸气阀进入气缸中。排气阀通过缓冲弹簧被气缸盖压紧，在气缸盖与排气阀之间形成一个排气腔，排气阀与缓冲弹簧组成一个安全假盖，在发生液击、气缸内压力过分升高时，假盖自动开启(抬起)，排走液体，不致使压缩机零件受到损坏。吸、排气阀均采用环状阀结构型式，排气阀座的环形通道与活塞顶部的凹陷形相吻合。当活塞运动到上止点时，活塞顶部伸到内环形通道内，以减少压缩机的余隙容积。压缩后的氨气经排气阀先排入排气腔中，再经排气管排出。在排气腔与吸气腔之间装有安全阀，当排气压力超过规定值时，安全阀自动打开，部分氨气经安全阀流入吸气腔中。在曲轴伸出机体的部位装有摩擦环式轴封、以防止制冷剂泄漏。 压缩机采用压力润滑。油泵为转子式，与曲轴的自由端装在一起，由曲轴直接带动。曲轴箱中的润滑油经粗滤油网及吸油管，被油泵吸入，升压后经精过滤器后从曲轴两端进入，送至各需要润滑的部位，然后落入曲轴箱中，供循环使用。有些型号压缩机带有卸载装置。在它的气缸套周围装有顶开吸气阀片的顶杆、转动环及油压推杆机构等，由油缸-推杆机构控制，起到调节压缩机输气量(制冷量)及压缩机空载启动的目的。油缸中的压力油由油泵供给。压缩机采用直接传动方式，通过联轴器由电动机直接传动。 这种缸径的系列有2，4，6，8缸，行程有100，110mm两种，按R717、R12、R22三种工质通用要求设计，使用不同制冷剂时，只需要更换相应的安全阀及气阀弹簧等。这种系列压缩机有以下特点：1)高速多缸，因而结构紧凑，外形美观，重量轻，运转平稳，技术经济指标比较先进。2)压缩机零件的通用化程度高，便于组织生产和维修。3)4缸以上的压缩机具有能量调节机构，可使压缩机根据外界负荷的变化，改变气缸工作数目，实现部分负荷运行，也可以空载启动。4)采用了新材料和新工艺，如铝合金活塞、球墨铸铁曲轴、可锻铸铁连杆、粉末冶金转子油泵、多孔性镀铬的活塞环等。5)排气阀座内、外分开，通道形状与活塞面部形状吻合，减少了余隙容积。吸气阀安装在气缸套上部法兰上，增大了吸、排气阀的流通截面。6)三工质通用，提高了压缩机的通用性。7)采用气缸体-曲轴箱整体结构型式，提高了机体的刚度和气密性，减少了机体的加工量。8)采用可更换缸套，简化了机体的铸造工艺，便于实现顶开吸气阀片来实现输气量调节。9)利用缸套周围空间作吸气腔，可使气缸得到冷却，并减少液击的可能性。(2)半封闭式制冷压缩机半封闭式制冷压缩机的机体和电动机的外壳铸成一体。电动机的转子直接装在压缩机曲轴的悬臂部分，因而不需要轴封和联轴器。它比开启式压缩机结构更为紧凑，密封性能好，噪声低，比全封闭式压缩机易于拆卸和修理。 由于封闭式压缩机无法从机外观察到压缩机的转向，因此要求采用强制润滑的润滑油泵，能在正、反转时都能正常供油。另外，由于封闭式压缩机中的电动机绕组和油及制冷剂直接接触，因此它不仅不适用于氨制冷机，而且绕组的绝缘材料必须耐