螺杆式制冷压缩机的现状与发展

第一章 螺杆式制冷压缩机的分类以及发展史 1 1螺杆式制冷压缩机的分类 螺杆式制冷压缩机按压缩机与电动机联结的方式不同 分为开启式 半封 闭式和全封闭式三种 开启式机组 压缩机通过联轴器与电动机相联 要求在压缩机伸出轴上加 装可靠的轴封 以防制冷剂和润滑油泄漏 半封闭式机组 电动机与压缩机做为一体 中间用法兰联接 能有效防止 制冷剂和润滑油的泄漏 并采用制冷剂冷却电动机 消除了开启式机组中电动 机冷却风扇的噪声 全封闭式机组 把电动机与压缩机封闭在一个容器内 彻底消除了制冷剂 和润滑油的泄漏 噪声为最低 目前该制冷压缩机在标准工况下 蒸发温度 15 冷凝温度 30 制冷量范围已经超过 3500KW 全封闭式螺杆压缩机组主要适用于写字楼 运输工具 图书馆 商厦 医 院 民用住宅 宾馆等对噪声特别敏感场所的独立空调或中央空调系统内 开 启式与半封闭式机组在工矿企业 人防工程运用较多 两种形式压缩机组的比较 1 开启式机组 优点 1 压缩机与电动机相对分离 对电动机没有特殊的要求 故压缩机 的适用范围较广 2 同一台压缩机 可适应不同制冷剂 除了采用卤代烃制 冷剂外 通过更改部分零件的材质 还可采用氨作制冷剂 3 可根据不同的制 冷剂和使用工况条件 配用不同容量的电动机 4 单机头机组制冷量可达 200 万大卡以上 5 成本较低 价格较便宜 缺点 1 需要轴封封住制冷剂和润滑油泄漏的通道 这也是用户经常维护 的重点 JB T6906 93 螺杆式单级制冷压缩机标准中对渗油量规定 开启式机 组运行时的轴封处渗油量应不大于 3ml h 由于氟利昂和冷冻油是互溶的 故 在使用过程中氟利昂与冷冻油的同步泄漏无法避免 尤其在运行满 1000 小时以 后 由于轴封的磨损 会加剧氟利昂与冷冻油的泄漏 加大维修和运行费用 影响正常使用 2 配套的电动机高速旋转 冷却风扇形成的气流噪声大 压缩 机本身噪声也比较大 开启式机组一般噪声在 90dB A 以上 导致噪声污染环 境 3 需要配置单独的油分离器和油冷却器等复杂的油系统部件 导致机组体 积庞大 使用维护不便 且重量和占地面积都大 4 效率低 由于需要用外置 电动机驱动油泵及配用普通低效率电机 空调名义工况能效比一般不超过 4 0 2 半封闭式机组 优点 1 由于采用半封闭式方式 电动机与压缩机一体化设计 故噪声低 振动小 不存在开启式机组的氟利昂和润滑油的泄漏等问题 减少了用户的维 护和管理成本 不会因泄漏而影响用户的正常使用 2 由于采用半封闭式方式 电动机与压缩机合为一体 加上内置分油消音器 大大地降低了运行噪声 同 等冷量开启式与半封闭式噪声差别约为 15dB A 3 由于内置油分离器采用内 压差供油方式 无需配外置电动机驱动油泵 提高了运行的能效比 空调名义 工况下能效比一般大于 4 5 4 对要求较高的场合 可采用双机头或三机头型 式 各制冷系统相对独立 一旦某系统出现故障 其他系统可以正常工作 不 会对生产和环境造成太大影响 缺点 1 目前国内所采用半封闭式螺杆压缩机大部分为国外原装进口 价 格较高 2 由于采用耐氟利昂 耐润滑油和耐高温特种电机 增加了压缩机的 材料成本 故同档次半封闭式压缩机价格高于开启式压缩机 3 单机容量较小 单机头容量一般不超过 150 万大卡 1 2 螺杆式制冷压缩机的发展史 螺杆式压缩机是瑞典皇家工学院教授 AlfLysholm 于 1934 年发明的 其初 衷是用于柴油机和燃气汽轮机的增压 据有关统计 在 3000 小时运转期间 活 塞机组的故障是螺杆机组的 10 倍 在 12 000 小时运转期间 活塞机组的故障 是螺杆机组的 4 倍 螺杆机属于回转式机型 它的振幅是活塞机的 1 5 故振 动和噪声都比较小 自 1934 年螺杆式压缩机问世以来 经过了几十年的技术改进 螺杆式压缩机 得到了广泛的应用 特别是在制冷方面 由于螺杆式制冷压缩机与活塞式制冷压 缩机比较有结构简单 易损件少 检修周期长 容积效率高 排气温度低 对 液击不敏感和可以实现制冷量无级调节等特点 所以螺杆式制冷压缩机越来越多 的受到用户所赞赏 而广泛用于国民经济各部门中需要实现人工制冷的场合 如 石油 化工 轻工 医药等工业产品的生产 科研方面的低温试验 食品 水产 品的低温加工 贮藏及公共场所等大型建筑的空气调节等 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 虽然国内 的螺杆式制冷压缩机近几年有了一定的发展 但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 如大连冷冻机股份 有限公司部分 D87 新齿型 武汉新世界制冷工业有限公司部分机型为 XBY 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 第二章螺杆式制冷压缩机的目前现状 2 1 螺杆式制冷压缩机的简单介绍 2 1 1 基本构造 螺杆式制冷压缩机的基本结构 主要由转子 机壳 包括中部的气缸体和两 端的吸 排气端座等 轴承 轴封 平衡活塞及能量调节装置组成 两个按 一定传动比反向旋转又相互啮合的转子平行地配置在呈 字形的气缸中 转子具有特殊的螺旋齿形 凸齿形的称为阳转子 凹齿形的称为阴转子 一般 阳转子为主动转子 阴转子为从动转子 气缸的左右有吸气端座和排气端座 一对转子就支承在左右端座的轴承上 转子之间及转子和气缸 端座间留有很 小的间隙 吸气端座和气缸上部设有轴向和径向吸气孔口 排气端座和滑阀上 分别设有轴向和径向排气孔口 压缩机的吸 排气孔口是按其工作过程的需要 精心设计的 可以根据需要准确地使工作容积和吸 排气腔连通或隔断 2 1 2 工作原理 螺杆式制冷压缩机的工作是依靠啮合运动着的一个阳转子与一个阴转子 并借助于包围这一对转子四周的机壳内壁的空间完成的 当转子转动时 转子 的齿 齿槽与机壳内壁所构成的呈 V 字形的一对齿间容积称为基元容积 其 容积大小会发生周期性的变化 同时它还会沿着转子的轴向由吸气口侧向排气 口侧移动 将制冷剂气体吸入并压缩至一定的压力后排出 2 1 3 工作过程 从转子吸气侧 一般在转子上方 视图 表示了基元容积从吸气开始到吸 气结束的过程 为从转子排气侧 一般在转子下方 视图 表示了基元容积从 开始压缩到排气结束的过程 在两转子的吸气侧 齿面接触线与吸气端之间的 每个基元容积都在扩大 而在转子的排气侧 齿面接触线与排气端之间的基元 容积却逐渐缩小 这样 使每个基元容积都从吸气端移向排气端 如下图所示 某 V 形基元容积 说明螺杆式制冷压缩机的工作过程 1 吸气过程 齿间基元容积随着转子旋转而逐渐扩大 并和吸入孔口连 通 气体通过吸入孔口进入齿间基元容积 称为吸气过程 当转子旋转一定角 度后 齿间基元容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开 吸气过程结束 值得 注意的是 此时阴 阳转子的齿间基元容积彼此并不连通 2 压缩过程 压缩开始阶段主动转子的齿间基元容积和从动转子的齿间 基元容积彼此孤立地向前推进 称为传递过程 转子继续转过某一角度 主动 转子的凸齿和从动转子的齿槽又构成一对新的 V 形基元容积 随着两转子的啮 合运动 基元容积逐渐缩小 实现气体的压缩过程 压缩过程直到基元容积与 排出孔口相连通的瞬间为止 此刻排气过程开始 3 排气过程 由于转子旋转时基元容积不断缩小 将压缩后具有一定压 力的气体送到排气腔 此过程一直延续到该容积最小时为止 随着转子的连续旋转 上述吸气 压缩 排气过程循环进行 各基元容积依 次陆续工作 构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环 由上可知 两转子转向相迎合的一面 气体受压缩 称为高压力区 另一 面 转子彼此脱离 齿间基元容积吸入气体 称为低压力区 高压力区与低压 力区由两个转子齿面间的接触线所隔开 另外 由于吸气基元容积的气体随着 转子回转 由吸气端向排气端作螺旋运动 因此 螺杆式制冷压缩机的吸 排 气孔口都是呈对角线方式布置的 2 2 螺杆式制冷压缩机的目前现状 螺杆式制冷压缩机目前已成为制冷空调领域的主要机型 在中等制冷量的 制冷装置中 占据了市场的优势份额 在食品 医药等行业 螺杆式制冷压缩 机更是作为新颖清洁高效的工艺压缩机大显身手 备受推崇 螺杆式制冷压缩 机的心脏部件是螺杆转子 转子型线的先进性又决定着整机的性能优劣 对加 工精度和表面热处理的要求都很高 能否加工出最先进的型线已成为衡量一个 机加工企业经济实力 技术实力的标志 目前转子型线已发展到第三代 不对称型线 主要有德国的 GHH 型线 日本的日立型线和瑞典的 Atlas copco SAP 型线 采用 5 对 6 非对称齿形 螺 杆的加工设备和测量检测设备基本依赖国外进口 主要有英国 HOLROYD 加工中 心 德国 MAUSER 意大利 DEA 英国 IMS 的三坐标测量系统 但价格都非常昂 贵 动辄几千万元 一般企业无力承受购买和日常维护 所以国内一些制冷机 组生产企业在生产或供货时会有两种选择 一是 拿来主义 即压缩机或机 头部件直接从国外专业的生产厂家采购 目前国际上比较优质的压缩机品牌有 德国的比泽尔 BITZER 格拉索 意大利莱富康 REFCOMP 富士豪 考玛 COMA 台湾汉钟 HANBELL 复盛 日本的日立 大金 三菱重工 神钢 美国富利克 FRICK 瑞典阿特拉斯 科普柯 Atlas copco 蒸发器 冷 凝器 除油器等在国内配套加工 外加一些进口的电气控制元器件 像工业可 编程控制器 PLC 可编程终端触摸屏 过滤器 热力膨胀阀等 完成组装出厂 这类企业有 南京五洲制冷集团公司 原南京冷冻机总厂 简称南冷 约克 中国 广州 无锡空调冷冻设备有限公司 浙江联丰制冷机有限公司 简称 联丰 等 二是 自力更生 即除电气控制元器件外 机头部件和蒸发器 冷凝器 都是由自己加工生产的 其企业规模一般比较大 铸造 加工和检测设备全部 进口 这类企业有 大连冷冻机股份有限公司 原大连冷冻机厂 简称大冷 武汉新世界制冷工业有限公司 原武汉冷冻机厂 简称武冷 烟台冰轮股份 有限公司 简称烟冷 因为没有关税等成本附加 在整机价格上会相对便宜 些 为了确保压缩机的正常和安全可靠运行 需要确保机组中其他组件包括冷 凝器 蒸发器 节流或膨胀阀工作的正常 也需要一系列控制元器件对压缩机 运行中的温度 压力参数进行即时检测反馈 由工业可编程控制器统一协调整 机的正常工作 这些自动保护功能必须包括高低压保护 油位保护 排气过热 保护 电机过热过电流保护 缺相 逆相保护 断水保护 防冻保护等 以便 在系统出现异常的情况下能自动停机 锁定故障 显示报警 警告信息 并发出 报警信号 友好的人机界面也是制造精良的制冷机组必不可少的组成部分 一般要求 采用工业级可编程控制器 触摸屏操作的全中文界面 这种组合模式简便易懂 抗干扰能力强 自动化程度高 操作人员可以根据生产实际需求 自由进行参 数设定变更 并具备 运行状态显示 故障原因显示 累计运行时间 显示 等多项功能 提供的数据信息完善详细 便于历史查询和维修保养 制冷机组一般都属于大功率耗电设备 运行过程中对其节能要求显得非常 重要 要求机组可根据外部负载变化自动调整运行状态 确保机组在最佳负荷 下运行 同时机组必须具有部分负荷性能 即能在较低的负荷以及冷却塔水温 较低时有效运行 实现无级调节 能量调节范围自然越宽越好 在制冷系统设 计中还常常通过采用经济节能器 使部分制冷剂液体经过中间冷却 提高过冷 度 从而提高单位工质制冷能力 在衡量机组动力经济性方面 单位输入功率 制冷量是一个重要参数 精良设备达到 4 5W W 以上 也称作能效比或性能系数 用 COP Coefficient of performance 来表示 目前国产螺杆式制冷压缩机的现状 自 1976 年我国第一台螺杆式制冷压缩 机试制成功以来 经过二十多年的技术改造 有了较大的改进 但与国外先进的螺 杆式制冷压缩机比较还有一定的差距 1 型线 目前 世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 所以国内新型高效的转子型线还有待于进一步开发 2 噪音 螺杆式制冷压缩机运行噪音较高是制约螺杆式制冷压缩机使用范围的一大 障碍 根据 12348 90 工业企业厂界噪声标准 和 3096 82 城市区域 环境噪声标准 的有关规定 目前国产螺杆式制冷压缩机的噪音范围为 76 112 这是不符合国家噪音标准的有关规定的 3 分油效率 目前 国产螺杆式制冷压缩机分油系统比较庞大 并且普遍存在分油效率低 的这一问题 而国外同类产品的分油效率已达 99 999 迄今为止 我们在有关 资料中只查到烟台冰轮集团公司最新研制并生产的新型油分离器 其分油效率 为 99 998 可与国外产品媲美 4 可靠性 目前 国产螺杆式制冷压缩机可靠性较差 主要表现在 滑阀定不住位 轴封 可靠性差 寿命短 能量指示存在密封和缩紧问题 控制系统电气元件质量不稳定 等 5 内容积比可调 目前的国产螺杆式制冷压缩机 除武汉新世纪集团公司在部分机型采用了手 动内容积比可调装置外 其它生产厂家都是根据使用工况不同 备有三种不同内 容积的滑阀供用户选择 然而由于使用条件不是一成不变的 若选择一种型号的 滑阀 就会造成螺杆式制冷压缩机的过压缩或欠压缩 从而增加了螺杆式制冷压 缩机的功率损失 降低了性能指标 6 机电一体化 近年来 国外螺杆式制冷压缩机都采用了智能型微机控制系统 一方面便于 操作 另一方面节约了能源 且可靠性高 便于冷量调节 而国产螺杆式制冷压缩 机大都是人工操作 控制功能大都采用继电器保护控制 不便于操作和节能 可靠 性也差 7 螺杆式制冷压缩机在热泵领域的应用 在国外 螺杆式热泵已得到了广泛的应用 其供热量为 10 500 万千卡 小时 供 热温度 10 56 70 和 150 等几档 而我国螺杆式热泵的应用和研究尚处 于初级阶段 目前 大连冷冻机股份有限公司已开发出 12 5 16 两种机型的螺杆式热泵机组 供热温度只能达到 50 60 第三章螺杆式制冷压缩机的发展研究方向 先进制造技术的发展以及许多理论和实践上的研究成果和发明创造不断地 应用于生产实际 使螺杆式制冷压缩机在制冷 空调等领域中得到了迅速发展 目前 螺杆式制冷压缩机的发展研究方向主要有 1 型线几何与转子几何型线几何与转子几何 螺杆压缩机结构简单 其核心部件是一对相互啮的转子 转子的端面型线 在很大程度上决定了螺杆压缩机的性能 螺杆压缩机性能的提高是伴随着一代 又一代转子型线的成功开发和应用而发生的 转子的端面型线由啮合原理决定 自 20 世纪 30 年代 Lysholm 第一个使用了对称圆弧型线后 制造商尝试了许多 型线 衡量型线的效率主要有以下几个因素 1 小的接触力 2 光滑的力矩传 递和油膜形成能力 3 较短的啮合线 4 大的容积腔 5 容易和高效的生产 围绕提高型线的效率 型线大致经历了三代发展历程 1 第一代转子型线是对 称圆弧型线 2 20 世纪 60 年代以后 随着喷油技术的发展 产生了以 SRM A 型线为代表的第二代转子型线 第二代转子型线是不对称型线 泄漏三角形面积 大为减小 使螺杆机性能大幅提高 3 20 世纪 80 年代以后 计算机技术的应用 推动了螺杆型线的研究 成为型线研究的主要手段 第三代转子型线有很多种 如 GHH 型线 日立型线 SRM2D 型线等以及西安交通大学研制开发的 X31 型线 X32 型线等型线 2 间隙 气体泄漏和油的影响 螺杆式制冷压缩机的热力学性能受泄漏通道的影响最为强烈 双螺杆压缩 机齿间容积间主要有 4 个泄漏通道 1 转子间的接触线 2 齿顶与气缸之间的 间隙 3 排气端面 4 泄漏三角形 其中泄漏三角形是螺杆式制冷压缩机压缩 机的几何特征 它引起的泄漏对容积效率和绝热效率有独特的影响 螺杆式制冷 压缩机的 4 个泄漏通道中 泄漏量最大的两个通道是接触线泄漏三角形 而决定 泄漏量大小的重要参数 接触线长度和泄漏三角形面积都由转子端型线和 转子几何参数决定 准确地计算接触线长度和泄漏三角形面积是准确评估转子 型线性的前提 反过来 这又可以指导我们设计出性能更优越的转子型线 这些 泄漏通道是由于工作间隙的需要而在设计中预留的 或者是由机器本身的几何特 性决定的 螺杆式制冷压缩机 转子接触面间有一层油膜来传递负载 油膜厚度随时变 化 螺杆转子的密封面则必须有足够的间隙以保证机器的安全运行 因此 间隙 设计也是提高机器性能的关键 螺杆式制冷压缩机需要间隙来补偿制造缺陷和 公差 在负荷工作下 由于温度和压力引起的变形 在车间装配后机器的冷态间隙 与工作中的压缩机的热态间隙显著不同 日立公司根据转子热弹性变形的分析结果 对阴 阳转子齿形修正 加工滚 刀热补偿设计 转子配合间隙的确定进行了探讨 发现采用补偿设计法与过去不 考虑转子热变形的设计方法相比 运转中转子间隙可以减少约 40 50 样 机试验表明 在压力比为 8 时 压缩机容积效率提高 30 绝热效率提高 38 故对螺杆式制冷压缩机齿间间隙的研究 是进一步提高螺杆机性能的重要途径 用转子间轴向间隙在转子齿面法向的投影作为转子间的间隙 得到了转子间间隙 的等高线分布 但是只能计算转子处于理想位置的情况 研究转子轴偏离理想位 置的情况 将空间的三维问题简化为端面平面上的二维问题进行研究 进而研究 转子的干涉 由于间隙与螺杆端面型线 齿间间隙获得方法 加工精度 零部件变形等 许多因素相关 间隙值的确定是一项复杂和困难的工作 到目前为止 还没有完全 解决这一问题 螺杆式制冷压缩机性能上的重要保证是向工作腔中喷入大量的润滑油 润 滑油起到润滑 降噪 密封和冷却的作用 螺杆式制冷压缩机要达到良好的压 缩腔的密封 必须提供大大超过合适的齿与齿间润滑所需的油量 油量的增加超 过了最佳值 不会达到更好的密封效果 但是大量的油通过油 气热交换降低了 排气温度 使单级压缩达到了更高的压力比 大量的油通过油 2 气换热 油 2 壳 体换热 气 2 壳体换热 影响工作腔内气体的热力过程 但这一过程十分复杂 由 于我们不能确定腔中油的分布 速度等状态 所以还没有一个详尽的理论上或实 验上的解释 在制冷压缩机中 由于油中溶有大量的制冷剂 在压力降低时 制冷 剂会从油中散发出来 增加了工作腔内的工质 同时制冷剂的散发需要吸收汽化 潜热 从而引起温度改变 喷入的润滑油一方面降低了工作腔内温度 使压缩过 程向等温过程靠近 从而减少了功耗 另一方面 喷入的油增加了粘性剪切力和搅 拌功 因此 存在一个最佳喷油量使得耗功量少 而通过提高喷油压力来强化油 的雾化效果 使压缩过程逼近等温过程是得不偿失的 因为喷油耗功过性能 负 载压力大 3 热力学过程的研究热力学过程的研究 热力学过程的研究主要围绕泄漏 传热 排气孔口流动三个方面 传热是 螺杆式制冷压缩机中的重要问题 在螺杆式制冷压缩机中 螺杆喷油机器喷入的 滑润油与工质间产生强烈的热交换 使排气温度控制在合理的范围内 由于喷入 的水 油或其它冷却剂在螺杆工作腔内的运动和分布是非常复杂的 所以螺杆式 制冷压缩机