大型压缩机和制冷剂的技术趋势

耿惠彬译自JARN2025年3月特刋

离心式和螺杆式压缩机通常认为属于大型制冷压缩机，用于冷水机、热泵和冷藏机组，其容量范围从30冷吨到5000冷吨。在过去的30年里，这些大型压缩机使用的制冷剂一直受到随时间而变化的环境法规的制约。为了滿足这些规定，开发了各种新的替代制冷剂，导致了新产品和新技术的出现。

在过去30年中，用于大型压缩机的制冷剂发生了重大变化。在20世纪70年代，臭氧层耗损的环境问题引起了氯氟碳（CFCs）问题的出现，并导致了人们开始关注全球变暖问题。在联合国气候变化框架公约缔约方会议（COP）上通过了《气候变化公约》《京都议定书》，并导致发达国家和发展中国家温室气体排放量的减少。2016年在基加利《蒙特利尔议定书》的197个缔约方同意了一项修正案，到2036年，发达国家将氢氟碳化合物（HFCs）逐步减少到15%，这加快了低GWP的新型替代制冷剂的开发利用，并与冷水机组和压缩机制造商合作，优化新的制冷剂。图1列出了大型压缩机用制冷剂的变遷。

图1  大型压缩机用制冷剂的变遷

大型压缩机的最新运行范围

目前大型制冷压缩机的运行范围如图2所示。从历史上看，制冷压缩机的发展一直以不断提高效率和扩大制冷容量为重点。

图2  压缩机的运行范围

离心式压缩机通过将叶轮旋转产生的运动能量转化为压力来连续压缩制冷剂气体。压缩机可以处理大量的气体，适合大容量的制冷机。同时，离心压缩机的有效压力比受叶轮转速的限制。然而，压力比可以通过多级压缩机来提高。目前离心式压缩机的容量范围相当广泛，从60冷吨到3000冷吨不等。在1990年代，开发了容量达10000冷吨的大型离心式压缩机/冷水机，并以R22为工质，安装在区域供冷系统中。目前，市场上最大容量的离心式压缩机是一台容量为5500冷吨、采用中压制冷剂的定制机组。

螺杆式压缩机是一种正排量旋转式压缩机，它弥补了大容量离心式压缩机和正排量压缩机（如往复式压缩机）之间的空档。目前螺杆式压缩机有三种类型，即双螺杆、单螺杆和三螺杆型。这些类型除了转子组合和转子型线外，压缩原理相同。螺杆压缩机的容量随着转子直径的增大而增大，转子压缩的气体速度被提高，从而导致排气时的压力损失。同时，粘性阻力引起的机械损失也可能增大。这些因素决定了螺杆式压缩机的最大容量，据称约为600冷吨。

螺杆式压缩机通常是喷油的，用于密封转子间隙和冷却排出气体，使其适用于热水温度超过90°C的高温热泵和/或具有蒸发温度-60°C的低温制冷系统。

各种替代制冷剂的出现

表1列出了目前用于大型压缩机的最新低全球升温潜能值替代制冷剂。

表1  目前用于大型压缩机的最新的替代制冷剂。

开发低全球升温潜能值的替代制冷剂通常被认为是在全球升温潜能值和可燃性之间作权衡。然而，已经开发出满足超低全球升温潜能值和非易燃性要求的低压制冷剂，并滿足离心式压缩机/冷水机组的主流用途。

这些替代制冷剂现在已根据容量、效率、易燃性法规和产品类型的要求得到适当使用。

使用新制冷剂扩大容量范围

中压制冷剂在相同容量条件下的吸入气体量，比低压制冷剂小1/4至1/6左右，因而可减小压缩机/冷水机的能量，降低产品成本。也就是说，与低压制冷剂相比，采用中压制冷剂的压缩机在相同尺寸下可以具有更大的容量。

20世纪90年代以前，当离心式冷水机组采用R11低压制冷剂时，标准离心式冷水机组的最大容量在600到700冷吨左右。但是，通过引入R134a中压制冷剂，离心式制冷机的最大容量增大到2000冷吨以上。目前使用新的中压替代制冷剂R1234ze(e)或R1234yf的最大离心制冷机产品的容量已进一步扩大到2500至3000冷吨。至于低压替代制冷剂R1233zd(E)，其热容量是普通制冷剂R123的1.4倍。改用替代制冷剂，机组制冷容量有可能加大。

广泛使用替代制冷剂的无油压缩机

离心式压缩机可以通过使用中压制冷剂而变得紧凑，但其转速变高，并且与转速相关的滑动轴承的机械损耗也增加。在21世纪初，紧凑的无摩擦磁轴承系统的出现为实现离心压缩机的小型化铺平了道路。这种发展导致了磁轴承系统的广泛使用，不仅适用于小型，而且适用于中型和大型离心式压缩机。目前带有磁轴承的无油压缩机/冷水机使用多种可供选择的低全球升温潜能值制冷剂。这些是R1234ze(E)、R513A和R515B中压制冷剂，以及R1233zd(E)低压制冷剂，其相关容量范围为从60到1500冷吨。

新兴的先进小型无油压缩机

目前，小型离心式压缩机的研究和开发正在取得进展，其性能可与现有的螺杆式或涡旋式压缩机相媲美。由于小型离心式压缩机将用于带有空气盘管换热器的风冷式冷水机/热泵，因此气体体积大的低压制冷剂並不适合。此外，在小型离心式压缩机中加入带有精密数字控制器的磁轴承系统，使得压缩机的结构设计更为复杂，因此需要更简单的无油技术，如气体或液体润滑轴承。

无油气体轴承技术是一种用气体代替油润滑滑动表面的技术，长期以来一直在研究，并且已经商业化用于工业压缩机。这些技术已应用于AC&R冷水机组的离心压缩机。2014年，LG将100冷吨采用气体润滑轴承的无油离心式压缩机和冷水机组商业化。Copeland推出了无油两级离心压缩机，容量为50至200冷吨，由使用Aero-lift轴承的永磁（PM）电机驱动，针对替代制冷剂R513A、R515B和R1234ze(E)进行了优化。海尔还展示了一种无油离心式冷水机，采用气体轴承，容量为50至750冷吨在2023年中国制冷展上展出。格力在2024年CR Expo展出了一台80至300冷吨的离心式冷水机组，采用气体润滑轴承。图3显示了目前商业化的无油离心式压缩机的容量范围和制冷剂类型。

图3  无油离心式压缩机的容量范围

由于离心式压缩机具有两个优点，即结构简单和可实现无油，对5冷吨及以下的小型离心式压缩机进行了大量具有挑战性的研究和开发工作，使其在尺寸和效率上达到与现有的涡旋式压缩机相当的水平。

在使用R134a制冷剂的5冷吨离心式压缩机中，叶轮转速估计约为200,000 rpm。为了在超高转速条件下实现高效稳定运行，先进技术如高速PM电机需要可靠的气体润滑轴承和精密加工的高效小叶轮。

热泵用离心式压缩机

由于喘振，离心式压缩机在高扬程条件下的使用受到限制。因此，正排量压缩机如螺杆压缩机已被传统地用于热泵或具有高扬程条件的低温系统。然而，随着对大型热泵系统如区域供热或工业热回收系统的需求增加，离心式压缩机已开始用于此类大型系统。

目前的热泵包括两级压缩机和高扬程叶轮，可以输送高达65°C的热水。对于400吨以上的大型热泵，目前普遍采用双级或双级压缩机串联的多级压缩系统。例如，Johnson Controls发布了离心式热泵系列，可输送77°C的热水，并采用R1234ze(E)和R515B制冷剂。

格力在CR 2023上宣布了一款大型工业热泵，由两台多级离心压缩机串联而成，可在120°C的温度下提供热水，最大温升为80°C。

大型压缩机用天然制冷剂

由于全球升温潜能值低于3，天然制冷剂几乎没有直接的温室效应，并且不受含氟气体法规的约束，对使用天然制冷剂的冷水机和热泵的需求正在增加，特别是在欧洲。除了使用剧毒和轻度易燃的传统制冷剂氨外，还开发了使用丙烷（R290）的风冷式制冷机/热泵，主要在欧洲安装。使用这些天然制冷剂的冷水机/热泵的主要压缩机为正排量型，例如往复式和螺杆式。主要的制冷压缩机制造商已经完成了他们的单级和多级螺杆压缩机的产品系列，这些产品与大多数天然制冷剂（如氨、R290和二氧化碳）兼容。

在过去，天然制冷剂並未用于AC&R领域的离心式压缩机，但最近离心压缩机已与这些制冷剂匹配。

在Chillventa 2024上展示了创新的无油两级离心压缩机，供商用和工业制冷田。采用R290制冷剂，标称制冷量为65冷吨和100冷吨。

作为大容量压缩机，德国一家公司为区域供热开发了大型半封闭无油CO2离心式压缩机。这些压缩机可以产生高达150℃的温度，最大热负荷为50兆瓦，使用海水或其他热源。