您好,欢迎访问!这里是上海冷冻空调行业协会!

新闻资讯

当前位置:主页 > 新闻资讯 > 行业纵览 >

行业纵览

2020年世界压缩机技术发展动向
浏览次数:
                                                                                                                                                                     耿惠彬编译自JARN2021年3月专刊
涡旋式压缩机
近年来人们越来越重视开发环境友好型产品。对于空调和制冷系统,世界上通过了许多法规,来减轻地球的环境恶化负担,引用替代制冷剂,减少污染物向大气的排放,并通过提高设备效率来节省能耗。压缩机作为空调制冷系统的主要部件,人们对其技术发展特别注意。
为了减小制冷空调系统的能耗,以减少CO2等温室气体的排放。在制冷空调系统的能耗中压缩机的能耗约占80%左右。为此人们对开发压缩机的节能技术非常重视 。在20世纪的60至70年代,人们关注的是房间空调器用的回转式压缩机;70至80年代为冷水机组和制冷系统用的螺杆式压缩机;80年代是商店和办公室空调器用的涡旋式压缩机。
现今除了家用冰箱等小功率范围内还使用普通的往复式压缩机外,回转式压缩机已经成为主流产品。人们在19世纪末和20世纪初已经了解了回转式压缩机的基本原理,但是其回转部件的加工需要高精度设备,特别是螺杆式和涡旋式压缩机转子加工和整机的装配须特别精确。
制冷和空调系统除了要降低能耗外,还要减少温室气体的排放,为此采取措施使用天然制冷剂和改用低全球变暖潜能的制冷剂。为此,家用冰箱将推广应用异丁烷(R600a),家用热泵热水器采用CO2,大型冷冻和冷藏设备采用氨(NH4),房间空调器和柜式空调器将采用R32。
以下先论述有关回转式压缩机的制冷剂替代和技术发展的某些方面。
CO2 制冷剂在压缩机、膨胀机和膨胀/压缩机上的应用
在1990年代的后半期,人们显然已在关心地球温室气体的排放,于是注意力就集中于在制冷空调系统中采用CO2。这是一种天然制冷剂。采用CO2制冷剂的压缩机主要配备于汽车空调器和家用热泵热水器上。
2001年日本电装公司(Denso)开发了一种CO2压缩机,该机采用低压密封罩壳,压缩机配置于底部,使用于家用空调器和热泵热水器(Eco Cute型)。以此为契机,许多日本公司相继开发了各种类型的CO2压缩机,并进入热泵热水器市场。日立和松下开发了采用高压壳体的涡旋型压缩机,三菱电机和大金也开发了采用高压壳体的回转型压缩机,而三洋则开发了采用中压壳体的两级回转型压缩机。
与氟利昂回转型压缩机显然不同的是,CO2压缩机的工作腔压力高而排量小。为了保持高的气密性和承受运转时的高压,必须确保涡旋体定子和转子的刚性,并保证轴承的耐久性。
在这些研究开发方面,三菱电机报导了涡旋转子用推力轴承的滑动特性;三洋评估和实际测量了压缩机构在工作压力、温度、焊接应力等作用下的变形,并提出了相应的对策。
在涡旋膨胀机和涡旋压缩/膨胀机方面也进行了许多研究,涉及超临界循环膨胀过程中能量的回收,以提高循环的能效。日立进行了一种膨胀机和膨胀/压缩机的组合,其膨胀机安装于一侧,而辅助膨胀/压缩机置于另一侧,并将其安装于冷水机组中,以验证其效果。
三菱电机也开发了类似的膨胀/压缩机原型,并提出要注意控制辅助压缩机向膨胀机泄漏的热量,以回收和有效使用膨胀能量。
松下分析了由两级回转膨胀机和涡旋机组合而成的膨胀/压缩机的仿真模型,并进行了优化。该公司还将上述膨胀/压缩机用于热泵热水器上,并与单独配置压缩机的热泵热水器相比较。结果发现,采用膨胀/压缩机的热水器效率要比只用压缩机的高出15%左右。
三菱重工于2011年对两级压缩的CO2压缩机效率进行了研究。该压缩机的低压侧采用回转式,而高压侧采用涡旋式,并设有中压气体喷射系统。这种压缩机安装于商用热水器上。近年来这类压缩机还安装于冷冻和冷藏设备用的冷凝机组上。
2017年三电(Sanden)将CO2压缩机配置于汽车空调器,并付诸实用。
低全球变暖潜能制冷剂在压缩机中的应用
为了应对地球变暖,要求空调制冷业注意换用低全球变暖潜能制冷剂,并提高压缩机效率以降低能耗。为此对替代用制冷剂进行了评估,其中用具有中等燃烧性的R32、R447A和R454A制冷剂以及不可燃的R466A制冷剂替代空调系统中采用的制冷剂R410A;用R448A、R449A和R463A制冷剂替代冷冻和冷藏设备中采用的R404A制冷剂。
结果,日本从2012年起开发了能兼容R32的压缩机,并在家用和柜式空调器上使用。大金开发了高性能和高可靠性的压缩机,其中采用了与R32兼容性良好的制冷用滑油并间歇地加油。三菱电机开发了一种带进气室喷射机构的压缩机,在开始压缩之前,将液态制冷剂直接喷射在进气室或进气过程中,从而抑制排气温度的上升。据该公司介绍,由于采用这种机构,可以不稀释贮存在密封壳体中的制冷剂油,并减少非喷射时的无效压缩损失。
在低温领域也开始向替代制冷剂转换。日立公司针对冷凝机组开发了一种变频压缩机,其上采用了非对称挡块来改进排气口,从而获得了较高的效率。三菱电机开发了一种既能采用R410A,又能采用R463A制冷剂的压缩机,以便制冷剂的平稳替代。
还研究了采用烃或氨等自然制冷剂的压缩机。Emerson公司评估了采用丙烷(R290)和丙烯(R1270)的压缩机的运转范围和可靠性。该公司开发的变频涡旋式压缩机采用R290作为工质,借助于其在滑油中的溶解度较低和壳体自由容积中气体量较少而急剧减少制冷剂的充注量。
Mayekawa开发了一种R290高温商用热泵用压缩机,该压缩机设有喷射冷却机构。该压缩机设有首创的防爆结构,从而提高效率和可靠性。同时还研究了全封闭氨压缩机。借助于仿真模型探讨了这种压缩机所采用的铝线电动机和优化的挡块型线。希望通过进一步的工艺开发,使涡旋式机械用于更广的范围,诸如鼓风机、液体泵、发动机、有机朗肯循环(ORC)膨胀机和燃料电池压缩机等。
离心式和螺杆式压缩机
离心式压缩机
离心式制冷压缩机的使用已经延续了上百年。作为大型采暖、通风和空调系统的主机,以及工业用制冷流程的重要设备,现在其冷量范围涉及60至5500冷吨。在大冷量范围内,离心式压缩机在效率和造价方面已经没有竞争对手。离心式压缩机利用旋转机构将所处理的流程气体的动能不断转化为压力,并能做到压缩大量的气体。
最近,新开发的无油离心式制冷压缩机,其冷量可扩展至1425冷吨,因此能满足大多数的能量需求。无油技术极大地改善了离心式压缩机的能效比,在非设计工况这点特别明显。由于这一原因,对无油离心式制冷机的需求迅速扩张,无油型号已经占世界上离心式制冷压缩机市场的30%左右。
过去几十年来,离心式制冷压缩机方面实现了无数的创新。其中包括将定速驱动发展到变频驱动,引用磁悬浮无油轴承,利用流体动力仿真开发三元叶轮技术,以及引用新的低全球变暖潜能和不燃的制冷剂R1233zd(E)。结果,不仅改善了整个工况范围内压缩机的能效比,而且还改变了传统的压缩机设计技术。
从定速驱动发展到变速驱动
离心压缩机的传统驱动方式是由双极交流电动机驱动,并加上增速齿轮达到双级驱动。长期以来,美国的一些著名制造商,诸如开利、约克和大金(以前的麥克威尔)等都采用定速设计模型,并一直使用到现在。而特灵则采用由两极交流感应电动机直接驱动的两级或三级压缩机。为此还必须采用低压的制冷剂。
在其同时,随着低压的R11和R123等制冷剂的禁止使用,日本和亚洲国家开始推广采用R134a等中压制冷剂的两级系统,系统循环中还引用了经济器,以提高循环效率。现在这种离心式压缩机已经成为亚洲的主流产品。这种压缩机的能量调节运用进口导叶节流(IGV)和/或改变出口扩压器几何形状(VDG)来实施。为了扩大工况范围,曾开发了不同的VDG系统。
变速无油压缩机
在本世纪初,压缩机技术出现了革新方案,压缩机采用无油轴承和永磁高速交流电动机驱动来代替增速齿轮驱动,并引用改变出口扩压器几何形状的排气方式。这样就不需要增速齿轮系统,也不需要润滑系统,从而显著地简化了压缩机的设计。有些设计方案采用新开发的高速感应电动机来替代永磁电机。
现在获得广泛使用的两级压缩机方案是两级叶轮背靠背布置,并由无油轴承(如磁悬浮轴承)或制冷剂润滑轴承支承。能量调节通过改变驱动转速和VDG调节来实施。
冷水机组的替代制冷剂
离心式冷水机组的压缩机通常适用于大能量场合。这种压缩机主要采用低压制冷剂,其特点是单位冷量的吸入容积较大。现在出现了两种替代方案:即低压制冷剂或中压制冷剂方案。中压制冷剂气体的吸入容积约比低压的小20%,这样压缩机可以做得更为紧凑,并从而降低造价。但是低压制冷剂的循环效率要比采用中压制冷剂的高。因此,选用何种制冷剂,要综合考虑循环效率、造价、全球变暖潜能和可燃性等因素。大型制冷压缩机循环所用的替代制冷剂列在表中。
低压离心压缩机现在采用三种替代制冷剂:R514A、R1233zd(E)和R1224yd(Z)。这些制冷剂具有低压、不燃、极低的GWP和相当于R123的特性。特灵欧洲于2014年开发了采用R1233zd(E)制冷剂的离心式冷水机组。约克、开利和大金等公司也生产了采用这种制冷剂的无油压缩机。荏原则在其离心式压缩机中采用了R1224yd(Z)制冷剂来替代其现用的R245fa制冷剂。
替代R134a的中压制冷剂R1234ze(E),其可燃性尚可(A2L级),主要用在欧洲的风冷和水冷离心式和螺杆式冷水机组中。日本三菱重工热力系统公司将R1234ze(E)使用在大型离心式冷水机组中,其冷量范围为300至2500冷吨。在其同时,R513A应用于对可燃性有严格要求的建筑中,而新的R515B(A1级)是一种由R1234ze(E)和R227ea配成的混合制冷剂,其GWP值低于R513A。但是在中压范围内,还没有极低GWP值和不燃的替代制冷剂。
离心式压缩机的潜在技术
离心式压缩机以往都考虑用于大能量场合,但对住房和商用热泵的小能量离心式压缩机也已进行了长时间的研究。
Jean-Baptiste Carre等在2016年研究了家用6kW空气-水热泵用双级无油径流式压缩机,该机采用气体轴承,其外形尺寸与R410A制冷剂的涡旋式压缩机相当。
K. Kontomaris等于2016年发表了一项适用于中小能量范围(10-250kW)的气体轴承的小型高速离心式压缩机的最佳制冷剂研究报告,该制冷剂可用于中低压场合。其特点是离心式压缩机转速高、能效比高和尺寸紧凑。
水和R718是一种天然制冷剂,是蒸气压缩系统的理想工质,它无毒、不燃、没有GWP问题、且其循环效率与HFC工质相似。但是其吸入容积要比R134a大60%。因此需要大压比的离心式或轴流式压缩机。
在限制使用HFC制冷剂的背景下,在2010年代Kobelco开发了一种以水为工质的配有轴流式压缩机的水冷冷水机组。2013年川崎重工推出了一种商业化的以水为工质的100冷吨离心式冷水机组。Efficient Energy于2020年也推出了一种名为eChiller的以水为工质的35/45kW的冷水机组,后来又将它的能量提升至120kW。
E.Verpe等在其2020年发表的一篇报告中,阐述了他们进行的一项高温水工质热泵实验。其中采用了高压比的两级离心式压缩机,能将水工质的饱和温度从100oC提升至146oC。该热泵已经使用在工业流程中。
冷水机组大型压缩机使用的替代制冷剂
压缩机型式
压力
现用制冷剂
替代制冷剂
ASHRAE编号
GWP
ASHRAE编号
GWP
ASHRAE级别
冷量
效率
离心式
低压
R123
77
R514A
2
B1
以R123为100
100
100
R1233zd(E)
1
A1
140
99-100
R1224yd(Z)
1
A1
160
99
离心式和螺杆式
中压
R134a
1430
R1234ze(E)
<1
A2L
以R134a为100
74
100
R513A
573
A1
100
88
R515B
293
A1
75
100
螺杆式压缩机
技术进展
螺杆压缩机有双螺杆、单螺杆和三螺杆等几种型式,其中双螺杆机组于1960年代成为市场中应用的主流机组,它的能量范围介于往复式和离心式机组之间。单螺杆机组于1970年代得到推广。三螺杆机组于2000年代推出。
螺杆压缩机由于受转子变形、轴承承载能力和转子圆周速度的限制,其尺寸也受到限制。但是其压比所受的限制较小,因此可使用于不同的场合,诸如水冷和风冷冷水机组、热泵、冷冻机和工业气体输送设备。
在以往几十年中,由于引用了计算机辅助设计和制造技术,螺杆机转子的型线不断得到优化,从而使机组的效率也相继提升。
结果,其总效率得到很大的提高,达到了或高于中小型离心式机组的水平。在其同时,由于采用永磁电机和变频技术,改变了原有的滑阀式变容积的局限,其非设计工况的效率也得到提升。
天然制冷剂用于螺杆压缩机
氨制冷剂已经在工业制冷系统中使用多年,其循环效率高和造价低等特性显而易见。一些主要的压缩机供应商都在增加其使用天然制冷剂的螺杆压缩机系列。但是氨的毒性高,对铜的腐蚀性大。Kobelco和Mayekawa 开发了采用永磁电机和变频技术的单级和双级半封闭氨螺杆压缩机,并为防止腐蚀而采用铝制电机绕组。雪人集团的Swinska Rotor Maskiner(SRM)公司也开发了这种氨压缩机。GEA开发了空调用的半封闭氨压缩机。
现在CO2已被确认为可长期应用于超市和工业制冷的替代制冷剂。GEA开发了一种6/8转子配合的开式CO2螺杆压缩机,其设计压力可达到6.3MPa。
丙烷(R290)也是一种高效替代制冷剂,其GWP低,可燃性为A3级,可用于家用空调、制冷机和冷水机组。Bitzer和Frascold推出了一种专门使用R290的半封闭螺杆压缩机。SRM推出了一种以R290为制冷剂的螺杆压缩机系列,其冷量范围为40至390马力。
螺杆压缩机的潜在技术
在完善双螺杆压缩机转子型线方面,进行了许多研究。在其同时,对完善单螺杆的型线也有许多尝试。2019年A.Dhunput对一种新型单螺杆压缩机的三槽主转子和8齿辅转子组合进行了研究。据报导,这种组合的综合部分负荷值(IPLV)比普通压缩机要高出7%。
对于正排量压缩机,一般认为不适合采用低压制冷剂。2018年M.Akei进行了微型螺杆压缩机新方案的研究。这种压缩机采用低压制冷剂,其双联的双螺杆压缩机由高速永磁电机驱动。该压缩机的能量和尺寸接近当前采用R410A的涡旋式压缩机。
有机朗肯循环的螺杆膨胀机
有机朗肯循环可用于余热发电系统。这种循环还可使用在不同的工业领域用于回收余热。它是一种热电联供系统,可同时发电和供热。其通用的工质是R245fa、R1233zd(E)和R1224yd(Z)等低压制冷剂。
在这种系统中一般使用螺杆式或离心式压缩机。Kobelco开发了一种采用半封闭螺杆膨胀机的热电共生系统,以70oC-90oC的余热热水作为驱动热源,可供应72kW的电力,并同时供应热水。
在以单螺杆机作为膨胀机方面也在进行研究工作。2017年D.Ziviani等报导了其在以R1233zd(E)为工质的单螺杆机有机浪肯循环方面的研究成果。
 
021-66086281