中國30多年來經(jīng)濟的高速發(fā)展,造就了巨大的制冷(熱泵)裝置需求,比如建筑業(yè)發(fā)展使得空調(diào)使用量急速增長;冷藏鏈及其物流業(yè)發(fā)展,加快冷凍冷藏基礎建設的速度。2015年中國集中空調(diào)市場的整體容量約為660億元人民幣。但是,制冷(熱泵)產(chǎn)品的大量使用消耗了巨大的電力,也形成了巨大的節(jié)能減排壓力;食品質量和安全是民眾更加關心的問題,這就要求更普遍地使用冷藏鏈設備,而且要求冷藏鏈設備具備更高的品質。
目前上正在普遍采用的無臭氧破壞作用的替代CFCs和HCFCs的制冷劑HFCs,包括目前常用的R134a,R410A,R407C和R404A 等,均屬于《聯(lián)合氣候變化框架公約》框架下的《京都議定書》所列明的應實施減排的六大類溫室氣體之一。
2016年10月,《蒙特利爾議定書》第28次締約方會議上,社會達成了基加利修正案,規(guī)定了對HFCs開展逐步削減的時間表。新的修正案將對行業(yè)未來的發(fā)展帶來全面而深刻的影響,將推動制冷劑進行新一輪的替換,即用低溫室效應潛能(GWP)的制冷劑替換目前廣泛使用的高GWP制冷劑,如R134a,R404A,R407C和R410A 等。所有這些,再加上產(chǎn)品傳統(tǒng)的高質量、低成本要求,造就了目前制冷(熱泵)產(chǎn)品在我國大發(fā)展的時代、更是大變革的時代的總體表現(xiàn)是產(chǎn)品種類繁多、技術日新月異,很多資深的專業(yè)人士都感到茫然、眼花繚亂,更別說非專業(yè)人士和廣大用戶了。
作為制冷(熱泵)系統(tǒng)或機組的核心部件,壓縮機決定其性能和成本,是一種設計和制造水平要求*的產(chǎn)品,既是制冷技術水平的綜合體現(xiàn),也是制造水平的綜合反映。另外,壓縮機必須適應制冷(熱泵)技術和產(chǎn)品的發(fā)展和變革,這也造就了壓縮機在我國市場上不僅品種多,而且新產(chǎn)品、新技術、新工藝不斷涌現(xiàn)。這里,筆者依據(jù)主要壓縮機生產(chǎn)廠商的技術資料,對目前我國市場上銷售的工商用制冷壓縮機產(chǎn)品進行梳理,分類介紹它們的性能特點、主要參數(shù)、運行范圍和技術特征,以期能對我國工商用制冷壓縮機市場有一個概貌性介紹。
圖1 工商用制冷劑壓縮機制冷量分布
目前我國市場上常見的工商用制冷壓縮機的制冷量范圍如圖1所示,活塞式壓縮機和渦旋式壓縮機(包括全封閉和半封閉式)的制冷量普遍在300kW 以下,開啟式活塞式壓縮機和螺桿式壓縮機的制冷量范圍分布在2000kW 以下,離心式壓縮機的制冷量可以達到9000kW。
工商用制冷壓縮機的排氣量如圖2所示,半封閉活塞式壓縮機、開啟式活塞式壓縮機、全封閉螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機的排氣量都在400m3/h以下,半封閉螺桿式壓縮機的排氣量在2000m3/h以下,開啟式螺桿式壓縮機的排氣量可達8943m3/h。
圖2 工商用制冷壓縮機排氣量分布
1、活塞式壓縮機
1.1 冷藏鏈用(中低溫用途)
半封閉活塞式壓縮機是冷凍冷藏領域中小型制冷裝置采用的主要機型,如圖3所示。從適用的蒸發(fā)溫度看,半封閉活塞式壓縮機有中高溫、中溫和低溫工況機型;從適用的冷凝溫度看,有低冷凝壓力(水冷)和高冷凝壓力(風冷)機型。半封閉活塞式壓縮機的冷卻方式主要有2種,分別是吸氣冷卻和空氣冷卻。該類型壓縮機的蒸發(fā)溫度能夠達到-50℃,適用的制冷劑為R22,R404A,R507A,R134a和R407C,常用機型的名義功率為0.5~70hp(1?。瑁穑剑埃罚常怠。耄祝?,制冷量范圍約為0.31~
82.8?。耄?。
圖3 半封閉活塞式壓縮機
單機雙級半封閉活塞式壓縮機如圖4所示,其部分汽缸作為高壓級缸,其余汽缸作為低壓級缸,常見的高、低壓缸數(shù)比為1:2或1:3。該類壓縮機適合低溫用途,適用的制冷劑為R22和R404A,常用機型的名義功率為15~30 hp,制冷量范圍約為15~40 kW,排氣量范圍為28~101.2 m3/h。此類壓縮機應用于較低的蒸發(fā)溫度場合,可用R22,R404A和R507A制冷劑,其顯著優(yōu)勢就是采用板式換熱器進行液體過冷處理,提高了制冷量與系統(tǒng)的總能效,允許zui低蒸發(fā)溫度達到-60℃。
圖4 單機雙級半封閉活塞式壓縮機
低溫用途的CO2半封閉活塞式壓縮機主要用于亞臨界循環(huán),亞臨界循環(huán)的CO2壓縮機冷凝溫度范圍為-20~10 ℃,蒸發(fā)溫度范圍為-25~-50℃,電機功率范圍為0.5~30 hp。圖5所示為此類壓縮機的運行工況范圍,其主要用于復疊制冷系統(tǒng)的低溫級。
圖5 亞臨界循環(huán)的CO2半封閉活塞式壓縮機運行界限
開啟式活塞式壓縮機具有轉速高、多汽缸、節(jié)能、排氣溫度低、適用溫度范圍寬、安裝維修方便等特點,目前在中大型冷藏庫中仍有廣泛使用。該類壓縮機設有頂開吸氣閥片的調(diào)節(jié)機構,可以使部分或者全部汽缸處于卸載狀態(tài),從而實現(xiàn)分級能量調(diào)節(jié)。例如,對于6缸機型,可實現(xiàn)“三級”能量調(diào)節(jié)(33%,66%和100%);對于4缸和8缸機型可實現(xiàn)“四級”能量調(diào)節(jié)(25%,50%,75%和100%)。125缸徑系列分別有2,4,6和8缸機型,適用工質為R717和R22,配用電機功率為22~115?。耄祝评淞糠秶s為61~264?。耄?。170缸徑系列分別有4,6和8缸機型,適用工質為R717,配用電機功率范圍為90~250?。耄祝评淞糠秶鸀?br />255~1?。保保丁。耄?。6缸和8缸機型有單機雙級壓縮機,其中的2個汽缸作為高壓級缸,其余汽缸作為低壓級缸,蒸發(fā)溫度可以低至-45℃。圖6所示為開啟式R717活塞式壓縮機。
圖6 開啟式R717活塞式壓縮機
1.2 空調(diào)用(中高溫用途)
常見空調(diào)用半封閉活塞式壓縮機,單臺輸入功率范圍為10~190hp,3~8臺并聯(lián)后用于制冷量范圍為86~3500kW 的冷水機組。
中高溫用途的CO2半封閉活塞式壓縮機主要用于跨臨界循環(huán),高壓側zui大壓力為140bar,低壓側zui大壓力為80bar。圖7所示為跨臨界循環(huán)CO2半封閉活塞式壓縮機的運行界限。
空調(diào)用全封閉活塞式壓縮機的排氣量范圍為5.26~94.5m3/h,輸入功率范圍為1.39~26.79kW。
圖7 跨臨界循環(huán)CO2半封閉活塞式壓縮機的運行界限
2、螺桿式壓縮機
2.1 冷藏鏈用(中低溫用途)
螺桿式壓縮機主要應用于大中型的冷藏凍結裝置,如速凍設備、預冷設備、制冰機和冷藏庫等。zui常見的型式是低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機,適用制冷劑為R22,R134a,R404A 和R507A等,常用機型的排量范圍為100~420 m3/h。此類壓縮機的能量調(diào)節(jié)方法有:旁通調(diào)節(jié)和滑閥調(diào)節(jié)。
滑閥調(diào)節(jié)方法通過油壓系統(tǒng)和滑閥實現(xiàn),可實現(xiàn)“三級”能量調(diào)節(jié)(33%,66%和100%)、“四級”能量調(diào)節(jié)(25%,50%,75%和100%)或“無級”能量調(diào)節(jié)(25%~100%連續(xù));旁通調(diào)節(jié)方法通過旁通系統(tǒng)實現(xiàn),可實現(xiàn)“三級”能量調(diào)節(jié)。通常情況下,壓縮機的內(nèi)容積比(即壓縮比)是固定的,例如:內(nèi)容積比為4.4,比較適合應用于低蒸發(fā)溫度工況(蒸發(fā)溫度zui低可至-50℃);內(nèi)容積比為2.6,比較適合應用于中、高蒸發(fā)溫度工況。有的機型內(nèi)置容積比調(diào)節(jié)裝置,壓縮機運行時可根據(jù)工況實時調(diào)整內(nèi)容積比。部分機型可選配補氣口(即經(jīng)濟器口),構成制冷系統(tǒng)時可實現(xiàn)經(jīng)濟器流程,進一步提高制冷性能和能效比,特別是對于中、高壓縮比的場合尤其適合。單機系統(tǒng)自帶多段式油分離器,分離效果好且壓降低。圖8所示為低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機。多臺壓縮機可以并聯(lián)成機組使用,每個并統(tǒng)可以連接多至6臺壓縮機。
圖8 低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機
圖9 開啟式螺桿式壓縮機
隨著上已達成全面禁用氟氯烴(CFC)類、逐漸限制使用氫氟氯烴(HCFC)類制冷劑的共識,氨作為自然工質,在大型制冰系統(tǒng)、建筑領域、醫(yī)療制藥等制冷工程有著廣泛的應用。為此,主要生產(chǎn)商專門開發(fā)了開啟式螺桿式壓縮機系列產(chǎn)品,以滿足廣大客戶的需要,如圖9所示。目前常用機型的排氣量范圍為190~1 500?。恚常琛嚎s機的內(nèi)容積比有固定和可調(diào)2種類型,通常情況下,固定式的內(nèi)容積比為2.2,2.6和3.0等;可調(diào)式內(nèi)容積比范圍為2.6~5.1。為了達到更低溫度、更率的目的,近年來有生產(chǎn)企業(yè)推出了單機雙級螺桿式壓縮機,圖10所示為一臺螺桿式壓縮機實現(xiàn)二級壓縮。圖11所示為單機雙級螺桿式壓縮機以氨為工質時的運行界限。該壓縮機有開啟式和半封閉式2種型式,對于開啟式機型,氨、氫氟烴(HFC)類制冷劑均可使用,對于半封閉式機型,只可使用氫氟烴(HFC)類制冷劑,如R404A和R507A等。目前常用機型的排氣量范圍為500~5 000?。恚常?,吸氣壓力對應的制冷劑飽和溫度范圍為-65~-10℃,排氣溫度范圍為45~100℃,設計壓力為2.8?。停校?,可以實現(xiàn)
10%~100%的連續(xù)無級能量調(diào)節(jié)。通常采用分子篩三級油分離系統(tǒng),分油效率達到99.7%。
圖10 開啟式單機雙級螺桿式壓縮機
圖11 單機雙級螺桿式壓縮機的運行界限(NH3)
2.2 空調(diào)用(中高溫用途)
工商空調(diào)用螺桿式壓縮機主要是半封閉型式,使用的工質為R22,R407C和R134a等。電源有:2相,230V,50Hz和3相,400V,50Hz。容量調(diào)節(jié)方式主要采用滑閥調(diào)節(jié)方式,可選擇四級或無級調(diào)節(jié);也可采用旁通調(diào)節(jié)方式,為三級冷量調(diào)節(jié)或二級冷量調(diào)節(jié)。自帶ECO(經(jīng)濟器)接口,可直接連接經(jīng)濟器進一步提高能效比??蛇B接液噴、外置油冷卻器,使壓縮機在高排氣溫度時應用范圍更大??蛇x擇不同內(nèi)容積比,并可增加內(nèi)置內(nèi)容積比調(diào)節(jié)裝置,使壓縮機具備運行時內(nèi)容積比切換的功能。圖12所示為中溫用途的半封閉螺桿式壓縮機。
圖12 中溫用途的半封閉螺桿式壓縮機
立式全封閉螺桿式壓縮機采用耐高溫電機,保證壓縮機長期*運行。該壓縮機用于空氣源熱泵機組,空調(diào)工況制冷量范圍為246~1780kW,制熱量范圍為285~2024kW。
螺桿式壓縮機的容量調(diào)節(jié)一般采用滑閥進行調(diào)節(jié)。變頻螺桿式壓縮機采用變轉速進行容量控制。例如,有廠家開發(fā)了R134a變頻螺桿式制冷壓縮機,內(nèi)置變頻器,體積小、結構緊湊、安裝簡易,變頻調(diào)節(jié)范圍為30~70Hz(推薦范圍),在應用范圍內(nèi)的任意工況下效率均實現(xiàn)*化,功率因數(shù)高于0.9。
3、渦旋式壓縮機
與活塞壓縮技術相比,渦旋技術具有與生俱來的優(yōu)勢。渦旋式壓縮機內(nèi)配有獨立的渦旋腔,因此可以省去吸氣閥。與往復式壓縮機的脈沖壓縮方式相比,渦旋式壓縮機的連續(xù)壓縮方式可省去吸氣與排氣消聲器。由于避免了壓力在閥門與消聲器上的損失,壓縮機的效率更高。
3.1 冷藏鏈用(中低溫用途)
低溫渦旋式壓縮機(如圖13所示)適用于zui低可達-40℃的低溫制冷領域,其運行工況范圍見圖14,主要用于超市用陳列柜。該系列壓縮機帶有補氣口,構成經(jīng)濟器流程,經(jīng)濟器采用板式換熱器。該類壓縮機適用工質為R22,R404A 和R407C,工作容積范圍為115~205cm3,制冷量范圍為6~22kW。
CO2亞臨界渦旋式壓縮機,制冷量范圍為7~23kW,采用數(shù)碼調(diào)節(jié)方式,可實現(xiàn)10%~100%容量范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。
圖13 低溫渦旋式壓縮機
圖14 低溫渦旋式壓縮機運行工況范圍
3.2 空調(diào)用(中高溫用途)
渦旋式壓縮機早期主要應用于單元式空調(diào)機。對于商用空調(diào),早期使用渦旋式壓縮機的產(chǎn)品為空氣源熱泵冷(熱)水機、屋頂式空調(diào)機,壓縮機的輸入功率范圍為7~15?。瑁?,工作容積90~182cm3,能效比高達3.3,適用的制冷工質為R410A,R22和R407C。圖15所示為中高溫用途的全封閉渦旋式壓縮機。
圖15 中高溫用途的全封閉渦旋式壓縮機
隨著技術的進步,渦旋式壓縮機進一步大型化,目前市場供應的大型商用空調(diào)渦旋式壓縮機的名義功率范圍為20~40hp,能效比范圍為3.25~3.49,適用的制冷劑為R22,R407C和R410A,主要用于冷水(熱泵)機組,以及大型空氣源熱泵機組和屋頂式空調(diào)機等。而某公司的R410A 機型,名義功率為60 hp,制冷量高達183kW,能效比為3.19,噪聲為88dB(A)。該類壓縮機系列均有補氣口(EVI孔)選配。帶補氣口的渦旋式壓縮機可以構成經(jīng)濟器流程,運行工況范圍顯著擴大,能夠改進其在寒冷氣候區(qū)的制熱性能和炎熱氣候區(qū)的制冷性能,能效比也有所改善。
多臺壓縮機可以并聯(lián)使用,如圖16所示,以擴大應用的容量范圍。應用20~40?。瑁鹕逃脺u旋式壓縮機,zui多并聯(lián)壓縮機數(shù)量為6臺,推薦系統(tǒng)配置方式見表1。采用機械能量調(diào)節(jié)方式的數(shù)碼渦旋式壓縮機(如圖17所示)可實現(xiàn)10%~100%的容量調(diào)整范圍,實現(xiàn)0.5℃的溫度控制。
表1 多臺壓縮機并聯(lián)使用推薦系統(tǒng)配置方
圖16 大型商用并聯(lián)渦旋式壓縮機組
圖17 數(shù)碼渦旋式壓縮機
半封閉渦旋式壓縮機(如圖18所示)適用工質為R22,R134a,R404A,R410A 和R507A,排氣量范圍為38.5~72.3?。恚常?,制冷量范圍(R22)為26.5~76.9?。耄?。
圖18 半封閉渦旋式壓縮機
圖19 D公司TT系列離心式壓縮機
4、離心式壓縮機
目前市場上很難見到中低溫用途離心式壓縮機。中高溫用途離心式壓縮機多應用于1000~4500kW 制冷量范圍的中、大型制冷系統(tǒng)。
磁懸浮軸承是一種利用磁場使轉子懸浮起來,從而在旋轉時不會產(chǎn)生機械接觸及機械摩擦,不再需要機械軸承以及機械軸承所必需的潤滑系統(tǒng)。因此,近年來企業(yè)推出了使用磁懸浮軸承的離心式壓縮機產(chǎn)品。
圖19所示為D公司生產(chǎn)的TT 系列離心式壓縮機。該系列壓縮機配備徑向和軸向磁軸承使得軸實現(xiàn)懸浮,從而避免金屬之間的接觸,并因此避免摩擦及潤滑要求。該系列壓縮機采用R134a制冷劑,zui高壓比達到5.2,zui大轉速為40000r/min,制冷量范圍為210~700kW。
G公司CC系列磁懸浮變頻離心式冷水機組采用永磁同步電機、雙級壓縮等多項先進技術,機組滿負荷性能系數(shù)(COP)可達7.19,部分負荷綜合能效系數(shù)(IPLV)達12.06。
T公司開發(fā)的三級壓縮冷水機組將三級壓縮、直接傳動和二級經(jīng)濟器等先進的節(jié)能技術集于一體,效率高、振動小、噪聲低、制冷劑泄漏量少,調(diào)節(jié)能力和工況適應能力很強,很早就應用于蓄冰工況和熱泵工況。制冷量范圍為2285~8790kW,輸入功率范圍為353~1259kW。
5、主要技術特征和趨勢
通過以上介紹可以看出:壓縮機廠家都在通過新技術、新工藝的應用不斷改進、完善壓縮機的性能,使之性能進一步提高、成本進一步降低;其次,細化產(chǎn)品系列和型號,更好滿足不同用戶的需求;其三,重視產(chǎn)品額定工況能效比提高的同時,更加注重改善壓縮機的全工況性能和能效水平,以及適合環(huán)保的法規(guī)。
從整體上看,我國市場銷售的壓縮機產(chǎn)品的技術特征和變化趨勢還是比較顯著的,具體歸納如下:
1)型式多樣化
活塞式、螺桿式、渦旋式和離心式等主要壓縮機型式,在冷藏鏈、商用空調(diào)、工業(yè)制冷等應用領域均有相應的壓縮機產(chǎn)品。在型式趨于多樣化的同時,各種工商用制冷壓縮機的容量和運行范圍得到不斷擴大,使其傳統(tǒng)領地出現(xiàn)了交錯重疊。例如,在商用空調(diào)領域,渦旋式壓縮機的大型化和螺桿式壓縮機在名義功率30~60?。瑁鸱秶霈F(xiàn)重疊,離心式壓縮機的小型化又和螺桿式壓縮機在名義功率100~300hp范圍出現(xiàn)重疊;冷凍用途的低溫渦旋式壓縮機與傳統(tǒng)的中小型半封閉活塞式壓縮機產(chǎn)生了競爭。
2)領地壟斷化(專門化)
盡管壓縮機型式多樣,應用范圍出現(xiàn)了重疊,但是在某些特定應用場合,主導機種的壟斷性在加強。例如,渦旋式壓縮機在6~30hp(壓縮機電機功率)商用空調(diào)壓縮機這一領地獨占優(yōu)勢,全封閉活塞式壓縮機用量持續(xù)減少;30hp以下的冷凍壓縮機,以及新出現(xiàn)的CO2亞臨界循環(huán)壓縮機,基本上是半封閉活塞式壓縮機的天下,渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機對其無法構成實質性的競爭;300hp以上的冷水機組中,離心式壓縮機也無競爭對手。
3)工質自然化
只有自然工質能夠很好地滿足零ODP和低GWP的要求,盡管它們物性存在這樣或者那樣的不足,但自然工質壓縮機的應用一直在持續(xù)增長。R717壓縮機,除了在大型冷庫使用外,目前在復疊制冷系統(tǒng)和熱泵熱水機組得到一定的應用;CO2壓縮機在復疊制冷系統(tǒng)和熱泵機組的應用持續(xù)增加;另外,R290壓縮機和R718壓縮機在熱泵機組和空調(diào)機組中得到應用,目前研究人員還在致力于R729制冷技術民用化。
4)調(diào)節(jié)連續(xù)化
頂開吸氣閥等傳統(tǒng)的壓縮機能量調(diào)節(jié)方式,一般都是“三級”或“四級”的階梯式調(diào)節(jié),這種調(diào)節(jié)方式無論是控溫精度還是能效水平都不理想。近年來,壓縮機逐步采用連續(xù)性的調(diào)節(jié)方式,如螺桿式壓縮機滑閥和數(shù)碼渦旋式壓縮機都能實現(xiàn)10%~100%范圍內(nèi)能量的連續(xù)調(diào)節(jié)。更值得說明的是,連續(xù)調(diào)節(jié)特性更優(yōu)的變頻驅動調(diào)節(jié),目前所有機種均有變頻的機型,壓縮機采用變頻驅動的趨勢非常明顯。
5)工況擴大化
各種壓縮機都在持續(xù)地擴大其運行工況,使單個壓縮機構成的制冷(熱泵)系統(tǒng)能夠在更高的冷凝溫度或更低的蒸發(fā)溫度下工作,以達到傳統(tǒng)雙級壓縮或復疊系統(tǒng)才能達到的溫度范圍。zui明顯的例證是,采用單機雙級螺桿式壓縮機的系統(tǒng)可以達到-60℃的蒸發(fā)溫度;強化補氣的渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機,可以使系統(tǒng)能夠在-20℃低溫環(huán)境中具備良好的制熱性能。
6)功能熱泵化
近年來,隨著空氣源熱泵熱水器在我國市場走俏,各大生產(chǎn)商爭相研發(fā)和生產(chǎn)以制熱功能為主的熱泵壓縮機,產(chǎn)量一直持續(xù)增長。隨著北方清潔空氣行動的加快,以及長江中下游等南方地區(qū)采暖呼聲越來越高,替代北方冬季傳統(tǒng)燃煤采暖的熱泵機組和適合南方采暖需求的熱泵機組的市場容量將會急速增長,這都將進一步擴大熱泵壓縮機的品種和產(chǎn)量。
盡管上述變化特征十分明顯,但與上世紀后30年以活塞式壓縮機、渦旋式壓縮機大規(guī)模應用為代表的壓縮機旋轉化趨勢相比,都是改良而非革命性的變革。隨著出臺的節(jié)能減排和環(huán)境保護法規(guī)越來越嚴格,壓縮機變革的呼聲越來越高,變革的力量正在聚集。壓縮機的變革如何破局,筆者認為,一方面是機構上的突破;另一方面是壓縮原理上的突破。相信通過壓縮機同行們的不懈努力,將持續(xù)推動壓縮機技術和產(chǎn)品的快速進步。
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