制冷压缩机第五章.ppt

第五章 涡旋式制冷压缩机 Scroll Refrigerating Compressor,第五章,第五章,第一节 工作原理、总体结构及其特点第二节 热力过程分析第三节 热力计算实例第四节 运动机构受力分析第五节 密封与防自转机构第六节 输气量调节,主要内容,第一节 工作原理、总体结构及其特点,第五章,一、工作原理二、总体结构三、特点四、发展趋势及研究现状,第五章,属容积型（回转式）压缩机；由法国人发明，1905年在美国取得专利，1982年日本三电公司生产出汽车空调用涡旋式压缩机；为目前较新型的制冷压缩机，广泛用于570kW功率范围。,涡旋式压缩机简介,第五章,由动、静涡旋体、曲轴、机座、防自转机构组成；由动、静两个涡旋盘相错180o对置而成，它们在几条直线(在横截面上为几个点)上接触并形成一系列月牙形容积（基元容积）；动涡旋盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动，绕静涡旋盘平动，两者间的相对位置靠安装在动涡旋盘与固定部件间的十字滑环保证。,结构组成,一、工作原理,第五章,动、静涡旋体型线均为螺旋形，动涡旋体相对静涡旋体偏心并相差180对置安装。它们轴向在几条直线上接触，在动静涡旋体间形成一系列月牙形空间，即基元容积。动涡旋体以静涡旋体中心为旋转中心作无自转回转平动，外圈月牙形空间不断向中心移动，基元容积不断缩小。,基元容积,第五章,工作原理,静涡旋体最外侧开有吸气孔，其顶部端面中心开有排气孔。制冷剂气体从吸气孔进入动、静涡旋体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，其容积不断缩小压力不断升高，直至与中心排气孔相通，高压气体被排出压缩机。思考:涡旋压缩机是否可以反转?,第五章,低压气体从机壳顶部吸气管1直接导入涡旋板四周，封在月牙形容积中，然后被压缩；高压气体由静涡旋体5的中心排气孔2进入排气腔4，并通过排气通道6被导入机壳下部去冷却电动机11，与润滑油分离后由排气管19排出；十字滑环18是上、下两面设置互相垂直的两对凸键的圆环，其作用是防止动涡旋体倾斜和自转。背压腔8的作用是平衡轴向力和力矩；润滑系统：压差供油,结构与工作过程,第五章,工作过程（图5-2）,动涡旋体中心,静涡旋体中心,静涡旋体,动涡旋体,动涡旋体中心位于静涡旋体中心的右侧，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体，完成了吸气过程。,第五章,压缩腔,排气孔,随着曲轴转动，动涡旋体作回转平动，动静涡旋体保持良好啮合，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。,工作过程,第五章,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，开始进入排气过程，直至中心腔室的空间消失，排气过程结束。,工作过程,排气孔,第五章,工作过程说明,涡旋圈数为3圈，曲轴旋转3周(即曲轴转角1080)，涡旋体外圈分别开启和闭合三次，分别完成3次吸气过程、压缩及排气过程。即每当最外圈形成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；不同的涡旋圈数，压缩过程的转角不同，涡旋圈数愈多转角愈大；吸气、压缩、排气等过程同时和相继在不同的月牙形空间中进行。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，中间月牙形空间一直进行压缩过程。,第五章,工作过程特征,吸、排气连续进行，从吸气开始至排气结束需经动涡旋体多次回转平动才能完成,故转矩较均衡，气流脉动小，振动小，噪声低；各月牙形空间之间压差较小，故泄漏少；进排气分别在涡旋外侧和内侧，减轻了吸气加热；采用排气冷却电动机，减少了吸气过热度，提高了压缩机效率；由于机壳内为高压排出气体，排气压力脉动小，振动、噪声小；余隙容积中气体没有向吸气腔的膨胀过程，不需进气阀，容积效率高，可靠性高。,第五章,二、总体结构,目前仅有小型全封闭及开启式两种机型，采用氟利昂工质。主要用于汽车空调及家用及商用热泵型空调器中。,第五章,吸气管,立式全封闭型,排气管,吸气过电机、排气过电机各自特点,第五章,卧式全封闭型,第五章,汽车空调用涡旋式压缩机,各类压缩机的应用范围,第五章,相邻两室的压差小，气体的泄漏量少；由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压力上升速度较慢，故转矩变化幅度小、振动小；没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程；无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低；由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放；机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了输气系数；涡线体型线加工精度高，必须采用专用的精密加工设备；密封要求高，密封机构复杂。,第五章,三、特点,第五章,效率高吸气、压缩、排气连续单向进行，直接吸气，因而吸入气体的有害过热小；没有余隙容积中气体的膨胀过程，容积效率高（高达95以上）；两相邻压缩腔中的压差小，气体泄漏少；动涡旋体上所有接触线转动半径小，运动速度低，摩擦损失小；无吸气阀，也可不设置排气阀，气流的流动损失小；涡旋式压缩机的效率比往复式约高l0。,第五章,第五章,力矩变化小，振动小，噪声低压缩过程较慢，并可同时进行两三个压缩过程，机器运转平稳，且曲轴转动力矩变化小，其转矩为滚动转子式和往复式的1/10；气体基本连续流动，吸、排气压力脉动小，因此振动、噪声小。,第五章,结构简单，体积小，重量轻，可靠性高构成压缩室的零件数与滚动转子式及往复式之比为1:3:7，其体积比往复式小40，重量轻 15；没有吸、排气阀，易损件少；有轴向、径向间隙可调的柔性机构，能避免液击，可靠性高；在高转速下运行可保持高效率和高可靠性，其最高转速可达13000rmin。制造需高精度的加工设备及精确的调心装配技术，限制了其制造及应用。,第五章,涡旋式压缩机的优点,第五章,优化结构，简化生产工艺，降低生产成本涡旋体型线研究，提高密封性能，减少磨损图5-10 双涡旋体型线双作用压缩机：采用双作用涡旋盘，动涡盘两面有完全对称的型线，分别与两侧静涡旋盘型线啮合。此结构两侧气体力完全平衡，可减少轴向磨损和气体泄漏。扩大应用范围（低温领域、新工质）计算机仿真优化设计 采用新材料、新机构，减少机械摩擦损失、气体泄漏损失、传热 损失和气流阻力损失，提高涡旋压缩机的工作效率和工作可靠性。变容量调节新技术：数码涡旋压缩机,四、发展趋势及研究现状,第二节 热力过程分析,第五章,一、涡旋体型线（涡旋参数）二、压缩室容积及吸气容积三、输气量四、内压缩五、涡旋式压缩机的功率,第五章,涡旋体型线：圆的渐开线 图5-12 主要涡旋参数：基圆半径渐开线起始角涡旋体壁厚涡旋体节距涡旋体高压缩腔室对数涡旋圈数,一、涡旋体型线,思考：偏心轴的偏心距是多大？,第五章,将两个相同涡旋参数的涡旋体中的一个旋转180，再平移回转半径R=0.5(P-2t)=r(-2)距离，使两涡旋体相互相切接触，可形成若干对月牙形空间，此即涡旋压缩机的压缩室容积。,二、压缩室容积及吸气容积,图5-15 两涡旋体构成的压缩室投影面积,图5-15示出圈数为3.25时形成的三对月牙形面积,规定其构成的压缩室由最内向外排定序号为室）,第五章,1、压缩室容积,（5-8）,当两涡旋体构成的压缩室大于3个，则除中心压缩室以外，任一对压缩室容积的通用计算式为：,中心压缩室容积为：,（5-11）,其中，S1为中心压缩室的投影面积。,第五章,当动涡旋体转角0时，最外圈压缩室容积定义为吸气容积。若涡旋式压缩机有N对压缩腔，吸气容积计算式为：,2、吸气容积,（5-12）,（即吸气容积按式（5-8）计算，式中的i=N,=0）,第五章,压缩室容积V是动涡旋体转角的函数：=0时第室容积完全闭合；=2时第室变为第室，即V=V2()=V3(=2)；当=*时第室与第室连通，开始排气，此时的排气容积V*=V1(*)+V2(*)，但V1(*)是第室残留气体的容积，即涡旋式压缩机的余隙容积，它没有向吸气腔的膨胀过程，不影响压缩机的容积效率。思考:吸气的一周在哪里?压力如何变化（图5-20）,3、压缩室容积随转角变化曲线,V曲线,第五章,理论输气量qvt理论输气量为吸气容积与压缩机转速的乘积（m3/h）qvt 60nVs60n P(P-2t)(2N-1)h 实际输气量qva 容积效率v 定义与往复式相同,（5-13）,三、输气量,（5-14）,（5-15）,第五章,无余隙容积中气体向吸气腔的膨胀过程，容积系数v1（即涡旋式压缩机的余隙对输气量无影响）；无吸气阀，吸气为吞吸式，吸气压力损失小，压力系数p 1；中心室与吸气室通过中间压缩室隔开，余隙中的高温气体不会回流到吸气室加热吸入气体，加之转速高，因此温度系数T较高，近似有T 1；由于涡旋式压缩机各圈压缩空间的压力差不大，因此泄漏量较小且为内泄漏（泄漏量受轴向和径向间隙大小影响，尤其轴向间隙影响较大），在密封完善时泄漏更小；其容积效率在0.95以上，这是其它容积式压缩机不能与之相比的。,涡旋式压缩机的容积效率,第五章,内泄漏 指压缩机各压缩腔之间,压缩腔与背压腔之间的气体泄漏。表现为高压气体向低压腔泄漏,再从低压腔压力压缩到泄漏前压力,造成重复压缩消耗功率。内泄漏直接结果为增加功耗；外泄漏 指压缩机在吸气过程中与外界(大于吸气压力的高压气体)进行气体交换。高压气体进入到吸气腔内膨胀,并占据空间,使得实际吸气量减少。外泄漏不仅使功耗增加,而且还减少吸入气体量,使排气量减少和制冷量降低。,气体泄漏的种类,第五章,0-1 吸气过程1-2 吸气闭合阶段（敞开容积由大变小直至闭合）2-4 压缩过程4-5 残留气体混合5-6 排气过程,压力-转角曲线（P-）容积-转角曲线（V-）,四、内压缩,图5-21 压力转角曲线及容积转角曲线,1、压力（容积）随转角的变化曲线,第五章,容积比：指吸气容积与任意转角下的各压缩室容积之比内容积比：指吸气容积与压缩终了时的容积之比无排气阀时的计算式：式（5-18）有排气阀时的计算式：式（5-19）,2、容积比与内容积比,（5-16）,（5-17）,第五章,压力比：任意转角时各压缩室气体压力与吸气压力之比内压力比：压缩终了压力与吸气压力之比,3、压力比与内压力比,（5-20）,（5-21）,压力比越高则涡旋圈数越多，涡旋体加工越困难，通常单级压力比不超过8。,内压力比与内容积比的关系：,压力比与容积比的关系：,（5-22）,第二章,过压缩,图2-2a 发生过压缩时的P-V图,当压缩终了时汽缸中的压力 大于制冷系统中排气压力，此时压缩机的内压力比 大于系统运行中的压力比，即，此时压缩机中压缩过程发生过压缩，产生等容膨胀额外功耗。,第二章,图2-2b 发生欠压缩时的P-V图,当压缩终了时汽缸中的压力 小于制冷系统中排气压力，此时压缩机的内压力比 小于系统运行中的压力比，即，此时压缩机中压缩过程发生欠压缩，产生等容压缩额外功耗。,欠压缩,第五章,4、排气开始角,排气开始角*是指转角 时压缩机进入排气阶段。带有排气阀和不带排气阀时的*值不同。不带排气阀:,（5-23）,0是干涉点处渐开线的展角，由式5-24计算得到。,第五章,设置排气阀由于工艺过程要求制冷压缩机适应变工况运转，但定容积比的涡旋压缩机不能适应变工况要求，因此需要设置排气阀，以防止变工况时产生过压缩或不足压缩造成的附加损失。有排气阀的排气角大小取决于冷凝压力（即排气压力）和气阀弹簧力，即可根据已知的内容积比反算得出。思考：已知涡旋体各参数和吸、排气压力，求排气开始角。,内容积比的调节,第五章,六、涡旋式压缩机的功率,1、指示功的计算,不发生过压缩或欠压缩：W=Wp+Wr（多方压缩功+内部损失功）发生过压缩或欠压缩时由指示图可见，由于，造成等容压缩过程或等容膨胀过程，产生附加损失。,KJ/kg（5-28）,式中：Wi：指示功；W：压缩内功；W：附加损失功；Wp：多变压缩功；Wr：内部损失功。,第五章,2、指示功率及轴功率,第三节 热力计算实例,第五章,第五章,第五章,第五章,第五章,第五章,习题,某品牌全封闭涡旋式制冷压缩机的结构参数如下，可使用工质R22 和R407C，试求其在名义工况下的热力性能，并进行简要比较。1、结构参数 涡旋体节距 P=18mm;涡旋体壁厚 t=4mm;涡旋体高 h=24mm;涡旋体圈数 m=3.25;压缩机转数 n=5000r/min。2、名义工况（GB/T18429-2001“全封闭涡旋式制冷压缩机”）：蒸发温度：7.2；冷凝温度：54.4；液体过冷度：8.3；吸气过热度：11.1；环境温度：35。,R407c的lgp-h图,lgp,h,等温线,第五章,R407C制冷循环状态参数的确定,0,6,1,2,3,4,5,计算工况：蒸发温度：7.2 冷凝温度：54.4 液体过冷度：8.3 吸气过热度：11.1露点温度和泡点温度?粉红色的线?,由于混合工质的相变过程变温，根据ASHRAE标准规定，蒸发温度取为蒸发器入口和吸气压力露点温度的平均值，冷凝温度为排气压力下泡点和露点温度的平均值。,涡旋式压缩机的泄漏密封机构防自转机构,第五节 密封与防自转机构,第五章,一、涡旋式压缩机的泄漏1.泄漏途径通过轴向间隙的径向泄漏通过径向间隙的周向泄漏图5-30 泄漏通道2.泄漏长度径向泄漏的泄漏长度为涡旋线长度思考：周向泄漏的泄漏长度是多少？泄漏通道的面积如何计算？,第五章,二、密封机构1.轴向密封机构接触式密封 图5-32 接触密封密封材料：热压塑料及工程树脂条、层状耐磨金属非接触式密封 图5-33 油沟密封油膜的油封（在涡旋体端面开油沟）图5-34 轴向柔性密封机构,第五章,2.径向密封机构主要通过提高涡旋体及轴与轴承的加工精度和装配精度来实现径向密封。（思考：为什么要提高轴与轴承的加工精度和装配精度？）单圆曲柄轴径向密封机构 图5-35偏心轴套式径向密封 图5-36滑动衬套机构 图5-37,第五章,三、防自转机构1.十字连接环图5-382.球形联轴节图5-393.圆柱销联轴节图5-40,第五章,第六节 输气量调节,第五章,一、变转速调节二、多机并联运行调节三、变容量旁通调节,第五章,等熵效率,容积效率,5-41,以60Hz时涡旋式压缩机的效率为100%进行比较 三种压缩机的容积效率开始都随频率增加而上升。因为频率增加则转速增加，使泄漏减少；但当频率超过80Hz以后，往复式的容积效率开始下降，而涡旋式和滚动转子式的容积效率依然上升，这与其循环周期长和无吸气阀有关。这两者适用于转速在宽广范围内变化场合。等熵效率在频率50-60Hz时为最高，低于或高于此频率范围等熵效率均降低，主要因为高速时摩擦损失增大，低速时泄漏加剧。,变频压缩机工作效率比较,变转速调节特性,第五章,5-42,以60Hz时涡旋式压缩机的振动加速度比和声压级比为100%。随频率的增加，涡旋式压缩机的振动与噪声水平均增加，但在任何频率下涡旋式压缩机的振动和噪声都比活塞式及滚动转子式低，这是因为涡旋式压缩机的压缩过程长，转矩变化非常平缓，且通过惯性力的二次平衡其动力平衡性能很好。,变频压缩机振动噪声比较,变转速调节特性,第五章,一个机壳中装有两台输气量不同的立式涡旋式压缩机，其中一台由变频器驱动，另一台直接由电网供电；每台可彼此独立运行也可并联运行，其运行状态取决于空调器负荷，由微机控制；与具有单独机壳的双机并联系统相比，具有高效、可靠及成本低的优点；与相同制冷量的一台压缩机相比，在较宽的制冷量范围内有较高的COP值。,二、多机并联运行调节,5-43,第五章,汽车空调中常用,三、变容量旁通调节,通过活塞式控制阀6控制回流气体调节孔9的开启度，以控制吸入气体的回流量，从而实现输汽量调节。,原理：通过吸气回流(处于什么压力?)旁通输气量。,5-45,第五章,调节原理 依靠改变压缩机排量实现车室内温度调节，以适应空调负荷变化要求。调节过程 通过控制阀调节吸气压力和压缩机机体内压力差值，从而改变斜盘角度，进而达到改变活塞行程，实现排量变化，变化范围10156cm3/r。优点 消除了离合器吸合脱开动作引起的发动机转速波动，防止发动机熄火；减少了空调系统温度波动，大大改善舒适性；功率消耗最大可减少25%。,对比：变排量斜盘式压缩机的能量调节,第五章,在一定的转速范围内，制冷量可根据空调工况要求保持不变(曲线)，可满足汽车空调中车速增加而冷负荷变化小的要求。在转速20005600r/min的调节区域，功率消耗约降低20%(曲线)，且吸气压力稳定(曲线)，排气压力低于定容量压缩机的排气压力(曲线)。,变容量旁通调节,第五章,车内温度可保持稳定，空调舒适性好；无断续负荷产生的不可预料加减速，提高了驾驶性能；调节时压力条件得到缓和，提高了压缩机使用寿命；功率消耗降低，可减少燃料及费用。,变容量旁通调节的优点,数码涡旋：压缩机变容量调节新技术,第五章,又称数码控制变容量涡旋压缩机；基于谷轮“柔性”设计专利，10%-100%连续可调；利用变容量控制原理，通过压缩机的动、静涡旋盘离合来控制系统制冷剂流量，从而达到控制系统能量输出，系统更节能、可靠。,第五章,数码涡旋压缩机（Digital scroll compressor）,数码涡旋压缩机顶部有一个PWM（Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调节）数码容量调节电磁阀，它通过压力控制压缩机动、静涡旋盘的离合来实现卸载或负载调节。数码涡旋压缩机通过对“负载状态”和“卸载状态”时间平均的方法实现压缩机的容量调节。此技术独特、可靠，为最终用户提供了可以按房间精确控制温度的集中空调和采暖系统，比传统空调系统节能达40%。,第五章,数码涡旋压缩机的工作原理,电磁阀闭合，定涡旋盘恢复原位啮合，此即普通涡旋压缩机运行时状态，压缩机容量为100，制冷剂全部通过压缩机，此过程称“负载状态”。思考：与普通定速压缩机双位调节的区别在哪？,电磁阀打开时，定涡旋盘向上移动，压缩机容量为零，无制冷剂流量通过，此过程称“卸载状态”；,卸载状态,负载状态,应当指出,定涡旋盘向上移动的距离只有0.6-1mm.,第五章,1、容量调节广，温度调节迅速（1）变频压缩机的调节范围在50%-130%，数码涡旋压缩机是在10%-100%。（2）变频压缩机的容量输出是通过变频器分级达到，而数码涡旋通过负载和卸载时间的改变获得，容量能迅速从100%转换至10%（反之亦然），不需分步实现，属于连续和无级的调节。（3）变频压缩机必须通过中间频率，从低频到高频或反之的转换过程中存在时间的滞后量，当系统内的负荷突然发生变化时，变频系统无法立即响应负荷的变动，使得室温的波动较大，而数码涡旋技术的无级调节和宽广的调节范围确保了室内空气温度的精确控制。,数码涡旋压缩机的优势,2、电控系统简单，系统的可靠性好 变频控制系统容量调节范围较窄，所以在变频调节的同时一般采用热气旁通和液体旁通的方法来共同响应负荷的变化。数码涡旋压缩机调节范围广，不需任何一种能量旁通手段，因而减少了该部分的控制系统，同时其容量调节方法是通过机械活动达到，亦少了变频器及变频控制中复杂的电控部分，所以其电控系统简易，增加了系统的可靠性，节省了成本。,第五章,数码涡旋压缩机的优势,3、具有良好的回油特性和安装灵活性变频VRV系统在低频时，制冷剂流速较低，回油困难，系统一般设计有油分离器和回油循环。数码涡旋压缩机由于在卸载期间没有排出制冷剂，也就不存在回油的问题，而在负载时压缩机是满负荷运行，这时气流的速度足以令润滑油较充分地流回压缩机，所以数码涡旋系统在任一容量输出时回油均良好，是目前唯一不需油分离器或/和回油循环的系统，相应的控制系统也简洁。,第五章,数码涡旋压缩机的优势,4、制冷系统简单，维护方便定速空调系统和变频空调系统大多设计有热气旁通和液体旁通装置，而数码涡旋系统因能使容量最低调至10%，无需旁通系统，同时由于良好的回油特性，不需油分离器或/和回油系统。这样，制冷系统、回油系统及电气控制系统的简单化，使系统部件较变频系统减少，装置结构简单，提高了运行的安全性和可靠性，并为安装和维护提供了方便。,第五章,数码涡旋压缩机的优势,第五章,5、无电磁干涉问题，应用更广泛变频器工作时会产生高频谐波，会使供电系统的正弦电压波形发生歪变，导致诸如：降低电网的功率因素、使电容器和变压器过热、在荧光屏和示波器等上产生闪点、影响精密仪器的精度等不良后果，并会引起高电设备电容量等发热烧毁等到危险。对电源干扰要求很高的场合，变频系统受限用。而数码涡旋的负载和卸载只是一个简单的机械运动，不会产生高次谐波，克服了对电网的干扰，扩大了适用范围。,数码涡旋压缩机的优势,6、良好的除湿能力，提高了舒适性 变频系统在低容量（低频）运行时，蒸发温度较低，随着运行频率的降低，蒸发温度逐渐升高，整个运行阶段平均蒸发温度较高，而一般的空调系统多在部分负荷下运行，这就导致了除湿能力下降。而数码系统无论在何种运行比例时，其负载运行时均是全负荷，所以能在整个运行阶段保持较低的蒸发温度，尤其容量在40%至80%范围内（较常使用的容量区间），数码涡旋体现了明显的优势，所以其显热比较少，除湿能力较强，保证了高精度的湿度要求。其在低容量情况下能有效提供较好的湿度控制功能，对于相对湿度较高地区及特殊场合尤为适用。,第五章,数码涡旋压缩机的优势,第五章,特点：可根据实际能量需要灵活组合；整个组合系统采用集散控制，各机组采用独立制冷系统，在不同季节和气温下可以自动调整负荷，保证运行在节能状态；数码涡旋提供的无级容量输出，保证房间温度的控制精度在0.5，让使用者在最舒适的空调环境下工作。,数码中央空调（数码多联空调机组）,数码中央空调系统采用数码宽度脉冲调节控制的变容量涡旋压缩机，由一台室外机配置多台可单独控制调节室内机组成，是新一代模块化、集约化的多联机系统。,