[doc格式] 制冷空调压缩机的节能技术

[doc格式] 制冷空调压缩机的节能技术 制冷空调压缩机的节能技术 EquipmentManufactringTechnologyNo.10,2008 制冷空调压缩机的节能技术 王玉鹏’,罗展雄,谭琴’ (1.广西大学,广西南宁530004;2.广西河池化工股份有限公司,广西河池547007) 摘要:制冷空调的电力消耗主要用于压缩杌的运行,改善制冷压缩机的节能性能,将显着提高制冷空调的能效比.主要介绍了对各传 统压缩杌技术改进,变频技术及天然带】冷剂在压缩机节能中的应用等. 关键词:节能;制冷;压缩机;制冷荆 中图分类号:TM925.12文献标识码:A 空调制冷技术作为20世纪对人类社会影响最大的工程 技术成就之一,在人们日常生活中起着十分重要的作用.制冷 空调系统的运行,要消耗大量的能源.在我国,建筑能耗占总 能耗的20%,其中用于暖通空调的能耗约占建筑能耗的85%. 在夏季用电高峰期,空调消耗的电力占城市全部电力消耗的 30%以上【”.空调节能已到了刻不容缓的地步,开发节能环保 型空调成为当务之急. 制冷压缩机常被人们称为制冷空调的心脏,制冷空调的 电力消耗主要用于压缩机的运行.在制冷空调系统中,EER, COP值和制冷剂的选用等都与压缩机有关,压缩机节能技术 研究已成为当前制冷空调研究的主题.因此,如何根据各类制 冷压缩机的特点和实际运行条件,进行完善的和合理使 用,提高空调制冷装置的能效比已成为设计人员必须充分考 虑的一个问题.目前,在制冷空调领域中,活塞式,转子式,涡 旋式压缩机的使用十分广泛,表1列出了各类制冷压缩机的 单机容量,适用范围和常用制冷剂. 表1各类制冷压缩机的单机容量,适用范围和常用制冷剂 适用范围 单机容量家用汽车常用制冷剂压缩机种类 (kW)RAC空调空调 R134a,tt22, 活塞式0.1—20o,/,/R7l7 转子式O.1—1O,/,/,/R134a,It22 涡旋式5-70,/,/R134a,R22 1活塞式压缩机的节能技术 活塞式压缩机历史悠久,设计制造技术成熟,具有适应较 宽的能量范围和热效率高等优点,在制冷空调系统中被广泛 的应用.研究其节能方法,可从以下几方面进行: (1)合理设计气阀[21.气阀作为压缩机的”心脏”,它的好坏 直接影响到压缩机的容积流量,功耗及机器运行的可靠性.气 阀阻力损失是压缩机中气体动力损失的主要根源,在设计较 文章编号:1672—545X(2008)10--0024—03 好的气阀中,流动阻力损失约为压缩机轴功率的3%,5%,而 设计不好的气阀,其流动损失可以高达轴功率的15%一20%. 因此,在设计过程中可以通过增大气阀有效通流面积,来提高 其经济性与可靠性. (2)减少相对余隙容积.任何工作腔都存在余隙容积,相对 余隙容积大,说明余隙容积占气缸有效工作容积的比例大.排 气终了时,这部分容积中必然存在高压的气体,并在活塞自外 止点返回时它先行膨胀,从而降低压缩机的容积效率,增大压 缩机的功耗四.在设计时,应减小相对余隙容积,从而提高压缩 机的效率. (3)改进吸排气气体通道.压缩机实际运行时,气体的吸入 和排出是间歇的,容易引起气柱及管道振动,产生压力损失. 吸排气腔的容积及气流脉动与吸排气通道的结构有关,可以 通过改进吸排气气体通道的设计,减小吸排气过程中的沿程 阻力损失,以达到节能效果. (4)减少传动部分的功率损耗.根据压缩机运行过程的参 数变化规律,优化零部件结构尺寸,选取合适的配合间隙,减 少各运动部件的的摩擦损耗.提高空调压缩机的密封性能,减 少冷媒的泄漏量,从而提高压缩机的效率. (5)正确选择压缩级数.活塞式压缩机的压缩比不宜过大, 实际运行时,压缩比应限制在合理的范围之内.当制冷的温度 不太低,压缩比不大,单级压缩可以满足要求时,采用单级压 缩具有系统简单,投资少,操作调节简单的优点.但是,当压缩 比超出一定范围时,输气系数降低,排气温度升高,效率下降, 能耗增加.在制冷装置的设计中,应该从节能的角度,考虑如 何选择压缩级数的问题.采用多级压缩,每一级压缩的压缩比 减小,输气系数提高,效率提高,节省功的消耗,压缩机气缸的 容积有效利用率提高.但并不是压缩的级数越多越好,从工程 实际考虑,压缩的级数越多,制冷系统和设备越复杂,操作调 整的工作量也越大,机器设备的投资越大.因此,应根据实际 情况来确定压缩级数. (6)合理控制吸排气温度.在制冷装置的操作调节中,压缩 机的吸气温度是判断系统工作状态的重要标志之一.如果蒸 收稿日期:2008—07—20 作者简介:王玉鹏(1982一),男,山东东营人,在读硕士研究生,研究方向:过程流体机械技术. 24 《装备制造技术))2008年第l0期 发温度不变,吸气温度过高,吸气过热将使制冷系数下降,即 能耗增大.对于在低温工况(压缩比较大)下运行的压缩机,可 以在压缩机的吸入口处向吸人气体中喷入液态制冷剂,使吸 气过热度减小或使吸人气体成为湿蒸汽.过高的排气温度将 影响机器的润滑,影响制冷剂的化学稳定性,易使润滑油炭 化,结焦,使活塞,气缸等零部件的温度升高,压缩机的温度系 数减小,效率降低.常用的是借助于各种换热器,将高温 制冷剂的热量传给空气或水,从而利用这些热量. 2滚动转子式压缩机的节能 对于节能和舒适性的要求越来越高,滚动转子式压缩机 开始在小型空调,热泵,家用冰箱中得到越来越广泛的应用, 在小容量范围有替代往复式压缩机的趋势.这主要是因为它 具有如下特点:体积小,结构简单,运转平稳,噪声低,尤其是 能适应较大的工况变化(压力变化).与具有相同制冷量的往 复式压缩机相比,其零件少1/3,体积重量均为往复式压缩机 的1/2左右,效率提高10%以上【”.虽然滚动转子式压缩机的 压缩效率较高,但转子和汽缸的间隙应合理设置,否则将明 显降低压缩机的可靠性和效率.滚动转子式压缩机节能的主 要方法有: (1)选择合适的排气孔口的长度和直径. (2)严格控制压缩机的装配间隙,主要包括滚动活塞与气 缸的径向间隙,活塞与上端盖的间隙,滑片与上下端盖的端面 间隙.通过优化零件结构尺寸,减少滑动部分的间隙,可有效 降低泄漏损失,减小摩擦功耗,从而提高压缩机的容积效率. 尤其是减少径向泄漏量将显着提高压缩机效率. (3)对热泵型滚动转子式压缩机,优化储液器的内部结 构,更好的适应制冷和制热工况的运行要求,也能使其运行效 率得到改善. (4)为了适应大制冷量的要求及改善压缩机的特性,可采 用双活塞的压缩机.在一根垂直的轴上装有两个相互错开呈 180度的偏心轮,与其相配合的有两个汽缸,使得制冷量增加 一 倍,而外形尺寸增加不大,同时使平衡性改善,震动减小,转 矩变化均匀?. 3涡旋式压缩机的节能技术 涡旋式压缩机的历史相对比较短,因其具有噪声低,尺寸 小和效率高等特点,已成为柜式空调,小型RAC的首选机型. 但是,涡旋式压缩机缺乏精密加工技术,无法保证型线的良好 啮合和控制工质的泄漏.另外,轴向磨损也是一个技术难 题【4].对涡旋式压缩机节能进行探索主要体现在以下几方面: (1)改进涡旋型线.涡旋式压缩机内气体的压缩主要通过 容积的变化来实现,所以型线设计是一个非常重要的问题.为 了满足体积小,容积效率高,运转平稳的要求,可以增加涡旋 式压缩机型线高压区部位的厚度,提高其刚度和强度,延长机 器寿命. (2)改善动力平衡性.采用双作用涡旋盘可以很好的改善 涡旋式压缩机的动力平衡性.动盘两面均有完全对称的型线, 他们分别与两侧的静涡旋盘型啮合.这种结构的两侧气体力 完全平衡,轴向磨损小,尺寸利用率高,可以扩大单机排气量. (3)采用柔性机构.柔性机构能有效地减少气体泄露和摩 擦损失,遇到液击等异常负荷时能保证压缩机的安全,同时可 降低加工精度方面的要求. (4)轴向密封机构或端面密封机构.为了减少泄露,除保 证加工精度和装配精度使其形成精度密封外,一般情况下,可 在涡旋体顶部开设一密封槽,其槽宽略大于密封元件,密封元 件嵌入槽内且与槽底面保持一定的轴向间隙,借助气体力使 其紧贴于涡盘底面. (5)采用喷液技术.向工作腔喷液来提高密封效果是一种 行之有效的.当压缩机运行时,将具有一定压力的润滑油 喷入压缩腔,利用附着在工作腔周壁上的油膜层减少其工作 介质泄露通道的实际间隙,从而达到减少介质泄露的目的. (6)进行强化冷却.强化传热一方面可以防止工作腔热量 直接传到轴承上,提高轴承的工作寿命.另一方面可以降低压 缩机的排气温度以提高压缩机效率. 4直线压缩机的应用 随着对压缩机紧凑,轻量化,高效,可靠性和耐久性要求的 不断提高,传统的往复活塞式压缩机已经越来越难以适应,直 线电动机驱动的直线压缩机应运而生.线性压缩机依赖电机的 往复运动实现对气体的压缩,是活塞式压缩机的一种变形结 构.这种压缩机能够大大降低活塞移动的摩擦阻力和磨损,能 够通过气体的排出压力调整活塞冲程,通过磁偶合理安排改善 压缩机效率,通过压缩机的串级连接可以输出高压气体. 新一代直线制冷压缩机一方面可以实现直接传动,不需 要将旋转运动转变为活塞直线往复运动的中间转换机构,具 有结构紧凑,体积小,易于控制,寿命长,运行稳定可靠,高效 节能等优点嘲. 另一方面,直线压缩机还具有优良的控制性能,采用简单 的控制环路就可以通过调节容积输气量来直接实现能量调 节,再加之目前永磁电机的发展,可以预言:直线压缩机是一 种高效节能的新型压缩机,将在空调领域内得到广泛的应用. 5变频技术的应用 为降低年度能耗,并实现长远意义上的节能,需要对压缩 机采取高效运行的有效控制.变频压缩机具有高效,节能和控 温精度高等优点,在制冷空调中采用变频器来实现变速控制 逐渐成为制冷压缩机技术的发展热点. 变频空调通过压缩机转速的适时调节来改变制冷(制热) 量的供给.变频空调开始工作时,通常以最大功率,最大风量 进行制冷(制热),以便能迅速接近设定温度,达到设定温度 后,压缩机便转人低转速,低能耗状态运转.变频压缩机启动 电流小,克服了传统空调器调节室内温度需要不停地”开,停” 的缺点,节省了频繁启动时为了实现正常的制冷循环而建立 EquipmentManufactringTechnologyNo.10,2008 冷凝,蒸发压力差而消耗的功率. 通过采用变频调速控制,改善电机性能和降低气阀损失 等技术,制冷压缩机的制冷系数(能效比)有了很大提高.变频 控制双缸旋转式压缩机的出现,使得旋转式压缩机的低速运 行范围得到了扩展,容量可调比是原先机型的两倍多,大大降 低了能耗.目前的变频技术与数字化技术紧密地结合起来了, 压缩机的数字直流化,使得压缩机在本质上实现了变频.这种 压缩机采用数字信号控制,能够根据环境的温度变化精确控 制其转速,实现了”无级”调速,使压缩机始终处在最好的工作 状态. 6制冷剂在压缩机节能中的应用 目前,全球关注的制冷空调节能技术涉及许多方面,其中 制冷剂替代,节能和环保是非常重要的一个问题.虽然HCFC (如R22,R123)和HFC(~nR134a,R245ca)制冷剂有优越的综 合特性,但是它们能对臭氧层造成破坏和引起温室效应,都将 逐渐被禁止和淘汰.因此,为了寻找合适的替代物,在全球范 围内开展了广泛的研究,随着人们环保及节能意识逐渐提高, 最终我们把目标定在绿色环保型天然制冷剂上.如二氧化碳, 碳氢化合物,空气等工质,它们具有无破坏臭氧层的能力以及 温室效应极低和高效节能的特征,被视为可长期使用的替代 制冷剂. (1)二氧化碳.与其他工质相比,二氧化碳具有独特的优 势:天然的环保型物质,安全无毒,不可燃,其ODP=O, GWP=I,约为R134a和R22的千分之一;化学性能稳定,二氧 化碳可以适应各种润滑油及常用机械零部件材料,即使在高 温下也不分解产生有害气体,对常用材料没有腐蚀性;二氧化 碳运动黏度低,可以在较低的流速下产生湍流,起到很好的换 热性能,蒸发潜热较大,单位容积制冷量高,约为R22的5倍, 使设备更紧凑;压缩比较低(约为2.5,3.0),压缩过程可以更 接近等熵压缩而使效率提升;二氧化碳优良的流动特性,传热 特性和高的流体密度能够使压缩机实现小型化设计,连接管 道变细,整个系统非常紧凑.不少专家预言,二氧化碳将是21 世纪制冷空调压缩机的理想制冷剂.国外已将二氧化碳作为 未来汽车空调制冷剂的发展方向,其温室效应指数只有原来 的1/1300左右嘲. (2)HC.HC具有无毒,环保,高效,无腐蚀,溶油,不破坏臭 氧层,噪音低,价格便宜等优点.相对其他的化学制冷剂来说, HC制冷剂是很安全的,虽然碳氢化合物属于可燃性物质,存 在潜在的危险.但是在预防其燃烧的技术应用上已经取得了 较好的成果,并且HC制冷剂早已应用于石化工业,在正确的 操作下,将其应用于空调系统内,发挥其高效节能的优点是安 全可行的. (3)新型混合制冷剂.对于某一固定的制冷系统,在其最佳 运行工况下,要求制冷剂必须具有特定的热物理性质.合理选 用不同的共沸混合制冷剂和非共沸混合制冷剂使其满足这种 特定的热物理性质,就可以提高制冷系统的热力学效率,从而 达到节能的效果.一些民用空调器,在全年运行期间,外界的 环境条件变化相当大,常规使用的单剂的空调器,如单一制冷 剂R22,它的适用范围很小,在某一特定气候条件下标非常 好,而在气候条件变化时性能指标就会下降.当使用R22/ R1381时,夏季制冷以高浓度R22运行,冬季供暖以高浓度 R1381运行,使用这种非共沸混合制冷剂后,空调器可以全年 在较高的热力学效率下运行,相比使用单制冷剂具有显着的 节能效果.R22用于热泵,其制冷系数可提高25%t~.采用共沸 混合制冷剂能够使压缩机的压比减小,排气温度降低,压缩机 容积效率得到提高,最终提高制冷系数和系统的能效比. 7结束语 节能是制冷与空调产业发展的主题,制冷空调压缩机技 术的发展正是围绕该主题展开的.生产企业必须以节能为前 提,一方面在原有机型的基础上,不断改进局部的结构设计; 另一方面,当原有机型的节能潜力不大时,可考虑采用新型节 能的压缩机.只有掌握自主的核心关键技术,通过科技创新不 断提高产品的综合性能,才能实现中国制冷与空调压缩机行 业的健康,可持续发展. 参考文献: 【l】王如竹,制冷学科进展研究与发展[R].北京:科学出版社. 2007. 【2】潘树林,卢朝霞,张增营,等.H22111氮氢气压缩机高效气阀研究 与应用【JJ.广西大学,2002,27(4):284—287. [3]郁永章.容积式压缩机技术手册【KJ.北京:机械工业出版社, 2005. 【4]李连生.涡旋压缩机【M】.北京:机械工业出版社,1998. 【5】谢洁飞.直线压缩机的研究现状与发展趋势【J】.流体机械,2004, (12):1405—1409. 【6]朱明善,王鑫.制冷剂的过去,现状和未来[J].制冷,2002, (3):1—6. Energy—savingTechnologyofRefrigerationandAir—cOnditjOnIng WANGYu—peng,LUOZhan-xiong2,TANQin (1.Guan~xiUniversity,Nanning530004,China;2.GuangxiHechiChemicalCo.,Ltd.,HechiGuangxi547007,China) Abstract:Powerconsumptionofrefrigerationandair——conditioningmain lyusedfortheoperationofthecompressor.Improvingtheener- gy-savingperformanceofrefrigerationcompressorswillsignificantlyimprovetheenergyefficiencyratio.There&resomanywaysin refrigerationandair-conditioningcompressorenergy-saving.Thispapermainlyintroducedtheapplicationsofthetraditionalcompressor technologyimprovements,frequencyconversiontechnologyandnaturalrefrigerantinenergy—savingapplications. Keywords:Energyconservation;Refrigeration;Compressor;Refrigerants 26