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小型制冷压缩机研究热点分析

发布时间:2014-07-04

  众所周知,压缩机是制冷系统的核心和心脏。压缩机的能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。某种意义上,制冷系统的设计与匹配就是将压缩机的能力体现出来。因此,世界各国制冷行业无不在制冷压缩机的研究上投入了大量的精力,新的研究方向和研究成果不断出现。压缩机的技术和性能水平日新月异。

  本文将就近年来小型制冷压缩机的技术研究与发展作一综述性的探讨。

  1 压缩机的高效节能研究

  压缩机是制冷系统的核心耗能部件,提高制冷系统效率的最直接有效手段是提高压缩机的效率,它将带来系统能耗的显著降低。同时这样还能避免仅在系统上采取措施(如一味加大换热器面积等)所造成的材料消耗的大量增加。近年来,随着世界上能源紧缺形势的日益严重,各个国家越来越重视节能工作、对耗能产品的效率提出了越来越高的要求。由于各种损失诸如摩擦、泄漏、有害传热、电机损失、流动阻力、噪声振动等的存在,压缩机工作时实际效率远低于理论效率。因此,从理论上讲,任何能够降低任意一种损失的措施都能够提高压缩机的效率。这一客观事实导致了对压缩机的节能研究范围广、方向宽,研究课题与研究成果多种多样。

  目前国际上对压缩机的节能研究工作主要集中在几个方面:研究润滑特性、压缩机轴承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高压缩机效率;降低泄漏损失以提高压缩机的效率;采用变频或变容技术通过制冷系统的出力与用户负荷的最佳匹配来实现节能,有关这方面的内容特别是变频技术目前已相对较为成熟且广为人知,在此不予赘述;气阀的研究是一个古老的课题但也是一个永恒的课题,改进气阀的设计以提高压缩机效率的研究永无止境也永有收获。这方面的研究非常之多,从气阀材料、运动规律、结构优化到适用理论、测试方法等包罗万象。总之,关于压缩机节能方面的研究已成为近年来制冷行业的一个首要热点问题。限于篇幅,本文在此不作具体的专题讨论。

  近年来国内的制冷压缩机行业对产品的节能研究也给予了极大的关注。进展较大的产品主要是冰箱压缩机行业。在UNDP/GEF中国节能冰箱项目的推动和支持下,无论是企业对节能产品的认识还是冰箱压缩机的性能都产生了质的飞跃。目前国内企业冰箱压缩机产品的最高能效已达到1.95 左右。国内的冰箱压缩机企业采取了大量的技术措施诸如高效电机甚至同步电机、凹形气阀、平面止推轴承、低粘度润滑油、新型吸气消音器、降低摩擦损失等,取得了巨大的效果。主要的问题在于目前国内企业缺乏自由技术、所采取的技术路线还以模仿为主,多数的企业对建立自己的技术基础还无意识、也无兴趣,制约了企业的技术发展能力。

  相对于冰箱压缩机行业,国内空调压缩机的节能研究还显得波澜不惊、多年来压缩机的效率没有质的变化,较大的市场需求使得大多数的空调压缩机企业将精力集中在扩大产能上。随着国家对空调器能效水平要求的进一步提高以及我国空调器出口各种隐患的逐步呈现,国内空调压缩机企业的这种短视将无法适应节能形势发展的要求,也使企业的后续发展乏力。

  2 压缩机的噪音与振动研究

  目前,噪声已被视为严重污染之一。作为家用制冷设备的动力源和心脏,制冷压缩机的噪声问题,以成为衡量其综合性能的一个重要指标。实际上对于一台压缩机来讲,大部分噪声都是由于壳体被某些噪声源激发所产生的(例如被弹簧、制冷剂压力脉动、排气管、润滑油量等激发)。但压缩机的噪声源和传递途径复杂多样,这就给压缩机的消声降噪带来了很大困难。

  关于压缩机的噪声、振动,各国学者已经进行了大量且长期的研究。这里将这方面的主要研究工作成果概括如下:

  制冷压缩机的主要噪声源由进、排气辐射的空气动力噪声、机械运动部件产生的机械噪声和驱动电机噪声三部分组成:

  2.1 空气动力噪声

  压缩机的进气噪声是由于气流在进气管内的压力脉动而产生的。进气噪声的基频与进气管里的气体脉动频率相同,与压缩机的转速有关。压缩机的排气噪声是由于气流在排气管内产生压力脉动所致。排气噪声比进气噪声弱,所以,压缩机的空气动力性噪声一般以进气噪声为主。

   2.2 机械噪声

  压缩机的机械性噪声,一般包括构件的撞击、摩擦、活塞的振动、气阀的冲击噪声等,这些噪声带有随机性,呈宽频带特性。

  2.3 电磁噪声

  压缩机的电磁噪声是由电动机产生的。电机噪声与空气动力性噪声和机械性噪声相比是较弱的。压缩机噪声源中进、排气空气动力性噪声最强,其次为机械性噪声和电磁噪声。通过深入研究,可以进一步认为压缩机噪声主要来自壳体振动(系由弹簧、制冷介质压力脉动和吸、排气管以及润滑油激励产生)并向周围空气介质传播而形成噪声。围绕降低压缩机辐射噪声,众多文献(略)提出了一系列的降噪减振措施和方案:

  ①增加壳体结构整体刚性以提高共振频率且降低振动幅值;

  ②避免壳体曲率的突变,对于曲面而言,固有频率与曲率半径成反比,因此壳体形状应采用最小的曲率半径;

  ③将悬挂弹簧支承移至具有较高刚性的位置;

  ④壳体应采用尽可能少的平面;弯曲应力与膜应力的耦合(只出现在曲面上)会使壳体本身具有较大的刚性,因此压缩机壳体应尽可能少地采用平面结构;

  ⑤避免排气管路和冷凝器的激励,优化排气气流脉动,采用在排气管路中引入附加容积的方法来消除压力脉动谱中的高阶谐波量;

  ⑥采用非对称的壳体形状;具有对称结构意味着具有三维主轴,沿主轴应力最大且阻力最小。因此具有不对称压缩机壳体结构意味着能够大大减小沿某一主轴方向作用力同时出现的几率;

  ⑦设置进、排气消声器,封闭式压缩机中的消声器一般为抗性消声器,它利用管道截面变化、共振腔引起声阻抗改变来反射或消耗声能,或利用声程差使声波相位相差180度来抵消消声器内的噪声。在压缩机壳体外侧封闭联通一个Helmholtz共鸣器,即:由Helmholtz共鸣器的腔室通过孔颈与压缩机壳体内部空腔相连成,以降低压缩机腔内受激声学模态的幅值。实验结果表明:将共鸣器共振频率调制到实际压缩机空腔的最大受激振动模式上,会大幅降低共振峰值和导致响应频谱的显著改变。但是这样会影响压缩机外观和在冰箱中的布置,其研究结果尚未应用于产品中。

  剩余润滑油量和电机端线圈绕组也会导致同种型号成批压缩机声级之间存在差异(偏离声级平均值)。通过改变壳体外部支承来增加扭转刚度,且减小振动面;噪声研究的复杂性要求研究者具有较强的理论素质、要求企业具有较好的技术基础、并且需要较大的投资和较长的时间。这方面是国内压缩机企业的薄弱环节之一,目前基本上处于定性的实验研究阶段,伴随着很大的随意性和偶然性。

  3 新制冷剂的应用

  基于环保要求的新制冷剂的应用也是制冷压缩机行业的一个热点问题,随着用于冰箱产品的R22制冷剂替代工作的结束,新制冷剂压缩机的研究近年来主要集中在空调行业。除了目前已比较成熟的R410A、R407C方面的研究外,近年来最大的热点问题是二氧化碳压缩机的研究。本文仅对这方面的问题作一介绍。

  目前关于CO2的研究和应用主要集中于三个方面:一方面是最急需替代制冷剂的应用场合,如汽车空调,由于制冷剂排放量大,对环境的危害也大,必须尽早采用对环境无危害的制冷剂;另一方面是考虑到CO2循环的特点,最利于采用这种循环的应用场合,如热泵热水器则是考虑到CO2在超临界条件下放热存在一个相当大的温度滑移有利于将热水加热到一个更高的温度的特点而倍受关注;再一方面是考虑到CO2的热物理性质和迁移性质特点,采用CO2作为制冷剂,如考虑到CO2良好的低温流动性能和换热特性,采用它作为复叠制冷循环低温级制冷剂。

  压缩机作为跨临界二氧化碳空调系统效率及可靠性影响最大的部件,应当充分结合二氧化碳超临界循环具体特点重新进行设计。CO2和氨一样,其绝热指数K 值较高,达1.30,这可能会使压缩机排气温度偏高,但由于CO2需要的压缩机的压比小,因此不需要对压缩机本身进行冷却。正因为绝热指数高,压比小,可减小压缩机余隙容积的再膨胀损失,使压缩机容积效率较高。经过实验和理论研究,Jurgen SUB和Horst Kruse发现,往复式压缩机有良好的油膜滑动密封,成为CO2系统的首选。BOCK对其二氧化碳压缩机排气阀进行了改进,排气改良后的二氧化碳压缩机效率提高了7%。

  由于二氧化碳系统压力远远大于传统的压临界循环系统,压缩机的轴封设计要求比原有压缩机高得多,压缩机的轴封泄漏在一段时间内仍将是目前阻碍其实用化的主要原因。

  Danfoss、Denso、ZEXEL等已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。

  IEA在1999年3月,联合日本、挪威、瑞典、英国和美国启动“Selected Issue on CO2 as working Fluid in Compression Systems”的三年计划项目。

  1994年起,BMW、DAIMLERBENZ、VOL O、德国大众、Danfoss、Valeo等欧洲著名公司发起了名为“RACE”的联合项目,联合欧洲著名高校、汽车空调制造商等研制CO2汽车空调系统。BENZ 汽车公司现已生产装备CO2汽车空调系统的轿车,德国KONVECTA 生产的以CO2为工质的空调公交客车从1996年运行至今。DANFOSS、奥地利的Obrist、英国均已研制出二氧化碳车用压缩机。日本的DENSO、ZEXEL的二氧化碳压缩机已进入批量生产阶段。

  随着各大生产厂商的投入,CO2压缩机的型式也与普通车用压缩机的发展趋势相一致,主要以定排量摇摆斜盘式、涡旋式和变排量为主。

  4 新型工作原理的制冷压缩机

  近年来在全新工作原理和结构的制冷压缩机方面未见有更多的进展,主要有线形压缩机、椭圆压缩机、摆动式转子压缩机、螺旋叶片式压缩机等,作者在以往的文章中已有叙述,这里不予重复。

  其中线形压缩机仍是国内冰箱压缩机行业关注的热点。在2004年国际压缩机工程会议中有5篇关于线形压缩机的文章。研究者仍以LG 和Sunpower 两家公司为主。最近两年,国内有数家冰箱压缩机企业在尝试线形压缩机的开发,但就企业所具有的技术基础、资金实力和国内科研机构的局限性而言,相信在短时间内不可能进入产业化阶段。

  5 特种制冷压缩机

  尽管国内的家用制冷压缩机企业长期以来习惯于大规模的生产模式、习惯于以数量求效益。但在激烈的价格竞争形势下,随着产品利润率的日益降低,当生产数百万台压缩机仅能取得数百万元利润的情况下,一些特种制冷压缩机就不失为一种出路。特种制冷压缩机包罗万象,在此不可能一一例举。但它们的共同特点是生产规模小、单台利润高、产品转型快、多数情况下需要针对用户的要求专门设计。这类产品越来越多地引起了国内压缩机企业的重视。如国内数家企业正在开发或已经具备生产能力的车载冰箱压缩机。

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