第3篇 热泵部件
第7章 蒸气压缩式热泵部件
7.1 压缩机
7.1.1 热泵压缩机工况
压缩机是蒸气压缩式热泵的核心部件，其名义工况如表7-1所示。
表7-1 热泵用压缩机的名义工况（美国制冷协会ARI 520—85，环境温度35℃）
7.1.2 压缩机分类
（1）按工作原理分类
①容积型 用机械方法使工质密封空间的体积变小，使其压力升高的压缩机。
②速度型 用机械方法使工质气体获得很高速度，再在扩张通道内使工质动能转变为压力能，从而提高工质压力的压缩机。
基于工作原理的常用压缩机分类如图7-1所示。
图7-1 基于工作原理的常用压缩机分类
（2）按热泵工质分类
根据热泵工质的不同，相应的压缩机可分为R22压缩机、R134a压缩机、R717压缩机、R744压缩机、R404A压缩机等。
（3）按压缩机的密封型式分类
①全封闭式压缩机 压缩机和电动机封闭在一个壳体内，壳体的两个部分焊接在一起，无法再打开。其结构紧凑，无工质泄漏危险，但压缩机或电动机出现故障时维护难度很大。
②半封闭式压缩机 压缩机和电动机封闭在一个壳体内，壳体的两个部分通过螺栓紧固在一起，可以打开。其结构紧凑，基本无工质泄漏危险，压缩机或电动机出现故障时可维修。
③开启式压缩机 压缩机的驱动轴伸出其壳体外，再与电动机等驱动装置通过联轴器连接，对工质和驱动装置具有良好的适应性；压缩机的驱动轴与压缩机壳体之间需采用适宜的轴封结构，但不能完全防止热泵工质的泄漏。
7.1.3 常用压缩机的基本特性
常用压缩机的基本特性如表7-2所示。
表7-2 常用压缩机的基本特性
7.1.4 活塞式压缩机
7.1.4.1 活塞式压缩机的基本特点
活塞式压缩机有曲轴连杆式、滑管式、斜盘式、电磁振动式等型式。
（1）活塞式压缩机的主要优点
可适应广阔的压力范围和制热量要求；制热性能系数较高，尤其在偏离设计工况时；对材料要求低，多用普通钢铁材料，加工较容易；技术成熟，有长期的生产和使用经验；装置系统较简单。
（2）活塞式压缩机的主要不足
转速受限制，单机输气量大时体积较大；结构复杂，易损件多，维护工作量大；运转时有振动；输气不连续，气体压力有波动。
7.1.4.2 活塞式压缩机的性能数据
典型R22全封闭活塞式压缩机的制热量和功率如表7-3所示。
表7-3 典型R22全封闭活塞式压缩机的制热量和功率
注：1. QH为制热量，kW；WC为输入功率，kW。
2.工质在蒸发器出口处的过热度为11℃，在冷凝器出口处的过冷度为8℃，环境温度为35℃。
7.1.5 转子式压缩机
7.1.5.1 转子式压缩机的基本特点
转子式压缩机利用一个偏心圆筒形转子在汽缸内转动来实现汽缸工作容积的变化而进行气体压缩，其主要部件有汽缸、转子、滑片、排汽阀和汽缸端盖等。
与往复活塞式压缩机相比，转子式压缩机的主要优点有零部件少，结构简单；易损零件少，运行可靠；没有吸气阀片，直接吸气，吸气阻力小，吸热过热小；余隙容积小，输气系数较高，指示效率高30%～40%；易于进行变速调容量；容量相同时，体积可减小40%～50%，重量可减少40%～60%；振动小，运转平稳（单缸压缩机转矩峰值大，尤其在转速很低时转速不均匀性会增大，采用双缸可克服这一缺点）；加工精度要求较高，但便于大批量生产（其大部分零件为圆柱形，便于采用高效率机床和组织流水线生产），降低成本。
转子式压缩机的主要不足有密封线较长，密封性能较差，泄漏损失较大；零部件配合间隙要求严格，装配要求高；汽缸容积的利用率低，在高环境温度（如43℃以上）或用于中高温工况时性能下降；要求系统内具有较高的清洁度，对现场总装的系统当杂质处理不彻底时，装置长期运转后可能效率下降；修复困难。
7.1.5.2 转子式压缩机的性能数据
定转速转子式压缩机的性能数据如表7-4所示。
表7-4 定转速转子式压缩机的性能数据
7.1.6 涡旋式压缩机
7.1.6.1 涡旋式压缩机的基本特点
涡旋式压缩机的主要优点为无吸气阀，也可不带排气阀，气体的流动损失小，且适于变速容量调节；输气系数高，容积效率高（可达90%～98%），且工况适应性好；摩擦损失小，力矩变化小，振动小，噪声低，偏心轴可高速旋转；轴向和径向采用柔性机构，密封效果好，部件磨损对压缩机的性能影响小；允许少量液体和杂质进入压缩腔；结构简单，运动零部件少，易损件少，可靠性高；易于采用中间补气循环适应较低的蒸发温度；与相同容量的往复式压缩机相比，其体积约小40%，重量减轻15%，噪声约低5dB（A），效率约高10%，且不随运行时间的增加而减小。
涡旋式压缩机的主要不足为动涡盘上承受的轴向气体作用力随主轴转角发生变化，很难完全平衡，故轴向气体力往往带来摩擦功率消耗；涡旋盘的加工精度，特别是涡旋体的形位公差有很高要求，端板平面的平面度以及端板平面与涡旋体侧壁面的垂直度应控制在微米级，故需用专门的加工设备；装配时调心技术要求高。
7.1.6.2 涡旋式压缩机的性能数据
R404A全封闭涡旋式压缩机的性能数据如表7-5所示。
表7-5 R404A全封闭涡旋式压缩机的性能数据
注：电源频率为50Hz，压缩机吸气温度为20℃，节流部件进口处工质为饱和液；制热量约等于由低温热源吸热量与输入功率之和（部件、管路及压缩机等无散热损失时）。
7.1.7 螺杆式压缩机
就压缩气体原理而言，螺杆式压缩机与活塞式压缩机一样，属于容积式压缩机；就其运动形式而言，螺杆式压缩机的转子与离心式压缩机的转子一样，可做高速旋转运动。所以螺杆式压缩机兼有二者的特点。
7.1.7.1 螺杆式压缩机的基本特点
螺杆式压缩机输入功率范围可达10～1000kW，按结构可分为双螺杆式和单螺杆式两种基本型式，前者在国内应用较多，后者在欧洲应用较多。
（1）双螺杆式压缩机
双螺杆式压缩机由一对转子、中间机体、吸气和排气端座、调节滑阀、轴承、轴封、平衡活塞及输气量调节装置等组成，螺旋形齿的阴、阳转子互相啮合、旋向相反。齿面凸起的转子称为阳转子，齿面凹下的转子称为阴转子。转子的齿相当于活塞，转子的齿槽、机体的内壁面及两端的端盖等共同构成的工作容积相当于汽缸。机体的两端设有成对角线布置的吸、排气口，随着转子在机体内的旋转运动，使工作容积由于齿的啮合或脱开而不断发生变化，从而周期性地改变转子每对齿槽间的容积，来达到吸气、压缩和排气的目的。其主要特点如下。
①与往复式压缩机相比，螺杆式压缩机具有连续输气、转速高（可与驱动装置直联）、重量轻、体积小、占地面积小及排气脉动低等特点。
②无往复质量惯性力，动力平衡性好，运转平稳，机座振动小，基础可做得较小甚至可不需基础。
③结构简单，机件数量少，无余隙容积，无气阀、活塞环等易损件，其主要摩擦件如转子、轴承等，强度和耐磨性均较好，润滑条件良好，故机加工量少，材料消耗低，运行周期长，维修简单，可靠性好，效率高，利于实现自动运行。
④与离心式压缩机相比，螺杆式压缩机具有强制输气的特点，其排气量几乎不受排气压力的影响，容量连续可调且在部分负荷时仍具有良好的性能，在小排气量时不发生喘振现象，对气体的密度不敏感，在宽广的工况范围内仍可保持较高的效率。
⑤采用滑阀的能量及内容积比调节装置，可实现无级调节，满足各种变工况压缩比及空载启动的要求。
⑥对压缩介质中的液滴和杂质不敏感，可采用喷液（油）等措施，在转子之间、转子与固定件之间形成一层液膜，强化密封和冷却，在相同压缩比时，排气温度比活塞式低得多，故单级压缩比可较高，且可适应含液滴、压缩过程中液化的气体。
⑦工况适应范围大。采用单级压缩，以R134a为工质时，冷凝温度可达70℃（适宜工质时，制热温度可达100℃）；以R404A或R507为工质时，蒸发温度可达-45℃，且便于采用中间补气循环，提高低蒸发温度工况的性能。
⑧工质气体周期性高速通过吸、排气口，以及通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需采用消声减噪措施。
⑨螺旋形转子空间曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工；辅助设备可能较复杂，使其价格较高。
⑩由于间隙密封和转子刚度等原因，压缩机排气压力受到一定限制（一般低于4.5MPa）。
（2）单螺杆式压缩机
单螺杆式压缩机，也称蜗杆压缩机，由一个转子和两个星轮组成，星轮与蜗杆转子（又称螺杆转子）相啮合，螺杆转子的齿间凹槽、星轮和汽缸内壁组成一独立的基元容积，犹如往复式压缩机的汽缸容积，转动的星轮齿片作为活塞，随着转子和星轮不断地运动，基元容积的大小发生周期性的变化而实现气体的压缩。
与双螺杆式压缩机相比，单螺杆式压缩机有如下特点。
①降低了噪声和气体通过管道系统传递的振动，且转子与星轮齿片磨损均匀。
②使运转平稳，轴承受力小，减少了转子弯曲所造成的转子与壳体间的泄漏。
③排气口呈径向，可使转子前、后端均处于低压，轴向力可得到平衡。
④可采用密封性能和润滑性能好的树脂材料。
⑤压缩速度快，泄漏时间短，有利于提高容积效率，减小压力脉动。
⑥机组结构简化，零部件少。
7.1.7.2 螺杆式压缩机的性能数据
R22开启型螺杆式压缩机的基本参数如表7-6所示。
表7-6 R22开启型螺杆式压缩机的基本参数
注：制热量约等于由低温热源吸热量与输入功率之和（部件、管路及压缩机等无散热损失时）；轴功率不包括单独驱动的泵功率；工况1的吸入压力对应的饱和温度为7℃，工质气体进入压缩机的温度为18℃，排出压力对应的饱和温度为43℃，节流部件前工质液体的温度为38℃；工况2的吸入压力对应的饱和温度为-7℃，工质气体进入压缩机的温度为18℃，排出压力对应的饱和温度为35℃，节流部件前工质液体的温度为30℃；工况3的吸入压力对应的饱和温度为-23℃，工质气体进入压缩机的温度为5℃，排出压力对应的饱和温度为35℃，节流部件前工质液体的温度为30℃。
某半封闭机型在变工况时的性能曲线如图7-2所示，其中节流部件前过冷度约为5℃，压缩机吸气过热度约为8℃；机组制热量约等于由低温热源吸热量与输入功率之和。
图7-2 某半封闭机型在变工况时的性能曲线
7.1.8 离心式压缩机
7.1.8.1 离心式压缩机的基本特点
单级离心式压缩机由吸气室、叶轮、扩压器、蜗壳等组成，多级离心式压缩机还有弯道、回流器等部件。当叶轮高速旋转时，工质蒸气由轴向吸入，沿半径方向甩出并获得动能，之后高速气体进入扩压器等部件，气流方向改变并将动能转变为压力能，使气体压力升高。
离心式压缩机的基本特点如下。
①工质气体连续流动。
②运动零部件少且简单，制造精度要求比螺杆式压缩机等低，制造费用相对低。
③易实现运行自动化，可利用进口导叶自动进行容量调节，调节范围和节能效果好。
④与相同容量的往复式压缩机相比，外形尺寸小，重量轻（为往复式压缩机的1/8～1/5），占地面积小。
⑤无往复运动部件，动平衡特性好，噪声小，振动小，基础要求简单，甚至可直接安装在单筒式蒸发-冷凝器上。
⑥无进、排气阀，磨损部件少，故障少，可靠性好，连续运行周期长，维修费用低，使用寿命长。
⑦叶轮与机壳之间无摩擦，不需润滑，工质蒸气基本不与润滑油接触，可避免润滑油对蒸发器和冷凝器传热性能的不利影响。
⑧易于实现多级压缩和节流，便于热泵机组从多个不同温度的低温热源中吸热。
⑨可由蒸汽轮机或燃气轮机直接带动，便于变转速调节，且能源效率高。
压缩机转速较高，对轴端密封要求高，用电动机驱动时通常需设置增速器。
冷凝压力较高或负荷过低时，会发生喘振而不能正常工作。
单机容量不能太小，否则工质流量过小，气流流道过窄，影响流动效率。
单级压缩比相对较小（受材料强度等限制），当需要较大压缩比时，需采用多级压缩。
对工质的适应性差（当结构一定时通常只能适应一种工质），且较适于采用分子量大的工质。
7.1.8.2 离心式压缩机的性能数据
封闭型R22离心式压缩机的性能数据如表7-7所示。
表7-7 封闭型R22离心式压缩机的性能数据
注：蒸发器侧低温热源为水，进水温度为12℃，出水温度为7℃；冷凝器侧载能介质为水，进水温度为32℃，出水温度为37℃。
7.1.8.3 离心式压缩机的工质选用
选用离心式压缩机的热泵工质时，需考虑如下因素。
①工质的分子量 为减少压缩机的级数和尺寸，工质的分子量宜大些。如R22的分子量为86.47，当工质蒸发温度为5℃，冷凝温度为40℃时，一级叶轮压缩就可达到；而NH3的分子量为17.02，同样蒸发和冷凝温度时则需多级压缩机。但R22的声速低，很易达到堵塞工况，而同样温度时NH3的声速为R22的2倍多，一般不会出现堵塞。
②制热量 当制热量不同时，应选用不同单位容积制热量的工质。如在相同工况下，R134a的单位容积制热量约比R123大6倍，因此在制热量较小时，宜选R123，而在制热量较大时，则选R134a（R134a用于小制热量时，会使压缩机尺寸偏小，转速偏高）。
③工质液体比热容与汽化潜热之比 在节流过程中，该比值越小，则节流后产生的工质蒸气越少，压缩机输送单位质量工质从低温热源吸收的热量越多。
④工质的腐蚀性 氨（NH3）会腐蚀除磷青铜以外的铜合金以及锡和锌，氟利昂（HFCs及HCFCs）会腐蚀镁和含镁量超过2%的铝合金（如叶轮为铝合金制造时），当有水和空气存在时，腐蚀会更严重。当工质的蒸发压力低于大气压力时，则存在湿空气渗入的危险，从而增加对装置的腐蚀。
7.1.9 热泵压缩机的选用方法
热泵压缩机的选用步骤如下。
①确定热泵的工质、冷凝温度、蒸发温度、容积制热量、制热量、压缩机功率。
②先考虑有无该工质的专用压缩机，如R22、R134a、R717、R744等均有专用压缩机系列。
③如有专用压缩机，根据热泵的制热量、功率范围及当地能源情况，确定压缩机的型式。如制热量较大时可考虑离心式压缩机，制热量中等时可考虑螺杆式压缩机，制热量不大时可考虑活塞式、转子式、涡旋式压缩机。如用电较方便时，宜首选封闭式或半封闭式压缩机；如电力较紧张时，可考虑采用内燃机或燃气轮机驱动的开启式压缩机。
④压缩机型式确定后，选择生产该型式压缩机的制造商，查询压缩机的样本资料，根据制热量或由低温热源吸热量确定压缩机型号（压缩机制热量约等于由低温热源吸热量与功率之和减去机组散热等热损失）。设某热泵考虑选用活塞式压缩机，热泵工质为R22，蒸发温度为5℃，冷凝温度为50℃，制热量为10kW，由R22活塞式压缩机性能参数表，可选机型D，在上述工况下其制热量为10.6kW，满足该热泵要求，此时电动机输入功率为2.8kW。
⑤当热泵工质无专用压缩机时，可考虑与该工质相容的压缩机。对开启式压缩机，一般可使用不同工质，通用性较强；对封闭式压缩机，因压缩机内各种材料均是为某种工质专门设计的，换用其他工质时一定要慎重。通常，选用相容压缩机时需考虑如下几方面。
a.所选压缩机的润滑油要与工质相容。
b.封闭式压缩机中的材料，如电动机绕组的绝缘漆等，要与工质相容。
c.工质与材料相容的大致规律是极性小的工质一般可与极性大的工质配套材料相容，反之通常不可。反映工质极性的主要参数为工质的偶极矩。
d.压缩机的受力不应超过设计值。
e.压缩机中各点的温度不应超过设计值。
f.满足上述条件后，核算工质的热力循环性能。此时压缩机一般在非设计工况下运行，原则上应使其负荷略低于设计负荷而不应超出。
g.压缩机采用非原配工质长期运行时，需就上述内容进行试验和测试，满足各项要求后才能再使用。
⑥选用示例。设热泵所要求的制热量为45kW，冷凝温度为90℃，蒸发温度为30℃，工质可选R124。由R124饱和热力性质表，其冷凝温度下的冷凝压力约为19.5atm（1atm=101.325kPa），蒸发温度下的蒸发压力约为4.5atm，蒸发压力下饱和气的比体积为0.036m3/kg。由于选用R124专用压缩机难度较大，可考虑与之性质相近、技术较成熟且价格相对低的常用工质压缩机。由热泵工质的基础物性表，R124的偶极矩约为1.47Debye（1Debye=3.335×10-30C·m），R22的偶极矩约为1.46Debye，二者极性相近，可初选R22压缩机，R124与R22全封闭式压缩机内的材料和润滑油相容的可能性应较大。
压缩机可按输气量初步选型。由于制冷压缩机样本资料一般是按制冷量（即由低温热源吸热量）给出的，此处先按制冷量选型（制冷量相同时，制热量也基本相同），然后再核算制热量。由R124热泵的循环参数可算得其单位容积制冷量约为1900kJ/m3；制热量为45kW时，按制热性能系数为3估算，其制冷量约为30kW，需压缩机输气量约为0.016m3/s（≈58m3/h）。
当R22的压力为19.5atm时，其饱和温度约为50℃；压力为4.5atm时，饱和温度约为-3℃。计算此工况下输气量为0.016m3/s时的制热量（或由低温热源吸热量），并以此为参考根据R22压缩机性能参数表或曲线初选适当机型，但必须在咨询生产商得到确认后选用。
当压缩机采用非原配工质时，在压缩机长期运行前应进行工质与压缩机材料及润滑油间的相容性试验，并校核压缩机内部有无过压点、超温点、部件受力过载，掌握运行工况范围及性能变化规律。