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1、第三章 第三章 回转式制冷压缩机第一节 第一节 概 述回转式制冷压缩机是工作容积作旋转运动的容积式压缩机。气体压缩和压力变化是依靠容积变化来实现的，而容积的变化又是通过压缩机的一个或几个转子在气缸里作旋转运动来达到的。与往复式压缩机不同的是，其容积在周期性地扩大和缩小的同时，空间位置也在不断变化。只要在气缸上合理地配置吸气和排气孔口，就可以实现吸气、压缩和排气等基本工作过程。 就气体压力提高的原理而言，回转式制冷压缩机与往复式制冷压缩机相同，都属于容积式压缩机，即都是通过工作容积的变化而使气体压力变化。就主要机件(转子)的运动形式而言，又与速度式压缩机相同，所以回转式制冷压缩机同时兼有上述两类
2、机器的特点。由于回转式制冷压缩机没有往复运动机构，所以结构简单，体积小、重量轻、零部件少(特别是易损件少)，可靠性高。它运转时力矩变化小，动力平衡性好，转速高，振动小，输气脉动小，同时操作简便，易于实现自动化。回转式制冷压缩机的型式和结构类型较多，故有多种分类法。通常都按其结构元件的特征来区分和命名。目前广为使用的有螺杆式制冷压缩机、滚动转子式制冷压缩机和涡旋式制冷压缩机等，它们在各种冷冻、冷藏及空调装置中得到了日益广泛的应用。其中，制冷量在1.1kW以下时，滚动转子式制冷压缩机效率较好；制冷量在115kW范围内，涡旋式制冷压缩机效率最高；制冷量大于15kW时，螺杆式制冷压缩机效率最好。因此，
3、回转式制冷压缩机的应用，已进入活塞式制冷压缩机的世袭领地。但是，回转式制冷压缩机也有它的缺点，主要是它的运动机件表面多呈曲面形状，这些曲面的加工及检测均较复杂，有的还需使用专用设备。其次是回转式制冷压缩机运动机件之间或运动机件与固定机件之间，常需保持一定的运动间隙，气体通过间隙势必引起泄漏，这就限制了回转式制冷压缩机达到较大的压力比，同时，为了不降低回转式制冷压缩机的效率，又必须控制运动间隙尽可能小，势必造成加工和装配精度较高。另外，由于转速高以及工作容积与吸、排气孔口周期性地通断，使螺杆式制冷压缩机噪声较高，故常需采用减噪消声措施。螺杆式压缩机又分为双螺杆和单螺杆压缩机。通常为简化起见，也称
4、双螺杆压缩机为螺杆式压缩机。单螺杆压缩机，又称蜗杆压缩机，它由一根螺杆和两个星轮组成。它在很多方面与双螺杆压缩机类似，而且具有更加理想的力平衡性，故在国内外得到了较快的发展，不过目前在制冷方面使用还不广泛。第二节 螺杆式制冷压缩机工作原理及特点一、工作原理螺杆式(即双螺杆)制冷压缩机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子。其齿面凸起的转子称为阳转子，齿面凹下的转子称为阴转子。转子的齿相当于活塞，转子的齿槽、机体的内壁面和两端端盖等共同构成的工作容积，相当于气缸。机体的两端设有成对角线布置的吸、排气孔口。随着转子在机体内的旋转运动，使工作容积由于齿的侵入或脱开而不断发生变化，从而周期性地改变
5、转子每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的。互相啮合的转子，在每个运动周期内，分别有若干个相同的工作容积依次进行相同的工作过程，这一工作容积，称为基元容积。它由转子中的一对齿面、机体内壁面和端盖所形成。只需研究其中一个工作容积的整个工作循环，就能了解压缩机工作的全貌。螺杆式制冷压缩机的运转过程从吸气过程开始，然后气体在密封的基元容积中被压缩，最后由排气孔口排出。阴、阳转子和机体之间形成的呈“V”字型的一对齿间容积(基元容积)的大小，随转子的旋转而变化，同时，其空间位置也不断移动。图31表示了基元容积的工作过程。(1)吸气过程转子旋转时，阳转子的一个齿连续地脱离阴转子的一个齿槽，齿间容积
6、逐渐扩大，并和吸气孔口连通，气体经吸气孔口进齿间容积，直到齿间容积达到最大值时，与吸气孔口断开，齿间容积封闭，吸气过程结束，如图31(a)所示。值得注意的是，此时阳和阴转子的齿间容积彼此并不连通。 (2)压缩过程转子继续旋转，在阴、阳转子齿间容积连通之前，阳转子齿间容积中的气体，受阴转子齿的侵入先行压缩；经某一转角后，阴、阳转子齿间容积连通，形成“V”字形的齿间容积对(基元容积)，随两转子齿的互相挤入，基元容积被逐渐推移，容积也逐渐缩小，实现气体的压缩过程，如图31(b)所示。压缩过程直到基元容积与排气孔口相连通时为止，如图31(c)，此刻排气过程开始。(3)排气过程如图31(d)所示，由于转
7、子旋转时基元容积不断缩小，将压缩后气体送到排气管，此过程一直延续到该容积最小时为止。随着转子的连续旋转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。从以上过程的分析可知，两转子转向互相迎合的一侧，即凸齿与凹齿彼此迎合嵌入的一侧，气体受压缩并形成较高压力，称为高压力区；相反，螺杆转向彼此相背离的一侧，即凸齿与凹齿彼此脱开的一侧，齿间容积在扩大形成较低压力，称为低压力区。此两区域借助于机壳、转子相互啮合的接触线而隔开，可以粗略地认为两转子的轴线平面是高、低压力区的分界面。另外，由于吸气基元容积内的气体随转子旋转，由吸气端向排气端作螺旋运动，因此吸气、
8、排气孔口要成对角线布置，吸气孔口位于低压力区的端部，排气孔口位于高压力区的端部。二、 工作特点螺杆式制冷压缩机作为回转式制冷压缩机的一种，同时具有活塞式和动力式（速度式）两者的特点。1)与往复活塞式制冷压缩机相比，螺杆式制冷压缩机具有转速高，重量轻，体积小，占地面积小以及排气脉动低等一系列优点。2)螺杆式制冷压缩机没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，运转平稳，机座振动小，基础可作得较小。3)螺杆式制冷压缩机结构简单，机件数量少，没有像气阀、活塞环等易损件，它的主要摩擦件如转子、轴承等，强度和耐磨程度都比较高，而且润滑条件良好，因而机加工量少，材料消耗低，运行周期长，使用比较可靠，维修简单，有利
9、于实现操纵自动化。4)与速度式压缩机相比，螺杆式压缩机具有强制输气的特点，即排气量几乎不受排气压力的影响，在小排气量时不发生喘振现象，在宽广的工况范围内，仍可保持较高的效率。5)采用了滑阀调节，可实现能量无级调节。6)螺杆压缩机对进液不敏感，可以采用喷油冷却，故在相同的压力比下，排温比活塞式低得多，因此单级压力比高。7)没有余隙容积，因而容积效率高。螺杆式制冷压缩机尚存在以下缺陷：1)制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施。2)螺旋形转子的空间曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工。3)由于间隙密封和转子刚度等的限制，目前
10、螺杆式压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的终了压力。近年来，螺杆式制冷压缩机发展很快，其制冷系数、噪声级等等指标已接近或达到活塞式压缩机的水平，在中等制冷量范围内的应用取得了信誉。而且机组逐渐更新，品种日益增加，制冷量向更低与更高的范围内延伸，不断地扩大了使用范围，并向不同的领域扩张，已发展成为制冷机的主要型式之一。为了保证螺杆式制冷压缩机的正常运转，必须配置相应的辅助机构，如润滑油的分离和冷却，能量的调节控制装置，安全，保护装置和监控仪表等。通常生产厂多将压缩机、驱动电机及上述辅助机构组装成机组，称为螺杆式制冷压缩机组。图32是一个单级螺杆式制冷压缩机组。它包括气路、油路、电路及能量调节
11、装置等。螺杆式制冷压缩机由于喷油使制冷机的性能大大改善，故螺杆式制冷压缩机绝大部分为喷油式。喷油的优点如下：1)降低排气温度。2)减少工质泄漏，提高密封效果。3)增强对零部件的润滑，提高零部件寿命。4)对声能和声波有吸收和阻尼作用，可以降低噪声。5)冲洗掉机械杂质，减少磨损。但由于喷油量较大，所以螺杆装置中必须增设油的处理设备，如油分离器、油冷却器、油过滤器、油压调节阀和油泵等，这将增大机组的体积和复杂性。三、带经济器的螺杆式制冷压缩机螺杆式制冷压缩机虽具有单级压力比高的优点，但随着压力比的增大，泄漏损失急速地增加，因此，低温工况下运行时效率显著降低。为了扩大其使用范围，改善低温工况的性能，提
12、高效率，可利用螺杆制冷压缩机吸气、压缩、排气单向进行的特点，在机壳或端盖的适当位置开设补气口，使转子基元容积在压缩过程的某一转角范围，与补气口相通，使系统中增设的中间容器内的闪发性气体通过补气口进入基元容积中。这样，单级螺杆压缩机按双级制冷循环工作，达到节能的效果。此增设的中间容器称为经济器。带经济器的制冷系统有一级节流与二级节流两种形式。图33(a)为带经济器的一级节流制冷系统图。来自贮液器D的制冷剂液体分为两支；一小支流经节流阀Gl降压，到经济器E中吸热而产生闪发性气体，经中间补气口进入正处在压缩初始阶段的基元容积中，与原有气体混合继续被压缩；另一支主流流过经济器E中盘形管放热而过冷，然后
13、经节流阀G，节流进入蒸发器F中制冷。进入蒸发器的主流制冷剂液体只经一次节流，且节流前与进入补气口的气体存在温差t。系统的PH图如图33(b)所示。图34为带经济器的二级节流制冷系统。来自贮液器D的制冷剂液体，经节流阀G1至经济器E中，上部产生的闪发气体，通过补气口进入处在压缩阶段的基元容积中，与原有气体混合继续被压缩；下部的液体经节流阀G2第二次节流后，进入蒸发器F中制冷。进入蒸发器的制冷剂液体，经过二次节流，且二次节流前与进入补气口的气体的温度相同。无论是一次节流还是二次节流，都是使进入蒸发器的制冷剂过冷，因而制冷量增加。同时补气后使基元容积中气体质量增加，压缩功也有一定的增大。但增大速率比
14、制冷量增加得慢，所以制冷系数提高，具有节能效果。节能效益的大小与工质性质及工况有关，用R502最好，其次是R12及R22，而R717最小；低温工况下的节能效果十分显著，当冷凝温度不变，蒸发温度越低时，其循环的制冷系数提高得越多。据有关文献介绍，对于蒸发温度在1540范围内的低温工况，制冷量增大1944，制冷系数提高730。另外，带经济器的螺杆制冷机有较宽的运转条件，单级压力比大，卸载运行时能实现最佳运行；加工基本与单级螺杆相同，制冷系统中阀门和设备增加不多，故目前应用越来越广泛。 第三节 螺杆式制冷压缩机的构造及工作参数一、 总体结构目前应用于制冷系统上的多为喷油式螺杆压缩机，且大都采用单级开
15、启式结构形式。有些小型氟利昂螺杆压缩机采用半封闭式或全封闭式的结构。螺杆压缩机的结构如图35所示。它的主要组成部分是转子、机体、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等。(1)机壳由机体、吸气端座和排气端座组成，是压缩机的主要组成部分。机体2是连接各零部件的中心部件，它为各零部件提供正确的装配位置，保证阴、阳转子3和7在气缸内啮合，可靠地进行工作。其端面形状为形，这与两个啮合转子的外圆柱面相适应，使转子精确地装入机体内。在机体内壁面设有符合转子转角要求的径向吸气孔口9，保证转子在旋转中顺利实现吸气过程。供调节能量用的卸载活塞10和卸载滑阀12，可根据实际需要实现输气量调节。机体上还钻有回油孔，以便及时把润滑轴承、轴封和平衡活塞流出的油、以及二次油分离器和能量调节机构的回油等输送回气缸，随排气带走或停机后放掉。吸、排气端座是位于机体前后两端的密封连接件，它除作机体的端面密封外，更重要的是提供了阴、阳转子和支承转子的轴承装配位置；轴向的吸、排气孔口9和13以及压缩机与管道系统的连接安装位置。它也是压缩机气体输入和输出的重要通道。另外，吸气端座还容纳和支承着移动能量调节机构的卸荷油缸、平衡转子轴向力的平衡活塞和油缸、油腔、内油道及回油孔等；排气端座容纳和支承着轴封、滑阀位移腔、油腔、内油道及回油孔等。吸、排气端座的端面为平面，与转子的端面贴合形成端面密封，而与机体端平面的密封采用
