活塞式和螺杆式制冷压缩机节能互动分析

活塞式和螺杆式制冷压缩机节能互动分析

点清新 目前国内外广泛应用的制冷机分为压缩式制冷机（包括蒸汽和空气压缩机两种）、吸收

式制冷机和蒸汽喷射式制冷机三种类型，其中又以蒸汽压缩式制冷机应用最为广泛，下面主

要讨论活塞式压缩机和螺杆式压缩机。

一．制冷压缩机的分类 按照工作原理：容积型：包括往复活塞式和回转式压缩机； 速度型：离心式压缩机。

按照密封结构：开启式压缩机，半封闭式压缩机，全封闭式压缩机。

二．活塞式压缩机

活塞式压缩机是依靠活塞的往复运动来压缩气缸内的气体的，属于容积型压缩机。

1.结构组成：主要由机体缸套、曲轴、连杆组、活塞组、气阀组、轴封装置、能量调节装置、润滑系统

等部件组成。其中：

① 机体缸套：包括汽缸体和曲轴箱两部分，主要用来支承汽缸套、曲轴连杆机构及其它所有零部件重量并保证各零部件之间具有正确的相对位置。

② 曲轴：主要用来将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。

③ 连杆组：包括连杆体、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓。主要用来将曲轴的回转运动转

化为活塞的往复运动，并把动力传递给活塞对气体做功。

④ 活塞组：由活塞、活塞销及活塞环组成。活塞组在连杆带动下，在汽缸内作往复直线运动，从而与汽缸等共同组成一个可变的工作容积，以实现吸气、压缩、排气等过程。

⑤ 气阀组：主要由阀座、阀片、弹簧和阀盖组成，保证压气机的正常工作。

⑥ 轴封装置：主要用来防止制冷剂蒸汽沿曲轴伸出端向外泄漏，或者是当曲轴箱内压力低于大气压

时，防止外界空气漏入。

⑦ 能量调节装置：主要作用两点，一是实现压缩机的空载启动或在较小负荷状态下启动；二是调节压缩机的制冷量。 ⑧ 润滑系统：降低压气机的摩擦功、摩擦热和减弱零件的磨损，提高压气机的机械效率等。

2.工作原理：圆筒形的气缸、顶部设置的排气阀与活塞共同

构成可变容积。连杆的大头与曲轴连接，小头通过活塞销与活塞

相连，当曲轴在原动机的驱动下旋转时，通过曲柄、连杆、活塞

销的传动，使活塞在气缸内做往复直线运动，其行程为曲轴偏心距的两倍。而吸排气阀的阀片分别被气阀弹簧压在气缸体上部的内外阀座上，靠阀片上下两侧气体的压力差自动开启，控制着

工质进、出气缸的通道。曲轴每旋转一周，活塞往复运动一次，可变工作容积中将完成一个包括气体的吸入、压缩和排出在内

的工作循环。

3.活塞式制冷压缩机的特点

主要优点有： ①能适应较广阔的压力范围和制冷量要求；

②热效率较高，单位耗电量相对较少，特别是偏离设计工况运行时更为明显；③对材料要求低，多用普通

钢铁材料，加工比较容易，造价较低廉；④技术上较为成熟，生产使用上积累有丰富的经验；⑤装置系统

比较简单。

上述优点使活塞式制冷压缩机在中、小制冷量范围内，成为制冷压缩机中应用最广、生产批量最大的机型。但也有不足之处，主要缺点是：①因受到活塞往复惯性力的影响，转速受到限制，不能过高，因此单机输气量大时，机器显得很笨重；②结构复杂，易损件多，维修工作量大；③由于受到各种力、力矩的

作用，运转时振动较大；④输气不连续，气体压力有波动。

4.制冷工质：活塞式压气机所用制冷工质主要为R12（氯氟烃CFC，氟利昂制冷剂），R22（氢氯氟烃HCFC，

氟利昂制冷剂）,R500（共沸混合制冷剂）三种。氟利昂是一种可产生温室效应的制冷剂，其在高空分解后，

经过一系列的化学反应可导致臭氧层空洞，由此引发一系列的灾难性后果。2010年，我国已经全面禁止使

用氟利昂作为制冷剂。

5.循环温熵图：

过程f-1为气体进入气缸；1-2为气体在气缸内进行压缩；2-g为气体流出气缸，输向储气筒。其中，

f-1和2-g即进气和排气过程都不是热力过程，只是气体的移动过程，气体状态不发生变化，缸内气体数量发生变化；1-2是热力过程，气体参数发生变化。

过程p-v图 过程T-s图

三．螺杆式压缩机

螺杆式制冷压缩机是指用带有旋转槽的一个或两个转子（螺杆）在气缸内旋转使气体压缩的制冷压缩

机。

1.结构组成：主要由机壳、转子、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成。其中：

① 机壳：-般为剖分式，由机体、吸气端座及排气

端座等三部分用螺栓连接组成。机体内腔横断面为双圆

相交的横8字形，与置于其内的两个啮合转子的外圆柱

面相适合。

② 转子：为一对互相啮合的螺杆，其上具有特殊

的螺旋齿形。常采用整体式结构，将螺杆与轴做成一体，

其中凸齿形的称为阳螺杆(或称阳转子)，凹齿形的称为

阴螺杆(或称阴转子)。

③ 轴承与轴封：螺杆式制冷压缩机的阴、阳螺杆

均由滑动轴承(主轴承)和向心推力球轴承支承。主轴承

用柱销正确安装固定在吸、排气端座内，止推轴承在排

气侧阳、阴螺杆上各装有两只，以承受一定的轴内力。螺杆式制冷压缩机的轴封也多采用摩擦环式机械密

封器，安装在主动转子靠联轴器--端轴上，其结构和原理同活塞式制冷压缩机的轴封相同。

④ 平衡活塞：由了结构上的差异，因吸、排气侧之间的压力差所引起的，作用在阳螺杆上的轴向合

力，比作用在阴螺杆上的轴向合力大得多。因此，阳螺杆上除装设止推轴承外，还增设油压平衡活塞，以减轻阳螺舒杆对滑动轴承端面的负荷，减轻止推轴承所承受的轴向力。

⑤ 能量调节装置：由滑阀、油缸、油活塞、四通电磁换向阀及油管路等组成。活塞装在气缸壁下部

两圆交汇处，改变滑阀的位置，即可起调节制冷量的作用。

2.工作原理与工作过程：

螺杆式压缩机的工作是靠啮合运动着的一个阳转子与一

个阴转子，并借助于保卫这一对转子四周的机壳内壁空间完

成的。转子的齿、齿槽与机壳内壁所构成的呈“V”字形的

一对齿间容积称为基元容积，当转子转动时，其容积就会发

生周期性变化，同时它还会沿着转子的轴向由吸气口侧向排气口侧移动，将制冷剂气体吸入并压缩至一定的压力后排

出。

如图所示，a、b为一对转子的俯视图，c、d、e、f为

一对专职的仰视图。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。当基元容积达到最大并与吸气口隔开时，吸气结束。此后，基元容积由最大逐渐变为最小，开始气体的压缩过程。当基元容

积开始与轴向和径向排气口接通时，进行排气过程，直到基元容积变为零为止。 随着转子的连续运转，上述吸气、压缩、排气过程循环进行，各基元容积依次陆续工作，构成了螺杆

式压缩机的工作循环。

3.螺杆式制冷压缩机特点

优点：转速高，重量轻，体积小，占地面积小以及排气脉动低。没有往复质量惯性力，动力平衡性能好，运转平稳，机座振动小，基础可作得较小，结构简单，机件数量少，没有易损件，它的主要摩擦件强

度和耐磨程度都比较高，而且润滑条件良好，因而机加工量少，材料消耗低，运行周期长，使用比较可靠，

维修简单，有利于实现操纵自动化，强制输气，用了滑阀调节，可实现能量无级调节。

缺点：制冷剂气体周期性地高速通过吸、排气孔口，通过缝隙的泄漏等原因，使压缩机有很大噪声，需要采取消音减噪措施。螺旋形转子的空间曲面的加工精度要求高，需用专用设备和刀具来加工。由于间

隙密封和转子刚度等的限制，目前螺杆式压缩机还不能像往复式压缩机那样达到较高的终了压力

4.制冷工质：空调用螺杆式制冷压缩机组采用制冷剂主要有：R22、R134a、R717、R12等。

5.温熵图：

螺杆式压缩机工作过程与活塞式压气机相似，温熵图相同，这里不再赘述。

四.两种压缩机性能参数对比：

1.输气系数，综合了影响压缩机实际排气量的各种因素，如余隙容积、吸排气压力损失、制冷剂与气缸

壁热交换及气体泄漏等。 ①活塞式压缩机存在余隙容积的影响，工作过程中出现了膨胀过程，占据了一定的气缸工作容积，使

吸气作用减弱，实际输气量减少。而螺杆式压缩机由于其工作原理的差异，几乎不存在这种问题。 ②压缩机在吸气过程中存在压力损失，因此这种因素会降低两种压缩机的输气系数。同时，压缩机在对气体预热的过程中，因气体的温度上升膨胀，会相应减少压缩机的吸气量，降低了压缩机的输气系数。

压缩机的泄漏同样会造成输气量减少，这是不可避免的。对于螺杆式压缩机气体泄漏还会造成其功耗增加。 ③影响螺杆式压缩机输气系数虽与活塞式压气机有些相似，但由于螺杆式压缩机没有余隙容积的影响，

几乎不存在在膨胀的容积。因此，螺杆式压缩机的输气系数较大，输气效果较好。

2.压缩机的功率和效率

①压气机压缩空气消耗机械功，带动一些机械机构完成压气过程。由于装置接触不可避免会产生接触摩擦，因此会损失一些机械功率。其中，摩擦功率与压缩机的结构、润滑油的温度以及转速有关。活塞式

压气机往复回转速率较低，但排气温度加高。温度的升高，会使其容积效率降低、功耗增加、润滑油粘度降低，会进一步增加摩擦损耗。而螺杆式压气机转速较高，在相同的压力比下，排温比活塞式低得多。因此，螺杆式压气机的机械损耗相对较小，效率较高。这也印证了，活塞式压气机多应用于小功率场合，螺

杆式压气机多用于高功率场合。 ②压气机的增压比在一定程度上会影响功率及效率。由于活塞式压气机一级增压比较低，工程上常采用多级压缩和级间冷却的方式来增大增压比。这种方式在分级不太多的情况下，可以使用，但对于要求较高的气体压缩，会带来如结构复杂，机械摩擦损失增大等问题。而螺杆式压气机结构简单，一级压力比很

高，这样给高效率压气带来了可能。

3.制冷量，是指压缩机在一定的运行工况下，单位时间内被它抽吸和压缩的制冷工质在蒸发过程中从低

温热源中所吸取的热量。 活塞式压气机的排气不连续性限制了其往高冷量范围的使用。目前，其主要应用于家用冷藏箱和商用

制冷设备等100W到200kW的制冷量范围，而螺杆式机械零件要就较高，在低制冷量范围的使用经济性较

低。故多适用于商用制冷和大型空调设备150kW到1400kW的范围。

五.制冷工质应用现状

目前，HCFC-12已经广泛应用于商业制冷及商业和住宅空调及热泵中，其ODP(臭氧消耗潜值,臭氧衰

减指数)值远小于CFC-11和CFC-12的，仅为0.055。但其GWP(全球变暖潜能值)值却相当高，约为1700。

因此HCFC-12在欧洲一些国家（如德国）正在被迅速淘汰。美国制冷协会在其制冷剂替代物的评估计划

（AREP）中推荐了四种：HCFC-134a、R407C、R410A 和R410B。其中HFC-134a比之其他三种的制冷量和压

力都较小，用它做制冷剂需要对系统做较大的重新设计，故由它来替代HCFC-22的可能性很小，但用在较

大的冷水机组中的可能性还是存在的。非共沸工质R407C很可能是一种对现有机器的“可用替代剂”，其与

HCFC-22最相近。R410A适用于分体式小型空调器。

R502曾广泛应用于低温的制冷系统。AREP推荐了两种可能的替代物：R404A和R507。R404A具有与

R502相近的制冷量和效率，但在采用时还需对系统部件做较多试验，特别是压缩机。R507的混合组分中有

一种起阻燃的成分，它与R502性能相似，在美国还在继续进行毒性试验；可是在欧洲，已经被用于超市冷

冻设备中。

在自然界中大量存在这“天然制冷剂”，如氨、碳氢化合物、二氧化碳等。氨的应用已经由百余年的历史，至今还有许多国家在大型工业制冷、食品冷冻冷藏中，但其易燃、易爆、有毒和有清冽的刺激性气味

等限制了它的应用范围。

碳氢化合物具有十分好的热力性质和传热特性，它和所有的机械材料和油类完全相容。实际上，这种