工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)研究進(jìn)展與展望

潘曦，李彥澎，王瑩，邢子文

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安，710049)

制冷技術(shù)為人類社會(huì)帶來(lái)了巨大便利。隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們追求消費(fèi)升級(jí)，越來(lái)越關(guān)注人居的舒適性和食品的品質(zhì)與安全[1]。即使處于新冠疫情導(dǎo)致的全球經(jīng)濟(jì)艱難前行的時(shí)期，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)支撐之下的低溫儲(chǔ)存和冷鏈運(yùn)輸?shù)仁袌?chǎng)依然日益擴(kuò)大，甚至需求增速更勝以往。冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)在食品領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域都發(fā)揮出了重大作用。

壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的心臟，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成的市場(chǎng)擴(kuò)大對(duì)工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)行業(yè)是一把雙刃劍。不僅帶來(lái)了更大的經(jīng)濟(jì)效益和更廣闊的發(fā)展前景，還帶來(lái)了更艱巨的挑戰(zhàn)。一方面，在碳中和[2]目標(biāo)的指引之下，工業(yè)領(lǐng)域需要深度減排，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)鏈也需向低碳轉(zhuǎn)型，冷凍冷藏用制冷壓縮機(jī)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)創(chuàng)新要向綠色環(huán)保的方向邁進(jìn)；另一方面，在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景之下，各個(gè)行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)需要不斷進(jìn)行技術(shù)革新來(lái)達(dá)到兼具低成本與高能效的特征，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的高要求。

目前市場(chǎng)上工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)多為活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)。由于壓比較大，離心壓縮機(jī)在冷凍冷藏領(lǐng)域目前應(yīng)用較少，但多級(jí)離心壓縮機(jī)逐漸進(jìn)入研究人員的視野，關(guān)于其在冷凍冷藏應(yīng)用的研究正在加速開展。本文作者以壓縮機(jī)種類為劃分，討論往復(fù)式活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)4種壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)不同機(jī)型在工商用冷凍冷藏領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)內(nèi)容，確定各種壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍；然后分析4種壓縮機(jī)的市場(chǎng)及其主流機(jī)型，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式的壓縮機(jī)在相應(yīng)的運(yùn)行工況下的性能系數(shù)，為不同冷量和溫區(qū)下壓縮機(jī)選型提供了數(shù)據(jù)支撐；最后，探討當(dāng)前技術(shù)和產(chǎn)品存在的問題，從壓縮機(jī)能效提升、減振降噪技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)4種壓縮機(jī)進(jìn)行展望，為工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)領(lǐng)域的研究人員、制造廠商和政策制定者提供了參考。

1 冷凍冷藏用活塞壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

活塞壓縮機(jī)在冷凍冷藏領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)型有全封式、半封式和開啟式。全封式活塞壓縮機(jī)主要應(yīng)用于輕商領(lǐng)域，如飲料展示柜和制冰機(jī)自動(dòng)售賣機(jī)等，其功率一般在735 W以下；半封式活塞壓縮機(jī)主要應(yīng)用大型冷凍冷藏場(chǎng)所，其功率一般為2.20～36.75 kW；開啟式活塞壓縮機(jī)主要應(yīng)用于制冷量不大、成本較低的場(chǎng)合，同時(shí)還包括一些特殊的場(chǎng)景如船用冷凍冷藏場(chǎng)所，其功率一般在3～30 kW。2015—2020年，國(guó)內(nèi)只有全封式活塞壓縮機(jī)銷量復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)4.7%，半封式及開啟式總體上都呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。但就活塞壓縮機(jī)的銷量來(lái)說，其在冷凍冷藏壓縮機(jī)領(lǐng)域的地位依然穩(wěn)固，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)及海外市場(chǎng)的發(fā)展持續(xù)向好。

1.1 全封式活塞壓縮機(jī)

全封式活塞壓縮機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好與噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輕商用冷凍冷藏領(lǐng)域，尤其是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐久性要求較高的小冷量場(chǎng)合，例如冰箱、酒柜與小冷庫(kù)等。其中，近年來(lái)新零售行業(yè)的快速發(fā)展，輕型商用壓縮機(jī)的銷量增幅遠(yuǎn)高于家用壓縮機(jī)[3]，未來(lái)的市場(chǎng)潛力也將持續(xù)增大。關(guān)于全封式活塞壓縮機(jī)的技術(shù)研究已經(jīng)非常成熟。無(wú)論是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零部件研究與振動(dòng)噪聲，還是壓縮機(jī)的運(yùn)行控制與變頻調(diào)節(jié)都有成熟的技術(shù)與產(chǎn)品可以借鑒。目前根據(jù)市場(chǎng)需求，全封式活塞壓縮機(jī)的技術(shù)發(fā)展需要滿足應(yīng)用途徑的多樣性，其可靠性與能效仍需不斷提高。

輕商用制冷設(shè)備高效節(jié)能的要求與相關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施讓變頻全封式活塞壓縮機(jī)獲得了高速發(fā)展。變頻技術(shù)的成熟與相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)降低了變頻全封式壓縮機(jī)的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致變頻全封式活塞壓縮機(jī)成為高端冰箱的標(biāo)配。對(duì)于變頻壓縮機(jī)而言，需要深入研究固定剛度下吸排氣閥在不同運(yùn)行頻率下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而選取最優(yōu)的氣閥剛度。合適的氣閥剛度可以改善閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提升氣閥的壽命，降低壓縮機(jī)在變頻工況下的綜合排氣流動(dòng)損失。在超高頻率運(yùn)行時(shí)，適當(dāng)提高吸排氣閥閥片的剛度和固有頻率有利于提升壓縮機(jī)的容積效率[4]。而開發(fā)新型高效氣閥對(duì)于拓展全封式活塞壓縮機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合十分重要，EGGER 等[5]提出了一種新型高效的舌簧閥，基于多響應(yīng)優(yōu)化方法優(yōu)化了舌簧閥的幾個(gè)變量，降低了壓縮機(jī)內(nèi)的排氣流動(dòng)損失，提高了壓縮機(jī)的性能系數(shù)、制冷量及可靠性。另一方面，全封式活塞壓縮機(jī)內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)其熱力性能有至關(guān)重要的影響，SILVA 等[6]建立了全封式活塞壓縮機(jī)的仿真模型，結(jié)合遺傳優(yōu)化算法確定了特定工況下活塞的最佳軌跡，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性，有效地提升了壓縮機(jī)的熱力性能。此外，全封式活塞壓縮機(jī)的故障診斷對(duì)于輕商用制冷設(shè)備全生命周期的運(yùn)行維護(hù)具有重要的意義。KOCYIGIT等[7]使用p?h圖對(duì)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的全封式活塞壓縮機(jī)進(jìn)行了故障診斷，為壓縮機(jī)的無(wú)損化故障診斷提供了借鑒。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，全封式活塞壓縮機(jī)在近幾年內(nèi)仍會(huì)保持高速的發(fā)展。

1.2 半封式活塞壓縮機(jī)

半封式活塞壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制冷量范圍廣和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工商用冷凍冷藏領(lǐng)域的應(yīng)用比例最大[8]，其應(yīng)用場(chǎng)合多為中小型冷庫(kù)、工藝?yán)鋮s設(shè)備與冷藏運(yùn)輸?shù)?。?guó)內(nèi)的單機(jī)半封式活塞壓縮機(jī)按氣缸數(shù)量劃分可以分為2缸、4缸、6缸和8缸4種類型；而國(guó)外的單機(jī)半封式活塞壓縮機(jī)則劃分為2缸、3缸、4缸和6缸4種類型。一般而言，氣缸數(shù)量增多，其排量也隨之增大，對(duì)應(yīng)的額定功率也提升。對(duì)于額定功率較小的機(jī)型，潤(rùn)滑方式一般采用飛濺潤(rùn)滑，并直接由冷凝器風(fēng)機(jī)或獨(dú)立風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流冷卻電機(jī)；而對(duì)于功率較大的機(jī)型，一般增設(shè)油泵為壓縮機(jī)提供充足的潤(rùn)滑油，并采用吸氣冷卻的方式冷卻電機(jī)，極端情況下會(huì)考慮使用噴液的方式保證電機(jī)的安全運(yùn)行。近年來(lái)，隨著大功率渦旋壓縮機(jī)和小型螺桿壓縮機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，半封式活塞壓縮機(jī)的市場(chǎng)受到了擠壓。然而，在8.8～29.4 kW 的功率范圍內(nèi)，當(dāng)蒸發(fā)溫度較低時(shí)，半封式活塞壓縮機(jī)憑借其性能與價(jià)格優(yōu)勢(shì)依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。

作為工商用冷凍冷藏領(lǐng)域內(nèi)覆蓋應(yīng)用范圍最廣的壓縮機(jī)，半封式活塞壓縮機(jī)的技術(shù)已較完善。目前的研究大多聚焦于提高能效、可靠性與制冷劑替代等方面。能效方面主要關(guān)注壓縮機(jī)的容積效率與絕熱效率，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型模擬壓縮機(jī)的工作過程，進(jìn)而獲得壓縮機(jī)的熱力性能參數(shù)。ROSKOSCH 等[9]建立了一種活塞壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型，以快速預(yù)測(cè)壓縮機(jī)的容積效率和絕熱效率，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差較小；YANG等[10]提出了一種CO2半封式往復(fù)壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)了壓縮機(jī)的輸入功率和質(zhì)量流量，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較吻合；RIVA 等[11]測(cè)試了以丙烷為制冷劑的半封式活塞壓縮機(jī)的性能，發(fā)現(xiàn)吸入過熱蒸汽可以提高壓縮機(jī)的容積效率。此外，氣閥是半封式活塞壓縮機(jī)內(nèi)的易損件，改善閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)氣閥的壽命具有重要的影響。MA等[12]開發(fā)了一種CO2制冷半封式活塞壓縮機(jī)，研究了壓縮機(jī)內(nèi)排氣閥的動(dòng)態(tài)特性，獲得了閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了壓縮機(jī)的可靠性。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，冷凍冷藏用半封式活塞壓縮機(jī)獲得了穩(wěn)定發(fā)展，在其主要應(yīng)用范圍內(nèi)依然占主導(dǎo)地位。

1.3 開啟式活塞壓縮機(jī)

開啟式活塞壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速偏高，可以實(shí)現(xiàn)多缸結(jié)構(gòu)，按氣缸數(shù)量可分為2缸、4缸和6缸這3種機(jī)型，有皮帶輪驅(qū)動(dòng)和直接電機(jī)驅(qū)動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)方式可供選擇，一般具有特殊的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分級(jí)能量調(diào)節(jié)[13]，并適用R22，R404A以及氨等天然低溫工質(zhì)。潤(rùn)滑方式一般采用油泵對(duì)機(jī)組進(jìn)行潤(rùn)滑，并通過油冷卻與吸氣冷卻保證軸封的密封性。開啟式活塞壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍較窄，目前主要應(yīng)用于大中型冷庫(kù)和船用冷凍冷藏等特殊場(chǎng)合。該機(jī)型的易損件較多，需要定時(shí)檢修氣閥與活塞環(huán)等易損件。在低溫場(chǎng)合下，開啟式活塞壓縮機(jī)處理吸氣帶液的能力較差，但其承壓高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)依然為其保有特定市場(chǎng)[14]。由于市場(chǎng)潛力不大，近些年開啟式活塞壓縮機(jī)的相關(guān)研究較少，在壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行性能與控制邏輯等方面沒有較大突破，部分研究聚焦在結(jié)合人工智能模型的數(shù)學(xué)建模。LEDESMA等[15]使用人工智能模型研究了活塞壓縮機(jī)的熱力性能，使用優(yōu)化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓縮機(jī)的3 個(gè)能量參數(shù)進(jìn)行高精度建模，發(fā)現(xiàn)了預(yù)測(cè)質(zhì)量流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有最高精度。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，開啟式活塞壓縮機(jī)在其特定市場(chǎng)下依然具有明顯優(yōu)勢(shì)，但由于運(yùn)行性能與當(dāng)前市場(chǎng)份額等方面的劣勢(shì)，該機(jī)型很難再有較大突破。

2 冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

螺桿壓縮機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、體積小、質(zhì)量輕、振動(dòng)小和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在單機(jī)頭大冷量方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。受益于冷鏈物流的高速發(fā)展，冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)市場(chǎng)在近5年獲得了穩(wěn)步提升，而其中最主要的機(jī)型是半封式螺桿壓縮機(jī)與開啟式螺桿壓縮機(jī)。半封式螺桿壓縮機(jī)冷量覆蓋范圍較廣，其功率為29.4～73.5 kW。主流的半封式螺桿壓縮機(jī)相比于活塞壓縮機(jī)具有更大的排氣量和額定功率，根據(jù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)比大致可以分為5/6齒和5/7齒這2類。一般5/6齒機(jī)型的排氣量略大于5/7齒機(jī)型的排氣量，對(duì)應(yīng)額定功率也略高。而開啟式螺桿壓縮機(jī)的冷量相對(duì)較大，其排氣量一般大于250 m3/h，并可適應(yīng)更大的壓比與更寬廣的容量范圍。不同于活塞壓縮機(jī)，利用吸排氣壓差驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑是冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)的主要潤(rùn)滑方式，而電機(jī)冷卻方式則兼有吸氣冷卻與噴液冷卻。由于螺桿壓縮機(jī)的機(jī)型一般偏大，所以大多數(shù)產(chǎn)品都帶有內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑閥或容量調(diào)節(jié)滑閥以適應(yīng)不同負(fù)荷下的冷量需求。

螺桿壓縮機(jī)依靠一對(duì)相互嚙合的陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子使其工作容積發(fā)生周期性變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣體壓縮。圖1所示為半封式螺桿壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。由圖1可見：轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線，轉(zhuǎn)子型線可以影響接觸線、泄漏三角形、封閉容積與齒間面積等，對(duì)螺桿壓縮機(jī)性能具有至關(guān)重要的影響。

圖1 半封閉式螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of semi-hermetic screw compressor

螺桿壓縮機(jī)型線主要包括對(duì)稱圓弧形線與不對(duì)稱形線，國(guó)內(nèi)外著名的螺桿壓縮機(jī)生產(chǎn)廠家都是伴隨著新型線的開發(fā)而不斷發(fā)展壯大進(jìn)而快速搶占市場(chǎng)份額。因此，需要加大力度開發(fā)適用于不同工況下的高效螺桿壓縮機(jī)型線。邢子文等[16?17]總結(jié)了螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線與壓縮機(jī)幾何特性的計(jì)算方法并開發(fā)了螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)了適用于低溫工況下的轉(zhuǎn)子型線以匹配工質(zhì)特性、壓縮機(jī)內(nèi)部換熱與轉(zhuǎn)子受力情況；王文軍等[18]基于三維激光掃描儀測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用NURBS曲線將轉(zhuǎn)子截面數(shù)據(jù)擬合成型線，提出了一種螺桿型線設(shè)計(jì)方法；王炳明等[19?20]采用包絡(luò)理論設(shè)計(jì)了CO2螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子型線并設(shè)計(jì)了壓縮機(jī)的排氣孔口，實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的樣機(jī)可以滿足NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)的要求。

在研發(fā)新的理論型線的同時(shí)還需要研究實(shí)際型線，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)刀具的刃形。在刀具刃形的設(shè)計(jì)中需要考慮的因素較多，包括轉(zhuǎn)子在加工和運(yùn)行過程中的受力變形、工作中的熱膨脹、前后齒面間隙的不均勻性、不同齒面的相對(duì)速度對(duì)間隙的不同要求等，進(jìn)而使加工出的轉(zhuǎn)子在接觸線各點(diǎn)上具有優(yōu)化的間隙分布，保證壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)具有優(yōu)越性能?，F(xiàn)有冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)型線設(shè)計(jì)技術(shù)已較成熟，基本可以匹配現(xiàn)有的運(yùn)行工況。隨著螺桿壓縮機(jī)逐步擴(kuò)大適用范圍，轉(zhuǎn)子型線需要進(jìn)一步更新迭代，現(xiàn)有技術(shù)可為新型線的開發(fā)提供參考。

螺桿壓縮機(jī)可以通過變頻與滑閥調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的容量。文命清等[21]研究了冷凍油的物理性能對(duì)螺桿壓縮機(jī)滑閥卸載力與滑閥容量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)增大滑閥在吸氣端的受力面積與減小毛細(xì)管孔徑均可減小低黏度冷凍油對(duì)滑閥容量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可靠性的負(fù)面影響；王衍智等[22]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了單機(jī)雙級(jí)變頻螺桿機(jī)組在低溫速凍裝置中具有更加突出的節(jié)能效果，在蒸發(fā)溫度為?40 ℃、冷凝溫度為40 ℃時(shí)，該機(jī)型的性能系數(shù)可達(dá)1.86；狄紅麗等[23]對(duì)比研究了應(yīng)用于冷水機(jī)組的雙螺桿壓縮機(jī)滑閥調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)在滿載工況下性能系數(shù)有所降低，而其綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)提高約14%。目前尚缺乏對(duì)螺桿壓縮機(jī)在冷凍冷藏工況下各容量調(diào)節(jié)方式的對(duì)比研究，冷水機(jī)組中的相關(guān)研究可為其提供參考，在考慮制造成本的情況選取合適的容量調(diào)節(jié)方式對(duì)冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)具有重大的意義。

理論上，使用經(jīng)濟(jì)器對(duì)螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣可以有效地提高系統(tǒng)的制冷量與性能系數(shù)。而補(bǔ)氣壓力與補(bǔ)氣口位置對(duì)補(bǔ)氣效果與壓縮機(jī)性能提升具有重要影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)補(bǔ)氣研究較少，需參考冷水機(jī)組中螺桿壓縮機(jī)補(bǔ)氣壓力與補(bǔ)氣口設(shè)置。而目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)采用冷卻電機(jī)與潤(rùn)滑油后的高壓制冷劑在吸氣結(jié)束角處開始補(bǔ)氣以增大系統(tǒng)的制冷量、減少壓縮機(jī)開啟數(shù)目，但該補(bǔ)氣方式對(duì)系統(tǒng)的性能系數(shù)有負(fù)面影響。因此，冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)亟需補(bǔ)氣方面的理論研究以指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。另一方面，噴油技術(shù)同樣對(duì)冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)的性能有重要的影響。油量較少會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)摩擦損失較大、溫度較高，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行性能有負(fù)面影響；而油量較多則會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的功耗增大。設(shè)計(jì)合適的噴油孔與噴油量對(duì)壓縮機(jī)而言至關(guān)重要?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)噴油技術(shù)的研究較少，同樣需要參考冷水機(jī)組用螺桿壓縮機(jī)噴油技術(shù)[24]。

制冷劑替代方面，R22與R404A仍是冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)使用的主流工質(zhì)。而自然工質(zhì)NH3和CO2也逐漸進(jìn)入研究人員與生產(chǎn)企業(yè)的視野。單級(jí)高壓比的NH3開啟式螺桿壓縮機(jī)與NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)中所用的開啟式與半封式螺桿壓縮機(jī)逐漸占領(lǐng)了一定的市場(chǎng)份額。宋有強(qiáng)等[25]實(shí)驗(yàn)研究了使用NH3和R22的開啟式螺桿壓縮機(jī)的熱力性能，發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)溫度為5～35 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃時(shí)，使用NH3的螺桿壓縮機(jī)容積效率提高了約3%，性能系數(shù)提高6%～10%。而采用CO2作為低溫級(jí)制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)已在歐美國(guó)家的超市與冷庫(kù)工程中大量應(yīng)用。我國(guó)自主研發(fā)的用于NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)的螺桿壓縮機(jī)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

3 冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

渦旋壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)精密、體積小、可靠性高和運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，其產(chǎn)品與市場(chǎng)以空調(diào)為主。按照是否支持帶經(jīng)濟(jì)器運(yùn)行可將渦旋壓縮機(jī)分為噴液機(jī)型與補(bǔ)氣機(jī)型2種，補(bǔ)氣機(jī)型一般稍大于噴液機(jī)型，且運(yùn)行效率也更高。憑借優(yōu)異性能，近年來(lái)渦旋壓縮機(jī)在冷凍冷藏領(lǐng)域的份額逐漸增大，大多應(yīng)用于冷庫(kù)和零售行業(yè)。在冷凍冷藏領(lǐng)域，由于需要增加經(jīng)濟(jì)器等部件達(dá)到更低溫度，同時(shí)制造成本較高，渦旋壓縮機(jī)在冷凍冷藏領(lǐng)域的主要方向是中高溫市場(chǎng)，且市場(chǎng)占有率較低，相關(guān)的研究較少。

影響渦旋壓縮機(jī)的關(guān)鍵因素之一是壓縮機(jī)內(nèi)部的泄漏損失，主要包括徑向泄漏與切向泄漏?，F(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)泄漏研究較少。相比于空調(diào)用渦旋壓縮機(jī)，冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)的壓比較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部的泄漏損失較大，因而需要更深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。目前常見的泄漏模型包括噴管模型、Fanno模型與兩相流動(dòng)泄漏模型，這些模型均可應(yīng)用到冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)中。袁秀玲等[26]同時(shí)考慮黏性摩擦力與慣性力，建立了小間隙泄漏模型，發(fā)現(xiàn)該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合；李力等[27]將渦旋壓縮機(jī)內(nèi)切向泄漏模型簡(jiǎn)化為漸縮管、直管段和漸擴(kuò)管這3 部分的組合，并計(jì)算了壓縮機(jī)內(nèi)的切向泄漏量；江波等[28]研究油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)泄漏通道內(nèi)流體流態(tài)，提出了不同流態(tài)的判定方法與對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；RAK 等[29]分析了排氣壓力和轉(zhuǎn)速等對(duì)工作腔內(nèi)部切向泄漏的影響，獲得了切向泄漏對(duì)渦旋壓縮機(jī)工作腔內(nèi)熱力過程的影響。這些研究成果均可為冷凍冷藏渦旋壓縮機(jī)內(nèi)的泄漏研究提供參考。

補(bǔ)氣技術(shù)可以應(yīng)用于冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)，而補(bǔ)氣量、補(bǔ)氣壓力與補(bǔ)氣口的設(shè)置對(duì)壓縮機(jī)性能有較大影響；噴液技術(shù)同樣可以應(yīng)用于冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)，而噴液量與噴液口的設(shè)置對(duì)壓縮機(jī)性能也有較大影響。冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣技術(shù)與噴液技術(shù)還需要更深入的理論研究。另一方面，渦旋壓縮機(jī)內(nèi)各部件的動(dòng)力學(xué)特性直接影響著壓縮機(jī)的熱力性能、可靠性與壽命，現(xiàn)有研究成果可以較好地描述干式與油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力特性[30?31]。此外，渦旋壓縮機(jī)內(nèi)各個(gè)軸承的動(dòng)力特性也將影響壓縮機(jī)的軸功率。彭斌等[32]建立了變截面渦旋壓縮機(jī)容積、氣體力與摩擦損失的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)影響壓縮機(jī)機(jī)械效率的主要原因是主軸承處的摩擦損失；ISHII 等[33]研究了不同壓力下渦旋壓縮機(jī)止推滑動(dòng)軸承的動(dòng)力特性，確定了由壓差引起的止推滑動(dòng)軸承處的潤(rùn)滑和摩擦情況；KIM 等[34]建立了推力軸承的動(dòng)力特性模型，計(jì)算了推力軸承上的壓力分布、結(jié)構(gòu)變形和熱膨脹，對(duì)渦旋壓縮機(jī)的性能預(yù)測(cè)起到了輔助作用。

相比空調(diào)工況，冷凍冷藏工況中冷凝壓力與蒸發(fā)壓力相差較大，較高的壓比引起壓縮機(jī)內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件間磨損增加，進(jìn)而影響壓縮機(jī)的可靠性[35]，因此，渦旋壓縮機(jī)在應(yīng)用范圍上存在一定限制。開發(fā)新型線是解決渦旋壓縮機(jī)在冷凍冷藏工況中運(yùn)行效率較低的直接手段。型線優(yōu)化方面需要充分使用結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法改善壓縮機(jī)的摩擦與泄漏特性[36]，提升壓縮機(jī)的熱力性能，同時(shí)需要兼顧加工與制造成本。作為螺桿壓縮機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)的多聯(lián)機(jī)組需要簡(jiǎn)化控制、降低故障率的同時(shí)向大冷量方向發(fā)展，力求推出單機(jī)競(jìng)品。結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能的方法可以針對(duì)每一臺(tái)壓縮機(jī)訓(xùn)練定制化模型，進(jìn)而達(dá)到多機(jī)并聯(lián)時(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。此外，冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)工質(zhì)選取對(duì)壓縮機(jī)的性能有重要的影響。張樂平[37]基于現(xiàn)有的R404A渦旋壓縮機(jī)采用4種制冷劑進(jìn)行替代，并計(jì)算了5 種制冷劑的理論循環(huán)性能系數(shù)，發(fā)現(xiàn)與R134a 與R1234ze 相比，R407a 與R407f 具有更好的替代性。新的替代工質(zhì)對(duì)渦旋壓縮機(jī)的研發(fā)提出了更高要求，還需要更多相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

4 冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零部件少，振動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是空調(diào)中應(yīng)用的主要機(jī)型。圖2所示為全封式無(wú)氣閥擺動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)示意圖，該機(jī)型主要包括電機(jī)、壓縮機(jī)及油池。近年來(lái)，房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展速度減緩，家用空調(diào)行業(yè)飽和，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)向冷凍冷藏等領(lǐng)域開拓市場(chǎng)。QB/T 5203—2017“冷凍冷藏噴液旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)”的制定[38]進(jìn)一步加快了轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在搶占市場(chǎng)的速度，甚至替代了部分全封式活塞壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的功率目前最大可達(dá)到8.8 kW，受到功率限制，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)難以匹配大型冷凍冷藏系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用場(chǎng)合有展示柜和小型冷庫(kù)等。為了匹配較低蒸發(fā)溫度帶來(lái)的高壓比和解決高壓比帶來(lái)的冷量衰減，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)逐漸向雙缸雙級(jí)壓縮發(fā)展，甚至有部分企業(yè)在研發(fā)三缸轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。通過多缸設(shè)計(jì)技術(shù)，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍可以進(jìn)一步擴(kuò)寬，進(jìn)而搶占市場(chǎng)份額。此外，與家用空調(diào)壓縮機(jī)類似，隨著制造廠商在研發(fā)上的不斷投入，冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的成本會(huì)有顯著降低。成本方面的優(yōu)勢(shì)會(huì)使轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在輕商用冷凍冷藏領(lǐng)域具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性。

圖2 全封式無(wú)氣閥擺動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of hermetic swing compressor with no valve

轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)一般取決于其所在的應(yīng)用場(chǎng)合的發(fā)展需求。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)領(lǐng)域中轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)通常為了適應(yīng)新場(chǎng)合的工況或是新制冷劑的應(yīng)用，或是為了達(dá)到更高能效、更低噪聲與更低成本，相應(yīng)地會(huì)進(jìn)行新技術(shù)更迭。冷凍冷藏領(lǐng)域是轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)正在進(jìn)軍的方向，目前缺乏深入的理論研究，而家用空調(diào)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的技術(shù)已經(jīng)較成熟，相關(guān)技術(shù)可作為參考。

轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的熱力性能與動(dòng)力特性是影響壓縮機(jī)效率的關(guān)鍵因素，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)兩者的研究較詳盡。熱力性能方面主要考慮泄漏特性，用于計(jì)算壓縮機(jī)內(nèi)泄漏量的模型有很多，包括一維等熵噴嘴模型、Fanno 模型[39?40]與兩相流動(dòng)模型[41?43]，考慮到冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)一般需要使用潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻，兩相流動(dòng)模型可以更準(zhǔn)確地描述壓縮機(jī)間隙內(nèi)的流動(dòng)過程。動(dòng)力特性方面主要考慮轉(zhuǎn)子、偏心輪軸與滑片的運(yùn)動(dòng)、受力及摩擦特性。考慮到壓縮機(jī)各間隙內(nèi)充滿潤(rùn)滑油，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)部件間的摩擦特性可以選取大平板間流體潤(rùn)滑模型、邊界潤(rùn)滑模型與軸承潤(rùn)滑理論等進(jìn)行分析計(jì)算[44]。吳建華[45]詳細(xì)研究房間空調(diào)器用變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)熱力性能與動(dòng)力特性，分析了壓縮機(jī)的幾何特性、各間隙的泄露損失、排氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性等，對(duì)冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的開發(fā)具有重要的借鑒意義。

振動(dòng)噪聲方面，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲主要包括機(jī)械性噪聲和流體動(dòng)力性噪聲。機(jī)械性噪聲主要由固體振動(dòng)所產(chǎn)生，包括各運(yùn)動(dòng)部件間的碰撞、摩擦和振動(dòng)等。而流體動(dòng)力性噪聲主要由壓縮機(jī)內(nèi)流體振動(dòng)所產(chǎn)生，主要包括壓縮機(jī)吸氣及排氣產(chǎn)生的流體動(dòng)力性噪聲，其中排氣側(cè)高壓氣體氣流脈動(dòng)誘發(fā)的流體動(dòng)力性噪聲更顯著。制造廠商一般采用在排氣閥上加裝消音器消除這部分噪聲，消音器的相關(guān)技術(shù)已較成熟。然而如何在根源上減小甚至是消除部分流體噪聲成為減振降噪領(lǐng)域一大發(fā)展趨勢(shì)。

制冷工質(zhì)方面，相比于R134a 和R600a，R22和R404A 可以使得排量較小的壓縮機(jī)擁有更大制冷量[46]。然而對(duì)于R22 而言，壓縮機(jī)排氣溫度較高，甚至超過了150 ℃；對(duì)于R404A 而言，壓縮機(jī)排氣溫度也超過了120 ℃，較高排氣溫度會(huì)影響壓縮機(jī)的性能，甚至可能造成潤(rùn)滑油碳化。為了解決這一問題，相關(guān)制造企業(yè)考慮使用中間噴液技術(shù)，利用一次節(jié)流后液體制冷劑降低壓縮機(jī)壓縮腔內(nèi)制冷劑的溫度。然而，還需要進(jìn)一步深入研究噴液壓力、噴液口設(shè)置及噴液量等，如何避免壓縮機(jī)內(nèi)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象也是噴液技術(shù)需要考慮的重點(diǎn)，高效噴液技術(shù)成為轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在冷凍冷藏領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

5 結(jié)論與展望

在良好的應(yīng)用前景與日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求下，工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)獲得了高速發(fā)展，并向著高效、節(jié)能、環(huán)保、大冷量和低庫(kù)溫的方向前進(jìn)。本文詳細(xì)調(diào)研了工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)，以壓縮機(jī)種類為劃分，對(duì)活塞壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與討論，總結(jié)了現(xiàn)有工商用冷凍冷壓縮機(jī)的相關(guān)技術(shù)。而新零售與冷鏈的發(fā)展對(duì)工商用冷凍冷藏壓縮機(jī)提出了更高要求，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求，各類壓縮機(jī)還需要進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)。

1)冷凍冷藏用活塞壓縮機(jī)。

對(duì)于冷凍冷藏用活塞壓縮機(jī)而言，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與零部件的角度考慮，需要優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)的易損件，提升可靠性與壽命的同時(shí)保證壓縮機(jī)的運(yùn)行性能。如氣閥的設(shè)計(jì)需要兼顧有效通流面積、余隙容積與排氣流動(dòng)損失，同時(shí)還需要考慮氣流脈動(dòng)帶來(lái)的流體動(dòng)力性噪聲。運(yùn)行控制方面需要考慮多級(jí)壓縮中壓比的選取、噴液技術(shù)的應(yīng)用與壓縮機(jī)冷卻方式的選取。此外，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能模型的性能預(yù)測(cè)與故障診斷是近些年活塞壓縮機(jī)技術(shù)研究的方向，需要針對(duì)不同場(chǎng)合下不同形式的活塞壓縮機(jī)建立定制化高精度的數(shù)學(xué)模型，通過智能運(yùn)行控制與故障診斷提高活塞壓縮機(jī)的能效與可靠性。

2)冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)。

對(duì)于冷凍冷藏用螺桿壓縮機(jī)而言，在結(jié)構(gòu)與零部件方面需要著重關(guān)注新型線的開發(fā)、補(bǔ)氣壓力、補(bǔ)氣口位置設(shè)置、噴油口位置設(shè)置與噴油量。轉(zhuǎn)子型線的加工技術(shù)也需要進(jìn)一步提高。對(duì)于蒸發(fā)溫度較低的應(yīng)用場(chǎng)合，需要定制化開發(fā)適用于大壓比、低庫(kù)溫的螺桿壓縮機(jī)，如單機(jī)兩級(jí)壓縮螺桿壓縮機(jī)等。運(yùn)行控制方面，螺桿壓縮機(jī)的智能化運(yùn)行及控制在冷凍冷藏系統(tǒng)中同樣尤為重要。冷凍冷藏系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)負(fù)荷會(huì)有較大波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、復(fù)疊系統(tǒng)的中間壓力與溫度均有較大波動(dòng)，設(shè)置合適的運(yùn)行參數(shù)可以提升壓縮機(jī)的運(yùn)行效率。對(duì)于多臺(tái)并聯(lián)機(jī)組而言，合理地分配系統(tǒng)總負(fù)荷給予每臺(tái)壓縮機(jī)同樣可以提高系統(tǒng)整體的性能系數(shù)。因此，在提高壓縮機(jī)設(shè)計(jì)與制造水平的同時(shí)，壓縮機(jī)智能運(yùn)行及控制成為提高系統(tǒng)性能的另一重要課題。此外，螺桿壓縮機(jī)的故障診斷與遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)大中型冷庫(kù)而言具有重要的意義。及時(shí)的故障預(yù)測(cè)與精準(zhǔn)的故障診斷可以實(shí)現(xiàn)將事件驅(qū)動(dòng)的故障維修變?yōu)槟Ｐ万?qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)維護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷庫(kù)的長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行。目前，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能模型的方法是一種有效地故障診斷方式，該項(xiàng)研究目前還處于初步探索階段，還需更深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

3)冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)。

對(duì)于冷凍冷藏用渦旋壓縮機(jī)而言，需要開發(fā)新型線以滿足低蒸發(fā)溫度帶來(lái)的大壓比的運(yùn)行條件。型線優(yōu)化方面需要充分使用結(jié)構(gòu)力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法改善壓縮機(jī)的摩擦與泄漏特性，提升壓縮機(jī)的熱力性能，同時(shí)需要兼顧加工與制造成本。運(yùn)行控制方面需要考慮補(bǔ)氣與噴液技術(shù)。此外，作為螺桿壓縮機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，渦旋壓縮機(jī)的多聯(lián)機(jī)組需要簡(jiǎn)化控制、降低故障率并向大冷量方向發(fā)展，力求推出單機(jī)競(jìng)品。結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能的方法可以針對(duì)每一臺(tái)壓縮機(jī)訓(xùn)練定制化模型，進(jìn)而達(dá)到多機(jī)并聯(lián)時(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。振動(dòng)噪聲方面，需要研究渦旋壓縮機(jī)內(nèi)的氣流脈動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)，從誘發(fā)機(jī)理上減小壓縮機(jī)的噪聲。

4)冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子縮機(jī)。

對(duì)于轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)而言，提升轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能對(duì)蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)能源利用效率優(yōu)化有著至關(guān)重要的作用，也是轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程中主題。提升壓縮機(jī)的能效需從熱力性能與動(dòng)力特性2個(gè)方面考慮。目前冷凍冷藏轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)尚處在初步研究階段，相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究需借鑒成熟的家用空調(diào)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的相關(guān)技術(shù)。此外，中間噴液技術(shù)可以很好地解決壓縮機(jī)排氣溫度過高的問題，而噴液量與噴液壓力對(duì)壓縮機(jī)性能有至關(guān)重要的影響。高效的噴液技術(shù)將會(huì)成為冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)未來(lái)重要的研究方向。為了匹配較低的蒸發(fā)溫度帶來(lái)的高壓比和解決高壓比帶來(lái)的冷量衰減，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)逐漸向多缸多級(jí)壓縮發(fā)展。通過多缸設(shè)計(jì)技術(shù)，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍可以進(jìn)一步擴(kuò)寬。另一方面，為了進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的制造成本與材料成本，研究人員在轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)、材料及加工技術(shù)上紛紛投入了大量資金以求突破現(xiàn)有瓶頸。高效、低成本的轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)成為冷凍冷藏轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的重要研究方向。而傳統(tǒng)的擺動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在適應(yīng)高壓差制冷工況方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，深入研究擺動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)冷凍冷藏用具有重要的意義。