制冷压缩机.doc
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1、 制冷压缩机1. 制冷压缩机的种类和结构概述 制冷压缩机是蒸气压缩式制冷系统的关键部件之一。典型的蒸气压缩式制冷系统如图1-1所示。系统由制冷压缩机1、冷凝器2、节流装置3和蒸发器4组成。制冷压缩机吸入来自蒸发器的低压制冷剂蒸气,在气缸内将其压缩成高压气体,再排入冷凝器,冷凝成高压液体。图1-1 蒸气压缩式制冷系统1压缩机 2冷凝器 3节流装置 4蒸发器 图1-2所示为蒸汽压缩式制冷机循环的图(压力-比焓图)。图中为蒸发压力,为冷凝压力。41为蒸发过程,12为压缩过程,23为冷凝过程,34为绝热节流过程。从图可知,制冷压缩机吸入压力为的制冷剂,并在压缩过程中提高其压力,至后排出,从而保证制冷循
2、环的实现。为此,要求它既有高的可靠性,又有良好的经济性。图1-2 蒸气压缩式制冷机循环的图1.1制冷压缩机的种类制冷压缩机的分类方法很多,主要有以下几种。1.1.1按提高气体压力的原理的不同,分为容积型制冷压缩机和速度型制冷压缩机。1. 容积型制冷压缩机在容积可变的封闭容积中直接压缩制冷剂蒸气,使其体积缩小,从而达到提高压力的目的。这种压缩机称为容积型制冷压缩机。 属于容积型的制冷压缩机主要有往复式(又称为活塞式)、螺杆式、涡旋式和滚动转子式等形式。2. 速度型制冷压缩机这类制冷压缩机提高制冷剂蒸发压力的途径是先提高气体动能(同时压力也有些提高),再将动能转变为位能,提高压力。速度型压缩机有离
3、心式和轴流式两种。因轴流式压缩机的压力比小,不适用于制冷系统,故速度型制冷压缩机一般指离心式制冷压缩机。1.1.2按使用的制冷剂种类分类按制冷剂种类的不同,可分为有机制冷剂压缩机和无机制冷剂压缩机两大类。前者包含的制冷剂有氟利昂制冷剂和碳氢化合物,有R22、R404A、R134a、R407C、R410A、R600a(异丁烷)、R290(丙烷)等;后者包含的制冷剂如R717(氨)、R744(二氧化碳)等。R600a、R290、R717和R744均存在于自然界,属于环境友好型制冷剂,因而更受到人们的重视。不同制冷剂对压缩机材料和结构的要求不同。氨对铜有腐蚀,氨压缩机中不允许使用铜质零件(磷青铜除外
4、);氟利昂制冷剂渗透性强,对有机物质有溶胀作用,必须在设计和制造氟利昂制冷机时充分考虑;二氧化碳压缩机用于跨临界的制冷循环,因此时排气压力高达11MPa,是传统制冷压缩机的510倍,故对压缩机的可靠性和密封性等提出了高要求;由于碳氢化合物易燃、易爆,因而对碳氢化合物制冷压缩机的安全性提出了严格要求。1.1.3按密封方式分类按密封方式的不同,制冷压缩机可分为开启式、半封闭式和全封闭式三类。开启式制冷压缩机这是一种靠原动机驱动伸出机壳外的轴或其它运转零件的制冷压缩机。它的特点是容易拆卸、维修。由于原动机与制冷剂和润滑油不接触,不必具备耐制冷剂和耐油的要求,因而可用于氨制冷系统。开启式制冷压缩机密封
5、性能较差,制冷剂易通过支撑曲轴的轴承向外泄漏,因此必须有轴封装置。图1-13为一台中型开启式氨制冷压缩机,曲轴左端有轴封1,右端为油泵10。用曲轴带动油泵,向各润滑部位供油。图1-13 开启式制冷压缩机1轴封 2进气腔 3油压推杆机构 4排气管 5气缸套及进排气阀组合件 6缓冲弹簧 7水套8气缸盖 9进气管 10油泵 11曲轴箱 12连杆 13活塞 14曲轴1. 半封闭式制冷压缩机这是一种可在现场拆开修理内部机件的无轴封的制冷压缩机。电动机和压缩机连成一体装在机体内,共用一根主轴,如图1-14所示。图示压缩机的主轴为曲拐式曲轴4,它横卧在一对滑动主轴承上。主轴左端悬臂支撑着电动机转子。因电动机
6、为内置电动机,故主轴不必穿过压缩机外壳,不需轴封。图1-1 4 半封闭制冷压缩机1曲轴箱 2油过滤器 3油泵 4曲轴 5排气口6气缸盖 7活塞组件 8吸气口 9连杆 1 0电动机2. 全封闭式制冷压缩机这是一种压缩机和电动机装在一个由熔焊或钎焊焊死的外壳内的制冷压缩机。焊接的外壳保证制冷剂不会外泄,但也因此使机壳不易打开、修理。图115所示的全封闭式制冷压缩机,其电动机和压缩机用弹簧支撑。吸气管10、排气管5和加液管4露出壳体,供连接制冷系统、加液和其它工艺之需。图1-15 全封闭式制冷压缩机1上弹簧 2上支销 3支架 4加液管 5排气管 6下弹簧 7磁铁 8抗扭销 9抗扭架及板簧 10吸气管
7、1.1.4按使用的蒸发温度范围分类使用的蒸发温度范围与制冷压缩机的种类、规格和使用的制冷剂有关。例如,国标GB/T 100792001规定了活塞式单级制冷压缩机的使用范围,如表1-1和表1-2所示。该标准适用于有机制冷剂(R22、R404A、R134a、R407C、R410A等)、无机制冷剂(R717),以及气缸直径不大于250mm的单级活塞式全封闭、半封闭、开启式制冷压缩机。但本标准不适用于以下产品中的压缩机:1) 家用冷藏箱和家用冻结箱。2) 运输用及特殊用途制冷空调设备。表1-1 有机制冷剂压缩机使用范围类型吸入压力下的饱和温度/排出压力下的饱和温度/压缩比高冷凝压力低冷凝压力高温151
8、2.5256025506中温2502555255016低温4012.52550254518表1-2 无机制冷剂压缩机使用范围类型吸入压力下的饱和温度/排出压力下的饱和温度/压缩比中低温305254518 1.2 几种制冷压缩机的结构 1.2.1活塞式制冷压缩机 活塞式压缩机(往复式压缩机)广泛应用于中、小型制冷装置。其结构如图2-1所示。图中画出了压缩机的主要零、部件及其组成;压缩机的机体由气缸体2和曲轴箱3组成,气缸体中装有活塞5,曲轴箱中装有曲轴1,通过连杆4将曲轴和活塞连接起来,在气缸顶部装有吸气阀9和排气阀8,通过吸气腔10和排气腔7分别与吸气管11和排气管6相连。当曲轴被原动机带动旋
9、转时,通过连杆的传动活塞在气缸内作上、下往复运动,并在吸,排气阀的配合下,完成对制冷剂的吸入、压缩和输送。图2-1 单缸压缩机示意图1曲轴 2气缸体 3曲轴箱 4连杆 5活塞 6排气管 7排气腔 8排气阀 9吸气阀 10吸气腔 11吸气管 12气缸盖往复式制冷压缩机的工作循环分为四个过程(见图22):图2-2 压缩机的工作过程1.压缩过程 通过压缩过程将制冷剂的压力提高。当活塞处于最下端位置1-1(称为内止点或下止点)时,气缸内充满了从蒸发器吸入的低压蒸气,吸气过程结束;活塞在曲轴连杆机构的带动下开始向上移动,此时吸气阀关闭,气缸工作容积逐渐减小,处于缸内的制冷剂受压缩,温度和压力逐渐升高。活
10、塞移动到2-2位置时,气缸内的蒸气压力升高到略高于排气腔中的制冷剂压力时,排气阀开启,开始排气。制冷剂在气缸内从吸气时的低压升高到排气压力的过程称为压缩过程。2.排气过程 通过排气过程制冷剂进入冷凝器。活塞继续向上运动,气缸2内制冷剂的压力不再升高,制冷剂不断地通过排气管流出,直到活塞运动到最高位置3-3(称为外止点或上止点)时排气过程结束。制冷剂从气缸向排气管输出的过程称为排气过程。3.膨胀过程 通过膨胀过程将制冷剂的压力降低。活塞运动到上止点时,由于压缩机的结构及制造工艺等原因,气缸中仍有一些空间,该空间的容积称为余隙容积。排气过程结束时,在余隙容积中的气体为高压气体。活塞开始向下移动时,
11、排气阀关闭。吸气腔内的低压气体不能立即进入气缸,此时余隙容积内的高压气体因容积增加而压力下降,直至气缸内气体的压力降至稍低于吸气腔内气体的压力,即将开始吸气过程时为止。此时活塞处于位置4-4。活塞从3-3移动到4-4的过程称为膨胀过程。4.吸气过程 通过吸气过程,从蒸发器吸入制冷剂。活塞从位置4-4向下运动时,吸气阀开启,低压气体被吸入气缸中,直到活塞到达下止点1-1的位置。此过程称为吸气过程。 完成吸气过程后,活塞又从下止点向上止点运动,重新开始压缩过程,如此周而复始,循环不已。压缩机经过压缩、排气、膨胀和吸气四个过程,将蒸发器内的低压蒸气吸入,使其压力升高后排入冷凝器完成制冷剂的吸入、压缩
12、和输送。 1.2.2涡旋式压缩机工作原理 涡旋式压缩机的关键工作部件包括一个固定涡旋体(简称静盘)和与之啮合、相对运动的运动涡旋体(简称动盘),如图4-1、图4-2所示。动、静涡旋体的型线均是螺旋形,动盘相对静盘偏心并相差180对置安装,理论上它们会在轴向的几条直线上接触(在横截面上则为几个点接触),涡旋体型线的端部与相对的涡旋体底部相接触,于是在动、静盘间形成了一系列月牙形空间,即基元容积。 在动盘以静盘中心为旋转中心并以一定的旋转半径作无自转的回转平动时,外圈月牙形空间便会不断向中心移动,使基元容积不断缩小。同时在其外侧未封闭的基元容积则不断扩大。每个基元容积的变化过程是类似的,仅有相位角
13、的差异。因此,每个基元容积在动盘的旋转过程中均作周期性的扩大与缩小,从而实现气体的吸入、压缩和排出。制冷剂气体从静盘外侧开设的吸气孔进入动、静盘间最外圈的月牙形空间,随着动涡旋体的运动,气体被逐渐推向中心空间,其容积不断缩小而压力不断升高,从而实现了气体的压缩。在静盘顶部中心部位开有排气孔,当月牙形空间与中心排气孔相通时,高压气体被排出压缩机。图4-1 运动涡旋体(动盘)图4-2 固定涡旋体(静盘) 工作过程 图4-3示出涡旋式制冷压缩机的工作过程, 在图4-3(a)所示位置动盘中心O2位于静盘中心O1的右侧, 涡旋密封啮合线在左右两侧, 涡旋外圈部分刚好封闭, 此时最外圈两个月牙形空间充满气
14、体,完成了吸气过程(阴影部分)。随着曲轴的旋转, 动盘作回转平动, 而动、静涡旋体仍保持良好的啮合, 使外圈两个月牙形空间中的气体不断向中心推移, 容积不断缩小, 压力逐渐升高, 进行压缩过程,图4-3(b)(f)示出曲轴转角每间隔120的压缩过程,当两个月牙形空间汇合成一个中心腔室并与排气孔相通时,压缩过程结束,如图4-3(g)所示,并开始进入图4-3(g)(j)示出的排气过程,中心腔室的空间消失时排气过程结束,如图4-3(j)所示。图4-3中示出的涡旋圈数为三圈, 最外圈两个封闭的月牙形工作腔完成一次压缩及排气的过程,曲轴旋转了三周(即曲轴转角为1080),涡旋体外圈分别开启和闭合三次,
15、完成了三次吸气过程, 也就是每当最外圈形成了两个封闭的月牙形空间并开始向中心推移成为内工作腔时, 另一个新的吸气过程同时开始形成。因此, 在涡旋式压缩机中, 吸气、压缩、排气等过程是相继在不同的月牙形空间中同时进行的, 外侧空间与吸气口相通, 始终进行吸气过程, 中心部位空间与排气孔相通, 始终进行排气过程, 中间的月牙形空间则一直在进行压缩过程, 所以涡旋式制冷压缩机基本上是连续地吸气和排气,并且从吸气开始至排气结束需经动涡旋体的多次回转平动才能完成。图4-3 涡旋式压缩机的工作过程 1.2.3螺杆式制冷压缩机在制冷循环中,作为循环四大部件之一的螺杆式压缩机往往以机组形式出现。由于螺杆式制冷
16、压缩机以喷射大量的油来保持其良好的性能,因此,在机组中除主机-螺杆式压缩机外,往往还有辅机-油分离器、油过滤器、油泵、油冷却器、油分配管等。随着螺杆式压缩机向小型化封闭式发展,这些辅机有的不断地被简化或省略。螺杆制冷机组的制冷剂循环过程如图5-1所示。图5-1螺杆式制冷压缩机组成及循环系统螺杆式制冷压缩机组由螺杆式压缩机、电动机、联轴器、气路系统(包括吸气止回式截止阀和吸气过滤器)、油路系统(包括油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵、油压调节阀和油分配管路等)、控制系统(包括操作仪表箱、控制器箱、电控柜等)和设备、系统间的连接管路等组成。用户按各自需要配备冷凝器、蒸发器等设备。由于螺杆式制冷压缩
17、机的阴阳转子之间、转子与壳体之间靠间隙密封,故在运行中向压缩机工作腔喷入一定量的润滑油(约为容积排量的06%1 3左右,理论排量越大的螺杆式压缩机这个比例越小),以达到润滑、密封、提高压缩机工作效率、降低排气温度和噪声等目的,为此需要一套高效、可靠的油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵等设备。双螺杆式制冷压缩机由机体(气缸体)、一对阴阳转子、吸排气端座、排气活塞、能量调节机构、轴承、联轴器等零部件组成。典型的半封闭螺杆压缩机结构如图5-2所示,吸气吸入机壳内,经过吸气过滤网,冷却电动机,然后进入吸气腔。在气缸体的内部,平行配置着两个螺旋形阴阳转子。其中具有凸齿的转子叫阳转子,与电动机相连,功率由
18、此端输入,因此又叫主动转子;具有凹齿的转子叫阴转子,又称从动转子。两转子按一定的传动比(阳转子与阴转子的齿数一般为4:6)反向转动。在主动转子和从动转子的两端部,分别装有主轴承(滑动轴承),用来承受径向力。在排气端装有一对推力圆柱滚子轴承,用于承受轴向推力。主动转子的吸气端还装有平衡活塞,用来减轻由于排气侧和吸气侧之间的压力差所引起的轴向推力,从而减轻推力圆柱滚子轴承所承受的轴向力。气缸体的前后设有吸排气端座。吸气孔口开在吸气端座的上方,排气孔口开在排气端座的下方,制冷剂按对角线方向流动。阳转子伸出端的端盖处设置有摩擦环式轴封装置,以防制冷剂的外泄或外界空气漏入系统。在转子底部装有输气量调节机
19、构滑阀,通过油缸、活塞、传动杆,使滑阀能够轴向移动,在滑阀上还开有向气缸内喷油的喷油孔。压缩后气体进入排气腔,经过油过滤器后经过排气管排出机壳。螺杆式压缩机同往复式压缩机相比较时,由于它没有吸、排气阀,故其p-V图还可能出现过压缩现象和欠压缩现象。图5-2 半封闭螺杆压缩机的结构1-油分离器 2-排气管 3-排气端盖 4-排气连接法兰 5-容量活塞组件 6-容量滑块组件 7-容量电磁阀 8-接线盒 9-电动机 10-进气过滤器 11-进气连接法兰 12-电动机转子固定挡块 13-阳转子电动机端间隙环 14-吸气端轴承 15-加热器 16-阳转子 17-排气端轴承 18-轴承螺母 19-滤网 螺
20、杆式(即双螺杆)制冷压缩机转子的齿相当于活塞,转子的齿槽、机体的内壁面和两端端盖等共同构成的工作容积,相当于活塞式压缩机的气缸。机体的两端设有成对角线布置的吸、排气孔口。随着转子在机体内的旋转运动,使工作容积由于齿的侵入或脱开而不断发生变化,从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积,来达到吸气、压缩和排气的目的。 互相啮合的转子,在每个运动周期内,分别有若干个相同的工作容积依次进行相同的工作过程,这一工作容积,称为基元容积。它由转子中的一对齿面、机体内壁面和端盖所形成。只需研究其中一个工作容积的整个工作循环,就能了解压缩机工作的全貌。 螺杆式制冷压缩机的运转过程从吸气过程开始,然后气体在密封的基元
21、容积中被压缩,最后由排气孔口排出,因此,工作过程可以分为吸气、压缩和排气三个过程,见图5-3。阴、阳转子和机体之间形成的呈V字型的一对齿间容积(基元容积)的大小,随转子的旋转而变化,同时,其空间位置也不断移动。图5-3 压缩机转子的工作过程(a)吸气过程的即将开始 (b)吸气进行中 (c)吸气结束的转子位置 (d)压缩过程即将开始 (e)压缩进行中 (f)压缩结束时的转子位置 (g)排气过程 (h)排气过程即将结束(1) 吸气过程图5-3a、b和c显示的压缩机吸气过程的即将开始、吸气进行和吸气结束的转子位置。阳转子按逆时针方向旋转,阴转子按顺时针方向旋转,图中的转子端面是吸气端面。压缩机转子旋
22、转时,阳转子的一个齿连续地脱离阴转子的一个齿槽,齿间容积逐渐扩大,并和吸气孔口连通,气体经吸气孔口进齿间容积;直到齿间容积达到最大值时,与吸气孔口断开,齿间容积封闭,吸气过程结束。图5-3a是吸气开始时刻,在这一时刻,这一对齿前端的型线完全啮合,且即将与吸气孔口连通;随着转子继续运转,由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积,并进一步扩大,形成一定的真空,气体在压差作用下流入齿间容积,见图5-3b阴影部分。图5-3c状态是齿间容积达到最大,齿间容积在此位置与吸气口断开,吸气过程结束。 (2)压缩过程图5-3d、e和f所示是压缩过程即将开始、压缩进行中和压缩结束时的转子位置,图中转子端面是排气端
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