制冷压缩机的现状与发展

制冷压缩机的现状与发展

摘要：制冷机械与空调设备在国民经济发展、人民生活提高及国防装备保障中有着十分重要的作用，在压缩式制冷循环占主导地位的今天，制冷压缩机就成为倍受关注的对象。上世纪下半叶，伴随着材料、机械加工、电机、信息与控制、测试等工业的技术进步，制冷与空调压缩机技术也得到了快速发展，制冷系统的整机能效比有了很大提高。但由于能源供应的日益趋紧和环境保护的双重压力，迫使我们必须总结历史、放眼未来，探索新世纪制冷与空调行业的技术发展，以适应我国“节能优先”的能源战略的发展要求和“资源持续利用、环境不断改善”的社会发展目标。

关键词：制冷压缩机现状发展趋势

随着时代的发展，制冷与空调行业已经成为衡量一个社会经济实力、科技水平与人民生活质量的重要标志之一，制冷技术在工业、农业、科学技术及国防等领域具有越来越重要的作用。与其他的技术型产业一样，环境保护、经济发展与技术进步的要求也是制冷空调产业发展的推动力。目前制冷空调业所面临的最重要的问题，也可以说最大的挑战与机遇就是如何实现环保与节能的产品发展目标。在环境保护方面，全球普遍关注的问题是，由臭氧层破坏和温室效应引起的日趋恶化的地球环境。蒙特利尔协议书的签署及其后相继通过的修订条例，都表明了世界各国对环境问题的普遍认知和国际上政府间的共识。在能源方面，自上世纪 70 年代的石油危机开始，全球的能源供求矛盾不但没有减轻，而且日趋突出。储量有限却不可再生的化石能源依然控制着世界经济发展的命脉，原油价格的飚升，战争的频繁出现，无不与能源的供求有关。在加大可再生能源的研究、开发与规模化利用的力度的同时，各种节能技术的推广应用就显得尤为重要，而制冷与空调行业又是关注的重点之一。以家用空调为例，在我国一些大城市中，空调的用电量已占居民用电量的 40－50，刚刚过去的夏季电慌，再次敲响了节能的警钟。在国外，美日等工业发达国家的中央空调系统的全年能耗已占整个建筑物总能耗的 40至 60，我国空气调节的耗电总量及其所占比重正处于增长期，节能任务任重道远。因此，探索、研究、开发、实践制冷与空调行业的新技术，以适应我国“节能优先”的能源战略的发展要求以及“资源持续利用、环境不断改善”的社会发展目标，是制冷行业义不容辞的责任。

1.技术主题

自从 M. J. Molina 1930 年以来 CFCs 类氟利昂作为制冷剂一直占有统治地位。F. S. Rowland 在 1974 年发表的论文中指出 CFCs 类物质会产生改变自然界臭氧生长和消亡平衡的氯，从而造成对臭氧层的破坏，由此引发了人们对由于人工化合物中氯和溴元素而引起的臭氧层变薄的关注。1987 年《蒙特利尔议定书》及其修正案对发达国家和发展中国家分别要求和规定了 CFCs 和 HCFCs 制冷剂的淘汰进程。CFCs 和 HCFCs 制冷剂的替代成为近些年来国际性的热门话题。一直在空调与制冷设备中占主导地位的 R12、R22 等将退出历史舞台，让位于其它新型环保制冷剂和天然制冷剂。针对制冷剂的替代研究已有一段历史，目前国际上比较一致或现阶段比较认可的替代方案如表 1-1所示，该方案也是制冷剂替代及相关技术研究的方向。

表 1-1 制冷剂替代现状

制冷用途原制冷剂制冷剂替代物

家用和楼宇空调系统R22 HFC 混合制冷剂

大型离心式冷水机组R11，R12，R500，R22

R123 R134a R123，R134a,HFC 混合制冷剂

冷剂低温冷冻冷藏机组和冷库R12，R502，R22，

NH3(R717)

R123，R134a,HFC 混

合制冷剂

冰箱冷柜、汽车空调R12 R123，R134a,HFC 混

合制冷剂

由制冷剂替代引起很多相关基础理论和技术问题，如替代制冷剂的热物理性质和迁移性质的确定、热物性现代测试技术、制冷工质热物性数据评估及网络数据库的建立、润滑油的开发与匹配、油与替代制冷剂的互溶性、流动与传热特性，耐新型制冷剂的材料研究，针对替代制冷剂的压缩机及制冷系统的设计理论等。目前，根据各国情况不同，具体的替代期限亦有差异，过渡性制冷工质（如 R134a等）和自然工质（如碳氢化合物、二氧化碳等）依然是研究的热点。

CO2R744是一种自然工质，它的特点是单位容积制冷量大，而且 ODP 为 0GWP 值为 1。主要问题是其临界温度较低31.1℃及相同温度下的饱和压力比较高，使得制冷循环跨临界和制冷系统的高压力。因此，提高系统循环效率与安全可靠性，进行系统装置的结构设计和优化，比如改节流过程为膨胀过程以回收高压冷媒的焓值等，是 CO2 超临界制冷循环系统应用研究的关键。 NH3（R717）是另一种自然工质，其 ODP 为 0 GWP 值小于 1，具有较好的热力性质和热物理性质，属于中温制冷剂，但由于易燃、有毒的缺点，其应用受到限制。只要氨的使用安全问题得到解决，作为有近 130 年历史的氨制冷剂的使用范围的进一步扩大应该不成问题，而且势必成为替代 CFCs 和 HCFCs

的主要物质之一。长远来说，制冷剂发展的最终趋势极有可能就是回到上个世纪，即用现代压缩机及其改进技术和上个世纪广泛采用的天然制冷剂来实现压缩式制冷循环对环境保护的要求。

制冷与空调装置的运行所消耗的电量已占我国年发电总量的近四分之一（在美国等工业发达国家为 40），随着经济与社会的发展，这一比例必然增加。因此，深入研究现有制冷循环的工作过程、分析制冷循环中工作流体的物性，研究新的制冷循环、强化热力过程（蒸发、压缩、冷凝等）等，对于提高制冷装置的效率、节约能源、保护生态环境具有极其重要的意义，也是制冷行业和制冷学科的研究热点。

制冷循环是制冷系统设计的基础。对制冷循环的研究包括：研究新的制冷循环或制冷方法，实现能量的更有效转化；改进制冷系统，发掘节能潜力，实现任意环境不同工况下机组的高效运行；探索特殊制冷尤其是低温制冷技术的普冷化方法。

从应用的领域和市场保有量来看，压缩式制冷循环在制冷装置中仍占据主导地位，因此作为制冷与空调装置心脏的压缩机技术的研发就成为核心问题，而制冷与空调系统节能的关键技术之一，就是开发生产节能高效的制冷压缩机。除了不同结构型式的压缩机采用新技术以提高工作效率外，变频与变容量压缩机的开发也是实现制冷与空调系统高效运行的重要技术，它不仅可以减少断续运行造成的能量损失（主要是建立高低压力差需要的功耗），而且可以缩小被调节环境的温度差从而增加了舒适性。变频压缩机具有高效、节能和控温精度高的优点，是制冷压缩机技术发展的热点，变频空调器将是未来市场的主要走向之一。这种压缩机的转速随频率而变化，转速变化则几乎与排气量或制冷量成正比例关系。变频与控制相结合可根据设定温度要求实现制冷量供需的基本平衡和系统的高效率运行，达到节能的目的。如果采用季节能效比ＳＥＥＲ来分析制冷和空调的用能效率变频技术比固定转速压缩机可节能 30以上。变频技术还可以减轻制冷设备在非满负荷条件下工作以及频繁启停对电网电压造成的影响。近几年，变频调速的制冷空调设备有了较快的发展，在日本的变频空调已经占据 80～90的市场份额。在我国，未来变频空调技术的发展应以开发生产变频性能更好的直流变频压缩机，以及与之配套的直流变频电机、变频控制器为主。变频压缩机主要的研发方向是解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，高速运转时的轴承负荷问题、摩擦和磨损问题以及设计制造问题等。变排量技术是在相同转速下实现气量（制冷量）调节的一种实用技术，它是通过压缩机自身吸气量的改变来实现制冷量的调节。变排量技术是在保证制冷系精品毕业论文统尤其是压缩机高效工作的前提下实现冷量供需平衡的最简单也