压缩机的性能分析比较压缩机型式影响

　　1986年大气中CO含量达到525mg/kg，并且每年增加0.4%.在一定条件下，提高CO浓度，可以增强植物光合作用，但其对温室效应的影响也是明显的，如果大气中的CO浓度继续不断的增加，所引起的温室效应会使全球的气候变暖，从而干扰了地球生态系统的自然发展和动态平衡，对人类产生一系列灾难性的影响。如果使用CO为制冷剂，不仅减少温室效应，而且也可以充分利用天然物质，大大降低成本，节约了能源，从根本上解决了化合物对环境污染的问题。NH具有优良的热力性能，价格低廉且容易检漏，运行效率高。HO对生态环境和人体无任何危害，是与环境最为友善的制冷工质，具有较高的安全可靠性，其理论COP值高于R22和R134a.本课题就是针对天然工质NH的特殊性能对制冷系统的每一环节的环境保护与节能方面进行研究。

　　作为制冷工质的性能比较见压缩机的节能设计在跨临界循环的压缩机中压力升高至超临界压力，然后进入气体冷却器中，被冷却介质（水或空气）冷却。为了提高系统的经济性能，可设置一内部热交换器，使出冷却器的高压气体在内部热交换器中与压缩机回气管中的低温低压蒸汽进行热交换，这样，出冷却器的高压气体进一步冷却，而压缩机回气管中的低温低压蒸汽进一步过热。

　　作为制冷工质的性能比较工质种类特征压缩机改善措施强烈的刺激性气味，比空气轻，浓度达0.0005%时能闻到，有微小的泄露能及时发现，且此浓度远低于NH的着火浓度压缩机的最优速度与摩尔质量的平方根成反比，相同制冷量的压缩机工作容积小，零部件的尺寸小，成本降低，开发用于空调与冰箱小型制冷系统的风冷式封闭型压缩机利用良好的通风性能与检测性能，使用安全可靠的轴封装置，提高开启式压缩机制冷系统的安全性，研制合适的润滑油，解决与普通润滑油的不溶性问题。严格控制充灌量无色无味、对环境无任何破坏作用，优良的物理和化学性质，对人类不会产生任何不良影响运行压力低，单位容积制冷量小，需要的压缩机的排气量大，压缩比较大，压缩机的容积效率降低，节流损失增加，且排气温度过高，加大过热损失，恶化润滑效果开发适宜的离心式压缩机制冷系统或采用多级压缩的制冷循环，以降低排气温度，提高温室气体，在可燃性与毒性有严格限制的场合，有极强的竞争力以亚临界循环运行的临界温度较低，当环境的温度稍高时，制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性能受到影响采用跨临界制冷循环，利用气体液化后可吸收蒸发（汽化）潜热的特性以达到制冷的目的。

　　（a）系统流程（b）热力循环P-h图跨临界循环从图中可以明显的看出，在理想的情况下he，制冷系统的冷量增加，同时，可以减少不可逆损失，也可避开环境温度对系统性能的直接影响。因此具有良好的经济性。由于CO的分子量小，根据特鲁顿定律可知其制冷能力很大，其在0℃的单位容积制冷量比一般的制冷剂高5～8倍，因而，对同样尺寸的压缩机，其制冷系统的效率可以大大增加；对相同冷负荷的制冷系统，压缩机与系统的尺寸可以明显的减小。CO的粘性小，0℃时CO饱和液体的的运动粘性只有的23.8%；流体的流动阻力小，可以通过增加流速改善传热，同时可减小流动通道的尺寸，减轻整机重量；由于CO的传热性能比CFC更好，可以大大改善全封闭式压缩机的散热。

　　此外，CO热力性能稳定，润滑条件容易满足，对制冷系统的材料无化学腐蚀，可以改善汽车空调系统中的开启式压缩机的密封性能，减少泄露。

　　但是，CO的绝热指数较高，因此CO的跨临界制冷循环的工作压力较传统的亚临界两相制冷循环的工作压力高很多，对高压力比的制冷系统的压缩密封要求较高。必须采用有效的密封结构，对往复活塞式压缩机，可用多道活塞环密封或使用高精度自动对心的迷宫密封，减少泄露。

　　对往复活塞式压缩机的吸、排气阀的设计，应注意阀两侧的气体压力差与阀弹簧力的最佳匹配，对阀片的运动建立数学模型，利用计算机辅助设计计算出最佳的阀弹簧力，选择弹簧的尺寸。

　　同时，高压力比使压缩机的排气温度增加，需对压缩机进行良好的冷却处理，但高的绝热指数，使得压缩机的余隙容积引起的膨胀损失减少，特别是往复活塞式压缩机，吸入的气量增加，输出气量增大，经济性能得到改善。

　　压缩机的性能分析比较压缩机型式影响容积效率的因素功率消耗改善措施往复式活塞与汽缸壁间隙泄露及阀片的气体回流，活塞顶部余隙容积吸、排气阀的阻力损失使功耗增加利用适当的混油比，选用功能良好的活塞环，利用高绝热指数膨胀曲线陡的特点减小余隙，转子式滑片与转子间、端盖间、滑槽间的泄露，转子与端盖间、汽缸间的泄露偏心轴的不平衡回转惯性力矩，排气阀的阻力损失增加偏心轴和滑片的强度，运用双转子技术，选择合适的密封材涡旋式动涡旋盘与静涡旋盘之间的轴向与径向泄露轴承的摩擦损失提高加工精度和加工表面质量、选择合理的配合间隙、提高装配质量通过比较，CO制冷系统压缩机比同规格的CFC12系统压缩机的重量可以减轻30%～40%.

　　利用CO制冷能力大，粘性小，设计流速高，使得系统的容积流量小，总体尺寸小，重量轻。随着科学技术的发展、压缩机设计的不断优化、加工制造工艺的不断改进，开发节能型的CO制冷系统压缩机将有着广阔的前景。

　　换热器的节能设计为提高制冷系统的热效率，减少能耗，应保证换热器有足够高的传热效率。其节能途径应从强化换热设备的传热、减少设备的功耗、提高经济性、减少工艺的复杂性以及提高设备的可靠性等方面考虑。传热强化有以下几个方面：（1）减少换热面积、缩小设备体积和重量；（2）增加换热量以提高现有换热器的换热能力；（3）降低载热剂输送功率的消耗。首先对换热设备进行热量传递过程的分析；然后分析换热环节热阻的大小，判断哪一环节的分热阻最大；针对这个环节的分热阻采取强化措施，使该侧换热热阻最小，以达到强化传热的效果。首先设法强化表面传热较小一侧的换热，使该侧热阻减小到与另一侧大致相当时，同时强化两个侧面的换热才能受到明显的效果。

　　对以NH为工质的制冷系统，由于其优良的传热性能，蒸发器和冷凝器的换热面积可以适当的减少，因而降低了成本，减少了能耗。以CO为制冷剂的制冷系统换热器，即使CO跨临界循环的工作压力高，传热管壁的厚度按7倍于工作压力的强度安全系数确定，由于系统的容积流量很小，其管径仍很小。对CO跨临界制冷循环的特点是压缩机排出的高压高温制冷剂过热蒸汽只发生单相散热冷却。对换热器，通过精心设计使换热器传热温差减小，从而减小热交换损失。换热器所传递的热量Q=KFΔT，是由冷热流体的平均温差ΔT，传热系数K和传热面积F三个因素决定的。在一定的条件下，设法提高其中任何一个因素都可以增加传热量。下面分别进行讨论。

　　加大冷热流体的平均温差在冷热流体的进、出口温度相同时，应尽可能采用逆流或接近于逆流的传热方式。但在采用逆流布置时应考虑到冷、热流体的最高温度都处在设备的同一端，致使该端传热面的壁温较高，因而提高了对材料的要求，应从安全和经济角度出发做经济技术比较后决定。合理的措施是把换热面分段串联，如低温段采用逆流，高温段采用顺流。

　　对多管程折流方式，应注意避免温度交叉即后传热现象的发生。如一单壳程双管程换热器采用先顺流后逆流的布置方式时，管内冷流体水的终温接近管外侧CO热流体的初始温度t1，并有可能高于热流体的终温t1，热利用率高且不发生温度交叉现象。如果采用先逆流后顺流，当冷流体水出口温度超过CO热流体出口温度时，在以后的区段会发生温度交叉的现象，使有效的平均温度降低，热利用率下降。也可提高冷侧水、热侧流体进、出口温度的差别以增加平均温差，即尽量降低冷侧流体水的进口温度。但冷流体（水）的温度受自然的、工艺的经济条件的限制，同样，热流体（CO）的温度也是受制冷系统的工况、设备的可靠性、运行的经济性等因素的影响。

　　扩大换热面积通过增加换热面积以强化传热是增加换热器传热量的一种有效途径，但可能由此带来设备庞大、金属消耗量增加，或给制造、安装、操作等带来困难的问题。因此，在一定的金属消耗量下可采用小管径管子来增加传热面积。因为管径越小，在一定的金属重量下的总表面积越大，并且较小的管径，有利于提高流体的速度和提高表面传热系数，从而使换热强度提高。但是，小的管径会使流体的流动阻力增加，系统的功耗加大，因此在选择管径时应综合考虑。可利用扩展表面，如肋片管、波纹管、板翅式换热面等，由于增加了肋片，使单位体积内换热面积增加，同时，促使流体流过表面时湍流，从而使换热强度进一步加大。

　　提高传热系数提高换热器的总的传热系数以增加传热量，也是强化传热的主要途径。一个传热过程由几个串联的换热环节组成，传热过程的总热阻是各个环节热阻的叠加。要有效地减少总热阻，增加总的传热系数，应抓住主要的热阻环节，设法使该环节的热阻值减小，强化最大热阻环节侧的表面传热系数，才能收到明显的效果。一般，金属壁的导热系数大、热阻小，而且壁厚还受到强度要求限制，不可任意减薄，因而不是强化传热的主要途径。对流换热的热阻是构成传热过程的总热阻的主要部分，因此应从强化对流换热入手。而对流换热强度与流体的物理性质、流动状态、流道的几何形状、流体有无相变及传热壁面的表面状况等许多因素有关。

　　（1）冷凝器在冷凝器中CO不发生相变，只是气体的冷却，对卧式壳管式水冷式冷凝器，CO流过壳-管之间，蒸汽在水平管外冷却，应设置折流板增加壳程数，以增加CO流动过程的扰动强化换热；CO冷却水在管内流动，传热管为铜制光管。这时比较CO蒸汽冷却的表面传热系数与管内冷却水强制对流表面传热系数，分析换热环节的主要热阻是在哪一侧。如果是在外侧，可采用低肋管或各种类型的锯齿型高效换热管。使外侧的换热表面传热系数提高，换热热阻减小，如进一步提高冷凝器的热效率，减少传热面积，可采用双侧强化管，管外侧用强化冷却的表面结构，管内侧采用强化冷却水换热的折流结构，使管内冷却水减薄或破坏边界层，促使水流体各部分的混合来强化换热。

　　以增强传热的效果，达到预期的目的。对空冷式冷凝器，管外气体侧热阻为总传热过程的主要热阻，采用扩展表面，如翅化表面来强化传热。管-板式换热器中，由于管子的影响，使管外流体沿板式翅片表面的流动既有逐渐发展的层流和湍流，又有涡旋流和加速流。因此，板式翅片各部位的换热强度有很大的差异，为强化板式翅片的换热强度，可在翅片上打孔，把翅片制成鼓泡型、波纹型、分段交叉的的锯齿型等以扰动气流、破坏边界层的发展，同时可使流经它的气流产生旋涡，增强翅片表面的换热。传热表面上结垢、结灰或结晶时，由于污垢的导热系数小、热阻大，其往往是强化传热的一大障碍，所以在设计运行时应采取措施减轻结垢、改善传热。因而，要提高传热系数主要从提高两侧的表面传热系数和入手，尤其要取得管子两侧中换热较差的一侧的表面传热系数，以取得较好的强化传热效果。

　　（2）蒸发器O制冷系统中可以利用闪蒸器替代常规制冷系统的蒸发器，在闪蒸器内产生的水蒸气经多级压缩后进入冷凝器内冷凝，冷凝后的水节流进入闪蒸器，蒸发过程产生的水/冰晶混合物进入蓄冰槽内储存，空调系统所需的冷量从蓄冰槽内取出，制取冷水的同时也得到冰，实现制冷与蓄冰的有机结合。

　　跨临界循环与传统的亚临界两相制冷循环有所不同，流体流经降压元件前的高压制冷剂不是冷凝液体，环境温度对系统性能的影响没有后者敏感。CO气体流经降压元件后被冷却，且部分液化，湿蒸汽进入蒸发器内汽化，大量吸收周围介质的热量，即输出冷量。蒸发器中的液体并不完全汽化，而是设计成有少量液体盈余，使其出口状态在两相区内，这可以提高蒸发器的传热效率，在蒸发器的出口设置一储存器，并与之成为一体，这样可以防止压缩机液击，同时储存器上的专用回油管道便于压缩机回油。从储存器出来的低压饱和蒸汽进入内部热交换器的低压侧通道后成为过热蒸汽进入压缩机。由于CO的粘性小，很容易形成湍流流动。在湍流流动中，由于流体核心区的速度场和温度场都比较均匀，因此流动阻力和对流换热热阻主要存在于贴壁的层流底层中。由此可见，对湍流换热所采取的措施是破坏边界层，即增加边界层内的扰动，以减薄层流边界层底层的厚度。强化方法可采用提高流体的速度、减小管径、缩短管长和使用螺旋管，也可采用壁面扰流器，如三角型、巨型、梯形等连续粗糙肋或沟槽等各种各样的粗糙表面。它们可以垂直于流体流动方向，或是做成螺旋状，使流体流过粗糙表面时发生边界层脱离，在大螺旋角的情况下还可使流体产生旋转运动，从而增强了换热强度。

　　另外，还可在管内插入弹簧丝圈，在圆管外按设计要求碾压出一定节距和深度的横槽或螺旋槽。这时，在管内壁就形成了凸出的横肋或螺旋肋。管子外壁的凹槽和内壁的凸起物可以同时对管子内外两侧的流体起到增强传热的作用。虽然上面扰流装置的形状差别很大，但其传热机理大同小异，都是当流体流过这些扰流装置时产生流动脱离区而形成强度不大小不等的旋涡，这些旋涡改变了流体的流动结构，增加了近壁区流体的湍流度，从而提高了流体与壁面间的表面传热系数。

　　在冷却液体型的干式蒸发器和冷却空气型的翅片管式或光滑管式蒸发器中，制冷剂在管内流动，管内发生强制对流沸腾，其强化换热也可以增加汽化核心和提高气泡脱离频率。可开发新型高效传热管，在其表面人为的加工出大量微小凹坑，这些微孔成为有效的汽化核心增强了沸腾换热。

　　高效传热管有两大类。一类为机械加工表面，即用机械加工方法在换热面上加工出大量特殊形状的微孔，在这些微孔间有很细的沟槽，使微孔内部互相沟通。研究表明，在很小的过热度下这些特殊形状的微孔，仍能保持稳定的汽化核心的作用。因在沸腾过程中这些微孔内总能保持一定的残剩的蒸汽，而且微孔间相互沟通的细槽起着互相活化的作用。另一类是对冷却液体型的满液式蒸发器，管外为制冷剂，制冷剂在壳体内充灌到一定的液面高度，在管间吸收管内载冷剂热量后汽化，使载冷剂冷却。可利用物理与化学的方法，在管子外表面烧结、钎焊、火焰喷涂、电离沉积等覆盖一层多孔结构的金属层。烧结与喷涂表面的微孔具有机械加工表面凹孔的形状，起着与凹孔相同的作用。实验表明，烧结管的传热性能优于表面机械加工管，但加工工艺复杂。

　　对于冷却空气型翅片管式蒸发器或光滑管式蒸发器，当外界空气与低于饱和温度的壁面接触时，空气中的水蒸气会发生结露甚至结霜，会形成热阻，应考虑强化传热。对于空调蒸发器，管外侧空气中的水蒸气会结露，以珠状或膜状出现，应尽量减薄粘滞在蒸发器外表面的水膜厚度，使已经凝结的液体尽快从蒸发器排泄掉，减小液膜层的热阻。可以提高空气的流速、扰动凝结液膜、选择合适的管束排列等强化传热。

　　降压元件的节能途径以NH为制冷剂是解决CFC替代，保护环境的根本方法。但是，CO跨临界循环的不可逆损失增加，其COP值比常规循环至少低20%.因此，应改进循环的特点，进行节能产品的研究与开发。常规的制冷循环是用热力膨胀阀、电子膨胀阀和毛细管对制冷剂进行降压、降温、控制制冷剂的流量。当蒸发器的负荷变化时，热力膨胀阀可以自动调节制冷剂的流量，以控制蒸发器出口制冷剂的过热度。

　　膨胀机的型式结构特点工作性能研究重点往复活塞式结构简单，加工工艺及可靠性易于保证进、排气阀的阻力损失较大，性能与压差、进气温度、进气量有关调整进、排气阀的位置，利用缸数、转速进行能量调节，合理设计气阀和拉杆以减少泄露，防液击。

　　螺杆式不存在不平衡的质量力，能平稳的、无振动的运转，实现高转速。

　　可以较好的处理气液两相流，且带液膨胀可以改善转子之间的密封间隙，降低流体的流动损失利用滑阀实现10%～100%无级低损失的能量调节，进行新型型面设计，提高转子、汽缸等部件的强度和韧性、耐压能力，改善密封性能转子式结构简单，加工容易，效率高，成本低，可靠性高泄露量较大，只有进气阀，阻力损失较小克服死点，改进密封，提高偏心轴与滑片的强度涡旋式运动部件少，摩擦小，震动、噪声小，效率较高动、静涡旋盘间泄露较大，无气阀，阻力损失小动、静涡旋盘的不平衡力与内部扭矩，提高强度电子膨胀阀是利用热敏电阻的作用调节蒸发器的供液量。而毛细管的功能取决于管长、管径、热交换作用、毛细管的圆度和安装位置等五个因素。这几种降压元件虽然都对制冷剂进行了降温、将压，但都是不可逆过程，且随着压差和冷负荷的加大，其不可逆损失增加。因此，可使用膨胀机作为降压元件，对于CO跨临界循环采用膨胀机比常规工质更具有可行性，膨胀比为2～4，是常规工质的1/10，其膨胀功所占比例也较大，回收这部分能量将大大的提高制冷系统的经济效率，对节约能源具有实际意义。

　　片表面的腐蚀较为严重，为测定激光堆焊层抗腐蚀性能，用0.1当量浓度H介质测定堆焊材料阳极极化曲线，如图7所示。

　　堆焊层材料钝化电流和临界钝化电流密度均很小，具有较宽的钝化区范围和较小的钝化区电流密度。表明该材料容易钝化，腐蚀速度小，在酸性介质时有较好的抗腐蚀性能4应用及结论（1）在LWD200型卧螺离心机叶片上采用激光堆焊后，经累计1000h的运行表面光泽明亮，磨损较少，堆焊无剥落及裂纹。

　　（2）激光堆焊层组织为细化的柱状晶也满足使用要求，因此该技术应用于卧螺离心机叶片作耐磨层堆焊简单易行实用价值高。

　　（3）激光堆焊形成表层1mm厚度的硬化层，硬度提高2倍，模拟试验耐磨性能提高5倍，在酸性介质中有较好的抗腐蚀性能。