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                制冷與空調技術

                [ 更新時間:2013-07-18 | 瀏覽:4494次 ]

                    壓縮機的技術發展主題可以歸結為以下兩點:在環境保護方面,空調和制冷系統正采用包括HFC和天然制冷劑在內的對環境無害的制冷劑;在節約能源方面,空調和制冷工業的每一次技術進步都體現在節能型壓縮機和高效運行的制冷系統的問世。

                1.1環保與制冷劑替代

                1.1.1替代的必然性

                    1930年以來CFCs類氟利昂作為制冷劑一直占有統治地位。自從M.J.MolinaF.S.Rowland1974年發表的論文中指出CFCs類物質會產生改變自然界臭氧生長和消亡平衡的氯,從而造成對臭氧層的破壞,由此引發了人們對由于人工化合物中氯和溴元素而引起的臭氧層變薄的關注。1987年《蒙特利爾議定書》及其修正案對發達國家和發展中國家分別要求和規定了CFCsHCFCs制冷劑的淘汰進程。CFCsHCFCs制冷劑的替代成為近些年來國際性的熱門話題。一直在空調與制冷設備中占主導地位的R12、R22等將退出歷史舞臺,讓位于其它新型環保制冷劑和天然制冷劑。

                1.1.2替代現狀

                    針對制冷劑的替代研究已有一段歷史,目前國際上比較一致或現階段比較認可的替代方案如表1所示,該方案也是制冷劑替代及相關技術研究的方向。

                下表制冷劑替代現狀

                制冷用途

                制冷劑

                制冷劑替代物

                原家用和樓宇空調系統

                R22

                HFC混合制冷劑

                大型離心式冷水機組

                R11,R12,R500,R22

                R123,R134a,HFC混合制冷劑

                低溫冷凍冷藏機組和冷庫

                R12,R502,R22,NH3(R717)

                R134a,R22,HFCHCFC混合制冷劑NH3(R717)

                冰箱冷柜、汽車空調

                R12

                R134a,HCs及其混合物制冷劑,HCFC混合制冷劑



                 

                 

                1.1.3替代中的技術問題

                    由制冷劑替代引起很多相關基礎理論和技術問題,如替代制冷劑的熱物理性質和遷移性質的確定、熱物性現代測試技術、制冷工質熱物性數據評估及網絡數據庫的建立、潤滑油的開發與匹配、油與替代制冷劑的互溶性、流動與傳熱特性,耐新型制冷劑的材料研究,針對替代制冷劑的壓縮機及制冷系統的設計理論等。目前,根據各國情況不同,具體的替代期限亦有差異,過渡性制冷工質(如R134a等)和自然工質(如碳氫化合物、二氧化碳等)依然是研究的熱點。

                    CO2(R744)是一種自然工質,它的特點是單位容積制冷量大,而且ODP0,GWP值為1。主要問題是其臨界溫度較低(31.1)及相同溫度下的飽和壓力比較高,使得制冷循環跨臨界和制冷系統的高壓力。因此,提高系統循環效率與安全可靠性,進行系統裝置的結構設計和優化,比如改節流過程為膨脹過程以回收高壓冷媒的焓值等,是CO2超臨界制冷循環系統應用研究的關鍵。

                NH3R717)是另一種自然工質,其ODP0,GWP值小于1,具有較好的熱力性質和熱物理性質,屬于中溫制冷劑,但由于易燃、有毒的缺點,其應用受到限制。只要氨的使用安全問題得到解決,作為有近130年歷史的氨制冷劑的使用范圍的進一步擴大應該不成問題,而且勢必成為替代CFCsHCFCs的主要物質之一。長遠來說,制冷劑發展的最終趨勢極有可能就是回到上個世紀,即用現代壓縮機及其改進技術和上個世紀廣泛采用的天然制冷劑來實現壓縮式制冷循環對環境保護的要求。

                2.2節能技術

                    制冷與空調裝置的運行所消耗的電量已占我國年發電總量的近四分之一(在美國等工業發達國家為40%),隨著經濟與社會的發展,這一比例必然增加。因此,深入研究現有制冷循環的工作過程、分析制冷循環中工作流體的物性,研究新的制冷循環、強化熱力過程(蒸發、壓縮、冷凝等)等,對于提高制冷裝置的效率、節約能源、保護生態環境具有極其重要的意義,也是制冷行業和制冷學科的研究熱點。

                2.2.1研究制冷循環改進制冷系統的設計

                    制冷循環是制冷系統設計的基礎。對制冷循環的研究包括:研究新的制冷循環或制冷方法,實現能量的更有效轉化;改進制冷系統,發掘節能潛力,實現任意環境不同工況下機組的高效運行;探索特殊制冷尤其是低溫制冷技術的普冷化方法。

                2.2.2開發節能型制冷壓縮機

                    從應用的領域和市場保有量來看,壓縮式制冷循環在制冷裝置中仍占據主導地位,因此作為制冷與空調裝置心臟的壓縮機技術的研發就成為核心問題,而制冷與空調系統節能的關鍵技術之一,就是開發生產節能高效的制冷壓縮機。除了不同結構型式的壓縮機采用新技術以提高工作效率外,變頻與變容量壓縮機的開發也是實現制冷與空調系統高效運行的重要技術,它不僅可以減少斷續運行造成的能量損失(主要是建立高低壓力差需要的功耗),而且可以縮小被調節環境的溫度差從而增加了舒適性。

                    變頻壓縮機具有高效、節能和控溫精度高的優點,是制冷壓縮機技術發展的熱點,變頻空調器將是未來市場的主要走向之一。這種壓縮機的轉速隨頻率而變化,轉速變化則幾乎與排氣量或制冷量成正比例關系。變頻與控制相結合,可根據設定溫度要求實現制冷量供需的基本平衡和系統的高效率運行,達到節能的目的。如果采用季節能效比SEER來分析制冷和空調的用能效率,變頻技術比固定轉速壓縮機可節能30%以上。變頻技術還可以減輕制冷設備在非滿負荷條件下工作以及頻繁啟停對電網電壓造成的影響。近幾年,變頻調速的制冷空調設備有了較快的發展,在日本的變頻空調已經占據80%90%的市場份額。在我國,未來變頻空調技術的發展應以開發生產變頻性能更好的直流變頻壓縮機,以及與之配套的直流變頻電機、變頻控制器為主。變頻壓縮機主要的研發方向是解決低速運轉時的振動問題和潤滑油供給問題,高速運轉時的軸承負荷問題、摩擦磨損問題以及設計制造問題等。

                變排量技術是在相同轉速下實現氣量(制冷量)調節的一種實用技術,它是通過壓縮機自身吸氣量的改變來實現制冷量的調節。變排量技術是在保證制冷系統尤其是壓縮機高效工作的前提下實現冷量供需平衡的最簡單也是最有效的手段之一。它與變轉速相結合可以實現制冷量的更有效調節。目前,在車用空調系統中壓縮機的變排量技術已有成功的應用。

                2.2.3提高熱交換設備的傳熱性能

                    換熱設備是制冷系統中重要部件之一,其效率的提高是制冷機節能的一項重要措施,如利用強化傳熱技術,在系統中設置過冷卻器等。目前有些空調產品的能效比已經超過6.0,采取的主要措施之一就是增加換熱器的面積或提高換熱器效率,使實際制冷循環的高低溫熱源溫度差縮小,即冷凝溫度接近過冷溫度、蒸發溫度接近過熱溫度,增加了制冷量卻減小了壓縮過程的耗功。

                2.2.4制冷及空調裝置運行的智能控制

                智能控制技術在在一定程度上直接反映了制冷機組的水平。當前,制冷裝置的自動化已經從單機自動安全保護、單機自動運轉發展為多機組自動控制,甚至直接用電子計算機檢測和控制,以實現運行工況最佳化,從而大大降低能量消耗。一臺具有節能優化控制軟件的機電一體化空調器比通常恒溫空調器節能40%左右。智能控制的研究方向有以下幾個方面:控制原理、目標和器件;遺傳算法等與模糊控制的結合;制冷系統的網絡控制等。

                2.2.5其他

                    地溫熱源的利用。實現“冬暖夏涼”是大部分制冷與空調裝置的直接目的,地溫(包括土壤、地下水)等就具備這種特性,為此地溫的應用就成為制冷技術研究的一個方面。地溫可以被直接用來冷卻被冷卻介質,如抽取地下水與空氣進行熱交換以降低空氣的溫度,也可以被用來預冷或預熱空氣,以降低制冷系統的負荷。地溫熱源利用時應充分考慮不能浪費資源,例如地下水的回灌要及時等。

                    與電加熱取暖相比,熱泵系統的供熱效率要高得多。在長江以南地區,由于冬季大部分時間在零度以上,使用熱泵系統的供熱效率更高些,問題在于南方的相對濕度較大,蒸發器表面結霜是影響系統可靠運行和運行效率的主要因素;在北方地區,由于-100C以下的大氣環境溫度時常遇到,在這樣低的溫度下熱泵系統的可靠運行(主要是壓縮機的可靠起動與運行)難于保證。所以,熱泵系統的推廣應用是節約能源的重要的空氣調節技術之一。除霜技術、 較低環境溫度下熱泵系統的起動和運行特性的研究將是制冷技術發展的又一主要方向。

                    冰蓄冷技術在國外已有較好的應用,它對于平衡電網負荷、節約能耗起著十分重要的作用。盡管中國在此方面的研究不算晚,但至今未能實現真正的產業化,除了技術(比如蓄冷材料的開發)因素外,宏觀政策的引導也缺乏力度。由于電力供需矛盾可能持續下去,冰蓄冷技術將有較大的推廣應用空間。

                    太陽能制冷是利用可再生能源的方式之一。利用太陽能制冷的方法有兩種,一是先實現光電轉換,再以電力推動常規的壓縮式制冷機制冷即壓縮式太陽能制冷與空調系統,由于目前太陽能電池成本較高且光電轉換效率很低,尚難推廣;二是進行光熱轉換,以熱能制冷,如太陽能吸收式空調系統,去濕-蒸發降溫空調系統,太陽能金屬氫化物空調系統等。面向二十一世紀,由于常規能源供應的有限性,太陽能制冷空調系統將具有廣闊的發展前景。

                    可以預料的是,隨著新型制冷循環和熱泵循環的發展、能效標識制度在我國的強制性實施以及集成能源系統(簡稱IES,將分布式發電技術與余熱驅動技術相結合,提供制冷,供暖,濕度控制,能量儲存及其他的廢熱利用技術)的研究開發,必將推動制冷學科和制冷行業的研究工作更好地為我國的經濟和社會發展服務。

                制冷與空調技術 - 現狀和發展

                3.1技術現狀

                    制冷壓縮機在面臨環保、節能、以及企業間競爭等一系列的挑戰中出現了新的突破。在整個壓縮機工業的方方面面都廣泛使用的電子計算機成為不可或缺的手段,這包括計算機數據采集和整理,計算機輔助設計、設計和工藝的優化等。其帶來的總體效果體現在壓縮機的小型化和高效率,此外,噪聲和振動得到降低,可靠性得到提高和壽命得到延長。而在取得這些成就的過程中所消耗的開發、設計和生產制造時間都比過去短且費用亦低。表示了目前各類壓縮機的大致應用范圍及其制冷量大小,圖中虛線包圍的部分表示該結構型式壓縮機制冷量拓寬的方向。渦旋式由兩部分組成,前一部分表示車用空調。往復式制冷壓縮機是一種傳統的制冷壓縮機,最大的特點是可以實現制冷量和壓力比的任意設計。雖然它的應用還比較廣泛,但市場份額正逐漸減小。

                3.1.1往復式壓縮機

                    到目前為止,冰箱(包括小型冷凍與冷藏裝置)的主機仍以往復式壓縮機為主。通過氣閥結構、摩擦副等的優化設計,往復式冰箱壓縮機的制冷系數(單位功率制冷量)已由九十年代初期的1.0(w/w)提高到如今的1.8左右;除了節能技術的進步外,與環境保護密切相關的制冷劑替代技術也取得了可喜的進步,我國的冰箱系統已大量采用R600等碳氫化合物,小型制冷裝置上也采用了R134a等新的工質。進一步提高往復式冰箱壓縮機的效率、降低系統噪聲仍然是它的發展方向。

                3.1.1.1線性壓縮機

                    線性壓縮機依然使往復式,由于電機的直線運動可以直接帶動活塞的往復運動,從而避免了曲柄連桿機構的復雜性和由此帶來的機械功率的消耗。裝配線性壓縮機作為冰箱系統已經面世,線性冰箱壓縮機的的制冷系數已超過2.0(w/w),市場前景看好。主要問題是壓縮機油路系統的設計和電機線性位移極限點的有效控制及相應的防撞缸技術。

                3.1.1.2斜盤式壓縮機

                    斜盤式壓縮機也是往復式壓縮機的一種變型結構,目前主要用于車用空調系統。經過幾十年的發展,斜盤式壓縮機已經成為一種非常成熟的機型,在車用空調壓縮機市場占有70以上的份額。盡管如此,因為它仍屬于往復式結構的系列,所以在汽車空調系統中的能效比(制冷系數)也只有1.5左右,且體積大、重量大。由于斜盤式汽車空調壓縮機的工藝成熟,加上技術的進一步改進,在可預見的將來,仍將保有一定的市場份額,但在一定的排量范圍內被逐漸替代卻是必然之路。

                3.1.2轉子式壓縮機

                    轉子式壓縮機于上世紀七十年代起受到國內的關注,它的代表結構包括滾動活塞式、滑片式等。目前滾動活塞式廣泛應用于家用空調器上,在電冰箱上也有一些應用。這種壓縮機不需要吸氣閥,使它適用于變速運行,從而可以通過變頻控制提高系統性能。為了確保大功率(電機輸出功率達3P滾動活塞式壓縮機的性能,國內與上世紀末開始研發雙轉子滾動活塞式壓縮機,現已投放市場。雙轉子滾動活塞式壓縮機結構上有兩個優點:①轉動系統的受力情況得到較大改善,機器的振動與噪聲有所降低;②增加了單機的容積排量,提高了電機的輸出功率。

                3P以下的空調器中,暫時沒有可以替代滾動活塞式壓縮機的較好機型。所以提高壓縮過程的效率、減低噪聲、電動機變速控制以及采用R410A等新制冷工質后的相關技術問題等,是滾動活塞式壓縮機的研究方向。

                    滑片式壓縮機屬于轉子式壓縮機的一種,主要用來提供壓縮空氣,排氣量一般在0.33m3/min,市場占有率較低。

                    旋葉式壓縮機是滑片式壓縮機的一種改型結構,由于它的起動性能比較好、壓縮過程力矩變化亦不大,目前主要用于微型轎車和一些排量比較小的工具車的空調系統。高速下的動力特性是這種壓縮機的主要技術研究方向。

                3.1.3螺桿式壓縮機

                    螺桿式壓縮機具有尺寸小、重量輕、易維護等特點,是制冷壓縮機中發展較快的一種機型。一方面,螺桿型線、結構設計有了長足的進步,另一方面,螺桿轉子專用銑床特別是磨床的引進,提高了這對關鍵零件的加工精度與加工效率,使得螺桿壓縮機的性能得到了有效提高,產業化生產的必備硬件也有了保障。目前,螺桿壓縮機以壓縮空氣為主,在中型熱泵式空調系統中也有成功的應用。由于螺桿式壓縮機工作可靠性的不斷提高,使之在中等制冷量范圍內已逐漸替代往復式壓縮機并占據了離心式壓縮機的大部分市場。

                3.1.4渦旋式壓縮機

                    渦旋式壓縮機在過去十年中得到了快速發展,從基本理論、結構研究、工業樣機開發到最終實現規;I生產,構成了壓縮機技術發展的新亮點。數控加工工藝的發展使渦旋壓縮機得以實現大批量生產,無可比擬的性能優勢是其大量進人市場的前提。短短數年,已在柜式空調領域占有絕對優勢。在柜式空調系統,渦旋壓縮機的制冷系數已達3.4(w/w);在車用空調領域,渦旋壓縮機的制冷系數已達2.0(w/w),顯示出很強的競爭潛力。渦旋壓縮機的發展在于擴大其制冷量范圍、進一步提高效率、使用替代工質和降低制造成本等方面。

                    由于沒有氣閥,壓縮過程力和力矩變化小等結構上的優點使之更適合于變頻調速運行,這也成為渦旋壓縮機技術發展的主要方向。開發變排量機構也是渦旋壓縮機技術發展的重點。目前,利用軸向“柔性”密封技術,理論上可以實現制冷/制熱容量10%-100%范圍內的調節。由于渦旋壓縮機近乎連續的吸排氣特性、低的起動力矩以及抗液擊能力,渦旋壓縮機的并聯使用創造了條件。并聯使用的渦旋壓縮機可以大大增加機組的制冷能力,可以從目前的單機25匹馬力提高到單機組100匹馬力(4臺的單機并聯),而且使得冷量的調節更為合理,充分發揮單機效率最高的優點。但單機并聯出現的最大問題,就是回油不平均易造成機組使用時單機的燒機現象。

                3.1.5離心式壓縮機

                    目前在大冷量范圍內(大于1500kW)仍保持優勢,這主要是受益于在這個冷量范圍內,它具有無可比擬的系統總效率。離心式壓縮機的運動零件少而簡單,且其制造精度要比螺桿式壓縮機低得多,這些都帶來制造費用相對低且可靠的特點。相對來講,離心式壓縮機的發展有所緩慢,因為受到螺桿式壓縮機和吸收式制冷機的挑戰。

                    離心機的市場容量大約在7001200臺之間徘徊,因為在目前的技術前提下,該機型主要用于大型建筑物的空氣調節,需求量有限。近幾年由于大型基建項目紛紛上馬,離心式制冷與空調壓縮機又成為關注的熱點。解決喘振現象、改善氣量調節和隨工況變化的適應能力、小型化技術等是離心式壓縮機技術發展的主要方向。

                3.1.6其它結構形式

                    單齒壓縮機、十字滑塊式壓縮機等一些結構獨特的容積式壓縮機也有一定程度的發展,但在國內尚未形成生產能力。

                3.1.7其它

                    為了適應特殊地區環境調節的需要,比如中東等高溫高濕地區的空氣調節要求,有針對性地開發高負荷高工況制冷壓縮機也取得了較好發展,目前采用的主要結構型式是活塞式壓縮機和旋轉式壓縮機。

                    為了適應壓縮新制冷劑的需要,潤滑油特性的研究尤其是匹配性能的實驗研究是制冷行業的基本任務之一。R407C、R410A等非共沸制冷劑的蒸發溫度滑移現象、吸氣管中油氣兩相流動規律等是制冷工質替代帶來的壓縮機和制冷系統的若干基礎問題之一。

                另外,容積式(比如渦旋式和螺桿式)試圖向大容量發展,離心式則試圖向小容量發展。隨著綜合技術的不斷發展和市場的相互滲透,總有一天我們將很難僅從制冷量大小的角度去判斷壓縮機的結構型式,特別是容積式和速度式制冷壓縮機的適應制冷量范圍。

                3.2基礎理論和共性技術研究

                3.2.1工作過程模擬與優化

                    模擬容積式壓縮機的瞬態工作過程,進一步揭示密封、潤滑與導熱的機理,建立新的數學模型,改良設計方法等,是提高容積式壓縮機工作性能的主要途徑之一。從幾何學和運動嚙合原理出發開發新的壓縮腔型線,應用有限元理論分析關鍵零件的熱、力變形及其對密封間隙的影響,以及通過對氣體流動規律的認識來判斷相關損失等,是優化設計的必要工作。

                    離心式壓縮機則應從流場出發,研究葉輪機械內部復雜的三維非定常、非對稱流動現象,深化對激振力產生機理以及失速、喘振等現象的認識,探索通過誘導流場主動控制氣動失穩、提高穩定裕度的途徑。研究高參數下微小間隙約束自激源特性,建立超常工況流體激勵下的軸系非線性穩定性和動力響應模型,研究提高軸系穩定性的工程適用方法。

                3.2.2變工況設計理論

                    容積式壓縮機現有的結構設計都是以規定設計工況為前提,規定設計工況又是考核壓縮機性能優劣的必要條件?煽啃耘c壽命考核的工況則是以壓縮機的安全運行為目的。實際上,制冷壓縮機的運行工況與環境(溫度、濕度)有很大關系,規定設計工況下的高性能并不表示實際運行時的能量節省。所以,有必要開展變工況設計理論的研究。

                3.2.3超常工況下的安全運行與控制

                    特別惡劣的環境條件、系統壓力的突然升高等超常工況的出現以及高轉速、跨臨界等高參數的要求,對壓縮機的運行效率與可靠性提出了挑戰,必須進行專題研究,也是未來容積式壓縮機和制冷技術進步的象征。

                3.2.4制冷壓縮機與環境保護

                    傳統的制冷劑(R11,R12,R22等)的排放對大氣環境造成嚴重破壞已成為不爭的事實,新的環境友好制冷劑的研究開發正在積極進行當中。制冷劑的替代不僅要求制冷系統做相應的更改,也要求壓縮機適應相應的要求。因此,適應于新型制冷工質的壓縮機技術的研究開發成為壓縮機技術發展的重點之一,制冷工質替代對壓縮機與相關系統的影響以及相關設計思想與對策的研究,是不容忽視的重要研究內容。

                3.2.5無油潤滑及特殊用途壓縮機研發

                    由于一些特定應用環境的要求,無油潤滑或其他一些特殊結構的壓縮機被提出,比如用在航天器上食品與蔬菜保鮮、飛機吊艙空調系統等。這就需要我們研發特殊結構的壓縮機以適應特殊的環境要求。

                3.2.6新原理、新結構開發

                    渦旋壓縮機、螺桿壓縮機仍將是未來一段時間內容積式壓縮機技術發展的重要方向。根據容積式壓縮機的結構特點,人們一直在嘗試并探索一些新的結構,效率高、工藝性好的新型壓縮機將成為開發的重點。

                3.2.7其他

                    壓縮機技術的發展離不開諸如電機、材料、機械加工、測試、計算機技術及控制等相關學科的技術進步,反過來,壓縮機與制冷技術的不斷進步也推動著相關學科的發展。

                制冷與空調技術 - 未來發展

                    制冷與空調技術的發展趨勢依然是:環保型制冷劑的開發與應用、研發高效的制冷部件(壓縮機、換熱器等)以及為實現制冷系統高效與可靠運行的匹配技術、調節技術和智能化控制技術等。同時制冷方法也在不斷革新,半導體制冷、磁制冷等技術的進步和完善也有可能引發制冷技術革命。

                中國制冷與空調技術的整體水平與西方國家相比仍有差距,應該從環保和節能兩方面出發,加快CFCs制冷劑替代的步伐,提高制冷系統的綜合效率,力圖盡快縮小與國際水平的差距。

                 

                 

                 

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