制冷壓縮機:制冷系統的核心-中文百科頻道

機械概述

制冷壓縮機是制冷系統的核心耗能部件，提高制冷系統效率的最直接有效手段是提高壓縮機的效率，它将帶來系統能耗的顯着降低。同時這樣還能避免僅在系統上采取措施（如一味加大換熱器面積等）所造成的材料消耗的大量增加。随着世界上能源緊缺形勢的日益嚴重，各個國家越來越重視節能工作、對耗能産品的效率提出了越來越高的要求。

由于各種損失，諸如摩擦、洩漏、有害傳熱、電機損失、流動阻力、噪聲振動等因素的存在，壓縮機工作時實際效率遠低于理論效率。因此，從理論上講，任何能夠降低任意一種損失的措施都能夠提高壓縮機的效率。這一客觀事實導緻了對壓縮機的節能研究範圍廣、方向寬，研究課題與研究成果多種多樣。

國際上對壓縮機的節能研究工作主要集中在幾個方面：研究潤滑特性、壓縮機軸承部位的摩擦特性以降低摩擦功耗、提高壓縮機效率；降低洩漏損失以提高壓縮機的效率；采用變頻或變容技術通過制冷系統的出力與用戶負荷的最佳匹配來實現節能，有關這方面的内容特别是變頻技術已相對較為成熟且廣為人知。

氣閥的研究是一個古老的課題但也是一個永恒的課題，改進氣閥的設計以提高壓縮機效率的研究永無止境也永有收獲。這方面的研究非常之多，從氣閥材料、運動規律、結構優化到适用理論、測試方法等包羅萬象。總之，關于壓縮機節能方面的研究已成為制冷行業的一個首要熱點問題。

發展現狀

近年來，随着國際制冷壓縮機行業的迅速發展，全球壓縮機市場集中度逐漸提高，領先的壓縮機生産企業通過行業整合不斷提高競争力，逐漸出現了以德國比澤爾和美國英格索蘭等為代表的行業領先企業，占據優勢市場地位。

目前，我國制冷壓縮機企業衆多，絕大多數從事中低端制冷壓縮機的生産。而生産螺旋式制冷壓縮機的大部分企業的主要核心零部件雙螺旋轉子(占總成本25%以上)基本依賴進口。正是由于國内大多數企業不具備核心技術，隻能提供整機産品，從而很大程度上抑制了國内制冷壓縮機行業的發展。

目前中國制冷壓縮機組的大部分市場主要由歐日美一些制冷企業所占據。随着社會的發展，用戶需要的冷量越來越高，另外由于節能的要求使得離心機組具有越來越廣的市場。

随着能源的形式日趨緊張，節能降耗是産品發展的一大趨勢。另外由于中國城鎮化水平的不斷提高，建築能耗不斷增加，具有高性能系數的離心冷水機組無疑将成為市場的熱點，近年來離心冷水機組的銷量不斷提高。

中國大部分開發離心冷水機組的企業隻是購買進口壓縮機，基本上沒什麼利潤。國外離心機廠家不會輕易出讓自己的核心技術，要想研制制冷壓縮機，隻有走自主開發的道路。随着設計及制造技術的不斷成熟，使得國産離心式制冷壓縮機的研制成為可能。

随着中國逐漸成為全球制造業中心，全球壓縮機制造重心也逐漸向中國大陸轉移，國際主要的壓縮機生産企業紛紛進入中國市場。目前，全球主要的壓縮機生産企業在中國均有生産基地。國際主要的壓縮機生産企業均十分重視在中國的發展，中國已經成為比澤爾全球重要市場之一。國際主要壓縮機生産企業進入中國加劇了我國制冷壓縮機行業的市場競争。

目前，我國已成全球空調及壓縮機的生産和消費大國。随着消費升級和産品升級機遇，中國家用空調将迎來産品品質的再一步提升，産品向高效、變頻、舒适健康及智能化方向發展，而空調必不可少的壓縮機也将伴随着空調進一步發展。n

機械研制

研制一台制冷壓縮機包括多方面的内容：氣動熱力計算、強度與振動計算、結構設計、各種材料的選擇、加工制造工藝設計、自動控制與調節設計、以及驅動型式選擇等。其中的難重點主要有以下幾個方面:

葉輪的設計

轉子作為制冷壓縮機的運動部件，其核心部分為葉輪。現在國内外各大離心機廠家均采用三元流方法進行葉輪設計。三元流方法要求設計人員具備數值模拟、計算流體動力學、流體機械内部流場理論等非常專業的知識。國内公司技術人員大部分不具備這些專業知識，要設計高效的三元葉輪，隻有和高校科研機構合作。

高校中離心式壓縮機方面的專家主要有上海交大的谷傳綱教授、西安交大的王尚錦教授.谷教授長期從事壓縮機方面的研究，先後主持完成6項國家自然科學基金項目，在壓縮機三元流設計，壓縮機組試驗、監測及控制，系統防喘振等方面均有深入的研究，他所主持完成的《多級制冷壓縮機氣動設計技術與應用》項目獲2004年國家科技進步二等獎。王教授領導的西安交大賽爾機泵科研組，以獨具特色的“可控渦葉輪設計理論”，在石化等領域的機組改造中有出色的應用。

葉輪的加工制作

以三元流理論設計的葉輪葉片形狀一般為空間曲面，葉片及葉輪的加工成型是制造的重點，也是難點。對于三元葉輪，常用的加工方法主要有兩種：

三體焊形式：也就是說輪盤、葉片、輪蓋分别加工。這種加工方法對設備要求比較簡單，輪盤、輪蓋隻需要車出外形就夠了。葉片加工要麻煩一些，首先要利用三坐标機床銑出葉片模具，然後将下好料的葉片進行熱處理，壓型得到所需的葉片形狀。最後将葉片焊接到輪盤上，再将輪蓋焊好。這樣的話需要的設備大概是三坐标銑床、熱處理爐、油壓機以及其他所需的一些常規設備，所需投資比較低，更适合開始做。

整體銑制：也就是輪盤和葉片是在一起利用多坐标設備進行整體銑制而得到一個半開式葉輪。為避免幹涉，目前國際上對這種葉輪的加工大都是利用五坐标加工中心進行。一台五坐标設備大概從幾百萬到上千萬不止，成本非常高。以加工600mm葉輪為例,國内五軸床大概要350萬人民币，進口五軸床大概要480萬人民币，通過四坐标機床旋轉工作台的傾斜實現三元葉輪的四坐标整體銑制，如果葉片稠度比較大，幹涉問題在四坐标上就不可避免。四坐标的設備相對比較便宜，大概100多萬人民币。

轉子的臨界轉速的計算

臨界轉速是設計轉子轉速時要考慮的一個重要因素，轉子轉速要避開臨界轉速，臨界轉速的計算一般采用普洛爾法，市場上有專門計算臨界轉速的軟件，也可以自己開發計算軟件。

防喘振系統的設計

由制冷壓縮機的工作機理可知，喘振是離心機所固有的性質，不可消除，但可通過有效途徑加以避免，離心式制冷壓縮機發生喘振的原因：流量過低及冷凝壓力過高.喘振對機組的危害相當大，須認真設計防喘振系統。

滑動軸承的設計

制冷壓縮機一般采用增速齒輪，轉子轉速一般都在5000RPM以上，都采用滑動軸承，滑動軸承的設計也是研制離心機的一個重點。

機械特點

1、絕大多數全封閉活塞式壓縮機制冷量不超過0.5KW，主要應用于家用電冰箱/冷凍櫃和小型商用制冷設備。

2、渦旋式壓縮機制冷量範圍為0.75～15KW（不包括特殊型号），并且多數在3～5KW之間，最多應用是在小型家用空調、商用空調系統中。此類壓縮機不用于零下5度的制冷工況。

3、離心式制冷壓縮機主要用于空調工況的冷水機組。

4、螺杆式壓縮機單機制冷量在30kw-1500kw，可用于冷庫、人造冰場、冷水機組中。

5、半封閉活塞式制冷壓縮機用途廣泛，單機制冷量從3kw-100kw，同時可以多機頭并聯使用，因此可提供制冷量範圍從3kw-1000kw，多工況使用，既可用于制冷工況，又可以适用于空調工況。

6、開啟活塞式制冷壓縮機隻常用于冷庫，極少數空調工況的冷水機組。

機械應用

随着能源的形式日趨緊張,節能降耗是産品發展的一大趨勢。另外由于中國城鎮化水平的不斷提高，建築能耗不斷增加。具有最高性能系數的離心冷水機組無疑将成為市場的熱點,近年來離心冷水機組的銷量不斷提高。

性能參數

制冷壓縮機的基本性能參數

一、實際輸氣量（簡稱輸氣量）

在一定工況下，單位時間内由吸氣端輸送到排氣端的氣體質量稱為在該工況下的壓縮機質量輸氣量。

二、容積效率

壓縮機的容積效率是實際輸氣量與理論輸氣量之比值，它是用以衡量容積型壓縮機的氣缸工作容積的有效利用程度。

三、制冷量

制冷壓縮機是作為制冷機中一重要組成部分而與系統中其它部件，如熱交換器，節流裝置等配合工作而獲得制冷的效果。因此，它的工作能力有必要直觀地用單位時間内所産生的冷量，單位為匹，它是制冷壓縮機的重要性能指标之一。

四、排熱量

排熱量是壓縮機的制冷量和部分壓縮機輸入功率的當量熱量之和，它是通過系統中的冷凝器排出的。這個參數對于熱泵系統中的壓縮機來講是一個十分重要的性能指标；在設計制冷系統的冷凝器時也是必須知道的。

五、指示功率和指示效率

單位時間内實際循環所消耗的指示功就是壓縮機的指示功率Pi，單位為kw，它等于式中Wi每一氣缸或工作容積的實際循環指示功，單位為J。

制冷壓縮機的指示效率hi是指壓縮1kg工質所需的等熵循環理論功與實際循環指示功之比。它是用以評價壓縮機氣缸或工作容積内部熱力過程完成的完善程度。

六、軸功率、軸效率和機械效率

由原動機傳到壓縮機主軸上的功率稱為軸功率Pe，單位為kW，它的一部分，即指示功率Pi直接用于完成壓縮機的工作循環，另一部分，即摩擦功率Pm，單位為kW，用于克服壓縮機中各運動部件的摩擦阻力和驅動附屬的設備，如潤滑用液壓泵等。

七、電功率和電效率

輸入電動機的功率就是壓縮機所消耗的電功率Pel，單位為kW。電效率是等熵壓縮理論功率與電功率之比，它是用以評定利用電動機輸入功率的完善程度。

八、性能系數

為了最終衡量制冷壓縮機的動力經濟性，采用性能系數，它是在一定工況下制冷壓縮機的制冷量與所消耗功率之比。

機械噪聲

噪聲已被視為嚴重污染之一。作為家用制冷設備的動力源和心髒，制冷壓縮機的噪聲問題，以成為衡量其綜合性能的一個重要指标。實際上對于一台壓縮機來講，大部分噪聲都是由于殼體被某些噪聲源激發所産生的（例如被彈簧、制冷劑壓力脈動、排氣管、潤滑油量等激發）。但壓縮機的噪聲源和傳遞途徑複雜多樣，這就給壓縮機的消聲降噪帶來了很大困難。制冷壓縮機的主要噪聲源由進、排氣輻射的空氣動力噪聲、機械運動部件産生的機械噪聲和驅動電機噪聲三部分組成：

空氣動力噪聲

壓縮機的進氣噪聲是由于氣流在進氣管内的壓力脈動而産生的。進氣噪聲的基頻與進氣管裡的氣體脈動頻率相同，與壓縮機的轉速有關。壓縮機的排氣噪聲是由于氣流在排氣管内産生壓力脈動所緻。排氣噪聲比進氣噪聲弱，所以，壓縮機的空氣動力性噪聲一般以進氣噪聲為主。

機械噪聲

壓縮機的機械性噪聲，一般包括構件的撞擊、摩擦、活塞的振動、氣閥的沖擊噪聲等，這些噪聲帶有随機性，呈寬頻帶特性。

電磁噪聲

壓縮機的電磁噪聲是由電動機産生的。電機噪聲與空氣動力性噪聲和機械性噪聲相比是較弱的。壓縮機噪聲源中進、排氣空氣動力性噪聲最強，其次為機械性噪聲和電磁噪聲。通過深入研究，可以進一步認為壓縮機噪聲主要來自殼體振動（系由彈簧、制冷介質壓力脈動和吸、排氣管以及潤滑油激勵産生）并向周圍空氣介質傳播而形成噪聲。

噪聲治理

圍繞降低壓縮機輻射噪聲，衆多文獻提出了一系列的降噪減振措施和方案：增加殼體結構整體剛性以提高共振頻率且降低振動幅值；避免殼體曲率的突變，對于曲面而言，固有頻率與曲率半徑成反比，因此殼體形狀應采用最小的曲率半徑；将懸挂彈簧支承移至具有較高剛性的位置；殼體應采用盡可能少的平面；彎曲應力與膜應力的耦合（隻出現在曲面上）會使殼體本身具有較大的剛性，因此壓縮機殼體應盡可能少地采用平面結構。

避免排氣管路和冷凝器的激勵，優化排氣氣流脈動，采用在排氣管路中引入附加容積的方法來消除壓力脈動譜中的高階諧波量；采用非對稱的殼體形狀；具有對稱結構意味着具有三維主軸，沿主軸應力最大且阻力最小。因此具有不對稱壓縮機殼體結構意味着能夠大大減小沿某一主軸方向作用力同時出現的幾率；設置進、排氣消聲器，封閉式壓縮機中的消聲器一般為抗性消聲器，它利用管道截面變化、共振腔引起聲阻抗改變來反射或消耗聲能，或利用聲程差使聲波相位相差180度來抵消消聲器内的噪聲。

節能改造

制冷壓縮機在啟動時，電機的電流會比額定高5-6倍的，不但會影響電機的使用壽命而且消耗較多的電量。系統在設計時在電機選型上會留有一定的餘量，電機的速度是固定不變，但在實際使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必要的。變頻器可實現電機軟啟動、通過改變設備輸入電壓頻率達到節能調速的目的，而且能給設備提供過流、過壓、過載等保護功能。國内比較有名氣變頻器廠家有三.晶、英威騰等