第二章 往复式制冷压缩机(1).ppt

1、第二章 往复式制冷压缩机,Chongqing University,College of Power Engineering,college of Power Engineering,Chongqing University,第二章 往复式制冷压缩机,概述 基本结构和工作原理 热力性能 驱动机构和机体部件 气阀 封闭式制冷压缩机的内置电动机 总体结构 润滑系统和润滑油 往复式制冷压缩机的振动与噪声 安全保护,College of Power Engineering,Chongqing University,概 述,College of Power Engineering,Chongqing U

2、niversity,一、往复式制冷压缩机的优缺点,优点,能适应较广阔的压力范围和制冷量要求； 热效率较高，单位耗电量相对较少，偏离设计工况 运行时更为明显； 对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工比较容易，造价较低廉； 技术上较为成熟，生产使用上积累有丰富的经验； 装置系统比较简单。,缺点, 因受到活塞往复惯性力的影响，转速受到限制，不能过高，因此单机输气量大时，机器显得很笨重； 结构复杂，易损件多，维修工作量大； 由于受到各种力、力矩的作用，运转时振动较大； 输气不连续，气体压力有波动。,College of Power Engineering,Chongqing University,Col

3、lege of Power Engineering,Chongqing University,二、分类,1. 按使用的工质分： 氨压缩机、氟利昂压缩机、异丁烷压缩机 2. 按气缸布置方式分： 卧式、直立式、角度式 3. 按压缩机的密封方式分： 开启式、半封闭式、封闭式 4. 按制冷量的大小分： 小型活塞式、中型活塞式 5. 按气体压缩的级数分： 单级压缩、多级(一般为两级) 6. 按活塞行程分： 短行程、长行程,College of Power Engineering,Chongqing University,第一节基本结构和工作原理,College of Power Engineering,

4、Chongqing University,一、基本结构,Chongqing University,College of Power Engineering,College of Power Engineering,Chongqing University,二、外形,College of Power Engineering,Chongqing University,三、往复式制冷压缩机的工作循环,College of Power Engineering,Chongqing University,College of Power Engineering,Chongqing University,第

5、二节 热力性能,College of Power Engineering,Chongqing University,一、单级往复式压缩机的理论循环,研究理论循环的目的 找出循环基本热力参数间的关系； 找出提高循环指标的基本途径； 确定循环的极限指标，用于评价实际循环完善程度。,College of Power Engineering,Chongqing University,几个假设条件: 压缩机没有余隙容积； 吸、排气过程没有压力损失； 吸、排气过程中与外界没有热量交换； 没有泄漏； 压缩机在工作中没有摩擦损失。,一、单级往复式压缩机的理论循环,由于理想工作过程不存在任何容积和能量损失。因此

6、，对给定的压缩机而言，它就能达到输气量最大，而耗功量最小的状态。,College of Power Engineering,Chongqing University,压缩机的理想工作过程,吸气过程 （d-a） （可逆绝热流动） 当活塞自左死点（上止点）向右移动时，进气阀打开，排气阀关闭，初态气体吸入气缸。气缸容积逐渐增大。当活塞到达右死点（下止点）时，进气阀关闭，吸气过程结束。,College of Power Engineering,Chongqing University,压缩机的理想工作过程,压缩过程 （a-b） （可逆绝热、等熵过程） 活塞在外力推动下向左回行，此时进、排气阀处于关闭状

7、态，气缸内工作容积逐渐减小。制冷剂蒸气被压缩，温度和压力逐渐升高。,College of Power Engineering,Chongqing University,压缩机的理想工作过程,排气过程（b-c） （可逆绝热流动） 活塞行至相应于b态位置，气体压力升高到略高于排气腔中制冷剂压力时，排气阀打开，活塞继续左行，将处于排气压力的气体不断推出气缸，直至活塞到达左死点，排气过程结束。,College of Power Engineering,Chongqing University,1. 气缸工作容积 当余隙容积为零，按压缩机进口吸气状态（Ps0, Ts0）计算，活塞移动一个行程所扫过的气缸

8、容积Vp，即每一循环从气缸中排出的气体容积。,二、往复式压缩机的理论输气量,(m3),College of Power Engineering,Chongqing University,2. 理论容积输气量qvt (理论排量) 压缩机按理论循环工作时，单位时间内所能供给的按进口吸气状态换算的气体容积，与压缩机结构参数有关。 i 气缸数；n 转速，r/min 3. 理论质量输气量qmt vs0 吸气状态下的比容, m3/kg 理论排量由压缩机结构参数和转速确定，与制冷剂种类和运行工况无关。,(m3/h),(kg/h),二、往复式压缩机的理论输气量,College of Power Enginee

9、ring,Chongqing University,压缩机消耗的理论功率,研究依据：稳定流动能量方程 对准静、稳流过程，有：,流经压缩机的气体作间歇性周期变化，但由于转速高，这种间歇性周期所需时间极短，在讨论的时间段内，压缩机进、排气可近似看作是稳定连续的。,College of Power Engineering,Chongqing University,几点说明： 压缩机消耗的理论压缩功为技术功； 过程无能量损失时（忽略 ），有： 对不同压缩过程，轴功的计算公式不同。可能进行的压缩过程：等温过程、等熵过程、多变过程。,压缩机消耗的理论功率,三种压缩过程,College of Power E

10、ngineering,Chongqing University,College of Power Engineering,Chongqing University,设活塞对气体所做的功为正值，压缩机一个气缸完成一个理论循环所消耗的理论功可用P-V图面积a-b-c-d-a 求得； 被压缩工质为过热蒸气，可将其视为理想气体； a-b为等熵压缩过程（ 绝热、可逆）。,理论功计算,College of Power Engineering,Chongqing University,取等熵压缩过程的理论循环功为制冷压缩机的理论功Wts：,对理想气体和实际气体：,对理想气体：,理论功计算,College o

11、f Power Engineering,Chongqing University,压缩机消耗的理论功率,*参考：吴业正，小型制冷装置设计指导，机械工业出版社,常用制冷剂的等熵指数,压缩机消耗的理论功率Pts：,(kW),College of Power Engineering,Chongqing University,三、往复式压缩机的实际循环,1. 实际循环与理论循环的差异,余隙容积，有再膨胀过程 气阀弹簧力 气体与缸壁及活塞间的热交换和摩擦 多变过程而非等熵过程 气体泄漏损失 润滑油和吸入湿蒸气的影响,College of Power Engineering,Chongqing Unive

12、rsity,2.实际循环与理论循环的差别,实际循环：1-2-3-4-1 理论循环：a-b-c-d-a,College of Power Engineering,Chongqing University,与理论循环相比，实际循环多一个膨胀过程（余隙容积）； 吸气阀弹簧力，实际循环吸气终了时，P1 Ts0 ； 压缩过程为多变过程。排气阀弹簧力使得排气压力P2 Pdk ， P3 Pdk; 在吸、排气时存在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，在气缸与活塞间隙及吸、排气阀之间还有气体泄漏。 理论循环为干制冷剂蒸气，实际循环为湿蒸气。,2.实际循环与理论循环的差别,四、

13、压缩机的实际输气量,容积效率 实际循环输气量与理论循环输气量的比值,用v表示，即 实际循环输气量总是小于理论循环输气量。,College of Power Engineering,Chongqing University,College of Power Engineering,Chongqing University,四、压缩机的实际输气量,容积效率 指示功率和指示效率 机械效率和轴效率 电动机效率和电效率 压缩机热力性能计算举例 压缩机的排气温度,1. 影响单级压缩机容积效率的因素,College of Power Engineering,Chongqing University,1）容积

14、效率,（1）单级压缩机的容积效率,容积效率又称输气系数，为压缩机实际输气量与理论输气量之比，是衡量气缸空间利用程度的指标。,其中，容积系数v、压力系数p、温度系数T、泄漏系数l,College of Power Engineering,Chongqing University,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排量。原因是： 压缩机结构上不可避免存在余隙容积； 吸、排气阀阻力；气阀部分及活塞环与气缸壁之间的 气体内部泄漏； 吸气过程中气体与气缸壁之间的热交换等。,因此:实际输气量永远小于理论输气量 (活塞排量)，两者之间的比值称为压缩机的容积效率（输气系数），其大小

15、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，通常可用容积系数v、压力系数p、温度系数T、泄漏系数l 的乘积来表示 。,College of Power Engineering,Chongqing University,实际循环：1-2-3-4-1 理论循环：a-b-c-d-a,College of Power Engineering,Chongqing University, 容积系数,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吸气作用，导致压缩机吸气量减少，即压缩机实际输气量减少,定义式：,

16、（2-7）,吸气容积损失V是由余隙容积内高压气体的膨胀引起。,计算式：,c 相对余隙容积，余隙容积与气缸工作容积之比。,反映余隙容积对压缩机输气量影响。,College of Power Engineering,Chongqing University,设过程的多变膨胀指数m为定值（常数），则,将上式代入式（2-7）：,（2-13）,膨胀过程：35,College of Power Engineering,Chongqing University,略去排气压力损失Pd3 , 则式（2-13）可简化为：,（2-14）,式中，压力比，,因此，v主要与压力比、相对余隙容积c 和多变膨胀指数m 有关。

17、, 容积系数,College of Power Engineering,Chongqing University,当达到一定数值时， v0 ，故有10。对低温制冷系统采用多级压缩实现高压比。 缩小c 会受压缩机结构、工艺和气阀通流能力限制； c值还和压缩机结构参数S/D有关， S/D 大的压缩机易获得较小的c值。现代中小型压缩机c值约为1.56%，低温机取小值。 m值取决于制冷剂种类和膨胀过程中气体与接触壁面的热交换情况，随热交换的方向和强度而不断变化。计算v 时m假定为常数。, 容积系数,College of Power Engineering,Chongqing University,对膨

18、胀过程，m应根据示功图，取等端点膨胀过程的多变膨胀指数值：,（2-15）,College of Power Engineering,Chongqing University,对压缩过程，其多变过程指数n亦应取等端点过程指数值。 按等端点多变过程指数画出的示功图，其面积略小于实际示功图。计算实际循环指示功时，可按等功法求取压缩或膨胀过程的不变的等功过程指数，称等功多变过程指数。 同种制冷剂的m和n在同一循环中不相等， m n 。 对氨压缩机，m=1.101.15， n =1.201.30； 对氟利昂压缩机，m=0.951.05， n =1.051.18。 增强对气缸壁面的冷却，多变膨胀线斜率变陡

19、， m增大，对提高v 有利。,College of Power Engineering,Chongqing University,3-5：出现排气阀延迟关闭，高压侧气体从排气腔向气缸倒流，等端点膨胀过程指数变小，容积效率下降。,College of Power Engineering,Chongqing University, 压力系数p,压缩机吸气过程中，吸气阀开启时要克服气阀弹簧力，且气体流过气阀时，通道截面较小，流速较高，产生一定的流动阻力，使吸气过程中气缸内压力P1恒低于吸入管中的压力Ps0 。要使气缸内的压力升高到Ps0 ，则要损失一部分活塞行程，使压缩机实际吸气量减少。,定义式：,

20、（2-16）,吸气容积损失V”是由于吸气终了气缸压力不等于Ps0所引起，一般P1 Ps0 。,反映吸气阻力造成的吸气量损失。,College of Power Engineering,Chongqing University,p主要受 的影响，c 的影响是次要的 。 随 和 c 的增大，p下降； 对氨压缩机， = 0.030.05; 对 氟里昂压缩机， = 0.060.08。,计算式：,根据多变压缩过程方程计算， P1与Ps0之比接近1，令压缩过程指数等于1，得：,吸气终了相对压力损失；,吸气压力损失；,（2-16）,近似计算时，令c=0，则 v1，得到近似式,（2-17）,College o

21、f Power Engineering,Chongqing University, 温度系数T,吸气过程中，吸入气体不断地受到所接触的各种壁面加热，使气体温度升高，比容增大，从而使吸入气体量减少。折算到吸气状态，小于实际吸入气体的容积。吸入气体与壁面的热交换是一个复杂过程，与制冷剂种类、压比、气缸尺寸、压缩机转速、气缸冷却情况等因素有关。T大小还与压缩机运行工况有关，其数值不能从示功图上直接求得，通常用经验公式计算。,定义式：,（2-18）,Vx折算容积； V”实际吸入气体容积。,反映吸气过程中因气体预热对输气量的影响。,College of Power Engineering,Chongqi

22、ng University,对全封闭压缩机,对顺流立式压缩机,经验公式：,（2-19）,（2-20）,T0蒸发温度，K ； Tk冷凝温度，K ； T1吸气终了温度，K 吸气过热度，K； a：反映T1随Tk变化的系数，a=1.01.15, 随压缩机尺寸减小而增大， a值趋近1.15 (家用)；a值趋近1.1 (商用) b：反映压缩机向周围空气散热对T1的影响, b=0.250.8。当压缩机尺寸较大，向外界散热强度较弱（机壳自由空气冷却）时，b取较大值。,College of Power Engineering,Chongqing University,温度系数随工况的变化关系,式（220）所示，

23、Tk 上升或 T0 下降，即压力比 增加，使得T减小。,College of Power Engineering,Chongqing University, 泄漏系数 l,压缩机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，造成制冷剂蒸气从高压侧泄漏到低压侧，从而引起输气量下降。泄漏量大小与压缩机制造质量、磨损程度、气阀设计、压差大小等因素有关。,定义式：,推荐值：,l的数值不能从P-V示功图上直接求得，但气缸内制冷剂泄漏会引起示功图中过程线的变化。 压缩过程中，若高压腔蒸气因排气阀不严密漏入气缸，则压缩线变陡；若蒸气通过气缸和吸气阀的不严密处由气缸漏出，则曲线变平

24、坦。膨胀过程相反。 要减少泄漏损失，必须注意气阀的设计、制造和安装质量，防止发生延迟关闭引起的蒸气倒流。,反映压缩机工作过程中由泄漏引起的对输气量的影响。,College of Power Engineering,Chongqing University, 容积效率v 特性曲线（的影响）,容积效率与压缩机的运转工况和结构设计有关。即其不仅与压缩机本身结构及所用制冷剂性质有关，且与运行工况有关。不同类型压缩机，使用不同的制冷剂，及在不同工作条件下，容积效率数值不同。,1：余隙容积造成的v减量； 2， 3 ：吸气阀压力损失和由此转化的热量对制冷剂加热造成的v减量； 4 ， 5：制冷剂受热和泄漏造成

25、的v减量。 转速增加， 1基本不变； 2， 3 随转速的上升急剧增大； 4 ， 5随转速的增加而减小。综合起来，在额定转速nn时容积系数最大，比这个转速大或小时，v值都要下降。由此可见，气阀通流能力是压缩机转速提高过程中影响容积效率的主要因素。, 容积效率v 特性曲线（转速n的影响）,College of Power Engineering,Chongqing University, 双机双级压缩 其容积效率定义与单机压缩机相同。对双级压缩的每一级，容积效率计算方法与单机压缩机相同，亦可用经验公式计算。,（2）双级压缩机的容积效率,对高压级,对低压级,（2-22）,：中间压力。中间压力有最佳值

26、，近似为 ； n：压缩多变过程指数。对NH3，n=1.28；对R22，n=1.18。,（2-23）,College of Power Engineering,Chongqing University,（2-24）,qma：实际输气量； qmt：按全部气缸求得的理论输气量。,定义式：,试验表明：单机双级压缩机的可比容积效率在压比上升时，起初几乎不变，压比达到相当高数值后，才开始较明显降低。而单级压缩机的容积效率随压比增加，约成直线下降。, 单机双级压缩 高压级与低压级气缸在同一台压缩机上，在确定容积效率时，采用可比的容积效率（总容积效率）。即压缩机行程容积按总缸数计算，以便与同样缸数、尺寸和转速

27、的单级压缩机具有可比性。,College of Power Engineering,Chongqing University,指示功率Pi取决于压缩机的气缸数、转速和每一循环的指示功,可根据制冷压缩机的质量输气量qma、等熵压缩比功wts和指示效率i计算决定。,（2-27）,由式,wts 蒸气的等熵压缩比功, J/kg ； hdk和hs0 压缩机出口和进口处蒸气的比焓, J/kg。,五、功率、效率、性能系数和能效比,(kW),得:,1. 指示功率和指示效率,College of Power Engineering,Chongqing University,对小型氟利昂压缩机： i = 0.65

28、0.8; 其中，对家用全封闭式压缩机，i = 0.60.85，压力比较大的工况下取较低值。,压缩机的指示效率也可以用图表查取,Chongqing University,压力比 相对余隙容积c 相对流动损失0 温度系数T 泄漏系数l,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； 当较低时，i因较大的相对流动损失0而下降；当较大时，i又因T和l的减少而趋小； c 较大意味着余隙容积中气体数量较多，其压缩和膨胀过程的不可逆损失较大， i 随c 的增大而下降。,影响指示效率的因素,College of Power Engineering,Cho

29、ngqing University,压缩机运转时，需克服机械摩擦，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，包括润滑油泵消耗的 功率，称为压缩机的摩擦功率，用Pm表示。 压缩机运转中，消耗在其轴上的功率应为指示功率和摩擦功 率之和，称为压缩机的轴功率，用Pe表示。 压缩机的轴功率必然大于指示功率，两者之比值称为机械效 率，用m表示，用于评定压缩机摩擦损耗的大小程度 。,机械效率,（2-28）,3、,2. 机械效率和轴效率,College of Power Engineering,Chongqing University,往复摩

30、擦功率Pmp 包括活塞、活塞环与气缸壁之间的摩擦损失。 旋转摩擦功率Pmr 包括轴承、轴封的摩擦损失及驱动润滑油泵的功率。,摩擦功率 Pm,College of Power Engineering,Chongqing University,一般情况下，Pmp约占6070，Pmr占3040%。但是，随压缩机轴承直径的加大和转速提高， Pmr迅速增加，甚至超过Pmp； 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0.80.9之间； 润滑油的温度变化通过自身的粘度而影响摩

31、擦功率Pm的大小。开始Pm随润滑油温度t1上升而下降，但当t1超过一定范围，过低的粘度将恶化摩擦表面润滑条件，使摩擦损失显著增加，甚至引起事故。,College of Power Engineering,Chongqing University,机械效率m与压力比之间的关系曲线(图2-15)； 冷凝温度一定，m随增大而下降。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。,机械效率,College of Power Engineering,Chongqing University,选用合适的气缸间隙，对主轴承和连杆进行最优化设计，适当减少活塞环数； 选用合适的润滑油，调节其温

32、度，使润滑油在各种工况下维持正常的粘度； 加强曲轴、曲轴箱等零件的刚度，合理提高其加工和装配精度，降低摩擦表面粗糙度等。,提高机械效率的途径,College of Power Engineering,Chongqing University,图（2-16）显示开启式和半封闭式压缩机的轴效率随压力比的变化关系。 e在低压力比范围内的降低主要由于指示效率下降所至。,（2-29）,轴效率e为等熵压缩理论功率Pts与轴功率Pe之比，是衡量压缩机轴功率有效利用程度的指标，用于评价主轴输入功率的利用完善程度，适用于开启式压缩机。,轴效率,College of Power Engineering,Chong

33、qing University,电效率el 开启式压缩机的外置电动机通过传动装置带动运转，其动力经济性往往由轴效率衡量，而封闭式压缩机内置电动机的转子直接装在压缩机主轴上，其动力经济性由电效率衡量。 电动机效率m0 m0与电动机类型、额定功率及负载功率大小有关； 单相和三相的内置电动机在名义工况下， m0=0.600.95，对大功率电动机取上限，小功率电动机取下限； 单相电动机的效率低于三相电动机的效率。,3. 电动机效率和电效率,（2-30）,College of Power Engineering,Chongqing University,单相和三相内置电动机在名义工况下，其m0范围一般在

34、0.600.95之间，对大功率电动机取上限，小功率电动机取下限。 与三相电动机相比，单相电动机的m0较差。,电动机效率特性曲线,College of Power Engineering,Chongqing University,制冷压缩机电动机的工作特点是输出功率随负荷、电压和季节的变化有较大波动。因此要求压缩机在最大和最小功率工况范围内运行时，其mo变化不大，并在名义工况下具有最大值； 上图为几台内置电动机的mo特性曲线，横坐标是不同工况下的电功率与名义电功率之比。其中2和3线较好符合上述对mo特性的要求。,a: t0= -25 tk= 30,b: t0 =5 tk=50,工况：,电动机效率

35、特性曲线,College of Power Engineering,Chongqing University,上图为全封闭压缩机电效率el随压力比的变化趋势。可见在家用冰箱全封闭压缩机中，输入功率平均只有1/3得到有效利用；在商用制冷设备中，此比例也只有1/31/2。,电效率特性曲线,College of Power Engineering,Chongqing University,4. 性能系数COP和能效比EER,性能系数COP是制冷量和输入功率之比。 对于开启式压缩机 COP= 0/Pe,对于封闭式压缩机 COP= 0/Pel,封闭式压缩机的0/Pel也称为EER，单位W/W,Colle

36、ge of Power Engineering,Chongqing University,例2-1（P 27） 已知一台半封闭式制冷压缩机的主要参数为： 气缸直径： D=0.055m； 活塞行程： S=0.044m； 气缸数 ： i=2； 相对余隙容积： c=2.6%； 制冷剂 ： R22； 求该压缩机在低温工况下的热力性能。,5. 压缩机热力性能计算举例,College of Power Engineering,Chongqing University,图中Psm 、Pdm分别表示平均吸气压力损失和平均排气压力损失,查表得 t4 = -6.7，t3 = 48.9，t1 = 18.3,Coll

37、ege of Power Engineering,Chongqing University,降低容积效率，增加能耗； 降低润滑油粘度，磨损轴承； 促使制冷剂和润滑油热分解，生成对压缩机有害的游离碳、酸类和水分； 导致活塞卡住及烧毁内置电动机； 电气绝缘材料受温度影响较大，降低全封闭压缩机的使用寿命。,排气温度过高的危害,因此，必须限制压缩机的排气温度。对NH3和R22，排气温度应低于150；对R134a，排气温度应低于130。,6. 压缩机的排气温度,College of Power Engineering,Chongqing University,College of Power Engineering,Cho