適用于7.2kW空調(diào)機(jī)的高效節(jié)能壓縮機(jī)

2009年上半年開始，國(guó)內(nèi)組織實(shí)施“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”，通過(guò)財(cái)政補(bǔ)貼方式，加快高效節(jié)能產(chǎn)品的推廣使用，一方面有效擴(kuò)大內(nèi)需，拉動(dòng)消費(fèi)需求;另一方面提高用能產(chǎn)品能源效率，促進(jìn)節(jié)能減排。

該政策的推出，大大促進(jìn)了各空調(diào)廠商對(duì)高效空調(diào)的開發(fā)速度。作為空調(diào)心臟--壓縮機(jī)的生產(chǎn)廠商，節(jié)能惠民空調(diào)用新高效壓縮機(jī)開發(fā)直接影響到空調(diào)整機(jī)能效。

節(jié)能惠民空調(diào)開發(fā)新高效壓縮機(jī)的目標(biāo)是將壓縮機(jī)單體能效從現(xiàn)在的3.09提高到3.25以上，相對(duì)應(yīng)匹配的空調(diào)能效要求達(dá)到并超過(guò)國(guó)家高能效標(biāo)準(zhǔn)。

表1 新舊國(guó)標(biāo)對(duì)比

1 壓縮機(jī)性能的影響因素

空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行工況和壓縮機(jī)目前標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況有很大差異，除了需要對(duì)節(jié)流裝置、冷媒充注量、風(fēng)量及流路設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化外，普通意義上的高效壓縮機(jī)已不能滿足要求，必須采用適用于該空調(diào)系統(tǒng)的高能效壓縮機(jī)進(jìn)行匹配。

壓縮機(jī)有若干個(gè)效率指標(biāo)，所有改善方向都圍繞這幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行。

1.1 容積效率

壓縮機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)，實(shí)際能夠從吸氣端輸送到排氣端的氣體，折算為吸氣狀態(tài)的體積，稱為壓縮機(jī)的實(shí)際容積流量。實(shí)際輸汽量與理論輸汽量之比稱為容積效率。

容積效率用于衡量容積型壓縮機(jī)氣缸工作容積的有效利用程度，其值越大，說(shuō)明氣缸容積的利用率越高，相應(yīng)的氣缸容積損失就越小。

對(duì)壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，通常用ην來(lái)表示容積效率 。

1.2 指示功率和指示效率

單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際循環(huán)所消耗的指示功就是壓縮機(jī)的指示功率Pi，單位為kW。

制冷壓縮機(jī)的指示效率ηi是指壓縮1kg工質(zhì)所需的等熵循環(huán)理論功ω與實(shí)際循環(huán)指示功ωi（單位為J/kg）之比。

ηi是用以評(píng)價(jià)壓縮機(jī)氣缸或工作容積內(nèi)部熱力過(guò)程完成的完善程度。

1.3、軸功率、機(jī)械效率、絕熱效率、電效率

由原動(dòng)機(jī)傳到壓縮機(jī)主軸上的功率稱為軸功率Pe，其一部分，即指示功率Pi直接用于完成壓縮機(jī)的工作循環(huán)；另一部分，即摩擦功率Pm用于克服壓縮機(jī)中各運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力和驅(qū)動(dòng)附屬的設(shè)備，可根據(jù)壓縮機(jī)各摩擦副的解析模型求得，或根據(jù)各種機(jī)器給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或公式求得。

機(jī)械效率ηm是指示功率和軸功率之比，用它可以評(píng)定壓縮機(jī)摩擦損耗的大小程度。

1.4 壓縮機(jī)性能損失因素

容積效率ηv主要影響壓縮機(jī)的制冷量，影響因素有余隙容積膨脹引起的損失、泵體內(nèi)部泄漏引起的損失和傳熱損失，主要同余隙容積、泵體部件間的密封尺寸和間隙、氣體換熱面積有關(guān)。

而功耗方面則主要反映在指示效率ηi、機(jī)械效率ηm和電機(jī)效率ηmo方面。指示效率ηi的影響因素為過(guò)壓縮損失、多變損失、吸氣損失、余隙容積損失、加熱損失以及泄漏損失等，主要與吸排氣通道的尺寸相關(guān)；機(jī)械效率ηm的影響因素有潤(rùn)滑油與冷媒混合后的粘性、軸受損失、葉片先端及側(cè)面損失、部件加工精度等，主要與各摩擦部件的結(jié)構(gòu)尺寸、摩擦副的配合尺寸、潤(rùn)滑劑的特性、部件的加工精度有關(guān)；電機(jī)效率ηmo的主要影響因素為電機(jī)的銅損耗、鐵損耗等。壓縮機(jī)損失因子邏輯樹如圖1所示。

圖1 壓縮機(jī)損失因子邏輯樹

1.5 高效壓縮機(jī)改善方向

對(duì)整機(jī)性能的影響因素有很多，可以從這些因素著手，如電機(jī)效率、電機(jī)/泵體匹配性、排氣管、上部空間/出油率、部件加工精度、焊接工藝、油品/油量、儲(chǔ)液器等。高效壓縮機(jī)的改善方向如圖2所示。

圖2 高效壓縮機(jī)改善方向

2 泵體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 缸高/缸徑優(yōu)化

考慮泄漏和機(jī)械損失的影響，汽缸的高度和內(nèi)徑有最優(yōu)值，汽缸高度和內(nèi)直徑比值(缸高／缸徑比)在0.5時(shí)壓縮機(jī)的綜合效率最佳。缸高缸徑比與效率關(guān)系見圖3。

在制冷量方面，缸高降低后，活塞端面和葉片端面引起的泄漏均有所增加，活塞徑向、葉片側(cè)面泄漏減?。灰蛐孤┖陀嘞度莘e引起的冷量損失增大，但幅度略小于壁面加熱損失引起的冷量損失，容積效率增大，故冷量略有上升。指示效率方面，吸排氣阻力、因泄漏和傳熱引起的指示功率損失均減小，故指示效率提高。

圖3 缸高／缸徑與效率關(guān)系

壓縮機(jī)的泄漏損失主要有6個(gè)部分組成：

①經(jīng)活塞外徑側(cè)由高壓腔向低壓腔泄漏

②、③經(jīng)汽缸葉片槽與葉片側(cè)面的間隙向壓縮腔及吸氣腔泄漏

④、⑤經(jīng)活塞端面由活塞內(nèi)徑向吸氣腔及壓縮腔泄漏⑥經(jīng)葉片端面由壓縮腔向吸氣腔泄漏。

由于缸高的降低，①、②、③部分的泄漏將減少，對(duì)同排量機(jī)種來(lái)說(shuō)，高度降低后活塞厚度減薄，④、⑤項(xiàng)的泄漏損失除與壁厚相關(guān)外，還與吸排氣腔的壓差以及油壓有關(guān)。

指示效率的影響因素非常復(fù)雜，其與容積效率相互關(guān)聯(lián)，但兩者之間并不是確定的線形、正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在機(jī)械損失方面，因?yàn)槠赘叨冉档秃螅~片背面受壓面積降低，葉片背力降低，葉片先端與活塞外表面的摩擦損失減小; 軸承的摩擦損耗減少，但是葉片側(cè)面的摩擦損耗增加。

圖4 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)

2.2 吸排氣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

吸氣結(jié)構(gòu)通常可以采用擴(kuò)大吸氣孔孔徑（減小吸氣阻力），縮小吸氣孔與彈簧孔的夾角角度（減小余隙容積）來(lái)改善。

排氣結(jié)構(gòu)則可以設(shè)計(jì)合適的排氣通流面積，使之能和相應(yīng)的壓縮機(jī)排量大小匹配，這樣即能減小排氣阻力，又能控制余隙容積到最佳狀態(tài)；缸蓋的排氣通道上可以設(shè)計(jì)成緩坡，讓冷媒流動(dòng)時(shí)更順暢,這樣可以減小排氣阻力。氣缸上的DV孔角度、深度進(jìn)行調(diào)整，既要保證排氣的順暢，也要盡可能減小該孔的體積，因?yàn)檫@個(gè)體積是余隙容積，大了會(huì)直接影響壓縮機(jī)的性能。

2.3 配合間隙縮小

配合間隙減小需要配合泵體部件加工精度的調(diào)整，泵體泄漏通道主要有：活塞外徑、活塞端面、葉片側(cè)面和葉片端面，如果認(rèn)為所有泄漏流動(dòng)均為穩(wěn)態(tài)層流，則泄漏量與泄漏通道寬度的3次冪成正比（Q=ku3P/ηλ），其中主要影響因素為活塞端面與外徑方向泄漏。

偏心裝配活塞外徑/氣缸內(nèi)徑間隙太小時(shí)可能會(huì)發(fā)生活塞外徑與氣缸內(nèi)徑的接觸，也發(fā)生過(guò)類似的不良情況（偏心裝配后回轉(zhuǎn)不良比例很高），因此縮小偏心裝配間隙需要謹(jǐn)慎，除非能相應(yīng)地提高裝配精度、氣缸內(nèi)徑圓柱度、活塞外徑圓柱度、活塞內(nèi)外徑同軸度等加工精度。

活塞高度方向間隙縮小對(duì)減少泄漏影響也較大，尤其在高壓比的系統(tǒng)內(nèi)，適當(dāng)?shù)拈g隙可以提高整機(jī)的制冷量，同時(shí)也不會(huì)增加壓縮機(jī)的功耗。

經(jīng)研究，可以通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)泵體結(jié)構(gòu)的調(diào)整改善，將壓縮機(jī)的能效從3.09提高到了3.20，提升幅度3.6%。

3 電機(jī)優(yōu)化

3.1 采用高導(dǎo)磁、低損耗的硅鋼片

采用高導(dǎo)磁、低損耗的硅鋼片材料制造壓縮機(jī)電機(jī)，由于硅鋼片的磁化曲線的飽和點(diǎn)較高，而壓縮機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般定子齒磁密控制在16500～17000高斯范圍，因而可減少壓縮機(jī)電機(jī)的銅耗；由于硅鋼片的鐵耗低，因而壓縮機(jī)的效率可得到提高。

3.2 轉(zhuǎn)子脫殼處理

在轉(zhuǎn)子壓鑄前增加脫殼工序，此工序在硅鋼片的沖剪面會(huì)生成氧化膜，此氧化膜對(duì)減小鐵芯中的橫向電流、降低附加損耗有利。

3.3 電機(jī)出力點(diǎn)調(diào)整

高效空調(diào)的實(shí)際工況發(fā)生變化后，其整機(jī)的功率會(huì)有很大的降低，此時(shí)壓縮機(jī)的出力點(diǎn)將向左偏移，遠(yuǎn)離了電機(jī)的最佳效率點(diǎn)位置。因此根據(jù)空調(diào)計(jì)算的出力點(diǎn)調(diào)整電機(jī)，將電機(jī)的最高效率點(diǎn)調(diào)至與空調(diào)匹配。同時(shí)由于負(fù)載的降低，可以把力矩減小，這樣可以將電機(jī)效率提升近2%。

3.4 定轉(zhuǎn)子間隙減小

定轉(zhuǎn)子間隙減小后可以減小鐵損，提高電機(jī)效率，但減得太小后容易出現(xiàn)電磁聲，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子外徑掃到定子內(nèi)徑。因此不同疊高的電機(jī)需要尋找到最合適的定轉(zhuǎn)子間隙。

通過(guò)電機(jī)的優(yōu)化改善，可把高效壓縮機(jī)的性能從3.2提升到了3.25以上，提升幅度1.6%。

4 油循環(huán)率（OCR）降低

制冷壓縮機(jī)工作時(shí)需要潤(rùn)滑油在機(jī)內(nèi)起潤(rùn)滑、冷卻和密封的作用。制冷系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中潤(rùn)滑油往往隨壓縮機(jī)排氣進(jìn)入冷凝器甚至蒸發(fā)器，在傳熱壁面上凝成一層油膜，由于油膜導(dǎo)熱系數(shù)小，使得冷凝器或蒸發(fā)器的傳熱效果降低。同時(shí)壓縮機(jī)內(nèi)部零部件也會(huì)因缺少潤(rùn)滑油潤(rùn)滑而增加磨損，性能下降。因此提高制冷循環(huán)的性能，確保壓縮機(jī)的安全可靠性，降低制冷循環(huán)的油循環(huán)量是非常重要的。

4.1 減少壓縮機(jī)潤(rùn)滑油充注量

為了解不同注油量對(duì)壓縮機(jī)的OCR的影響，在壓縮機(jī)里注入了不同的油量進(jìn)行油循環(huán)率試驗(yàn)。結(jié)果表明不同注油量的壓縮機(jī)在相同工況下的油循環(huán)率隨著油量的增大而增大?？紤]到空調(diào)系統(tǒng)本身的冷媒充注量和油稀釋率，一般是不會(huì)采用更改油量的方法來(lái)降低出油率。

4.2 消聲器變更試驗(yàn)

含油冷媒蒸汽從排氣閥出來(lái)后首先經(jīng)過(guò)消聲器，所以消聲器的設(shè)計(jì)對(duì)降低壓縮機(jī)油循環(huán)存在一定的影響，故進(jìn)行不同消聲器的裝機(jī)試驗(yàn)確認(rèn)。該試驗(yàn)使用的消聲器如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖5 試驗(yàn)用消聲器

工況 方案 OCR消聲器1# 2.14消聲器2# 2.27消聲器3# 1.52

試驗(yàn)表明，消聲器變更試驗(yàn)對(duì)OCR的影響不明顯，對(duì)降低TH壓縮機(jī)油循環(huán)率無(wú)明顯作用。

4.3 電機(jī)轉(zhuǎn)子通孔

冷媒從泵體壓縮出來(lái)后，經(jīng)過(guò)上部電機(jī)，再?gòu)纳蠚どw排氣管排出壓縮機(jī)。由于大多數(shù)的油通路可影響油霧的流動(dòng)速度，利用氣流速度的降低進(jìn)行油氣分離。在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)通氣孔，降低排氣速度和溫度，從而達(dá)到油氣分離的目的。見圖6，在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑上增加4個(gè)均勻分布的腰形環(huán)孔。

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)子通孔對(duì)比

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3

試驗(yàn)表明，在轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)腰形通氣孔，可以有效降低壓縮機(jī)的OCR，效果顯著。

4.4 新型旋風(fēng)式擋油板

一般大型的制冷系統(tǒng)都會(huì)帶有獨(dú)立于壓縮機(jī)之外的油分離器，它們安裝在壓縮機(jī)和冷凝器之間，將壓縮機(jī)過(guò)熱蒸汽中夾帶的潤(rùn)滑油在進(jìn)入冷凝器前分離出來(lái)。常用的油分離器有洗滌式、離心式、填料式、過(guò)濾式4種主要方式，其中離心式分油效果顯著。冷媒和油的混合物進(jìn)入油分離器后沿導(dǎo)向葉片呈螺旋狀流動(dòng)，油滴在離心力作用下從排氣中分離出來(lái)沿殼體內(nèi)壁流下，氣體排出壓縮機(jī)。根據(jù)制冷系統(tǒng)油分離器原理，結(jié)合壓縮機(jī)特點(diǎn)，采用帶旋葉的擋油板，將離心分油從系統(tǒng)移植到壓縮機(jī)內(nèi)部。

圖7是電機(jī)上部空腔截面上的瞬態(tài)速度場(chǎng)分布對(duì)比，前者是安裝片狀擋油板，后者為安裝旋風(fēng)式擋油板，該截面的高度是位于擋油板和殼蓋內(nèi)表面的中間位置。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝片狀擋油板的定子切邊和沖孔區(qū)域流速明顯高于同一直徑帶其他部位。相比而言，安裝旋風(fēng)式擋油板由于形成大的湍流使整個(gè)截面上的速度流趨向均勻。

圖7 速度場(chǎng)分布對(duì)比

圖8 是計(jì)算模型內(nèi)部流場(chǎng)分布對(duì)比，前者是安裝片狀擋油板，后者為安裝新型旋風(fēng)式擋油板，從排氣閥片排出的油氣混合物,經(jīng)過(guò)電機(jī)定子切槽、沖孔等通道到達(dá)殼體上部。相比而言，安裝新型旋風(fēng)式擋油板的油氣混和物在排出排氣管前有形成大的湍流，油氣分子和殼體內(nèi)壁、擋油板以及油氣分子之間的相互碰撞使得潤(rùn)滑油更容易從混合物中分離出來(lái)，從而使油循環(huán)率降低。

圖8 模型內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)比

3種新型擋油板形式，如圖9所示。

圖9 新型擋油板

按照?qǐng)D9排列順序，分別定義為方案1、2、3試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4

試驗(yàn)表明方案1和3在降低OCR上均有顯著效果。并且使用方案1在空調(diào)上匹配，制冷量直接提升了400W，在空調(diào)系統(tǒng)未變的情況下空調(diào)的整機(jī)能效提升了0.2。

5 小結(jié)

壓縮機(jī)單體能效由原來(lái)的3.09改善后提高到3.25以上，部分機(jī)種的能效甚至達(dá)到了3.3的水平。這種應(yīng)用于壓縮機(jī)內(nèi)部的旋風(fēng)式分油器采用旋轉(zhuǎn)離心分離，將排出氣體中的油甩向殼壁，形成油滴順殼壁流下，能大幅度降低從壓縮機(jī)排氣口排向空調(diào)的油量，該壓縮機(jī)的油循環(huán)率由原來(lái)的2%降低到0.1%以下，比市場(chǎng)上出油率具有國(guó)際水平的渦旋式壓縮機(jī)(出油率0.3%以下)還要優(yōu)異。