上海冷冻空调行业协会 

全球螺杆式和离心式压缩机技术发展概况


作者:董天禄 摘译 上传人:网站编辑 上传时间:2018-08-03


  1. 大型制冷压缩机发展历史背景

     

    目前流行的大型制冷压缩机是螺杆式和离心式两种。美国开利博士(Dr.Willis H.Carrier)在1922年在全球首次发明了采用离心式压缩机的空调用水冷式离心式冷水机组。从1930年至1960年的近40年期间美国主要的供暖通风和空调(HVAC)设备制造商利用他们各自的技术开发离心式冷水机组。在过去的一个世纪中离心式压缩机已成为冷水机组以及工业用制冷工艺过程用的主要设备。

    1980年代由于考虑到全球环境问题,制冷空调行业决定淘汰CFCHCFC制冷剂,大部分冷水机组制造商转移至采用具有零臭氧破坏潜能值(ODP)的HFC134a制冷剂。其后,在过去5年中对温室气体排放的有了更严格的规定,制造商已经快速地从具有高全球变暖潜能值(GWP)的HFC制冷剂转移至低GWP制冷剂。随着这些变化,制冷压缩机制造商需要改进原有的压缩机和开发新的压缩机以适应这些新制冷剂的性能。在这种环境下,2000年已经开发并商业化的一种新的小型的无油磁浮轴承制冷压缩机开始面世,而且在过去5年中制造商快速地扩大其容量,大大改变了传统的采用增速齿轮的油润滑压缩机。随着由高速电机直接驱动的无油制冷压缩机的到来,变速驱动机组(VSD)已经广泛地应用于离心式压缩机。

    螺杆式压缩机的理论和设计是在1930年由瑞典的A.J.Lysholm首先创立的一种双转子容积式压缩机,具有重量轻和无喘振等优点。它最初作为一种空气压缩机进行了商业化,然后在1960年被用于带有注油系统的制冷压缩机。1970年又开发成功和商业化的作为制冷压缩机由单一转子和一对啮合的星轮组成的单螺杆压缩机。这两种型式是目前主要用于制冷和空调的设备的螺杆压缩机。

    第一台用于水冷式冷水机组的半封闭螺杆压缩机是由Dunham Bush公司开发的。随着1970年代螺杆转子的模拟技术和制造工艺的进步,著名的美国和日本制造商开发出属于他们自己的专有技术的高效的转子型线。这些进步显著地改进螺杆压缩机的总效率和降低成本,使之可以和常规的往复式压缩机和中小型离心式压缩机相比较甚至优于它们。这使半封闭螺杆压缩机成为诸如水冷和风冷冷水机组和中小型容量范围的制冷设备等的主要压缩机。在2000年一种新的由一个阳转子和一对阴转子组成的三螺杆压缩机得到开发并用于水冷冷水机组。

    大型制冷压缩机当前技术发展重点在于采用环境友好型制冷剂和包括非设计工况下的广阔运行范围内提高总效率。

     

  2. 大型压缩机运行范围的最优化

     

    离心式压缩机通过提高气体动能来压缩气体,其压缩特性和运行范围和容积式的螺杆压缩机不一样。这样,离心式压缩机适合用于压缩大容积的气体,但是由于会产生喘振,它不适合高压差工况。另一方面,由于加大转子尺寸会造成转子变形和轴承负荷显著增加,螺杆压缩机的能量范围也受到限制。

  1. 离心式压缩机

    离心式压缩机通过叶轮转动产生的动能提高压力来压缩气体,因此能不断地压缩大容积的气体。一台能量达到10,000冷吨的R22大型离心式压缩机曾经被开发用于区域供暖和制冷系统,但是目前最大能量的压缩机是约克公司生产的5,500冷吨的R134a离心式压缩机。

    由于叶轮的转速有限制,离心式压缩机产生的压差受到限制。为了能在亚洲气候条件下提高压差和改进压缩机效率,大部分日本和中国的冷水机组制造商在2000年代早期开发了双级压缩机。2013年如开利公司那样的著名的美国制造商也开发了双级压缩机来扩大其应用范围至包括热泵和冰蓄冷系统。Danfoss Turbocor公司最近上市了适用于风冷冷水机组和热回收应用的TTH/TGH系列无油高压差离心式压缩机。

    较小容量的离心式压缩机会要求增加转速而由于油润滑轴承和增速齿轮带来的较高机械损失使效率下降。因此离心式压缩机的较小容量通常限制在300冷吨左右。然而随着无摩擦的带磁浮轴承的无油压缩机的发明,离心式压缩机的容量可以低于300冷吨,但仍可以和螺杆压缩机在效率方面相竞争。

    2)螺杆式压缩机

    随着1970年代模拟技术的进步,各种不同转子型线的优化以及高精度加工的开发使有可能不仅提高压缩机效率还可以降低喷油量从而简化油分离系统。这样,空调用螺杆式压缩机可以大大提高效率和降低生产成本并能扩大其应用范围至低于100冷吨。而这一范围通常是使用往复式压缩机,而超过100-200冷吨范围通常是中小型离心式压缩机的使用范围。

    因为要增加螺杆式压缩机的容量必须加大转子直径,这样气体流动的损失和加在转子和轴承上的负荷也会增加。因此适用于螺杆式压缩机的最大容量是在500-600冷吨。通常用于水冷冷水机组 ,风冷冷水机组,热泵和制冷设备的容量范围大部分在100 500冷吨之间。

    与此同时,大型涡旋式压缩机也得到了开发,其功率高达40-60hp,广泛使用于小于200冷吨的风冷冷水机组和空气源热泵,而这些功率范围过去都是螺杆压缩机常用的容量范围。

    根据最新市场统计,全球螺杆冷水机组的需求量估计要比涡旋是冷水机组高30%,虽然不同地区会有很大变化。

     

  1. 大型压缩机的最新技术

     

  1. 采用替代制冷剂的新型压缩机的设计

    自从开始考虑到由于温室气体排放,对高全球变暖潜能值(GWP)的R134a的进一步限制,制冷剂供应商重点放在扩大寻找和开发可用于大型压缩机的具有低GWP值的替代制冷剂。冷水机组和压缩机制造商也已经进行了大量的直接替代(drop-in)试验以及开发新制冷剂适用的新压缩机。

    低压制冷剂的吸气容量是56 倍于如R134a那样的中压制冷剂,使压缩机和冷水机组的尺寸变大。反之,低压制冷剂的循环效率一般高于中压制冷剂。

    R1233zd(E)制冷剂已经作为有前途的低压替代制冷剂,由于它具有和R123相同的性能,是低GWP和不可燃的。在过去四年中已经被领先的冷水机组制造商所推荐。在2014年欧洲特灵(Trane Europe)公司首先推出采用R1233zd(E)制冷剂的离心式冷水机组,接着三菱重工公司也跟着推出双级变频离心式冷水机组,开利公司推出双级直接驱动离心式冷水机组。20181月约克公司也宣布采用R1233zd(E)制冷剂的无油离心式冷水机组。离心式冷水机组转移至低压R1233zd(E)制冷剂已经成为一种趋势。

    中压制冷剂具有可使压缩机尺寸紧凑的优点,这样就适用于大容量压缩机,并易于将现有的R134a压缩机进行制冷剂更换。正在开发如R1234ze(E)R513A中压替代制冷剂的新压缩机。Danfoss Turbocor公司开发了一种采用R1234ze(E)TG系列双级离心式压缩机,能量范围40150 冷吨。2017年三菱电机(MHI)公司宣布其采用R1234ze(E)的离心式冷水机组,采用了双级离心式压缩机,能量范围3002500冷吨。20181月特灵(Trane)公司宣布一种能量范围175425冷吨的新型冷水机组,采用无油磁浮轴承的双级离心式压缩机,能兼用低GWP值的R513A和原来的R134a制冷剂。压缩机设计中的制冷剂选择决定于多种因素的协调,如压缩机成本、性能、容量范围、更换制冷剂的费用和对环境的影响等等。

  2. 磁浮轴承无油离心式压缩机的发展

    磁浮轴承是离心式压缩机的典型无油技术,它通过磁力使高速旋转主轴悬浮而无滑动摩擦发生。此磁浮轴承的基本理论和概念是40年前确定的,一家擅长于磁浮轴承的设计和制造的称为S2M公司是在1970年成立的。该技术已经被几家离心式压缩机制造商应用于各种工业用途中。目前几乎所有的涡轮分子泵都采用磁浮轴承技术。

    磁浮轴承系统需要先进的控制技术和技术诀窍,它采用一种反馈控制系统以调节漂浮磁力来控制高速旋转主轴处于中心位置。为了将该技术引入制冷压缩机,获得在不同运行工况下的稳定运行,其控制器、磁浮轴承和技术诀窍的成本是重要问题。

    1990年代后期开始进行开发采用磁浮轴承技术的制冷压缩机.DanfossTurbocor公司将一紧凑型带控制器的磁浮轴承无油离心式压缩机进行了商业化,该压缩机用于水冷式冷水机组。该压缩机的实施开发不仅依靠磁浮的控制技术,并且还有变频控制驱动(VFD)和高速永磁(PM)电机技术。

    2000年代,领先的冷水机组和压缩机制造商推进开发无油压缩机,并发展成系列。下表显示主要的磁浮轴承离心式压缩机制造商生产产品的能量范围和制冷剂:

公司

能量(冷吨)

制冷剂

备注

DanfossTurbocor

60350

R134a

R1234ze(E)

 

Dakin Applied

400700

R134a

大金

YORK

1651000

R134a

R1233zd(E)

约克

MHI

400500

R134a

三菱电机

LG

2601100

R134a

 

Trane

175425

R134a

R513A

特灵

   

除了上述制造商外,汉钟(Hanbell)公司和一家磁浮轴承供应商SKF进行了战略合作,也开发了无油离心式压缩机和冷水机组。目前采用磁浮轴承的无油离心式压缩机已经覆盖了大部分离心式冷水机组的能量范围。当今全球许多冷水机组制造商通过安装DanfossTurbocor公司的压缩机推出超过1000冷吨的无油冷水机组。大金公司能提供装有两台他们自己设计的无油压缩机的1500冷吨无油离心式冷水机组。

大部分无油离心式压缩机已经采用如R134aR1234ze(E)R513A等中压制冷剂。20181月约克公司宣布在原有的带磁浮轴承的采用R134a中压制冷剂的无油压缩机的基础上,增加一新型充注R1233zd(E)低压制冷剂的无油压缩机和冷水机组。

  1. 其他型式的无油技术

    已开发并已商业化一种液体或气体制冷剂润滑轴承的离心式压缩机。其中有一种采用液体制冷剂润滑滚动轴承的无油机组,其滚珠是由陶瓷制作的,具有低的摩擦系数,而其滚道采用特殊的钢材制成。通过采用制冷剂润滑滚珠其机械损失大大减少,改善了压缩机效率。

    2013年特灵公司商业化的采用这种技术的无油冷水机组能量范围为180390冷吨。开利公司也在2016年宣布一种充注R1233zd(E)的无油双级离心式压缩机和冷水机组采用这种制冷剂润滑的陶瓷轴承。Dunham Bush公司在2017年中国制冷展中展示了一种采用这种液体制冷剂体润滑技术的无油离心式冷水机组

    正在进行另一种采用制冷剂气体润滑滑动轴承的无油技术,近期已经作为一种无油离心式压缩机进行了商业化。该技术通过将高压气体注入轴承或通过在旋转主轴上产生动态压力使旋转主轴浮动起来。该技术已经用于涡轮增压器和空气循环压缩机。

    LG公司开发了一种采用此技术的无油离心式压缩机并在2015年上市,该公司用100冷吨的这种压缩机建成了一台300冷吨的冷水机组。该技术产用低粘度的液体或气体进行润滑,旋转摩擦损失极小还具有不需要复杂的控制系统的优点。特灵和LG最近在现有的采用液体或气体润滑轴承的无油离心式压缩机基础上又上市了一种采用磁浮轴承的无油压缩机和冷水机组。

                                                         (未完待续)

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