技术探讨：涡旋压缩机和转子压缩机走向何方？

    

     随着工业领域深度减排需要，冷冻冷藏产业链也需向低碳转型，冷冻冷藏用制冷压缩机的生产工艺和技术创新要向绿色环保的方向迈进，不断进行技术革新来达到兼具低成本与高能效的特征，增强市场竞争力，满足市场对产品品质的高要求。

一、冷冻冷藏用涡旋压缩机研究现状

        

     

涡旋压缩机具有结构精密、体积小、可靠性高和运行平稳的特点，其产品与市场以空调为主。      

     

按照是否支持带经济器运行可将       涡旋压缩机分为喷液机型与补气机型2种       ，补气机型一般稍大于喷液机型，且运行效率也更高。      

     

凭借优异性能，近年来涡旋压缩机在冷冻冷藏领域的份额逐渐增大，大多应用于冷库和零售行业。在冷冻冷藏领域，由于需要增加经济器等部件达到更低温度，同时制造成本较高，涡旋压缩机在冷冻冷藏领域的主要方向是中高温市场，且市场占有率较低，相关的研究较少。      

     

影响涡旋压缩机的关键因素之一是压缩机内部的泄漏损失，主要包括径向泄漏与切向泄漏。       现有文献对冷冻冷藏用涡旋压缩机泄漏研究较少。相比于空调用涡旋压缩机，冷冻冷藏用涡旋压缩机的压比较大，导致压缩机内部的泄漏损失较大，因而需要更深入的理论与实验研究。      

     

目前常见的泄漏模型包括喷管模型、Fanno模型与两相流动泄漏模型，这些模型均可应用到冷冻冷藏用涡旋压缩机中，也均可为冷冻冷藏涡旋压缩机内的泄漏研究提供参考。      

     

补气技术可以应用于冷冻冷藏用涡旋压缩机，而补气量、补气压力与补气口的设置对压缩机性能有较大影响；       喷液技术同样可以应用于冷冻冷藏用涡旋压缩机，而喷液量与喷液口的设置对压缩机性能也有较大影响。冷冻冷藏用涡旋压缩机的补气技术与喷液技术还需要更深入的理论研究。另一方面，涡旋压缩机内各部件的动力学特性直接影响着压缩机的热力性能、可靠性与寿命，现有研究成果可以较好地描述干式与油润滑涡旋压缩机的动力特性。此外，涡旋压缩机内各个轴承的动力特性也将影响压缩机的轴功率。      

     

相比空调工况，冷冻冷藏工况中冷凝压力与蒸发压力相差较大，较高的压比引起压缩机内运动部件间磨损增加，进而影响压缩机的可靠性，因此，涡旋压缩机在应用范围上存在一定限制。       开发新型线是解决涡旋压缩机在冷冻冷藏工况中运行效率较低的直接手段。型线优化方面需要充分使用结构力学、空气动力学等多学科相结合的方法改善压缩机的摩擦与泄漏特性，提升压缩机的热力性能，同时需要兼顾加工与制造成本。      

     

作为螺杆压缩机的竞争对手，冷冻冷藏用涡旋压缩机的多联机组需要简化控制、降低故障率的同时向大冷量方向发展，力求推出单机竞品。       结合大数据与人工智能的方法可以针对每一台压缩机训练定制化模型，进而达到多机并联时系统的最优控制。此外，冷冻冷藏用涡旋压缩机工质选取对压缩机的性能有重要的影响。      

     

二、冷冻冷藏用转子压缩机研究现状

        

     

转子压缩机结构简单、零部件少，振动小，运转平稳，是空调中应用的主要机型。            

     

图2所示为全封式无气阀摆动转子压缩机示意图，该机型主要包括电机、压缩机及油池。近年来，房地产行业的发展速度减缓，家用空调行业饱和，滚动转子压缩机向冷冻冷藏等领域开拓市场。QB/T 5203—2017“冷冻冷藏喷液旋转式压缩机”的制定进一步加快了转子压缩机在抢占市场的速度，甚至替代了部分全封式活塞压缩机和涡旋压缩机。      

     

转子式压缩机的功率目前最大可达到8.8 kW，受到功率限制，转子压缩机难以匹配大型冷冻冷藏系统，目前主要应用场合有展示柜和小型冷库等。为了匹配较低蒸发温度带来的高压比和解决高压比带来的冷量衰减，       转子压缩机逐渐向双缸双级压缩发展，甚至有部分企业在研发三缸转子压缩机。      

     

通过多缸设计技术，转子压缩机的应用范围可以进一步扩宽，进而抢占市场份额。此外，与家用空调压缩机类似，随着制造厂商在研发上的不断投入，冷冻冷藏用转子压缩机的成本会有显著降低。       成本方面的优势会使转子压缩机在轻商用冷冻冷藏领域具有更强的竞争性。      

       

     

转子压缩机的技术发展趋势一般取决于其所在的应用场合的发展需求。      

     

蒸汽压缩制冷系统领域中转子压缩机通常为了适应新场合的工况或是新制冷剂的应用，或是为了达到更高能效、更低噪声与更低成本，相应地会进行新技术更迭。冷冻冷藏领域是转子压缩机正在进军的方向，目前缺乏深入的理论研究，而家用空调转子压缩机的技术已经较成熟，相关技术可作为参考。      

     

转子压缩机的热力性能与动力特性是影响压缩机效率的关键因素       ，国内外学者对两者的研究较详尽。      

     

（1）热力性能方面      

主要考虑泄漏特性，用于计算压缩机内泄漏量的模型有很多，包括一维等熵喷嘴模型、Fanno 模型与两相流动模型，考虑到冷冻冷藏用转子压缩机一般需要使用润滑油进行冷却，两相流动模型可以更准确地描述压缩机间隙内的流动过程。动力特性方面主要考虑转子、偏心轮轴与滑片的运动、受力及摩擦特性。考虑到压缩机各间隙内充满润滑油，针对不同运动部件间的摩擦特性可以选取大平板间流体润滑模型、边界润滑模型与轴承润滑理论等进行分析计算。      

     

（2）振动噪声方面      

转子压缩机运行时产生的噪声主要包括机械性噪声和流体动力性噪声。机械性噪声主要由固体振动所产生，包括各运动部件间的碰撞、摩擦和振动等。而流体动力性噪声主要由压缩机内流体振动所产生，主要包括压缩机吸气及排气产生的流体动力性噪声，其中排气侧高压气体气流脉动诱发的流体动力性噪声更显著。制造厂商一般采用在排气阀上加装消音器消除这部分噪声，消音器的相关技术已较成熟。然而如何在根源上减小甚至是消除部分流体噪声成为减振降噪领域一大发展趋势。      

     

（3）制冷工质方面      

相比于R134a 和R600a，R22和R404A 可以使得排量较小的压缩机拥有更大制冷量。然而对于R22 而言，压缩机排气温度较高，甚至超过了150 ℃；对于R404A 而言，压缩机排气温度也超过了120 ℃，较高排气温度会影响压缩机的性能，甚至可能造成润滑油碳化。      

     

为了解决这一问题，相关制造企业考虑使用中间喷液技术，利用一次节流后液体制冷剂降低压缩机压缩腔内制冷剂的温度。然而，还需要进一步深入研究喷液压力、喷液口设置及喷液量等，如何避免压缩机内出现液击现象也是喷液技术需要考虑的重点，高效喷液技术成为转子压缩机在冷冻冷藏领域发展的重要方向。         

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