螺杆压缩机在冻干机制冷系统中的应用

螺杆压缩机在冻干机制冷系统中的应用

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“制冷系统是冻干机的心脏”这一论述是美国Stocks公司的主任工程师H.R.Powell

在1980年华盛顿会议上阐述的。他谈到“冻干机压缩机的选择已经作出了很大的努力”，同时也提到“但不幸的是，冻干机需要的双级压缩机的发展落后于其它机器领域的进步”。

1 双级压缩机在冻干机制冷系统所存在的问题

图1所示的为冻干机中常见的双级压缩机制冷系统循环回路。从图中可以看出：制冷

剂在压缩机内经过两级压缩后，通过水冷冷凝器中被冷却的制冷剂，从气态变换为液体。

液化的制冷剂通过副冷却器（又称中冷器）进一步被冷却，并通过膨胀阀喷雾成液滴状，

在捕水器内与外部的热量进行热交换。吸收蒸发潜热从液体转换为气体，被蒸发的制冷剂

气体又返回到压缩机内。膨胀阀检测捕水器出口的过热度以此来调节制冷剂液体的流量，

而且压缩机的吸气口为了避免制冷剂液体的液击，通常在压缩机的吸气口加装有汽液分离器。

冻干机这种双级压缩机制冷系统的特殊问题在于：

（1）温度利用范围广，板层从常温冷却至-50 ℃以下，捕水器则冷却到-70 ℃左右。

（2）负荷变动大，板层存在预备性冻结，有时又需进行升温、再冷却的热处理。预

冻结束后压缩机要切换到捕水器进行急速制冷，干燥负荷随着制品的不同、装量的差异等

不断发生变化。

（3）长时间强行处于无负荷甚至零负荷运行，随着升华干燥阶段到解析干燥阶段，

干燥负荷下降，压缩机在真空下运行。

（4）在解析干燥后期，因为制冷剂液体没有被完全蒸发，液体制冷剂就有可能返回

到压缩机内，容易造成“液击”现象。

2 螺杆压缩机在冻干机制冷系统的应用比较

原先，在冻干机中应用最多的压缩机是双级活塞式压缩机，但其存在上述问题。而螺

杆压缩机能有效解决上述问题，故而，近来螺杆压缩机在冻干机制冷系统的应用越来越多。

螺杆压缩机属于容积式高速旋转机械。和活塞式压缩机相比，它没有气阀、连杆、活塞环等易损件，结构简单、紧

凑。上海东富龙科技有限公司的冻干机制冷系统所配置的双级螺杆式压缩机组是由日本神户制钢所制造，其性能高、噪音低、运行稳定可靠、效率高，可实现24

000 h无开放运转。

2.1 螺杆压缩机与活塞式压缩机在冻干机制冷系统的综合性能比较

与活塞式压缩机相比, 螺杆压缩机的综合性能比较见表1。

2.2 螺杆压缩机与活塞式压缩机在冻干机制冷系统的制冷量比较

表2是螺杆压缩机与活塞式压缩机的制冷量比较，通过比较可知：螺杆式低温下制冷量比活塞式大得多。螺杆式压缩机最低蒸发温度可以达到-60

℃，而活塞式压缩机制造厂家提供的资料中最低只能达到-50

℃，所以说冻干机中的活塞式压缩机绝大部分都是在极限工况下运行，这对于压缩机的稳定性来讲是非常不利的。还有目前单机双级活塞式压缩机的最大功率只能做到22

kW，而螺杆式压缩机的最大功率可以做到55 kW，这样一来，在大型冻干机（20

m2以上）上用螺杆机就比较经济，本来要4台活塞式压缩机，现在只需2台螺杆机就可以了。

3 螺杆压缩机的工作原理及双级螺杆压缩机在冻干机制冷系统中的应用特点

3.1 螺杆压缩机的工作原理

螺杆制冷压缩机有一对互相啮合、转向相反的螺旋齿形的转子，齿面凸起的转子称阳转子，齿面凹下的转子称阴转子，如图2所示。转子的齿相当于活塞，转子的齿槽、定子内壁和端盖构成的工作容器相当于气缸。定子体的两端设有成对角线布置的吸排气口。螺杆压缩机的工作容积是由一对相互平行放置且相互啮合的转子的齿槽与包容这一对转子的机壳所组成。在机器运转时，两个转子的齿互相插入对方齿槽，且随着转子的旋转插入对方齿槽的齿向排气端移动，使被对方齿所封闭的容积逐步缩小，压力逐渐提高，直至达到所要求的压力时，此齿槽方与排气口相通，实现了排气。一个齿槽被与之相啮合的对方齿插入后，形成了2个被齿隔开的空间，靠近吸气端的齿槽为吸气容积，与排气端相近的为压缩气体的容积。随着压缩机的运转，插入齿槽的对方转子的齿向排气端移动，使吸气容积不断扩大，压缩气体的容积不断缩小，从而实现了在每个齿槽的吸气压缩过程，当压缩气体在齿槽中气体压力达到所要求的排气压力时，齿槽正好与排气孔口相通，开始了排气过程。被对方转子的齿将齿槽分成的吸气容积和压缩容积的变化是周而复始的，这样使得压缩机能够连续的吸气、压缩和

排气。

目前只有日本神户制钢（KOBELCO）和前川（MYCOM）公司生产单机双级螺杆式压缩机，它们可用作冻干机的制冷压缩机。

3.2 双级螺杆压缩机在冻干机制冷系统中的应用特点

螺杆压缩机通过卸载阀可以达到控制制冷量的目的，日本神户制钢的单机双级螺杆式

压缩机可以达到的输出制冷量分别为50%和100%，这样不但比较节能，而且对机器的稳定

性起到了关键的作用。冻干的后期，在捕水器水负荷减少的情况下可以打开卸载阀，实现50%做功。其原理是通过制冷剂气体的旁通来减少压缩比，从而达到降低功率的目的。如

图3、图4所示，具体流程图如图5所示。

如图5所示，当螺杆压缩机100%做功时，三通（卸载）电磁阀28关闭，阀门端口1、2相通，油压作用在螺杆压缩机的滑阀端面上，因为油压产生的力大于滑阀弹簧自身的张力，所以滑阀封闭低压端内腔的缺口，使得制冷剂气体被螺杆全齿压缩。三通（卸载）电

磁阀打开时接通端口2和3，这时由于低压端的压力比较低，滑阀左边腔体内的冷冻机油

被倒吸到低压口，滑阀由于自身弹簧的张力推动滑块往左边移动，此时低压端内腔的缺口

与低压制冷剂气体直接相连，这样低压气体就从低压级转子的中间部位开始压缩，从而达

到卸载的目的。其内部结构，如图6所示。三通（卸载）电磁阀在压缩机启动的时候打开30

s，降低启动电流。

4 结论

本文从双级压缩机在冻干机制冷系统所存在的问题入手，对螺杆压缩机与活塞式压缩

机在冻干机制冷系统的应用进行了比较。又从螺杆压缩机的工作原理入手，对双级螺杆压

缩机在冻干机制冷系统应用特点进行了探讨。并得到这样结论：螺杆压缩机与活塞式相比

有许多优点，它的结构简单、低温时制冷量大、易实现能量调节、故障少、使用寿命长等。因此，近年来螺杆制冷压缩机已开始广泛应用在冻干机上，特别是大型冻干机上。

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