制冷压缩机-往复式上.ppt

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1、第三章 往复式制冷压缩机,郑艺华生物系统热科学与技术研究所,3-1 概述,按使用的工质分类 氨压缩机、氟利昂压缩机、异丁烷压缩机等。按气缸布置方式分类 卧式、直立式和角度式三种类型。按压缩机的密封方式分类 开启式和封闭式两大类。按制冷量的大小分类配用电动机功率不小于0.37kW、气缸直径小于70mm的压缩机为小型活塞式制冷压缩机；气缸直径为70170mm的压缩机为中型活塞式制冷压缩机。按气体压缩的级数分类 分为单级压缩和多级(一般为两级)压缩制冷压缩机。如果有一台压缩机来实现两级压缩，则又称为单机双级制冷压缩机。按活塞行程分类 分为短行程和长行程两种。,压缩机的型号及基本参数,按GB10871

2、1989规定，小型活塞式单级制冷压缩机的型号表示如下：25F44表示2缸，50mm缸径，氟利昂，44mm行程开启式压缩机的基本参数规定：气缸直径为60mm、转速范围为6001500r/min。半封闭式压缩机基本参数规定：气缸直径为30mm40mm50mm60mm，名义转速为1440r/min。,表2-1 小型活塞式单级制冷压缩机的基本参数,中型活塞式单级制冷压缩机的型号表示：,812.5ACG 表示8缸，缸径12.5cm，氨制冷剂，110mm行程，高冷凝压力,表2-2 中型活塞式单级制冷压缩机的基本参数,压缩机组型号表示：,目前国内生产厂家在样本等资料上，仍习惯于沿用老的压缩机型号表示方法，即

3、,气缸中心线夹角：V型90；W型60；Y型120；S型45。,3-2 基本结构和工作原理,3-3 热力性能,容积型压缩机的单机功率可以从几十瓦到几千千瓦的范围。尽管结构型式众多，但究其热力学基础还有许多部分是相同的。,忽略容积损失、质量损失和其他不可逆损失。压缩机没有余隙容积吸气与排气过程中没有压力损失吸气与排气过程中无热量传递无漏气损失无摩擦损失,理想工作过程：4-1：吸气过程（下止点）1-2：压缩过程 2-3：排气过程（上止点）完成一个循环。,容积型压缩机的实际性能,现实中，理论循环始终是不可能实现的。许多不可避免的损失使压缩机的实际性能偏离了理想的情况，其结果是输气量的减少和功率消耗的增

4、加。具体情况如下：压缩机中的压力降。制冷剂的受热。气阀运动规律不完善带来的效率下降。制冷剂泄漏的影响。再膨胀的影响。压缩过程偏离等熵过程。压缩过程的过压缩和欠压缩。润滑油循环量的影响。压缩机的机械摩擦损失和内置电动机(封闭式压缩机)的电动机损失。,内容积比Vi 是指这类压缩机中吸气终了，压缩刚要开始时的工作容积 Vcys与压缩终了，刚要开始打开排气口时的工作容积Vcyc间的几何比例关系，即对应的内压力比,假定压缩过程是多变过程，则上述循环所消耗的指示功为不存在过压缩和欠压缩的情况，则所耗指示功为,一、往复式压缩机的实际循环,实际过程相当复杂。利用示功器记录不同活塞位置或曲轴转角时气缸内部气体压

5、力的变化。得到,实际循环和理论循环比较,具有相同吸、排气压力，吸气温度和气缸工作容积的压缩机实际循环示功图与理论循环指示图以及相应的温熵图对照比较，可发现有以下几方面的区别：余隙容积Vc中的气体在膨胀过程中与所接触的壁面发生热交换，其强烈程度和热流方向随时间而变。所以，过程的多变过程指数是一个随时间而变化的数值，与理想的等熵过程不同。余隙容积Vc的影响。由于吸气阀的弹簧力，使余隙容积中的气体一直膨胀。在压缩过程中，缸内气体与所接触壁而进行热交换。在排气过程中，气体需克服流动阻力引起的差异。气缸内部的不严密性和可能发生的吸、排气阀延迟关闭都会引起气体的泄漏损失；就进入压缩机的制冷剂成分和状态而言

6、，在理论循环中假设制冷剂为纯粹的干蒸气但在实际运转时往往有一定数量的润滑油随同制冷剂在制冷系统中循环。此外，有时被吸人的制冷剂为湿蒸气这些均影响压缩机的输气能力和能耗。,二、影响性能参数的因素,容积效率指示功率和指示效率机械效率和轴效率电动机效率和电效率,容积效率,压缩机的容积效率是压缩机实际输气量与理论输气量之比值。衡量气缸空间利用程度的指标。影响压缩机的制冷量、尺寸及能耗。,一定工况下，单位时间内由吸气端输送到排气端的气体质量称为在该工况下的压缩机质量输气量，单位为kg/h。若按吸气状态的容积计算，则容积输气量，单位为m3/h。,各种影响因素,容积系数：反映余隙容积对容积效率影响的大小。压

7、力系数：反映吸气终了压力降对容积效率的影响程度。温度系数：衡量气体在吸气过程中的温升对容积效率的影响程度。泄漏系数：容积效率：,容积系数,主要与压力比、相对余隙容积和多变膨胀指数有关。保持c和m不变，压力比愈大，容积系数因膨胀容积的增大而愈来愈小。Pdk不变时，压力比随Ps0的减少而增大。当压力比达到一定的数值时，压缩机停止向外输气。因此单级往复式压缩机的最大压力比，无论从输气效率还是从能耗和排气温度来看，都应当受限制，一般不超过10。对于低温制冷系统应采用多组压缩机来实现其高压力比。相对余隙容积c愈小，在相同的c和m值条件下容积效率愈大。相对余隙容积主要由活塞处于外止点时，活塞顶而和阀板底面

8、间的容积、第一道活塞环以上的环形空间以及气阀通道(与气缸一直相通的通道)的容积三部分组成。缩小c会受到结构、工艺和气阀通流能力的限制。c值的确定还和压缩机的结构参数SD(行程缸径)有关。SD大的压缩机易获得较小的c值。多变膨胀指数m的数值取决于制冷剂的种类和膨胀过程中气体与接触壁面的热交换情况。随着热交换的方向和强度而不断变化。在新设计氨压缩机的热力计算中，m，对于氛利昂压缩机，m。,压力系数,是由点1压缩至压力点6时引起的容积损失，可由多变压缩过程方程式求取。由于接近，令其压缩过程指数等于1的计算误差很小，因此可得,吸气过程中，吸气压力损失是变化的(产为气缸中制冷剂的瞬时压力)。当吸气接近结

9、束时，由于活塞速度降低，流经吸气管和吸气阀的气体流速变小，其随之减小。吸气阀在等于或略小于吸气阀的弹簧力时开始关闭。弹簧力过强，吸气阀提前关闭，使压力损失增加，降低了压力系数；反之，弹簧力过弱会产生吸气阀延迟关闭的有害现象。使吸气阀及时关闭的弹簧力与这时要克服的气阀两例的压力差有直接关系，而后者与吸气流道中制冷剂的密度成正比、与流速的平方成比例。这就是说，吸气压力损失也与这些因素有关。制冷剂的密度愈大、流动的速度愈高，引起压力系数的下降。对于低温制冷机，因其蒸发压力很低，故弹簧力的选取对压力系数的影响较大，此时应适当降低其吸气阀弹簧力。当吸气管道中出现较大的压力波动时，压力系数的数值会受到影响

10、，影响的程度取决于吸气终了时压力波的相位和振幅。如果吸气阀前的压力处于压力波的波峰则气缸中的吸气终了压力接近甚至高于吸气压力，出现压力系数1的情况。反之，若处于压力波的波谷，压力系数具有更低值。,温度系数,制冷剂从进入压缩机起(在全封闭压缩机中，从进入机壳起)，至气缸中压缩开始前，一方面不断受到所接触的各种壁面的加热，另一方面与具有较高温度的余隙容积中的气体相混合。此外又加入了由于流动不可逆损失转化成的热量。在等压条件下，制冷剂蒸气的密度与温度成反比。则吸入终了时制冷剂的密度小于在压缩机进口状态下的密度，这就降低了压缩机的质量输气量。,温度系数与压缩机的运行工况有关。Tk的上升或T0的下降，即

11、压力比c的增加会使温度系数减小，这是因为压缩机和吸入蒸气的温度差距增大，加强了蒸气吸热程度的缘故。此外，温度系数还与压缩机的转速、冷却强度、热交换面积的大小、内置电动机的效率、制冷剂的种类等因素有不同程度的联系。,泄漏系数,在单级制冷压缩机中，影响输气量的泄漏发生在活塞、活塞环和气缸壁面间以及吸排气阀密封面的严密处。此外，气阀延迟关闭也会造成蒸气倒流的泄漏损失。泄漏系数不能从示功图直接求得。但会引起示功图中过程线的变化。在压缩过程中，若高压腔蒸气因排气阀不严密而漏入气缸，则压缩线变陡；若蒸气通过气缸和吸气阀的不严密处由气缸漏出，则曲线变平坦。膨胀过程相反。从气缸中泄漏的热蒸气还会增加压缩机吸入

12、蒸气的温度、排气温度和内置电动机定于绕组温度降低了压缩机的性能、工作可靠性和耐久性。与压缩机的转速、活塞环结构、气阀密封面的精澄、磨损程度以及润滑状态等有关。一般推荐要减少泄漏损失，必须注意气阀的设计、制造和安装质量，防止发生延迟关闭引起的蒸气倒流。,容积效率的特性曲线,容积效率与压缩机的运转工况和结构设计有关。,双级压缩机的容积效率,双级压缩机的容积效率，不同的方法有不同的容积效率的定义。双机双级压缩；单机双级压缩。,单机双级压缩的容积效率,2、指示功率和指示效率,单位时间内实际循环所消耗的指示功就是压缩机的指示功率，单位为kW制冷压缩机的指示效率是指压缩1kg工质所需的等熵循环理论功与实际

13、循环指示功之比,指示功率和指示效率,指示功率取决于压缩机的气缸数、转速和每一循环的指示功。指示功率可根据制冷压缩机的质量输气量、等熵压缩比功、和指示效率计算决定。,3、轴功率、轴效率和机械效率,由原动机传到压缩机主轴上的功率称为轴功率。轴效率是等熵压缩理论功率与轴功率之比，用它可以评完主轴输入功率的利用完善程度，较适用于开启式压缩机。机械效率是指示功率和轴功率之比，用它可以评定压缩机摩擦损耗的大小程度。,轴效率,衡量压缩机轴功率有效利用程度的指标为轴效率，它等于机械效率和指示效率的乘积。轴效率在低压力比范围内的降低主要是由于指示效率的下降所致。,选用合适的气缸间隙，对主轴承和连杆进行优化设计，

14、适当减少活塞环数。选用合适的润滑油，调节其温度，使润滑油在各种工况下维持正常的粘度。加强曲轴、曲轴箱等零件的刚度，合理提高其加工和装配精度，降低摩擦表面的粗糙度等。,提高机械效率方式,4、电功率和电效率,输入电动机的功率就是压缩机所消耗的电功率。电效率是等熵压缩理论功率与电功率之比，它是用以评定利用电动机输入功率的完善程度。对于封闭式制冷压缩机：,电动机效率和电效率,电效率等于轴效率和电动机效率之乘积。单相和三相的内置电动机在名义工况下，其电动机效率范围一般在0.600.95之间，对大功率电动机取上限，小功率电动机取下限。单相与三相比较，则单相电动机的较差。制冷压缩机的电动机的工作特点是输出功

15、率随负荷、电压和季节的变化有较大的波动。为此，要求压缩机在最大和最小功率工况范围内运行时，其电动机效率变化不大，并在名义工况下具有最大值。,性能系数,为了最终衡量制冷压缩机的动力经济性，采用性能系数COP，它是在一定工况下制冷压缩机的制冷量与所消耗功率之比。对于开启式压缩机，其性能系数为对于封闭式压缩机，其性能系数为另称为：单位输入功率制冷量；能效比EER,5、压缩机的排气温度,制冷压缩机的排气温度过高会引起压缩机的过热，它对压缩机的工作有严重的影响。压缩机的过热会降低其容积效率和增加能耗。润滑油粘度会因此而减小，使轴承产生异常的摩擦损坏，甚至引起烧瓦事故。过高的压缩机排气温度促使制冷剂和润滑

16、油在金属的催化下出现热分解，生成对压缩机有害的游离碳、酸类和水分。压缩机的过热还会招致活塞在气缸里被卡住，以及内置电动机的烧毁。制冷压缩机的温度水平在很大程度上是影响其使用寿命的重要因素。这是因为化学反应速度随温度的升高而加剧。,压缩机的排气温度取决于压力比、吸排气阻力损失、吸气终了温度和多变压缩过程指数。在低温制冷压缩机中，为了降低排气温度，还可采用直接向吸气管喷入液态制冷剂的方法。在同样的蒸发温度和冷凝温度时，不同的制冷剂有不同的排气温度。加强对压缩机的冷却，削弱对吸入制冷剂的加热，以降低吸气终了制冷剂的温度和多变压缩过程指数，如：缩小排气腔与吸气腔之间的分割面；气缸盖上设置冷却水套；吸气

17、管外包以隔热层等。,三、往复式制冷压缩机的运行特性曲线和运行界限,制冷压缩机的运行特性是指在规定的工作范围内运行时，压缩机的制冷量和功率随工况变化的关系。从制冷循环分析可知：制冷量随蒸发温度的降低而降低随冷凝温度的升高而降低。输入功率随冷凝温度的升高而升高，随蒸发温度变化而变化的规律则比较复杂。按运行特性绘制的曲线称为运行特性曲线。每张运行曲线图上有两组曲线，一组为输入功率，另一组为制冷量，据此可求得不同工况下的制冷量和输入功率。,运行界限,运行界限是压缩机运行时蒸发温度和冷凝温度的界限。,运行特性曲线的测定,3-4 制冷系统中压缩机的运行平衡点,压缩机运行特性曲线给出了不同冷凝温度和不同蒸发

18、温度时压缩机的制冷量和输入功率。在画出运行特性曲线时，认为蒸发器、冷凝器以及节流元件能保证压缩机在规定的冷凝温度和蒸发温度范围内，以任意的冷凝温度设定值和蒸发温度设定值运行，但在制冷装置中，受蒸发器、冷凝器的结构、尺寸及工作条件(如风温、风速)的制约，冷凝温度和蒸发温度的并不能任意设定。例如：对于一台制冷装置，当用于冷却冷凝器中制冷剂的流体入口温度及蒸发器中被冷却流体的入口温度已定时，冷凝温度和蒸发温度即被确定。此时制冷装置达到了运行的平衡点，其制冷量和压缩机输入功率可按该运行平衡点以及对应的冷凝温度和蒸发温度从压缩机运行曲线求得。制冷装置的运行平衡点同时也是该装置中压缩机的运行平衡点，该平衡

19、点需用描述压缩机、冷凝器和蒸发器的热力学特性的一组公式联立求解确定。,3-5 驱动机构和机体部件,曲柄连杆机构的作用是将曲轴的旋转运动变为活塞的往复式运动，实现压缩机的工作循环。曲柄滑块机构,一、活塞组,活塞组是活塞、活塞销、活塞环等的总称。活塞组在连杆的带动下，在气缸内作往复运动，在气阀部件的配合下完成吸入、压缩和输送气体的作用。活塞 筒形活塞分顶部、环部和裙部三部分。活塞销 活塞销用来连接活塞和连杆小头。活塞环 活塞环有气环和油环两种。,1、活塞,筒形活塞由顶部、环部、裙部与活塞销座四个部分组成。活塞顶部承受气体压力。为了保证顶部的承压能力而又减轻活塞重量往往在其内侧设有加强筋。为了减少余

20、隙容积，活塞顶部的形状应与气阀机构的形状相配合。有时为了填塞阀板上排气通道的容积，在活塞顶上设置凸环，亦有在活塞顶部铣削出各种形状的浅槽或凹坑的结构，以配合吸气阀片或凸出物。活塞安装活塞环的圆柱形部分称为环部，其上开设容纳活塞环的环槽。油环槽开设在气环槽的下面，在油环槽的槽底及环槽下的区域四周没有多个回油孔，与活塞内腔沟通，以利回流。在侧向力和气体力的作用下，活塞的裙部产生变形。为了变形后的活塞裙部仍能保持圆形，往往在铝合金活塞的活塞销座周围表面的部位铸成局部凹陷或偏心车削成椭圆。小型全封闭式压缩机的铸铁活塞因其尺寸小、刚度大、热膨胀小，无须采用类似措施。,2、活塞销,活塞销与连杆小头和活塞销

21、座配合，传递来自气体的作用力及曲轴的动力。与连杆小头和活塞销座之间的配合方式：活塞销与连杆小头和活塞销座之间均有相对运动，因而减少了每一对摩擦表面的相对运动速度，降低磨损，且易于安装。活塞销固定在活塞销座上，这样销座可短些，连杆小头中的衬套可加长，降低了比压。活塞销用优质碳钢或合金钢制造，采用空心的结构。,3、活塞环,气环的作用是密封气缸的工作容积，防止压缩气体通过气缸壁与活塞表面之间的间隙泄漏到曲轴箱中。油环的作用是刮下附着于气缸壁上多余的润滑油，并使壁面上油膜分布均匀。,二、连杆组,连杆组部件由小头衬套、连杆体、大头轴瓦、连杆螺栓、大头盖、螺母及开口销等组成。连杆的作用是将活塞与曲轴连接起

22、来，将曲轴的旋转运动变为活塞的往复运动。连杆与曲轴相连的一端称连杆大头，作旋转运动；另一端通过活塞销与活塞相连的部分，称为连杆小头，作往复运动；大头与小头之间称为连杆体，作往复与摆动的复合运动。连杆大头有剖分式和整体式两种。前者可用于行程较长的制冷压缩机，有平切口和斜切口，平切口易于加工，且连杆不受剪切作用，但大头横向尺寸大；后者结构简单，便于安装。连杆小头一般为整体式圆环形结构。连杆体的截面形状有工字形、圆形等。有些连杆体中间钻有油孔，以便使润滑油能由大头通过油孔送到小头，润滑小头轴承。,三、曲轴,曲轴是压缩机的重要部件之一，压缩机的全部功率都通过曲轴输入。曲轴受力情况复杂，要求有足够的强度

23、、刚度和耐磨性。在中小型制冷压缩机中，最为常见的是曲柄轴、曲拐轴和偏心轴两种类型。曲柄轴。它由主轴颈、曲柄和曲柄销（又称连杆轴颈）三部分组成。承载较小，用于功率小的场合。曲拐轴简称曲轴。具有曲拐，可用于较大行程。偏心轴结构多用于小型全封闭或半封闭式压缩机中。连杆大头采用整体式，装在偏心轮上，轴的一端作为电动机的主轴，主轴承和连杆都采用滑动轴承，润滑油从轴上的油孔进入连杆轴承。曲轴除了起传递动力的作用外，通常还起输送润滑油的作用。,曲柄,曲柄滑块机构(滑管式和滑槽式）,滑管式压缩机广泛用于各种家用制冷设备(如冰箱)中，其优点是结构简单，尺寸紧凑，但不能承受大的载荷。近年来，十字型布置的滑槽式驱动

24、机构获得人们的重视，且有扩展到制冷压缩机领域以外延伸到高压无油润滑压缩机之趋势。,二、滑管式驱动机构,常见于小型全封闭制冷压缩机。驱动机构中无连杆，曲轴为曲柄轴。其结构十分简单、紧凑，对于加工和装配是十分有利的。曲轴旋转时，曲柄销带动滑块作垂直方向和水平方向的运动，因为受到滑管的约束，滑块不能绕曲轴销中心线转动滑块在垂直方向的运动传递给滑管，进而传递给活塞，使其作垂自方向的体复运动，完成气缸内的工作过程。滑块在水平方向的运动，通过滑块与滑管之间的相对运动使滑管仍然保持在水平方向的位置。,受力分析,主轴颈中心应当移动，但移动距离应适当。,三、滑槽式驱动机构,一种无连杆的往复式压缩机驱动机构。止转

25、框架相当于滑管式驱动机构中的滑管，但止转框架上的滑槽表面为平面，因而在滑槽中滑动的滑块表面也是平面，而非滑管式中的圆柱表面。滑槽式驱动机构拖动的活塞有四个。每个止转框架的两侧装两个，构成对置式。两个框架相互垂直。当曲轴转动时，曲柄销带动滑块运动，因为止转框架与活塞刚性地联结在一起只能在活塞中心线的力向运动，从而限止滑块只能作垂直方向和水平方向的运动而不能转功，这一点与滑管式驱动机构中滑块的运动是相同的。曲轴旋转使活塞往复运动，完成压缩机的工作循环。,四、斜盘式驱动机构,斜盘式制冷压缩机的活塞由一固定在主轴上的斜盘驱动，固定在主轴上的斜盘旋转时，推动活塞，使其作往复运动。斜盘式压缩机取消了传统的

26、曲柄连杆机构或曲柄滑块机构，特别适宜于用高速转动的原动机直接驱动的往复式压缩机。斜盘式制冷压缩机结构紧凑，重量轻，转速范围宽，能适应于高环境温度下运行，产生的往复惯性力自动平衡，被广泛用于汽车空调系统中。由于汽车运行中转速的变化，使压缩机的制冷剂流量也随之发生相应的变化，因而在制冷系统中装有吸气节流阀和电磁旁通阀，达到控制流量和稳定吸气压力的目的。,压缩机的气缸布置方式,压缩机的工作条件下同，因而产生了各种不同的压缩机气缸布置方式。每种布置方式有其合理的应用场合。按气缸所处的位置可将其布置方式分：卧式和立式。角度式。十字形。,机体、气缸套和机壳,机体是支承压缩机全部质量并保证各零部件之间有正确

27、的相对位置的部件。机体包括气缸体和曲轴箱两个部分。安装气缸套的部位称为气缸体，安装曲轴的部位称曲轴箱。装在机体上的还有气缸盖、轴承座等零部件。机体是整个压缩机的支架，因而要求其有足够的强度和刚性。机体的结构型式很多，有的带气缸套，有的气缸是直接在机体上加工而成。高速多缸压缩机的机体常采用气缸体和气缸套分开的结构型式。这种结构型式的机体刚性好、结合面少、结构简单，气缸套和机体可分别采用不同的材料，对气缸体的要求低，所以为国内外高速多缸的压缩机广泛采用。,气缸套,气缸套采用优质耐磨铸铁铸造，也可对工作面进行多孔性镀铬和离子氮化处理，以提高使用寿命。,全封闭压缩机的机壳,轴封装置,轴封装置是开启式压缩机的重要部件之一。作用是防止曲轴箱内的制冷剂通过曲轴伸出端向外泄漏，或者压缩机在真空下运行时，不致使外界空气通过曲轴伸出端向曲轴箱内渗透。密封原理：依靠密封材料、曲轴和机体构成的三个密封面。轴封装置主要有波纹管式和摩擦环式两种。,