压缩机工作原理.doc

压缩机制冷原理% l, ^- w1 M+ e# V' G; u9 {
最简单的制冷由四大要件组成：①压缩机；②冷凝器；③节流阀；④蒸发器；   
2 I% S, K5 f1 K9 A: @5 i+ q   制冷压缩机是空调系统的核心部件，通常称为制冷机的主机。科学技术的进步，新式空调系统不断出现，推动了制冷压缩机制造技术的不断进步。从目前制冷压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及微振低噪等特点是空调压缩机制造技术不断追求的目标。下面对制冷压缩机做一个概述.
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; G% W- M- S5 F作用:
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l、从蒸发器中吸m蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；
; C! f9 v* I0 G2、提高压力(压缩)，以创造在较高温度下冷凝的条件；
' V* y  @! X/ B4 S3、输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。. l2 ~9 _1 J! J! l1 F
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一、压缩机的种类很多，根据工作原理的不同，空调压缩机可以分为定排量压缩机和变排量压缩机。& O0 e- D2 E; ?1 e
l、定排量压缩机的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例提高的，它不能根据制冷的需求而自动改变功率输，而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号来实现，当温度达到设定的温度，压缩机停止工作；当温度升高后，压缩机开始 T二作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制，当管路内压力过高时，压缩机停止工作。
! w; m: R" H; u' a% l2、变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器m风口的温度信号，而是根据空调管路内压力变化信号来控制压缩机的压缩比从而自动调节m 风口温度。在制冷的全过程中，压缩机始终是工作的，制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端压力过高时，压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比，这样就会降低制冷强度。当高压端压力下降到一定程度，低压端压力上升到一定程度时，压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。. v# R+ J, [- D5 j0 }/ u
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1 P. g- M3 E  t; S9 C8 I二、根据工作方式的不同，
' [2 S9 W6 Q) w可分为两大类—— 容积型与速度型。# U: p! [; A9 M0 g; h2 _
   容积型压缩机是靠工作腔容积的改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机的有往复式压缩机和回转式压缩机。速度型压缩机是靠高速旋转的T作I1"轮对蒸气做功，压力升高，并完成输送蒸气的任务。属于这类压缩机的有离心式和轴流式压缩机，目前常用的是离心式压缩机。1、往复式压缩机的工作原理) J; _; {$ ~* Q3 l

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往复式压缩机又称活塞式压缩机。压缩机的工作腔是汽缸。活塞在汽缸内作上下往复运动，从而完成了压缩、排汽、膨胀、吸汽等过程。图1中的四个过程分别表示了压缩机1二作中的四个过程。
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. y7 f2 M( j9 _! n/ S9 I( u$ y到最低位置(称活塞的下止点)时，汽缸吸满蒸气。而活塞转而向上，这时吸、排汽门都关闭，汽缸容积缩小，蒸气被压缩，一直压缩到排汽压力为止。图中(b)为排汽过程：当压力达到一定值(大于排汽管内压力)时，排汽阀开启，活塞继续上移，蒸气排出，一直到活塞上移到最高位置(这位置称活塞的上止点)时，排汽结束。图中(c)是余隙膨胀过程：为了防止活塞与吸排汽阀碰撞，活塞上移到上止点时，活塞与汽缸顶部之间留有一定间隙，称余隙。当活塞转而向下运动时，排汽结束时留在余隙内的高压蒸气阻止吸汽阀开启，吸汽不能开始。这时余隙内的蒸气随着活塞下移而进行膨胀，一直膨胀到吸汽压力以下时才结束。图中之(d)是吸汽过程：吸汽阀开启，随着活塞往下运动而吸汽，一直进行到活塞下移到活塞下止点为止。/ ^! K# N( o+ G
( 2)优点：它应用比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且对加工材料和加工lT艺要求较低，造价比较低，适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。! w  s- v+ J7 `/ k! k7 i: a! N& S
(3)缺点：无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化，排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。由于曲轴连杆式压缩机的上述特点，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴连杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。
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2、螺杆式压缩机的构造与工作过程
1 Z+ g4 ~1 }6 z; X* f2 U- x, Q& A螺杆式压缩机是一种回转式容积式压缩机。它利用螺杆的齿槽容积和位置的变化来完成蒸气的吸人、压缩和排IqJ过程。无油螺杆压缩机在本世纪三十年代问世，主要用于压缩空气。后来汽缸内喷油的螺杆式压缩机出现，性能得到提高，目前，喷油式螺杆压缩机已是制冷压缩机中主要机种之一。螺杆式压缩机分为双螺杆和单螺杆两大类，双螺杆压缩机习惯上称为螺杆式压缩机。
( n% Q8 L3 N# u, [9 v- d(1)图2为喷油式螺杆式压缩机的构造。在断面为双圆相交的汽缸内，装有一对转子—— 阳转子和阴转子。阳转子有四个齿，阴转子有六个齿，两根转子相互啮合。当阳转子旋转一周，隐转子旋转2／3周，或者说，阳子的转速比阴转子的转速快50％。图3是螺杆式压缩机从吸汽靠排汽的工作过程，在汽缸的吸汽端座上开有吸汽口，当齿槽与吸汽口相通时，吸汽就开始，随着螺杆的旋转，齿槽脱离吸汽口，一对齿槽空间吸满蒸气，如图(a)。螺杆继续旋转，两螺杆的齿与齿槽相互啮合，有汽缸体、啮合的螺杆和排汽端座组成的齿槽容积变小，而且位置向排汽端移动，完成了对蒸气压缩和输送的作用，如图. E! V- O! u& s1 R
(b)。当这对齿槽空间与端座的排汽! B8 e/ v* \6 U2 i" y* V
口相通时，压缩终了，蒸气被排出，如图(c)。每对齿槽空间都存在着吸汽、1 w3 Q3 f4 `9 W$ K6 m2 F- \! k
压缩、排汽三个过程。在同一时刻存在着吸汽、压缩、排汽三个过程，不过* B7 _+ L/ b4 p7 z3 C
它们发生在不同的齿槽空间。5 u- c, q# T( H
(2)螺杆式压缩机的优点：8 d+ [9 H$ {6 Z( M( u
①螺杆式压缩机只有旋转运动，没有往复运动，因此压缩机的平衡性好，振动小，可以提高压缩机的转速。
: e; U4 G+ K( W②螺杆式压缩机的结构简单、紧凑，重量轻，无吸、排汽阀，易损件少，可靠性高，检修周期长。' V8 V5 U3 }6 X5 j, V: R
③在低蒸发温度或高压缩比工况下，用单级压缩仍然可正常工作，且有良好的性能。这是由于螺杆式压缩机没有余隙，没有吸、排汽阀，故在这种不利工况下仍然有较高的容积效率。
* @% o4 \0 P: x  A④螺杆式压缩机对湿压缩不敏感。" V4 U7 k' O& k& b
⑤螺杆式压缩机的制冷量可以在10％一100％范围内无级调节，但在40％以上负荷时的调节比较经济。6 Y" r8 }" W0 U* i3 J
(3)缺点：噪声较大，以及需要设
$ Q# \8 [6 d) [0 @% M; N- J置一套润滑油分离、冷却、过滤和加压的辅助设备，造成机组体积大。
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(4)应用范围# C3 K& C: k# p+ h& o. i- P- u) M- W
双螺杆压缩机在化工、制冷及空气动力工程中，它所占的比重较大。螺杆压缩机的容积流量范围是2 50m 3／12f a)吸气结束 f b)压缩行程 f c)排出开始之前2 i) Y! J7 ]7 C, @

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. P; N! r1 B$ T: d  [; B# u            图4旋涡式压缩机工作原理
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1 ^" ~' W1 C0 Q; _2 s) }. B0 J1、定圈2、动圈3、动圈涡旋中心4、5、6、8、制冷剂气体7、最小压缩容积9、排气口% q% G( @" _+ S. v
10、动圈涡旋中心l1、开始压缩客积(最大容积)12、回旋半径min，终了压力一般小于12MPa，个别场合可达4．5MPa。在化工系统中，大都采用于式结构，而空气动力工程与制冷领域中常采用湿式。
# X8 J, w- i) j( k7 o* r3、旋涡式压缩机的工作原理旋涡式压缩机的机理早在20世纪初由法国人所发明，但是由于当时加工精度不高和结构上存在问题，而一直未得到推广使用。到了七十年代，这项技术在美国才开始得到应用。自本世纪80年代以来，涡旋压缩机以其机构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性等特点，开始在小型制冷及空调领域获得越来越广泛的应用，也因此成为压缩机技术发展的主要方向之一。旋涡式压缩机也是一种容积型回转式压缩机，一般为直立型。其结构主要分为动静式和双公转式2种，目前动静式应用最为普遍，它的工作部件主要由动涡轮与静涡轮组成。动、静涡轮的结构十分相似，都是由端板和由端板上伸出的渐开线型涡旋齿组成，两者偏心配置且相差180o，静涡轮静止不动，而动涡轮在专门的防转机构的约束下，由曲柄轴带动作偏心回转平动，无自转，只有公转。
# z; ~3 t1 R, |# B9 p2 Z(1)工作原理7 O  c' V& Y$ q; s4 i+ n# K
如图4所示，一对相同型线且相
0 w0 o+ l0 Z0 G6 |& d. T互错开180度的涡旋叶片圈组合一对啮合，动圈2以回旋半径的圆作不旋转的回运动。如(A)所示，在吸气完了时，一对涡旋圈共形成两对月牙形容积。最大的月牙容积l1即将开始压缩。动圈涡旋中心绕定圈涡旋中心连续公转，原最大的月牙容积实现a—b—c的压缩，达到预定压力，由排气口9排出。在月牙11压缩的同时，在动圈和定圈的外周义形成吸气容积4、8，连续回转运动过程中，也实现了相同的压缩，如此周而复始完成吸气、压缩、排气过程。
4 c" h2 u0 g& o; C8 L8 `  ](2)涡旋式压缩机优点：
- I6 p2 Q( _5 P8 [' ?5 X①容积效率高，因为相邻的月牙形空间之间的压差小，泄漏少，无吸汽和排汽阀，阻力小，无余隙容积的再膨胀。9 w+ h$ W' I4 ]
②绝热效率高，在同样制冷量情况下，旋涡式比往复式约高10％。7 D; g! R5 R5 N; b/ Z2 t
③动涡盘与主轴等运动部件的受力变化小，整机振动小。
, a. s  E; J9 |- n. `& s* `7 w④零部件少。约为往复式的40％。3 S/ o5 d) q7 o7 O' ]  \
⑤驱动动涡盘运动的偏心轴可
$ W3 c5 Q8 b% u' Q以高速旋转，因此涡旋式压缩机体积小、重量轻，约比往复式轻l5％。( k- G; J6 O4 c# i9 H4 l8 t
⑥涡旋压缩机运转可靠，而且容易实现变转速运动和变排量技术。- Y) D1 W9 C- T
(3)缺点：要求加工精度高。

依靠压缩机提高制冷剂的压力以实现制冷循环的制冷机。压缩式制冷机由压缩机、冷凝器（凝汽器）、制冷换热器（蒸发器）、膨胀机或节流机构和一些辅助设备组成。压缩机是其核心设备。
# j7 u3 c( E2 t! {  c　　分类 　按所用制冷剂的种类不同，压缩式制冷机分为气体压缩式制冷机和蒸气压缩式制冷机两类。蒸气压缩式制冷机又有氨制冷机和氟利昂制冷机等。气体压缩式制冷机又分为空气制冷机和氦气制冷机等。按所用压缩机种类不同，压缩式制冷机又分为往复式制冷机、离心式制冷机和回转式制冷机（螺杆式制冷机、滚动转子式制冷机）等。蒸汽压缩式制冷机按其系统组成不同分为单级、多级（两级或三级）和复叠式等。 ' m2 @! K* z+ [) v* z
　　工作原理 　各种制冷机的工作原理有其共同之点，也有不同之点。
$ O+ l! C+ R. Q4 _* `/ ^　　气体压缩式制冷机 　以气体为制冷剂,由压缩机、冷凝器、回热器、膨胀机和冷箱等组成(图1) 。经压缩机压缩的气体先在冷凝器中被冷却，向冷却水（或空气）放出热量，然后流经回热器被返流气体进一步冷却,并进入膨胀机绝热膨胀,压缩气体的压力和温度同时下降。气体在膨胀机中膨胀时对外作功，成为压缩机输入功的一部分。同时膨胀后的气体进入冷箱，吸取被冷却物体的热量，即达到制冷的目的。此后，气体返流经过回热器，同压缩气体进行热交换后又进入压缩机中被压缩。气体制冷机都应采用回热器，这不但能提高制冷机的经济性而且可以降低膨胀机前压缩气体的温度，因而降低制冷温度。气体制冷机能达到的制冷温度范围较宽，从高于 0℃到低于-100℃；制冷温度较高时其经济性较差,但当制冷温度低于-90℃时其经济性反而高于蒸气制冷机。

　　蒸气压缩式制冷机 　由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构和一些辅助设备组成。这类制冷机的制冷剂在常温和普通低温下能够液化，在制冷机的工作过程中制冷剂周期性地冷凝和蒸发。常用的蒸气压缩式制冷机有单级的、两级的和复叠式3种。
5 V$ q+ p( |: L3 T4 ]; W+ {8 @　　① 单级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力只经过一级压缩的蒸气压缩式制冷机，简称单级制冷机。单级制冷机由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器等组成(图2)。由压缩机排出的高压蒸气经冷凝器放出热量而冷凝成液体。接着，液体制冷剂经节流阀（膨胀阀）节流，压力和温度同时降低,进入蒸发器中,吸取载冷剂（用它去再冷却被冷却物体）的热量而蒸发成蒸气。然后，蒸气进入压缩机继续压缩，如此循环不已。为提高经济性，有的单级制冷机还在冷凝器后设置过冷器和回热器。单级制冷机的蒸发温度通常在-30～5℃之间。

　　② 两级蒸气压缩式制冷机:制冷剂从蒸发压力提高到冷凝压力需要经过两级压缩的蒸气制冷机(图3) 。它比单级制冷机多一台压缩机、一台中间冷却器和节流阀。经高压压缩机压缩后的制冷剂蒸气，在冷凝器中冷凝成液体，然后分成两路：一路经节流阀A进入中间冷凝器,冷却低压压缩机的排气和盘管中的液体，在中间冷凝器中蒸发的制冷剂蒸气连同低压压缩机的排气一同进入高压压缩机继续压缩;另一路在盘管内被冷却并经过节流阀B节流至蒸发压力，进入蒸发器中蒸发制冷，蒸发后的蒸气进入低压压缩机压缩至中间压力，进入中间冷凝器。与单级制冷机相比，两级制冷机可达到较低的蒸发温度,通常在-30～-70℃之间。 , Y2 z& T3 g1 Y& @7 y% V
　　③ 复叠式制冷机:用不同制冷剂作为工作介质的两台(或数台)单级或两级压缩蒸气压缩式制冷机，用冷凝蒸发器联系起来的复合制冷机。冷凝蒸发器是一个利用高温级制冷剂的蒸发来冷凝低温级制冷剂的换热器。复叠式制冷机能达到很低的蒸发温度。图4为两个单级制冷机组成的复叠式制冷机的工作原理。它的高温级由高温级压缩机、冷凝器、节流阀和冷凝蒸发器组成；低温级由低温级压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀和蒸发器组成。高温级和低温级各为一台单级制冷机。冷凝蒸发器将高温级与低温级联系起来:对高温级来说,它是蒸发器;对低温级来说,它是冷凝器。冷凝蒸发器使低温级的放热量转变为高温级的制冷量。在低温级中，通常使用沸点较低的制冷剂（如R13），停机后制冷剂将全部气化,并导致压力过分升高。为了防止这一现象，通常在低温级系统中装设一个平衡容器。

　　用两台单级制冷机复叠时，低温级的蒸发温度一般为-40～-80℃。一台单级制冷机与一台两级制冷机复叠时，蒸发温度可低达-110℃；若用三元（例如R22、R13和R14）复叠，蒸发温度可低达-140℃。 * p5 N% M  B) f7 {3 C. T1 s
　　蒸气压缩式制冷机主要设备 　蒸气压缩式制冷机的主要设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、冷凝蒸发器和节流机构。
+ k( G" `3 K/ [: x- J4 \　　压缩机 　制冷压缩机有往复式、离心式和螺杆式等型式。制冷压缩机的工作原理和总体结构与其他用途的压缩机基本相同，但根据制冷机的要求在结构上有如下特点：①密封要求高，不允许向内和向外泄漏。因此大、中型制冷压缩机在主轴伸出机体处均设有轴封，小型制冷压缩机则做成半封闭式或全封闭式。半封闭式压缩机通常是将机体与电动机的机壳做成一体，或将两者用法兰连接。全封闭式还只限于小型往复压缩机和滚动转子压缩机，用一个密封的钢罩壳把压缩机与电动机封闭起来，一般不进行拆修。②氟利昂能溶于润滑油中，故常在曲轴箱的油池中装有加热器。有些螺杆压缩机和滚动转子压缩机用喷油法来实现机内密封和冷却，除喷油装置外还设有高效率的油分离器。③压缩机吸入的是饱和蒸气。氨气容易带液，故往复氨压缩机设有防止液击的安全盖。④多级压缩时各级的流量不相同，故多级离心压缩机和螺杆压缩机大多设有中间补气系统，再配以省功器，借以提高制冷机的运转经济性。
& w) Z" F! X0 y+ w( v- o! C/ a9 B　　冷凝器 　靠环境介质带走制冷剂的热量，制冷剂在其中被冷却并冷凝成液体。冷凝器分为水冷式和空气冷却式两种。①水冷式冷凝器是应用最广的一类冷凝器，用于中、大型制冷机中。水冷式冷凝器有:壳管式,制冷剂在管外冷凝（见管壳式换热器）；套管式，制冷剂在管腔中冷凝（见套管式换热器）；喷淋式，制冷剂在管内冷凝（见蛇管式换热器）；蒸发式，制冷剂在管内冷凝，管外用水喷淋，并有空气吹过管子表面。壳管式结构较紧凑，传热效果较好，应用较为广泛。用于氟利昂制冷机的壳管式冷凝器，因氟利昂冷凝时的放热系数较小，常在管外设有翅片，以强化传热。②空气冷却式冷凝器多用于小型氟利昂制冷机中，分为空气强迫对流式（风扇鼓风）和自然对流式两种，前者的传热效果较好。空气冷却式冷凝器均做成蛇管式,制冷剂在管内冷凝,而且在管外设有翅片。 8 N6 S  W, t! i  T' J
　　蒸发器 　依靠制冷剂的蒸发直接或间接（通过载冷剂）吸取被冷却物体的热量。蒸发器可分为：冷却液体的蒸发器，用于间接冷却；冷却空气的蒸发器，用于直接冷却。冷却液体的蒸发器用来冷却载冷剂，常用的有：管壳式，制冷剂在管外蒸发；沉浸式，制冷剂在管内蒸发；干式蒸发器等。用于氟利昂制冷机的管壳式蒸发器一般在管外也设有翅片，以强化传热。干式蒸发器的结构与管壳式相似，但制冷剂在管内蒸发，可使用光管或内翅片管，传热效果好。冷却空气的蒸发器常制成蛇管式,管外套有翅片,空气在管外强制流动，制冷剂在管内蒸发。这种蒸发器与鼓风机的组合称为空气冷却器。此外，在冷藏装置（见制冷装置）中常使用空气自由对流的蛇管式蒸发器，即冷却排管。 ( y, Z5 v$ r9 R8 m( g# n
　　冷凝蒸发器 　只用于复叠式制冷机中。它依靠高温级中制冷剂的蒸发使低温级中的制冷剂蒸气冷凝，它既是高温级的蒸发器，又是低温级的冷凝器。冷凝蒸发器有套管式、绕管式和管壳式等，均采用管内蒸发、管外冷凝的方式。
9 B9 n2 ~0 q1 z8 L　　节流机构 　把制冷剂液体从冷凝压力降低到蒸发压力的控制机构，它能同时控制供液量。节流机构有节流阀、浮球调节阀、热力膨胀阀、毛细管和节流孔板等。 8 r% C8 D. `" p
　　① 节流阀:它是手动操作的控制阀门，转动手轮可改变阀的通道截面，控制供液量，常用于较大型的制冷机中。
4 v/ ]  M# S7 R; _$ \$ q6 O　　② 浮球阀:一种自动控制阀门。它靠蒸发器或中间冷却器中制冷剂液面的变化，通过浮球和传动机构的动作改变阀门的通道截面，只用于氨制冷机中。 8 P8 {, V5 {2 l5 |/ }
　　③ 热力膨胀阀:一种依靠蒸发器出口制冷剂蒸气的过热度来改变通道截面的自动控制阀门(图5)。热力膨胀阀装在蒸发器的进口,感温包设在蒸发器出口管上。感温包中充有感温工质（制冷剂或其他气体、液体）。当蒸发器的供液量偏小时，蒸发器出口蒸气的过热度增大，感温工质的温度和压力升高，通过顶杆将阀芯向下压，阀门开度变大，供液量增多；反之，当供液量偏大时，蒸发器出口蒸气过热度变小，阀门通道便自动变小，供液量随之减少。水推动阀门下方的调整杆，可以调整蒸气的过热度。热力膨胀阀大多用于氟利昂制冷机中。

　　④ 毛细管:也称节流管，通常为长0.1～2米、内径1～3毫米的细长铜管，用于小型冰箱和空气调节设备中。
$ I  b3 O$ w& E& r/ y# b( m9 Y1 @　　⑤ 节流孔板:用于某些离心式制冷机中，分为单孔板和多孔板（几个孔板串联工作）等。孔板的流通截面不能调节，仅适用于工况较稳定的制冷机。
8 v$ T4 M: X' L2 |: Q　　性能和应用 　压缩式制冷机的主要性能指标是工作温度（冷凝温度和蒸发温度）、制冷量、功率和制冷系数。压缩式制冷机的制冷量和功率主要取决于压缩机的结构尺寸和转速，同时也随工作温度而变。表为各种压缩式制冷机的特点和应用。

　　[size=-1]参考书目 * C7 G( K, r3 z. X2 J) {! w