中央空调之螺杆式压缩机
通常将双螺杆式压缩机称为螺杆式压缩机。它具有结构紧凑,能适用于大压比的运行工况、对湿压缩行程不敏感、有良好的输气量调节特性、维护方便等特点,是制冷、空调机组上使用的一种理想的主机。广泛应用于大容量工作机组的使用范围,而且在中型容量的压缩机工作范围也已采用。它采用的制冷剂有R22、R717及R134a。其功率范围约10~1000kW,甚至更大些。这类压缩机也分为开启式、半封闭式和全封闭式、单级和多级机型等。
1.螺杆式压缩机工作原理
螺杆式压缩机是靠汽缸中一对螺旋转子相互啮合旋转,造成由齿型空间组成的基元容积的变化,实现了对制冷剂蒸汽的压缩。如图3-10所示为典型开启式螺杆压缩机的转子、汽缸与端盖的结构图。由图可知,压缩机∞字形的汽缸3里有一对转子,其中一个有凸齿的称为阳转子,另一个有凹齿槽子的称为阴转子,汽缸的左右由吸气端盖和排气端盖封住,一对转子就支撑在左右端盖的轴承上。转子之间及转子和汽缸、端盖间留有很小的间隙,在吸气端盖和汽缸上部设有轴向和径向进气口,在排气端盖和滑阀端部设有轴向和径向排气孔口。

图3-10 典型开启式螺杆压缩机的转子、汽缸与端盖的结构图
如图3-11所示(各分图是由下向上的仰视图)为螺杆式压缩机的工作原理图。当压缩机运转时,阳转子带动阴转子(也有由阴转子带动阳转子的结构),由阴、阳转子凹凸齿槽、啮合密封线与汽缸和端盖内壁所围成的人字形基元容积不断变化。当基元容积由最小向最大变化时,它与径向和轴向吸气口相通,进行吸气过程,如图3-11(a)至图3-11(c)所示;当基元容积达到最大时,便与吸气口隔开,吸气结束。随后,基元容积由最大逐渐变小,开始气体的压缩过程,如图3-11(d)和图3-11(e)所示。当基元容积内气体压力升到一定值时,便开始与轴向和径向排气口接通,进行排气过程,如图3-11(f)所示,直到基元容积变为零为止。上述过程随着转子连续运转,重复地进行。

图3-11 螺杆式压缩机的工作原理图
2.螺杆压缩机的容量调节
与所有容积式压缩机一样,容量调节可由转速或吸气节流来调节。理想的容量调节:从100%~10%连续调节、有高的部分负荷效率、能卸载启动、不改变可靠性。容量调节的最佳选择应是变容积和变速调节两种方法。
(1)容量调节滑阀。用于容量调节的滑阀是一个平行于转子方向滑动的调节阀。它们安装在接近高压侧,面对着两个转子孔。可旁通变容量的气体返回吸气侧,其旁通量取决于滑阀的位置。
① 调节排出口的容量调节滑阀。此种形式的滑阀放在高压侧,它不但能调节容量,而且在部分负荷时,还能改变径向排出孔口的位置。其轴向排出孔口能提供最佳部分负荷性能,且又不损失满负荷性能。如图3-12所示为最常用的一种滑阀的卸载原理。

图3-12 滑阀的卸载原理
② 不调节排出孔口的容量调节滑阀。滑阀放置在高压侧外只能调节容量,不能调节径向排出孔口的大小。
第一种是在能量调节方法中的最有效的一种。由于它能在部分负荷时,间接地修正内容积比,可以不通过滑阀的大移动而达到大的容量降。
(2)容量提升阀。容量提升阀或柱塞阀可以调节压缩开始时间,这是一种有级调节方法。但这种方法不能像滑阀那样提供部分负荷时的最佳效率,因为在部分负荷时,会造成欠压缩。如图3-13所示为容量提升阀的卸载原理。

图3-13 容量提升阀的卸载原理
3.容积比
在所有具有固定进排气孔口位置的回转式压缩机中,转子内压力比决定于进、排气口的位置。螺杆式压缩机的内容积比,为压缩机开始时的齿间容积和同一齿间在开始通向排气时的容积比值。然而吸气孔口的位置应保证齿间容积为最大,这样容积比就仅取决于排气孔口的位置。仅仅是吸气压力和压缩机的内容积比,决定着在排气开始前的内部压力。但是,冷凝温度和蒸发温度决定着与压缩机相连管道中的排气压力和压力比。在内部压力和制冷系统压力之间存在的任何不协调,都会造成压缩机的欠压缩或过压缩,从而降低制冷系统的运行效率。
如果制冷系统运行压力基本不变,则有可能固定压缩机的内容积比,以便提高运行效率。
4.可变容积比
有些双螺杆压缩机能在运行时调节压缩机的容积比至最有效的比值,以适应运行时的运行工况。在固定容积比的压缩机中,滑阀移动至压缩机吸气端,碰到转子壳体时将停止。在大部分常用可变容积比的压缩机中,该部分的转子壳体已经由一个第二滑阀所代替,即可移动的滑阀挡块,该挡块可被推动至滑阀孔的不同位置,如图3-14所示。

图3-14 固定容积和可变容积比结构
通过正、反方向移动该滑块,排
气径向孔口在运行中可重新定位,以适应最佳压缩容积比。所增加的灵活性,可允许在不同吸气和排气压力下保持最佳效率。
5.喷油
螺杆式压缩机有干式和湿式两种不同形式。由于干式螺杆压缩机需要高的转子转速和同步齿轮,因此,目前广泛应用的是湿式螺杆压缩机,也称为喷油式螺杆压缩机,压缩机的容量范围为(10~3000)L/s。喷油的目的是为了密封、冷却和润滑,由于油能充满所有泄漏途径,即使在25∶1的单级高压力比时,也能保证容积效率超过85%(用氨的压缩机转子直径为190mm)。油能将大部分压缩热吸收,可以保持排气温度低于88℃,这样就有可以避免压缩机运行在高压力比时,而不使油分解,起到良好的润滑轴承、密封和转子间接触的作用。由于螺杆式压缩机有这种承受油的能力,也允许压缩机在吸气中带一定量的液体制冷剂。只要液体制冷剂不足以使转子处于液体阻滞状态下均可。
6.油分离和油冷却
喷油的螺杆式压缩机需要进行油分离,以便使油能循环使用。一般捕集式油分离器,能使工作循环的制冷剂中的含油量少于5mg/kg。有些小型压缩机(整体式机组)中,因油的分离能力小或没有油分离器,则其压缩机的排气中会有大于质量分数7%的润滑油。
喷油一般采有两种方法:一是利用油泵产生高于排气压力200~300kPa的油压,这样要消耗压缩机功率的0.3%~1.0%;二是利用油箱(排气压力)和喷油口齿间,在压缩过程中的低压之间的差值,自动喷油。由于油吸收相当数量的压缩热,必须进行冷却。
常采用以下三种冷却方法:
(1)在压缩过程中直接喷入液体制冷剂,其制冷剂是相当于理论排量的0.02%左右,喷液量受排气温度控制。
(2)利用小型制冷剂泵,将液体直接喷入排气管道。
(3)在压缩机外进行冷却,冷却源一般有以下几种:
① 单独水冷却;
② 冷水机组中的冷媒水冷却;
③ 冷水机组中的冷凝器冷却水冷却;
④ 来自蒸发冷凝器的水箱水冷却;
⑤ 风冷式油冷却器;
⑥ 液体制冷剂冷却;
⑦ 高压液体循环。
7.经济器
螺杆式压缩机可在吸气口和排气口之间增加一个二次吸气口,该吸气口能接受压力大于主蒸发器的压力的二次吸气负荷,或接受经济器液体过冷容器的蒸汽。
压缩机运行中,当气体从吸气管道吸入转子齿间后,该两齿即封闭而开始压缩过程。补充加气时,可通过一个合适的孔口加入封闭齿间,该孔口连接至一个中间气源,其压力稍大于此时的齿间压力,正常的吸气和中间加气就一起被压缩至排气状态。
在采用经济器时,一部分高压液体在中间压力下蒸发,以将其余的高压液体过冷。此时对吸气量是稍有影响的,但压缩机由于增加了进入蒸发器液体的吸热能力而提高了制冷量。压缩机必须承担的仅是进入齿间的闪蒸蒸汽所增加的质量流量。因此,大多数情况下在容量改进的同时,会提高效率。经济器在压缩比大于2以上是有效的,液体的过冷可通过直接管壳式蒸发器、板式换热器、闪发器或管壳式冷却器来完成。
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