R134a无氟冰箱压缩机研制（可编辑）

R134a无氟冰箱压缩机研制（可编辑） R134a无氟冰箱压缩机研制 如弋 分类号 一 孝中斜技大浮 硕士学位 无氟冰箱压缩机研制 学位申请人: 叶俊方 学科专业: 工业工程 指导教师: 李成刚教授 论文答辩日期;垒丛生?目目 学位授予日期 生 且 目 答辩委员会主席 基昌盐 评阅人趋?进 王堂盐 型置堡华中科技大学硕士学位论文 摘 要 生态环境是当今世界最为关注的热点问之一。由于。氯氟烃类物质对大 气臭氧层有破坏作用,根据《蒙特利尔议定书》的规定,作为原来适用于电冰 箱最 理想的制冷工质,属第一类臭氧层消耗物质将于年被全面禁用。 基于上述背景以及冰箱制冷剂替代的发展要求,本文进行了替代的冰 箱压缩机的技术转换研究,根据工质及其润滑油的特性,比较了和 的热物理性质,分析了热工性能对压缩机的影响,研究了与新型润滑油 的稳定性、与压缩机相关材料的相溶性及压缩机的可靠性:探讨了提高 冰箱压缩机制冷能力与效率的方法,重新对压缩机进行了设计开发。重点在提高 性能、油与原材料的选择和相溶性以及可靠性试验方面进行研究。并在普通型 样机基础上,进行了高效型冰箱压缩机的研究。对提高冰箱压缩机的容 积效率、降低吸气比容、减少摩擦功率、提高电机效率等方面作了比较深入的理论分 析与实验验证。 本文还针对工质对水分、矿物油、氯离子等杂质比较敏感,而且具有较强 的洗脱杂质的能力的特性。对压缩机制造工艺上作了很大的改进,采用先进的有利于 环保的高压水清洗工艺,并且严格控制不同工序的油类使用,加强压缩机干燥工艺, 从而使压缩机的品质得以保证。通过试验验证,达到了预计的指标要求,取得 了满意的研究成果。 关键词:冰箱压缩机 无氟 节能 华中科技大学硕士学位论文 自:。??;目???自;;自;;目?; .” ”,,弱 ,.?,,, ,, ? ,.., . , ., , .. , ,. , . . , . ,.: 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外, 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密爵,在.罐:..年解密后适用本授权书。 本论文属于 , 不保密囹。 请在以上方框内打“’ 学位论文作者签名:矿存受多 指导教师签 日期:.口啦/月一日 日期:?华中科技大学硕士学位论文 绪论 .研究课题的背景、目的和意义 十八世纪以后,工业经济取代了农业经济,人类社会进入了高速发展的阶段,经 过三次技术革命,人们的生活水平和生活方式目新月异。今天,在充分享受建立在工 业革命上的高度发达的物质和文化生活的同时,人们才发现得到这些付出了巨大的代 价??我们所处的环境受到了极大的破坏,已经对人类继续发展、甚至生存带来了威 胁。 自世纪年代开始,科学家相继发现南极和北极上空臭氧层遭到严重破坏, 出现了臭氧空洞。导致太阳紫钋线对地球过多的辐射,引起皮肤癌、自内障等的发病 率提高,人体的免疫功能下降。年,美国科学家 教授和 .博士 在国际著名的“”杂志上撰文提出氯氟烃类简称物质中的氯离子对大气 臭氧层有破坏,此研究最终解释了近年来地球大气臭氧层大幅削弱、甚至出现“臭氧空 洞”的原因。此外,进一步研究发现这些物质还加剧了温室效应,严重影响了全球气候 的变化,对人类和各种动植物的生存造成了巨大威胁。臭氧破坏,全球变暖和酸雨已 成为当今全球三大环境问题。 科学家认定:氟利昂等氯氟烃类物质就是破坏臭氧层的罪魁祸首,这一类物质统 称为“消耗臭氧层物质”。科学家研究发现地球上空的臭氧层不断耗减,温室 效应上升与氟利昂大量使用有直接关系。象这种含有氯离子的氯氟烃类物质是上世纪 三十年代全盛的卤代烃物质【】,由于它们具有优秀的物理化学性质被广泛应用于制冷、 清洗、喷雾等行业。当它们在生产和使用中泄露到大气环境后,由于其性质稳定不易 分解,飘至臭氧层后,便与臭氧层分子发生连续链式反应,使臭氧分子变为氧 分子, 氯原子与臭氧分子发生反应时,其本身并不受影响,所以它能够继续破坏其他臭氧分 子。据分析,一个氯原子大约会破坏一万个臭氧分子,大量氯原子升到高空导致臭氧 层被破坏从而削弱臭氧层。这一发现引起国际社会的高度重视,于是,全世界 的有识之士呼吁发展与环境并存。国际社会为此在八十年代和九十年代召开了一系列 国际会议限制使用物质,这就是著名的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定 书》,和“京都”的由来。 冰箱制冷剂和清洗剂等【就是“议定书”中主要被禁止使用的物 质,欧洲、美国、日本等发达国家已于年月日起停止了使用氯氟烃类物质。华中科技大学硕士学位论文 世界各国政府据此制定自己的可持续发展战略,人类呼唤绿色产品的制造工业,绿色 无氟冰箱及其配套的压缩机正是在这种背景下发展起来的。 中国政府十分重视环境保护,坚持把环境保护作为一项基本国策。于年加入 了《保护臭氧层维也纳公约》、年签署了议定书伦敦修正案,正式参与国际保护臭 氧层工作。年月我国北京还承办了第十届《蒙特利尔议定书》缔约方大会,会 议通过了《北京宣言》,表明了中国政府对环境和臭氧层保护的信心和能力。为了使我 国冰箱产品无害于环境并走向世界,在政府的高度重视下,我国从八十年代中期便开 始了寻找冰箱中物质的替代物的研究开发工作,建立中国绿色冰箱产业并积极参 与全球环境保护工作。 国家环保总局已经公布了《中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家》,该方案规定 了我国分行业最终淘汰消耗臭氧层物质的时间表,明确了我国将实行整体淘汰机制并 确定了各阶段的目标、方式、时间表。 制冷行业:.、.:年: 清洗行业:一:年; 《中国家用制冷工业逐步淘汰战略研究》,明确提出选择、为 替代制冷剂,同时明确企业可根据自身市场、技术条件等选择技术路线。明确了 电冰箱、冷柜等家用制冷行业提前年在年底前在生产中停止使用。 世纪年代中后期,我国冰箱行业无替代工作发展十分迅猛,各种品牌“无 氟”绿色环保冰箱不断通过广告宣传攻势大量涌入市场,成为一大消费热点。而与之配 套的作为电冰箱、冷柜的心脏的压缩机的替代进程则相对落后于冰箱的发展, 大部分 无压缩机尚需进口。环保与节能是当今工业界发展的两大主题,欧洲已制定了家 用电器及电冰箱的能效标准,在每台产品上贴上“能效标识”标签。国家经贸委正在制 定产品能效标识,国家质量监督检验检疫总局也开始组织修订相关能效标准。 从年下半年开始,中国市场上的电冰箱以开始贴上“能效标识”标签,强制性推 广执行新的能效标准,将使冰箱企业的市场准入门褴陡然提高。节能冰箱酋选的就是 高效节能压缩机,而高效无节能压缩机,我国同国际先进水平比较还有较大差距。 因此,国家经贸委号文件明确规定“高效、节能、无氟环保型压缩机系列产 品为我国轻工行业开发的重点产品”。 基于前述:我们选择了此课题,此课题如研究成功并形成产业化,首先为全球三 大环保问题做出贡献;其次为替代进口,节约外汇,提高国产压缩机技术水平做出贡 献;最后,与国际经济一体化市场接轨。 华中科技大学硕士学位论文 .国内外冰箱及压缩机行业无氟技术替代研究现状与概况 技术上,寻找代替冰箱制冷剂的物质是一项十分困难的工作,在考虑新工质 具有环保性之外,还要考虑其安全性、经济性等问题,实际上是一个系统工程,经过 十余年的开发研究,在世界范围内冰箱行业已经采用的主要替代方案有二个: 、以美国杜邦公司为代表开发的制冷剂替代物。在优选了润滑油并对压 缩机进行重新设计之后,已被广泛应用于电冰箱和汽车空调中。我国清华大学 和北京雪花电器公司合作率先小批量生产冰箱,河南新飞电器集团和江西华意 最早在国内市场大规模投放冰箱与压缩机,随后还有众多厂家采用该方案。研 究表明的换热性能要比好。但与此同时人们不得不接受的事实是:由于 在物性方面的弱点,如潜热小,不溶于矿物油以及分子体积小等,使得替代过 程复杂且耗资巨大。不仅压缩机,换热器、连接胶管、过滤器等都必须是专用 的,甚至压缩机的生产线也必须重新设计与整合。在没有找到更好的方案之前, 他们仍然坚持使用这种制冷剂。 、以德国绿色和平组织为代表开发的异丁烷系列碳氢化合物及其混合物。 碳氢化合物因其容易得到,对臭氧层无害、高的循环效率和不换压缩机润滑油等优点 有着良好前景。广东科龙电器有限公司率先成批生产异丁烷电冰箱使得这项技术在我 国得以发展。经严格的分析,碳氢化合物制冷剂的强烈可燃性对用户不构成危害,但 生产线和售后服务维修点要有彻底的安全措施。异丁烷工质的制冷量仅为 的一半,达到同样的制冷能力需要大一倍的压缩机。碳氢化合物替代方案在环保 意识很强的欧洲得到认可,由于其具有的可燃性,美国、日本出于安全性的考虑目前 仍拒绝使用这一方案。 ..制冷工质替代技术研究 制冷工质除了它的物理化学性能要全面符合制冷要求外,还必须是稳定、可靠、 安全、无毒、无腐蚀性等,经过多年的研究努力,目前世界上比较理想的替代工质有 类物质和类物质,对电冰箱和电冰柜而言,主要就是、。 压缩机是目前不少压缩机厂已经或正在准备采用的替代技术。 具有零值和与相同的安全性。使用的冰箱压缩机经过一系列技术改 进,其性能指标已经超过了普通的压缩机。因此,在北美、日本等被广泛 采用。已经成为的主要替代工质之一。 对于这些替代制冷剂的热力性能已有文献进行介绍。然而这些替代制冷剂全部华中科技大学硕士学位论文 是类工质的混合物,虽然类制冷剂不破坏臭氧层、温室效应较小且部分制 冷剂如的应用技术也日益成熟,但类制冷剂与目前制冷系统普遍采用的 矿物润滑油不相溶,需要更换聚酯类润滑油,聚酯类油吸湿性很强,因此就对制冷系 统的清洁度和干燥度提出了更高的要求。 碳氢工质主要有。这些工质同样具有零值,而且它的全球暖化潜值 也非常低,它是来源于自然界的物质,对环境无害,价格比较低廉。但碳氢工 质具有易燃易爆的缺点,需要安全恰当地加以使用,欧洲地区的部分国家考虑到碳氢 工质在温室效应上比低得多,因此倾向于接受碳氢工质。国内有部分电冰箱/ 电冰柜和压缩机厂也正按工质的技术路线进行生产线改造。 这就是当前世界上形成的电冰箱/电冰柜行业二大主要替代的技术路线。 在中国电冰箱/电冰柜行业,绝大部分工厂也正按照这二种不同技术路线进行的 替代工作。目前整个行业中,既有采用的电冰箱/电冰柜厂,也有采用 的电冰箱/电冰柜厂,这种情形向压缩机企业提出了要能适应几种技术路线的生产要 求。借鉴国外压缩机公司的经验,压缩机厂商应当具备为客户提供所需要的各种工质 压缩机的能力,包括、工质的压缩机,为我们提供了一种比较好的模式, 既具备二种不同工质的产品技术,在生产线上能组织生产二种工质的压缩机,以适应 国内外客户采用不同技术路线的需要。本课题将根据这一情况探讨可以适用这二种工 质的压缩机的制造技术。 随着替代步伐的加快,淘汰的期限逼近,电冰箱主导企业和合资企业 均已完成物质的淘汰。新飞、美菱及合资企业伊莱克斯、上海夏普、无锡松下、 三星等采用为制冷剂替代路线,海尔、科龙等采用为制冷剂替代路线, 国内冰箱制冷剂替代年产量占%左右,而其中较为多。 冰箱业替代的增长,带来了其“心脏”冰箱压缩机的需求增长。国内压缩机制 造业基本上都是年代末,年代初从国外引进的技术和设备,有十几条生产线。 除华意为技术外,其余皆是压缩机。随着市场经济的深入。国际上的冰箱 压缩机巨头恩布拉科公司控股北京雪花,扎努西公司控股天津海河,松下公司独资成 立日本松下无锡,才使得这些企业能批量生产压缩机,而国内其它企业由 于技术和资金等方面的原因,还无法生产压缩机。即使目前生产的压缩 机,仍存在值低的情况,最高值小于.。 在国际上,发达国家冰箱业,制冷剂替代是和两条路线,其中 目前占主导。如美国、日本只允许产销冰箱,欧洲是两种并存。而其压缩机供 应商主要是恩布拉科、扎努西、松下集团这世界三强。据有关资料显示:制冷量在 华中科技大学硕士学位论文 ,:;;;;;;;。。。。。。? 之间的低背压压缩机值最高约为.左右。而国内最高 值为.左右。 根据环保与节能的需求,压缩机其值为.以上,才能达到世界先 进水平的要求。 这两种技术路线的压缩机产品,除了根据不同制冷剂的热物性要求对压缩机进行 压缩机仍可在原 重新设计、研究之外,在制造技术、工艺要求是不一样的, 生产线上按压缩机的工艺与质量控制要求进行制造,仅只须更换刀、量、检、夹 具即可。在性能检测与试验仪器设备上因具有可燃性,需要添置防火、防爆功 能的新设备。 压缩机因其工质和所使用脂类油的特性.,工艺与质量控制要求要严格苛刻 得多。工质对水分、矿物油、氯离子比较敏感,而且具有较强的洗脱杂质的能 力。因此要求压缩机更清洁、更干燥且不能使用矿物油作润滑油。为了达到这些要求, 压缩机制造工艺上须作很重大的改进,采用先进的有利于环保的高压水清洗工艺,并 且严格控制不同工序的油类使用,加强压缩机干燥工艺,从而使压缩机的品 质 得以保证。因此采用压缩机制造工艺和质量控制技术来进行压缩机的生 产制造也就顺理成章了。 ..国内外对压缩机及节能型的研究 替代物主要有、、.化合物和一些二元或三元混合物,其中 只有和一些二元、三元混合物不可燃,与大气环境比较见表.: 表. 与大气环境比较. 臭氧消耗潜能 . . 全球变暖潜能 可燃性 不可燃 不可燃安全性容许暴露极限,商业供应 据联合国环境保护署预测:从全球范围看,到年采用化合物冰箱最多 占%,%的仍然是。因此与环境兼容的是目前国际公认、最有希 望的替代物,而..?嗍先生的与理论循环比较也证明了这一 点,见表.:华中科技大学硕士学位论文 表 、理论循环比较 压缩机 制冷量 压缩比 出口压力 以%计 出口温度?. . . . . . 清华大学【热能工程系与替代物研究组对和进行分析比 较后认为的值将小于,而单位容积制冷量大于。由于的 绝热指数比小,因而排气温度比低,这对压缩机是非常有利的。同 时的气化潜热比的大,将导致单位质量制冷量大%。 .等也研究了热工性能对压缩机的影响与比较,认 为由于进出口压力差大,因而需较高起动转矩的电机,这就意味电机效率降低; 高的压缩比将导致制冷性能降低;低的压缩机出口温度对制冷能力及电 机温度有利;高的蒸发焓差,所需的质量流量就小,因而要重新设计阀门; 低蒸发温度时,低的容积制冷量,将使与相同排量下,制冷量减少约%。 .等对冰箱压缩机做了深入研究,认为与压机相比:要有相 同或更高能力。则需改进阀门及阀片设计;采用直接吸气方式以及设计高效电机等, 前两项可提高制冷能力分别为%和%,并且分析了制冷系统残渣形成原理,提出 从可靠性角度考虑,必须选择加入合适添加剂的多元醇酯类油,同时对压缩机用漆包 线、绝缘材料、聚合物消音器及生产过程等也提出了注意事项。 等对压缩机轴承特性进行研究后,认为在改善轴承特性方 面使用铝质轴承材料或使用铸铁轴承与磷酸锰处理过的轴配合是有效的,在开发过程 中要仔细选择符合轴承运行条件的润滑油。 为了选择合适的冰箱压缩机润滑油,清华大学与替代研究组【】 从与油的互溶性、油的稳定性、润滑性等方面进行了分析研究,认为油 是最适合冰箱压缩机的。 杜邦公司【从金属材料和非金属材料方面,对与材料的相溶性作了深入研 究、试验,提出了冰箱压缩机在设计过程中,使。胃材料的注意事项。 为了提高往复式冰箱压缩机的效率,通过研究排气阀系统的开启及关闭时间, .等人认为粘滞力造成排气阀关闭滞后,会使效率降低,如果能减小粘滞力则 可以提高压缩机效率,因而开发了一种新颖带限位器的气阀。 通过研究指出若活塞与气缸壁间间隙过大会导致严重泄漏和压缩 华中科技大学硕士学位论文 机容积效率损失,若间隙过小,摩擦就会很严重,会引起功率上升,因而存在一个最 佳的活塞与气缸的配合间隙,使压缩机效率最佳。同时提出了一种简单的可以预测活 塞与气缸合适配合间隙的办法。 ..”】等为了研究如何提高值,从改进阀门及阀组设计;改进气缸头组 件包括吸气方式;改进电机设计和对压机用油的优化选择等方面做了概括 性的分析,并指出通过以上几方面的改进可提高%、?%、.%、%以上等。 . 【根据其长期研究经验,从个方面提出可以提高压缩机效 率的研究,并预测总体可提高值%。 国内许多专家、学者】【】【,根据其理论研究和实验验证,也提出了许多提 高值的研究成果。 作为一种新的替代制冷剂,对压缩机的可靠性提出新的要求。 等通过分析、测试材料与摩擦、油温与磨损、电机材料在实际运 行中的可靠性及毛细管堵塞试验、加速寿命试验等,提出建立使用压缩机和 冰 箱可靠性技术。 李连生田】等通过冰箱压缩机在冰箱系统的加速寿命试验研究后,对 压缩机对润滑油的选择作了小结。 ..国内外建立全封闭压缩机数学模型研究 为了从理论上进行模拟计算,以缩短开发周期,国内外有关专家对全封闭往 复式 制冷压缩机建立了一些数学模型。 .剐【】等开发了一个先进而完善的关于压缩机热力学及流体力学性能的数 值 模拟模型,用来优化的压缩机设计,通过模拟得到一个详细的温度分布图, 以及更好地评估传热系数。 ?等开发并完善了一种家用冰箱往复式压缩机的模拟模型,它可容易地适 用于整个回路的不同配置、不同的工作流体和运行条件。实验验证显示,无 论是在总 体性能还是局部流动现象方面,特别是自动阀的相互作用,流体结构方面,该模型是 大有作为的。 压缩机如何改型成压缩机,国内外专家通过对和质分析, 做了一些在局部方面的定性分析,未能系统地对压机改型设计成作一系统 的定性或定量分析。在提高压缩机值上,国内外专家也主要定性局部分 析。华中科技大学硕士学位论文 ?目目目%;目??自;;;;;;;自; .冰箱压缩机行业技术现状及存在的问题 我国的冰箱压缩机企业均是于上世纪年代末、年代初从国外引进的冰箱压 缩机的制造技术及全套生产设备,主要生产工质的冰箱、冷柜用全封闭制 冷压缩机,性能系数.左右。均面临着技术淘汰与无氟转化、环保节能的工程 技术难题。 冰箱压缩机为机电一体化产品,机械压缩泵体与电机直联安装在全封闭的壳体 内,壳体内冲注有润滑油和制冷剂,与冰箱制冷系统相连起着“心脏”作用。工作特点 是:高可靠性、长寿命无故障工作年,免维修。因此对压缩机的零件的精度、 材质和清洁度要求较高。主要加工工艺有:铸造、冲压、机械加工、清洗、电机制造、 装配、焊接、脱水干燥、检测试验等。为了洁净零部件表面,清洗工艺中采 用的是 、三氯乙烯、汽油等有害物质作清洗剂。、是蒙特利尔议定书中明令禁 止使用的第一类受控的物质,因此,研制新型、高效无压缩机;采用新的 制造工艺、新的清洗技术来技术替代并淘汰,势在必行。 .主要的研究与试验工作 本文主要进行压缩机的研究与制造工艺无氟化替代技术。根据工 质及其润滑油的特性,重新对压缩机进行设计开发。重点在提高性能【】、原材料选择 和相溶性以及可靠性试验方面进行研究。由于工质对水分、矿物油、氯离子和 其他一些残留物质比较敏感而不相容,因此要求压缩机更清洁、更干燥且不能使用矿 物油作润滑油。为了达到这些要求,压缩机制造工艺上须作很重大的改进:采用先进 的有利于环保的高压水清洗工艺,并且严格控制不同工序的油类使用,加强压缩机干 燥工艺,从而使压缩机的品质得以保证。主要研究工作有: 、研究分析工质及其润滑油的特性: 、研制出高效节能型压缩机,达到当今世界先进水平要求; 、制造工艺研究:对现有生产线制造工艺、检测试验设备进行研究分析与改造;进 行清洗工艺技术与设备选择研究;达到并满足压缩机的制造工艺与质量控 制要求。 、主要试验研究:冷冻机油与材料的相溶性试验研究;压缩机性能的量热计试 验及 噪音试验:压缩机可靠性试验及毛细管堵塞试验;零件表面杂质含量试验等 检测 验证。华中科技大学硕士学位论文 .预计达到的技术指标要求 压缩机研究与制造,达到同期国际先进水平,并形成产业化生产。要求其 性能指标如下指主要性能指标: 、制冷量:一 、单机噪音: 、值: 高效型?./ 、毛细管堵塞率:% 、可靠性:符合厂.所有项目要求 注:其它技术指标符合/要求。 制造工艺: 、整机残留物含量: 、在正已烷中的不可溶残留物? 、在水中的可溶残留物? 、硅油含量?. 、氯含量 、整机含水量? 华中科技大学硕士学位论文 工质特性分析 . 工质和工质的性质对比分析 ..制冷系统对制冷剂的要求 制冷剂是制冷系统中所必需的工作介质。它是一种在制冷系统中循环流动,通过 自身热力状态的变化与外界发生能量交换,从而达到制冷的目的。蒸气压缩式制冷机 中的制冷剂从低温热源中吸收热量,在低温下汽化,再在高温下凝结,向高温热源排 放热量。所以,只有在工作温度范围内能够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使 用,多数制冷剂在大气压力和环境温度下呈气态。文献【’】都对制冷剂的发展、应用作 了详尽的介绍。 作为制冷剂应该符合如下的要求嘲: 热力学性质方面 在工作温度范围内有合适的压力和压力比,即希望蒸发压力不低于大气压力, 避免制冷系统的低压部分出现负压,使外界空气渗入系统,影响制冷剂的性质或加剧 对设备材料的腐蚀或引起其它一些不良后果;冷凝压力不要过高,以免设备 过分笨重; 冷凝压力与蒸发压力之比也不宜过大,以免压缩终了的温度过高或使往复活 塞式压缩 机的输气系数过低。 通常希望单位制冷量吼和单位容积制冷。比较大。因为对总制冷量一定的 装置,吼大,可减少制冷剂的循环量;,大,可减少制冷剂的输气置,故可以缩 小压 缩机的尺寸。 比功和单位容积压缩功,/,循环效率高。 等熵压缩的终了温度不太高,以免润滑条件恶化或制冷剂在高温下自 身分解。 迁移性质方面 粘度、密度尽量小,这样可以减少制冷剂在系统中的阻力以及制冷剂的充注 量。 热导率大,这样可以提高热交换设备如蒸发器、冷凝器等的传热 系数,减少传热面积,使系统结构紧凑。 华中科技大学硕士学位论文 ;;;;;;目自;目;;;;;;目自自日 物理化学性质方面 无毒、不燃烧、不爆炸、使用安全。 化学稳定性和热稳定性好,制冷剂要经得起蒸发和冷凝的循环变化,使用中 不变质,不与润滑油发生反应,不腐蚀制冷元件,在压缩终了的高温下不分解。 对大气环境无破坏作用,即不破坏大气臭氧层,没有温室效应。 其它要求 原料来源充足,制造工艺简单,价格便宜。 当然,完全符合上述要求的制冷剂是不存在的。各种不同类型的制冷剂总是在某 些方面有其长处,另一方面又有不足。根据具体情况不同,对制冷剂性质要求的侧重 点就不一样。 .. 和工质的基本热物理性质参数 、 曾经是制冷领域应用最广泛的中温制冷剂,其沸点为..?, 凝固点.?。无色、气味很弱,有芳香味,当它在空气中的含量达到%时人能够 感觉到。毒性小、不燃烧、不爆炸,是一种很安全的制冷剂。当空气中的浓度过 大,达到%时才会使人窒息。当温度在?以上时,与明火接触会分解出极毒的 光气。水在中的溶解度很小,而且还会随着温度的降低而减小,所以在制冷 系统里应该严格限制含水量,一般规定中的含水量不得超过.%。制冷系统的 设备、管道在充灌前必须经过严格的干燥处理,且需在充液管路或系统中设置干 燥器。 在常用的温度范围内能与矿物润滑油以任意比例相互溶解。对一般金属 不起腐蚀作用,但能腐蚀镁及含镁量超过%的铝镁合金。对天然橡胶和塑料有 膨润作用。制冷机中使用的密封材料为耐腐蚀的丁腈橡胶或氯醇橡胶。全封 闭压缩机中的绕组导线也应使用耐氟绝缘漆。很容易泄漏,对密封性要求良 好。 、四氟乙烷,是作为的替代物而提出,工质结 .。 构式;分子量: ..进行的与理论性能比较证明嘲,二者具有许多相似的热力 特性。与比较如下: 的临界压力比略低、温度及液体密度均比略小,标准沸点略高 于,液体、气体的比热容均比大,两者的饱和蒸气压在低温时略低, 大约在。时相等,高温时略高。在一般情况下,的压比要略高于, 由于的绝热指数比小,因而排气温度比低,这对压缩机是比华中科技大学硕 士学位论文 较有利的。两者的粘性相差不大。 与相比,具有优良的迁移性质,其气体和液体的热导率均高于, 在蒸发器和冷凝器中,的传热系数比要高出~%。 .等研究了制冷剂热力性质对压缩机性能的影响与 比较,认为由于进出口压力差大,因而需较高起动转矩的电机,这就意味电 机效率降低;高的压缩比将导致制冷性能降低;低的压机出温度对制 冷能力及电机温度有利;高的蒸发焓差,所需的质量流量就小,因而要重新设 计阀门;低蒸发温度时,低的容积制冷量,将使与相同排量下,制冷量减少约 %。 从与油的互溶性、油的稳定性、润滑性等方面来看,与矿物油不相 溶,也不能溶解于烷基苯油。但在温度较高时能完全溶解于多元烷基醇类 简称合成润滑油,在温度较低 ,简称和多元醇酯类 时只能溶解于合成润滑油瞄。 的化学稳定性很好,然而它的溶水性比要强的多,这对制冷系统很不 利。即使只有少量的水分存在,在润滑油等的作用下,将会产生酸、、,就会 对金属产生腐蚀作用或产生“镀铜”现象。因此使用对系统的干燥和清洁性 要求 很高,而且不能使用与相同的干燥剂,必须用与相容的干燥剂,如 或.型分子筛。 安全方面,的毒性非常低,在空气中不可燃,安全类别与一样为。 虽然的为,但其具有较高的值【,相对于为。 、、工质的基本物性【捌【驯。 为了在往复式压缩机的基础上,研究压缩机,首先必须对和 工质性质作一比较分析。表为与的基本热物理性质参数。 表 与的基本物性比较项 目 结论 式 分 子不含氯 . . 临界温度? 低? ? . .. 正常沸点 高? . 临界压力 相近 :/ ? . . 单位质量制冷量 . . 大 潜热/. ? .%华中科技大学硕士学位论文 续表. . . 大 % ?饱和液 比热/. . ?常压气 . 大 % . . 绝热指数 小,排气温度低 导热系数 ?饱和液 . . 大 /. ?常压气 . . 导热性能好 . 动力粘度 ?饱和液 . 略大 . . ?常压气 需润滑油粘度小 . . 表面张力系数/? 小 . . 臭氧破坏系数 对环境破坏小 . 温室效应系数 . 由表.可见: 与两者物性基本相当; 的气化潜热比的大,将导致单位质量的制冷量大%: 的饱和气密度比的小%,将导致的质量流量小: 的绝热指数比的小,因而压缩机排气温度将比的低; 的导热系数大表面张力比的小,将导致其放热性能好于,而两 者粘度值相当,故换热器压力降也大致相当。 .. 与工质热工性能比较 蛄 图在压焓图上表示的理论循环华中科技大学硕士学位论文 : 表 与的热力循环计算结果比较 结论比 项目 . . 高. 冷凝压力?时 . . 低. 蒸发压力..时 单位质量制冷量.大% / .。时过热焓值/ . . 大.% 压缩机吸气比容蜒 . . 大% 单位质量压缩功/ . . 小.% 单位容积制冷量,压缩终了焓 / 压比 . . 大.% 压缩终了时温度低? . . 理论值 相当 过冷态焓值 由表.可知: 在相同的标准工况下,的压比比大.%左右,冷凝压力比 。 高.,蒸发压力比低. ,两者压力差比大. 吸气比容比大.%。 单位质量制冷量比大%,而单位容积制冷量比低.%。 压比比大.% 压缩终了温度比低左右。 . 、工质的基本物性比较 与两者物性基本相当; ?的气化潜热比的大,将导致单位质量的制冷量大.%; ?的饱和气密度比的小%,将导致的质量流量小,在 相同排气容积下制冷量小; ?的绝热指数比的小,因而压缩机排气温度将比的 低;华中科技大学硕士学位论文 ?的导热系数大表面张力比的小,将导致其放热性能好于。 而两者粘度值相当,故换热器压力降也大致相当。 理化性质:是一种新型有机致冷剂,具有无毒、无味、无色、不燃、不爆、 热稳定性好等特点,值为零,物理化学性质与氟里昂相近,是一种理想 的氟里昂替代物.其特性为: 、工质由于没有氯原予,润滑性差, 、含有氢基,和矿物油的相溶性差, 、电气绝缘性低, 、分子直径小。 ..不同工况对制冷循环热工性能的影响 为了进一步分析在制冷系统中对制冷循环的影响,我们着重分析蒸发温 度、过冷温度、过热温度等的变化引起值和容积蒂冷量的变化情况。 蒸发温度 与容积制冷量随蒸发温度的变化如图.所示。可以看出,当蒸发温度 为.一?时,的值低于:当蒸发温度小于.?时,的低 于,当蒸发温度大于.?时,的高于。因此,一般认为适 用于蒸发温度?的中温条件。 随蒸发温度的变化 日随蒸发温度的变化 四 瑚 ? ?缃 毒啪 御 ?。 书 珊 一? 一蒸发温度? 蒸发温度? 图 与随蒸发温度的变化 过冷温度华中科技大学硕士学位论文 与随毛细管入口处过冷温度的变化情况如图所示。可见,当过冷温 度小于时,的高于;而当过冷温度为??,的低 于。过冷温度的降低即过冷度增大,对制冷量的增加总是有好处的。相同的 过冷度下,冷量的增值百分比与无过冷时的相比恒大于。 图. 与随过热温度的变化 过热温度 与随压缩机入口过热温度的变化情况如图.所示。当过热温度为 .?时,的与低于,两者的变化曲率相近。可见,过热度不 宣过大,对尤其如此。 耻??? 。???? 图 与随过冷温度的变化 不少实验结果也显示了与上述三种情况相近的趋势。 . 工质对压缩机性能的影响 根据?.的分析,由于和热工性能有所不同,在开发设计压 缩机中,应注意以下影响: 、压缩机进出口压力差 的这种压力差比的要大左右。这将影响轴承的设计与泄漏。显然, 华中科技大学硕士学位论文 需要采用更加强化的密封垫、阀、其他机械部件以及较大的轴承,而较厚的阀片及较 大的轴承将使压缩机的效率有所降低。此外,压缩机的起动能力也将因大的压力差而 需要较高的起动力矩的马达,而这就意味着马达的效率较低。 、压缩机压缩比 这是压缩机很重要的一个参数,直接影响到容积效率与所需的压缩功。显然,压 缩比越低,压缩机的效率越高。在高蒸发温度时,与的压缩比相近,而低 蒸发温度时,比高%?%.?。这就意味着时性 能较差。 、压缩机出口温度 的压缩机出口温度较的低,这对防止油的分解与结炭等有利,而且可 以减少压缩机内部的传热,对压缩机吸气温度及马达的温度有利。 、蒸发器内的焓差 这个参数将确定为了保持相同冷量所需的质量流量。显然,蒸发器内焓差越大, 所需的质量流量就越小,它与过冷度及过热度有很大关系,而与蒸发温度的 关系不大。 在标准工况下,的这种焓差比的大.%。这将需要重新设计阀门及压缩 机的消音器。 、容积制冷量 它将确定为了产生一定冷置压缩机所须的排量大小。在低蒸发温度时,的 容积制冷量比的小,例如在.?蒸发温度下为设计的压缩机排量,改为在 .?下用时,冷量将减少%左右。 综上所述,高的压缩机进出口压差、小的容积制冷量以及高的压缩比,将 对压缩机性能产生负影响,而低的压缩机出口温度却是有利的。总之,在低蒸发温度 《??下工作时,与比是不利的。 综上所述,在压缩机中直接使用工质会产生的问题和影响有;制冷性 能下降,效率下降,与原有的冷冻机油的互溶性差,对压缩机的橡胶密封圈、线圈绝 缘漆、聚酯薄膜、干燥剂等都有一定的影响,并在压缩机内壁出现铜沉积和毛细管堵 塞等问题。 华中科技大学硕士学位论文 .开发压缩机须解决的关键技术 针对新工质的特性以及对压缩机制冷性能的影响,必须制定开发 压缩机的设计改进的对策和措旌。须解决的关键技术如下: 、选择合适的润滑油与相容的材料。研究分析工质及其润滑油的特性, 进行压缩机内部零件及材料的相溶性研究,选择合适的润滑油与相容的材 料。 、提高压缩机的制冷能力。主要是结合工质性质,从减少余隙容积的理论分 析进行减少余隙容积的改进设计研究和试验结果验证,来提高压缩机的制冷 能力。 、提高压缩机的效率。从提高压缩机的容积效率、压缩效率研究分析着手: 并进行高效电机设计及低粘度油使用研究。主要是在理论分析基础上,通过 设计改进实验来确定,研制出高效节能型压缩机,达到当今世界先进 水平要求。 、压缩机制造与装配工艺零部件表面污染与杂质的控制、清洗工艺技术与设 备选择研究。对现有生产线制造工艺、检测试验设备进行研究分析与改造, 对清洗工艺技术与设备进行研究与选择,使其达到并满足压缩机的制 造工艺与质量控制要求。 、可靠性试验验证。主要进行冷冻润滑油与相关材料的相溶性与稳定性试验 研究;压缩机各种性能试验与噪音试验;压缩机可靠性试验及毛细管堵塞试 验;零件表面杂质含量检测等试验验证。 华中科技大学硕士学位论文 ????????????????亏????????????????一 ; 冰箱压缩机冷冻油及其相溶材料的研究 . 冰箱压缩机冷冻油的特性分析 ..冷冻油的作用与要求 冷冻机油的作用是在于能够长年累月的润滑压缩机内各运动部件,在轴承配合间 隙形成油膜密封润滑。部分冷冻机油会随着制冷工质蒸汽进入电冰箱制冷系统。在压 缩机工作运行期间,不需要对压缩机重新进行换油、补充油或进行维修保养等工作。 在制冷压缩机中,冷冻油保证压缩机的正常运转,对压缩机的各个运动部件起润 滑和冷却作用,在保证压缩机运行的可靠性和使用寿命方面有着极其重要的作用【】】 【”。归纳起来有三点: 减少摩擦; 带走摩擦产生的热量和磨屑; 密封作用。 压缩机的摩擦副可分为转动摩擦副如连杆与活塞销和往复摩擦副如活塞与 汽缸之间的摩擦副。由于摩擦,需要输入更大的轴功率。因而轴效率降低,能耗增 加,摩擦使摩擦表面磨损,过分的磨损破坏了相对运动部件之间的合理间隙,影响压 缩机的正常工作。通过导入冷冻油,减少各运动副的摩擦,使机器零件的磨损减少, 能耗降低。摩擦产生的热量使零件温度升高,若温度升高太大,冷冻油的粘度 会降低 到允许范围以外,破坏油膜的承载能力,甚至在零件的局部高温区油会炭化,影响零 件的正常运动,有些零件受热后体积膨胀,严重的情况下运动副会被卡住。注入冷冻 油后,热量被冷冻油带走,保证运动副有合理的温度水平,被加热的冷冻油通过机壳 将热量散发到大气中,冷却后的润滑油再次进入系统,流向摩擦副进行润滑和吸收摩 擦热。压缩机的气缸和活塞之间的间隙是缸内气体泄漏的主要通道,位于活塞与气缸 壁之间的润滑油有助于阻止气体向曲轴端面的泄漏,润滑油起到了密封的作用。 由于在制冷系统的运行中,制冷剂与冷冻油直接接触,不可避免地有一部分冷冻 油与制冷剂一起在系统中流动,温度变化较大,因此为实现上述的功效,冷冻油应满 足以下几点基本要求: 在全封闭式制冷压缩机壳体内,冷冻机油与制冷工质共同存在这种特殊的环境 中。首先要求压缩机包括冷冻机油、制冷工质、压缩机泵体、电动机具有至少十年以 上的工作寿命时间考核,而且为保证整个系统各部件之间也能长期稳定可靠的工作, 华中科技大学硕士学位论文 :对选用的压缩机冷冻机油有着严格要求,冷冻机油至少应具有如下特点: ?有良好的化学稳定性,不会与制冷工质、压缩机内的其他各种材料发生化学 反应。 ?有良好的相溶性,与制冷工质、压缩机内的其他各种材料如硅钢片表面涂 层、漆包线表面润滑剂、聚酯绝缘带等之间能很好相容。 ?有良好的润滑性,在各运动轴承间隙间能形成并保持一定的油膜厚度,保证 良好润滑作用。 ?有良好的热稳定性,在压缩机高温部件如阀组部件处,不会产生分解而形成 积碳。 ?有较高的电气绝缘强度性能。 ?具有优良的低温流动性,防止在制冷系统蒸发器等低温部分出现分离和凝结。 ?水分含量低,中和酸值含量低,保证整个系统的可靠性。 ?杂质含量低,防止在轴承表面润滑时,产生异常擦伤。 在运行状态下,有适当的粘度。冷冻油应当有适当的粘度,如粘度过小,则 达不到润滑的目的,粘度过大则摩擦阻力过大,压缩机功耗增加。润滑油的粘 度与温 度有关,会随着温度的上升而下降。按文献【矧的介绍,润滑油的粘度与压力和温度的 变化关系如图所示: \/“ ./“ 憋 ‖ 图润滑油的粘度与压力和温度的变化关系 与制冷剂有良好的相溶性,润滑油本身应具有较好的热稳定性和化学稳定性。 有些制冷剂与润滑油不相溶,有些完全相溶,有些部分相溶。若相溶性好,在换热器 的表面不易形成油膜,对传热有利,制冷剂的溶解使油的凝固点下降,对低温装置是 有利的,但溶解了制冷剂的油会变稀,导致油膜太薄,溶解也会造成蒸发温度的升高, 蒸发器的制冷效果下降,制冷剂溶入润滑油也会影响到油的粘度。制冷剂在润 滑油中的溶解度变化如图.所示:华中科技大学硕士学位论文 黑 芒 兰 枷% 图 制冷剂与粘度等级为的润滑油的溶解度 从图中可以看出,压力愈高,制冷剂的溶解量用制冷剂的质量成分表示愈多, 温度越高则溶解量越少。 在低温下具有良好的流动特性。冷冻油在低温下的流动特性的指标是倾点, 倾点是指油品在试验条件下能够连续流动的最低温度,在标准中规定它不能高于某一 温度。 酸值,润滑油中如含有酸类物质,会引起材料的腐蚀,在油中含有游离酸的 数量多少用酸值表示。 要求润滑油有良好的化学稳定性和对系统材料的相容性。润滑油在高温和金 属的催化作用下,会引起化学反应,生成沉积物和焦炭,润滑油分解后产生的酸要 腐蚀电气绝缘材料,润滑油与系统所用的材料相容才不会引起这些材料的损坏。 含水量和机械杂质。润滑油含水后会引起毛细管的冰堵,机械杂质也会使通 道堵塞并使零件磨损。含水的润滑油和氟利昂制冷剂的混合物能够溶解铜,当溶解了 铜的润滑油混合物与钢或铸铁零件接触时,被溶解的铜又会析出,沉积在钢 或铸铁零 件的表面上,形成铜膜,“镀铜”会破坏制冷系统的正常运行。 电击穿强度,在封闭式压缩机中,冷冻油与电机一起装在封闭壳体内,润滑 油必须具有良好的绝缘特性。一般来说,制冷剂都具有优良的电气特性,然而油与制 冷剂混合后,其电气特性有降低的倾向。润滑油的绝缘电压是一项极其重要的指标, 在/中规定最低值为。 华中科技大学硕士学位论文 ..制冷系统中制冷剂的迁移现象及其对润滑油的影响 制冷剂在系统内流动时,与润滑油相容,制冷剂与润滑油处于平衡状态时,它在 油中的溶解量随油温和压力而变化,压力愈高,制冷剂的溶解量制冷剂的质量成分 阜愈高,温度愈高则溶解度愈小,如图?所示: \ \\ ? 、、、 \\‘ 甚 、、 、\ 母 \\、,吣、 \’ ? 、\\、,、 \\、 ,\\\ 蜊 \ 据 、\?\\ 擦 \飞 \ 删 \ 心 温度? 图润滑油粘度随制冷剂质量分数及温度的变化关系 根据上述规律,制冷剂在系统的不同部位时,其溶解度是不一样的,有时溶解 较 多,有时会从油中析出,产生制冷剂在油中的迁移现象。油与制冷剂的混合液 随温度 的降低,将出现分层现象,混合液开始分层的最高温度称为临界溶解温度,图. 表 示了制冷剂与润滑油的混合情况,图中点即为临界混合温度,在此温度以上, 与润滑油可在任何比例下混合,图中的曲线为混合液的分层晃线,曲线以下的 区域为分层区,位于分层区内的混合液存在两种液相:混合液的分层导致一部分混合 液中油的含量提高,容易积存在膨胀阀及蒸发器上,使制冷性能下降。为减少此不利 影响,应尽量减少进入蒸发器的油量。制冷剂在油中的溶解度变化也影响到润滑油的 粘度,在某一蒸发温度下,蒸发器及回气管内混合液中制冷剂溶入量随温度上升而下 降,其粘度也随着上升;在高温区,制冷剂溶入量很少,混合液的主要成分是润滑油, 其粘度随温度升高而降低。 .. 工质对润滑油特性的要求 制冷系统和压缩机,对制冷剂的润滑油要求是,在制冷系统的整个温度、压力和 可能的浓度范围内,均与制冷剂互溶。非互溶的润滑油与制冷荆进行相分离后,会在 系统的某些部位产生“池积”现象或附在管壁上导致传热恶化而制冷系统降 低效率。由 于工质的分子极性较强,?它与矿物油是非共溶的,不能满足制冷系统对润滑油 的基本要求,因此,必须采用合成润滑油。相溶润滑油除对互溶性有要求外,华中科技大学硕士学位论文 还要求具有润滑系统所要求的一般物理性能,如黏度、热稳定性、吸湿性、润滑性能、 与其它材料的相溶性、电绝缘性等等。 . 冰箱压缩机冷冻油及其相溶材料的研究 冰箱景冷剂由变为成功与否,在于其长期可靠性,而长期可靠性主要 取决于压缩机运动部件的润滑状况及毛细管堵塞情况。为了保证压缩机部件较好的实 际可靠性,我们对润滑油和其它材料进行研究分析。 、选择与兼容的新的润滑油及相关材料的要求 全封闭压缩机需要润滑油来保护内部运动部件。为保证压缩机正常运转和系统的 寿命,应根据几项关键指标选择润滑油的类型、制冷剂的互溶性、稳定性,与结构材 料的相容性,及油本身的润滑能力等。 一、互溶性 润滑油从压缩机中出来,随制冷剂一起流经许多元件后,必须流回压缩机才 能保 证润滑,否则会在蒸发器内形成油膜而阻碍传热。严重时会减少润滑油回流,破坏压 缩机润滑。同时制冷剂在润滑油中的溶解度高,则意味着系统中气体制冷剂量较少, 平衡压力低,因而启动压缩机所需的电机必然小。而高互溶性伴随着高的溶解度,因 此好的互溶性成了对润滑油的主要要求。 表是不同组分的/润滑油混合物的互溶性试验情况。在一定温度下,当 溶液混浊或明显分为两层时,就认为不可溶。 表 在润滑油中的溶解性.~ /油中百分比 油的类型 % % % 层 矿物油 层 层 合成油 层 层 层 蹴基苯油 层 层 层 酯类油 可溶 可溶 可溶 从上表可以看出矿物油、合成油及烷基苯油与互溶性非常差。多类型的酯 类油与的互溶性很好。意大利压缩机公司】也用油做过 试验,证明尽管蒸发器温度低于.?,但其中束发现存油,压缩机也未发现磨损。 、稳定性 水稳定性华中科技大学硕士学位论文 图是矿物油与酯类油油在空气中的吸湿性图: 图.矿物油、酯类油吸湿性的比较 由图.可知酯类油有较强的吸湿性,暴露在空气中,很容易吸湿到几百个 的水平,最高可达。烃类油,如矿物油和烷基苯油不易吸湿,在相对湿度 %,温度时,其饱和限为。如果系统中水份过高,会使润滑油酸化。 酯类润滑油的酸性是生产工艺、水的存在或添加剂造成的,其中含水量无论是油 还是压缩机部件所含的,对酸度有很大的影响。含水量与酸度关系见图.“,其数 据是不同含水量的酯类油在?下,天的闭密反应试验而得的。 三三丢 三三芝兰三三三 图含水量与酸度的关系 由图.可得到结论是:是润滑油允许的最大含水量,该指标限制包括 了对压缩机部件的含水量的限制。 由于酯类油的较强吸湿性,因而在应用时必须特别注意将其接触空气的机会减 至最小。 一般润滑油公司在酯类油中加抗水解的添加剂,这大大提高了润滑油水解稳定 性。同时由于/酯类油吸水性极强,在有水份存在和高温条件下压缩机金属材料 容易发生镀铜,因而在酯类油中必须加入抗镀铜添加剂。高温密封管试验表明能大大 提高酯类润滑油的含水量,增强抑制镀铜能力如表.。华中科技大学硕士学位论文 表 密封管试验【/天 含水量 样品状况 粘度 酯类油 制冷剂 ? 铜 钢 铝 净基质油 洁净 洁净 洁净 添加剂 洁净 洁净 洁净 镀铜 净基质油 洁净 洁净 % 添加剂洁净 洁净 洁净 镀铜 净基质油洁净 洁净 % 镀铜 添加剂 洁净 洁净 % 热稳定性 温度和制冷剂对润滑油稳定性影响较小,油在高温下会分解为水、和足 以腐蚀金属的酸性,其分解需要铁作催化剂,油的分解情况见表.、表. 在时 表 的分解时间的影响 含水量 溶解金属 时间天 酸度 备注 初 末 . 无存. 在,有钢存在 . ?时 表. 油分解金属影响 含水量