全封闭制冷压缩机技术发展趋势与动态

发展趋势介绍

第10卷 第5期2010年10月

制冷与空调

REFRIGERATIONANDAIRCONDITIONING

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全封闭制冷压缩机技术发展趋势与动态

李红旗 成建宏

1)

1)

*

2)

(北京工业大学)

2)

(中国标准化研究院)

摘 要 从政策、市场等需求的角度分析全封闭制冷压缩机的发展趋势,介绍有关的国内外研究现状、一些新的压缩机和新的压缩机结构。

关键词 压缩机;发展;制冷;全封闭;空调

Developmenttrendsofhermeticrefrigerationcompressorstechnology

LiHongqi1) ChengJianhong2)

1)

(BeijingUniversityofTechnology)

2)

(ChinaNationalInstituteofStandardization)

ABSTRACT Analyzesthedevelopmenttrendsofhermeticrefrigerationcompressorsbasedontherequirementsofpoliciesandmarket.Furtherintroducesthecurrentresearchsituations,somekindsofnewcompressorsandsomenewstructures.

KEYWORDS compressor;development;refrigeration;hermetic;air conditioning 众所周知,压缩机是制冷/空调系统的关键部件和心脏,压缩机的品质直接决定了制冷设备的品质。近年来,随着节能与环境保护要求的不断提高以及市场上一些制冷产品新的应用领域的出现,对压缩机也提出了越来越高的要求。

为了适应新的市场变化和形势要求,对压缩机的研究也在不断深入和宽泛,出现了一些新的研究方向。压缩机技术复杂、制造要求高,意味着为了满足市场的需求将要付出更大的努力、密切关注形势的变化、走在市场需求的前面。1 政策对全封闭制冷压缩机的要求1.1 环境保护

环境保护对制冷设备的要求是多方面的,如臭氧层破坏问题、覆盖产品全生命周期的绿色设计问题、原辅材料和生产过程中的有毒有害物质排放问题、回收与再生利用问题等。笔者仅对臭氧层破坏问题进行分析。

ODS破坏臭氧层这一问题已在国际上得到广泛认可,随着其他ODS物质的逐步被淘汰,可在制冷空调行业中用作制冷剂、发泡剂和清洗剂的氢氯氟烃(HCFCs)成为目前剩余数量最大的一族消

图1 第5条款国家HCFCs淘汰进度要求

耗臭氧层物质。

中国作为第5条款国中最大的HCFCs生产和消费国,正面临着2013年冻结和至2030年逐步

削减HCFCs消费的巨大挑战。HCFCs淘汰已进入实质性实施阶段,中国制冷空调行业将主要面临淘汰HCFC 22制冷剂的巨大挑战(见图1)。

以往CFCs淘汰的经验表明,新制冷剂压缩机的供应将是新制冷剂制冷空调设备产业化的关键。因此,开发和生产零ODP和低GWP制冷剂压缩机将是未来一段时期全封闭制冷压缩机的一

*国家科技支撑计划(2006BAK04A22),北京市自然科学基金(3071001).收稿日期:2010 10 08

通信作者:李红旗,Email:lihongqi@

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个主要发展方向。

制 冷 与 空 调第10卷

代表冰箱的实际耗电量。再以房间空调器为例,目前测试定速空调器的能效也仅在一个固定的工况下进行,不考虑空调器实际使用过程中的环境温度变化,也不对其制热性能进行考核,这显然也是脱离实际的。能效评价方法的变化将是必然的,如在测试冰箱耗电量的过程中,周期性开门并定期添加新负荷甚至进一步改变测试时的环境温度,以模拟四季的厨房温度变化;房间空调器测试时改变测试工况,同时考核制冷与制热,进而发展到以APF综合评价空调器的能效。另一个方面的变化将可能表现在能效评价的系统化上。很多情况下制冷设备只是一个大的系统中的一个组成部分,显然作为部件的制冷设备的高效并不意味着系统的高效,在整个系统能量过程的层次上考核能源利用率将是节能要求的另外一个趋势。总之,随着节能工作的深入,对产品能效的评价将由点到线、由线到面不断发展,对制冷压缩机能效的要求也将走向多样化、深层次、系统性,压缩机设计的变化也将是必然的。

2 市场对全封闭制冷压缩机的要求

高效、低噪声、高可靠性和低价格是市场对制冷压缩机的总体要求,所有对制冷压缩机的研究无不围绕着这一终极目标进行。近年来,市场上出现了这些常规要求之外的对制冷压缩机新的需求。这些需求主要体现在制冷空调设备应用领域的扩展。如热泵热水器用压缩机、工业加热过程节能的热泵用压缩机、能量回收或可再生能源利用的热泵用压缩机、用于气态物料冷凝回收的低温压缩机、空调热水器用压缩机等。这些压缩机的研究不同于已有应用领域压缩机的技术提高,而是应用领域的扩展对压缩机的工况范围、设计要求、可靠性等提出了全新的要求。

国际上对HCFC 22制冷剂的替代物研究正

在进行中,目前尚未有明确的结论,而采取淘汰行动又是不可拖延的。从当前的形势分析来看,未来一段时期将是多种替代制冷剂共存的状态,制冷压缩机开发的投入和工作量将倍增。

1.2 节能

压缩机是制冷空调设备主要的耗能部件,压缩机能效的提高将直接带来整机的节能。而且压缩机能效的提高不依赖于增加材料消耗,是一种比较理想的节能途径。

尽管节能是一个老话题,但是随着能效的不断提高,对制冷空调产品的节能要求出现了新的变化。这些变化将对压缩机的能效提出了新的要求。

首先,国家能效标准对制冷空调产品的能效要求不断提高。以房间空调器为例,新的能效标准大幅度提高了产品的能效限定值,制冷量在4500W以下的产品,其能效限定值由EER=2.6提高到EER=3.2(见图2),这就要求更高效的压缩机。很显然,这种思路下能效的提高不是无限

制的。

图2 2010版和2004版房间空调器能效标准对照

3 压缩机的主要研究方向

为了满足对制冷压缩机节能、环保、低噪声、高可靠性和低价格的总体要求,对压缩机的研究从未停止过。研究内容包括制冷压缩机的数学模拟、热力学过程、动力学过程、传热传质过程、流动、噪声、振动与气流脉动、摩擦润滑、气阀、电动机、开发工具、测试技术、容量控制、工艺过程、材料、制冷剂应用等各个方面,涵盖了往复式压缩机、转子式压缩机、涡旋式压缩机、速度式压缩机、螺杆式压缩机等传统机型,以及摆动式压缩机、线其次,节能要求将主要体现在产品能效评价

方法的变化上。这种变化表现在2个方面:一方面,目前很多制冷空调产品的能效评价仅限于一个固定工况下的单点评价上。很显然,这种评价方法并不能如实反映产品在使用过程中的能效,将出现虚假的节能现象。以家用电冰箱为例,在一个固定的环境温度下测试冰箱的耗电量,测试过程中冰箱既无负载也不开门,这远远偏离了使,

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是、现在是、将来也是制冷压缩机的主要研究方向,其终极目标是满足上述市场对制冷压缩机的总体要求。在此仅对几个研究方向举例说明。3.1 数学模拟

YasutakaIto等建立了转子式压缩机的数学模型(见图3)

[1]

用于压缩机研究的各个方面。问题在于数学模型所用的各种基础理论往往不足以描述压缩机内部复杂的热力、动力和传热传质过程,必须结合必要的专门试验,否则就变成了单纯的数字游戏。3.2 摩擦润滑

制冷压缩机的摩擦与润滑是影响压缩机能效、寿命、可靠性以及噪声的关键问题。长期以来对其开展了大量的研究。描述润滑油膜厚度和润滑油膜压力分布的雷诺方程为

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