第3篇 熱泵部件
第7章 蒸氣壓縮式熱泵部件
7.1 壓縮機
7.1.1 熱泵壓縮機工況
壓縮機是蒸氣壓縮式熱泵的核心部件，其名義工況如表7-1所示。
表7-1 熱泵用壓縮機的名義工況（美國制冷協會ARI 520—85，環境溫度35℃）
7.1.2 壓縮機分類
（1）按工作原理分類
①容積型 用機械方法使工質密封空間的體積變小，使其壓力升高的壓縮機。
②速度型 用機械方法使工質氣體獲得很高速度，再在擴張通道內使工質動能轉變為壓力能，從而提高工質壓力的壓縮機。
基于工作原理的常用壓縮機分類如圖7-1所示。
圖7-1 基于工作原理的常用壓縮機分類
（2）按熱泵工質分類
根據熱泵工質的不同，相應的壓縮機可分為R22壓縮機、R134a壓縮機、R717壓縮機、R744壓縮機、R404A壓縮機等。
（3）按壓縮機的密封型式分類
①全封閉式壓縮機 壓縮機和電動機封閉在一個殼體內，殼體的兩個部分焊接在一起，無法再打開。其結構緊湊，無工質泄漏危險，但壓縮機或電動機出現故障時維護難度很大。
②半封閉式壓縮機 壓縮機和電動機封閉在一個殼體內，殼體的兩個部分通過螺栓緊固在一起，可以打開。其結構緊湊，基本無工質泄漏危險，壓縮機或電動機出現故障時可維修。
③開啟式壓縮機 壓縮機的驅動軸伸出其殼體外，再與電動機等驅動裝置通過聯軸器連接，對工質和驅動裝置具有良好的適應性；壓縮機的驅動軸與壓縮機殼體之間需采用適宜的軸封結構，但不能完全防止熱泵工質的泄漏。
7.1.3 常用壓縮機的基本特性
常用壓縮機的基本特性如表7-2所示。
表7-2 常用壓縮機的基本特性
7.1.4 活塞式壓縮機
7.1.4.1 活塞式壓縮機的基本特點
活塞式壓縮機有曲軸連桿式、滑管式、斜盤式、電磁振動式等型式。
（1）活塞式壓縮機的主要優點
可適應廣闊的壓力范圍和制熱量要求；制熱性能系數較高，尤其在偏離設計工況時；對材料要求低，多用普通鋼鐵材料，加工較容易；技術成熟，有長期的生產和使用經驗；裝置系統較簡單。
（2）活塞式壓縮機的主要不足
轉速受限制，單機輸氣量大時體積較大；結構復雜，易損件多，維護工作量大；運轉時有振動；輸氣不連續，氣體壓力有波動。
7.1.4.2 活塞式壓縮機的性能數據
典型R22全封閉活塞式壓縮機的制熱量和功率如表7-3所示。
表7-3 典型R22全封閉活塞式壓縮機的制熱量和功率
注：1. QH為制熱量，kW；WC為輸入功率，kW。
2.工質在蒸發器出口處的過熱度為11℃，在冷凝器出口處的過冷度為8℃，環境溫度為35℃。
7.1.5 轉子式壓縮機
7.1.5.1 轉子式壓縮機的基本特點
轉子式壓縮機利用一個偏心圓筒形轉子在汽缸內轉動來實現汽缸工作容積的變化而進行氣體壓縮，其主要部件有汽缸、轉子、滑片、排汽閥和汽缸端蓋等。
與往復活塞式壓縮機相比，轉子式壓縮機的主要優點有零部件少，結構簡單；易損零件少，運行可靠；沒有吸氣閥片，直接吸氣，吸氣阻力小，吸熱過熱小；余隙容積小，輸氣系數較高，指示效率高30%～40%；易于進行變速調容量；容量相同時，體積可減小40%～50%，重量可減少40%～60%；振動小，運轉平穩（單缸壓縮機轉矩峰值大，尤其在轉速很低時轉速不均勻性會增大，采用雙缸可克服這一缺點）；加工精度要求較高，但便于大批量生產（其大部分零件為圓柱形，便于采用高效率機床和組織流水線生產），降低成本。
轉子式壓縮機的主要不足有密封線較長，密封性能較差，泄漏損失較大；零部件配合間隙要求嚴格，裝配要求高；汽缸容積的利用率低，在高環境溫度（如43℃以上）或用于中高溫工況時性能下降；要求系統內具有較高的清潔度，對現場總裝的系統當雜質處理不徹底時，裝置長期運轉后可能效率下降；修復困難。
7.1.5.2 轉子式壓縮機的性能數據
定轉速轉子式壓縮機的性能數據如表7-4所示。
表7-4 定轉速轉子式壓縮機的性能數據
7.1.6 渦旋式壓縮機
7.1.6.1 渦旋式壓縮機的基本特點
渦旋式壓縮機的主要優點為無吸氣閥，也可不帶排氣閥，氣體的流動損失小，且適于變速容量調節；輸氣系數高，容積效率高（可達90%～98%），且工況適應性好；摩擦損失小，力矩變化小，振動小，噪聲低，偏心軸可高速旋轉；軸向和徑向采用柔性機構，密封效果好，部件磨損對壓縮機的性能影響小；允許少量液體和雜質進入壓縮腔；結構簡單，運動零部件少，易損件少，可靠性高；易于采用中間補氣循環適應較低的蒸發溫度；與相同容量的往復式壓縮機相比，其體積約小40%，重量減輕15%，噪聲約低5dB（A），效率約高10%，且不隨運行時間的增加而減小。
渦旋式壓縮機的主要不足為動渦盤上承受的軸向氣體作用力隨主軸轉角發生變化，很難完全平衡，故軸向氣體力往往帶來摩擦功率消耗；渦旋盤的加工精度，特別是渦旋體的形位公差有很高要求，端板平面的平面度以及端板平面與渦旋體側壁面的垂直度應控制在微米級，故需用專門的加工設備；裝配時調心技術要求高。
7.1.6.2 渦旋式壓縮機的性能數據
R404A全封閉渦旋式壓縮機的性能數據如表7-5所示。
表7-5 R404A全封閉渦旋式壓縮機的性能數據
注：電源頻率為50Hz，壓縮機吸氣溫度為20℃，節流部件進口處工質為飽和液；制熱量約等于由低溫熱源吸熱量與輸入功率之和（部件、管路及壓縮機等無散熱損失時）。
7.1.7 螺桿式壓縮機
就壓縮氣體原理而言，螺桿式壓縮機與活塞式壓縮機一樣，屬于容積式壓縮機；就其運動形式而言，螺桿式壓縮機的轉子與離心式壓縮機的轉子一樣，可做高速旋轉運動。所以螺桿式壓縮機兼有二者的特點。
7.1.7.1 螺桿式壓縮機的基本特點
螺桿式壓縮機輸入功率范圍可達10～1000kW，按結構可分為雙螺桿式和單螺桿式兩種基本型式，前者在國內應用較多，后者在歐洲應用較多。
（1）雙螺桿式壓縮機
雙螺桿式壓縮機由一對轉子、中間機體、吸氣和排氣端座、調節滑閥、軸承、軸封、平衡活塞及輸氣量調節裝置等組成，螺旋形齒的陰、陽轉子互相嚙合、旋向相反。齒面凸起的轉子稱為陽轉子，齒面凹下的轉子稱為陰轉子。轉子的齒相當于活塞，轉子的齒槽、機體的內壁面及兩端的端蓋等共同構成的工作容積相當于汽缸。機體的兩端設有成對角線布置的吸、排氣口，隨著轉子在機體內的旋轉運動，使工作容積由于齒的嚙合或脫開而不斷發生變化，從而周期性地改變轉子每對齒槽間的容積，來達到吸氣、壓縮和排氣的目的。其主要特點如下。
①與往復式壓縮機相比，螺桿式壓縮機具有連續輸氣、轉速高（可與驅動裝置直聯）、重量輕、體積小、占地面積小及排氣脈動低等特點。
②無往復質量慣性力，動力平衡性好，運轉平穩，機座振動小，基礎可做得較小甚至可不需基礎。
③結構簡單，機件數量少，無余隙容積，無氣閥、活塞環等易損件，其主要摩擦件如轉子、軸承等，強度和耐磨性均較好，潤滑條件良好，故機加工量少，材料消耗低，運行周期長，維修簡單，可靠性好，效率高，利于實現自動運行。
④與離心式壓縮機相比，螺桿式壓縮機具有強制輸氣的特點，其排氣量幾乎不受排氣壓力的影響，容量連續可調且在部分負荷時仍具有良好的性能，在小排氣量時不發生喘振現象，對氣體的密度不敏感，在寬廣的工況范圍內仍可保持較高的效率。
⑤采用滑閥的能量及內容積比調節裝置，可實現無級調節，滿足各種變工況壓縮比及空載啟動的要求。
⑥對壓縮介質中的液滴和雜質不敏感，可采用噴液（油）等措施，在轉子之間、轉子與固定件之間形成一層液膜，強化密封和冷卻，在相同壓縮比時，排氣溫度比活塞式低得多，故單級壓縮比可較高，且可適應含液滴、壓縮過程中液化的氣體。
⑦工況適應范圍大。采用單級壓縮，以R134a為工質時，冷凝溫度可達70℃（適宜工質時，制熱溫度可達100℃）；以R404A或R507為工質時，蒸發溫度可達-45℃，且便于采用中間補氣循環，提高低蒸發溫度工況的性能。
⑧工質氣體周期性高速通過吸、排氣口，以及通過縫隙的泄漏等原因，使壓縮機有很大噪聲，需采用消聲減噪措施。
⑨螺旋形轉子空間曲面的加工精度要求高，需用專用設備和刀具來加工；輔助設備可能較復雜，使其價格較高。
⑩由于間隙密封和轉子剛度等原因，壓縮機排氣壓力受到一定限制（一般低于4.5MPa）。
（2）單螺桿式壓縮機
單螺桿式壓縮機，也稱蝸桿壓縮機，由一個轉子和兩個星輪組成，星輪與蝸桿轉子（又稱螺桿轉子）相嚙合，螺桿轉子的齒間凹槽、星輪和汽缸內壁組成一獨立的基元容積，猶如往復式壓縮機的汽缸容積，轉動的星輪齒片作為活塞，隨著轉子和星輪不斷地運動，基元容積的大小發生周期性的變化而實現氣體的壓縮。
與雙螺桿式壓縮機相比，單螺桿式壓縮機有如下特點。
①降低了噪聲和氣體通過管道系統傳遞的振動，且轉子與星輪齒片磨損均勻。
②使運轉平穩，軸承受力小，減少了轉子彎曲所造成的轉子與殼體間的泄漏。
③排氣口呈徑向，可使轉子前、后端均處于低壓，軸向力可得到平衡。
④可采用密封性能和潤滑性能好的樹脂材料。
⑤壓縮速度快，泄漏時間短，有利于提高容積效率，減小壓力脈動。
⑥機組結構簡化，零部件少。
7.1.7.2 螺桿式壓縮機的性能數據
R22開啟型螺桿式壓縮機的基本參數如表7-6所示。
表7-6 R22開啟型螺桿式壓縮機的基本參數
注：制熱量約等于由低溫熱源吸熱量與輸入功率之和（部件、管路及壓縮機等無散熱損失時）；軸功率不包括單獨驅動的泵功率；工況1的吸入壓力對應的飽和溫度為7℃，工質氣體進入壓縮機的溫度為18℃，排出壓力對應的飽和溫度為43℃，節流部件前工質液體的溫度為38℃；工況2的吸入壓力對應的飽和溫度為-7℃，工質氣體進入壓縮機的溫度為18℃，排出壓力對應的飽和溫度為35℃，節流部件前工質液體的溫度為30℃；工況3的吸入壓力對應的飽和溫度為-23℃，工質氣體進入壓縮機的溫度為5℃，排出壓力對應的飽和溫度為35℃，節流部件前工質液體的溫度為30℃。
某半封閉機型在變工況時的性能曲線如圖7-2所示，其中節流部件前過冷度約為5℃，壓縮機吸氣過熱度約為8℃；機組制熱量約等于由低溫熱源吸熱量與輸入功率之和。
圖7-2 某半封閉機型在變工況時的性能曲線
7.1.8 離心式壓縮機
7.1.8.1 離心式壓縮機的基本特點
單級離心式壓縮機由吸氣室、葉輪、擴壓器、蝸殼等組成，多級離心式壓縮機還有彎道、回流器等部件。當葉輪高速旋轉時，工質蒸氣由軸向吸入，沿半徑方向甩出并獲得動能，之后高速氣體進入擴壓器等部件，氣流方向改變并將動能轉變為壓力能，使氣體壓力升高。
離心式壓縮機的基本特點如下。
①工質氣體連續流動。
②運動零部件少且簡單，制造精度要求比螺桿式壓縮機等低，制造費用相對低。
③易實現運行自動化，可利用進口導葉自動進行容量調節，調節范圍和節能效果好。
④與相同容量的往復式壓縮機相比，外形尺寸小，重量輕（為往復式壓縮機的1/8～1/5），占地面積小。
⑤無往復運動部件，動平衡特性好，噪聲小，振動小，基礎要求簡單，甚至可直接安裝在單筒式蒸發-冷凝器上。
⑥無進、排氣閥，磨損部件少，故障少，可靠性好，連續運行周期長，維修費用低，使用壽命長。
⑦葉輪與機殼之間無摩擦，不需潤滑，工質蒸氣基本不與潤滑油接觸，可避免潤滑油對蒸發器和冷凝器傳熱性能的不利影響。
⑧易于實現多級壓縮和節流，便于熱泵機組從多個不同溫度的低溫熱源中吸熱。
⑨可由蒸汽輪機或燃氣輪機直接帶動，便于變轉速調節，且能源效率高。
壓縮機轉速較高，對軸端密封要求高，用電動機驅動時通常需設置增速器。
冷凝壓力較高或負荷過低時，會發生喘振而不能正常工作。
單機容量不能太小，否則工質流量過小，氣流流道過窄，影響流動效率。
單級壓縮比相對較小（受材料強度等限制），當需要較大壓縮比時，需采用多級壓縮。
對工質的適應性差（當結構一定時通常只能適應一種工質），且較適于采用分子量大的工質。
7.1.8.2 離心式壓縮機的性能數據
封閉型R22離心式壓縮機的性能數據如表7-7所示。
表7-7 封閉型R22離心式壓縮機的性能數據
注：蒸發器側低溫熱源為水，進水溫度為12℃，出水溫度為7℃；冷凝器側載能介質為水，進水溫度為32℃，出水溫度為37℃。
7.1.8.3 離心式壓縮機的工質選用
選用離心式壓縮機的熱泵工質時，需考慮如下因素。
①工質的分子量 為減少壓縮機的級數和尺寸，工質的分子量宜大些。如R22的分子量為86.47，當工質蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為40℃時，一級葉輪壓縮就可達到；而NH3的分子量為17.02，同樣蒸發和冷凝溫度時則需多級壓縮機。但R22的聲速低，很易達到堵塞工況，而同樣溫度時NH3的聲速為R22的2倍多，一般不會出現堵塞。
②制熱量 當制熱量不同時，應選用不同單位容積制熱量的工質。如在相同工況下，R134a的單位容積制熱量約比R123大6倍，因此在制熱量較小時，宜選R123，而在制熱量較大時，則選R134a（R134a用于小制熱量時，會使壓縮機尺寸偏小，轉速偏高）。
③工質液體比熱容與汽化潛熱之比 在節流過程中，該比值越小，則節流后產生的工質蒸氣越少，壓縮機輸送單位質量工質從低溫熱源吸收的熱量越多。
④工質的腐蝕性 氨（NH3）會腐蝕除磷青銅以外的銅合金以及錫和鋅，氟利昂（HFCs及HCFCs）會腐蝕鎂和含鎂量超過2%的鋁合金（如葉輪為鋁合金制造時），當有水和空氣存在時，腐蝕會更嚴重。當工質的蒸發壓力低于大氣壓力時，則存在濕空氣滲入的危險，從而增加對裝置的腐蝕。
7.1.9 熱泵壓縮機的選用方法
熱泵壓縮機的選用步驟如下。
①確定熱泵的工質、冷凝溫度、蒸發溫度、容積制熱量、制熱量、壓縮機功率。
②先考慮有無該工質的專用壓縮機，如R22、R134a、R717、R744等均有專用壓縮機系列。
③如有專用壓縮機，根據熱泵的制熱量、功率范圍及當地能源情況，確定壓縮機的型式。如制熱量較大時可考慮離心式壓縮機，制熱量中等時可考慮螺桿式壓縮機，制熱量不大時可考慮活塞式、轉子式、渦旋式壓縮機。如用電較方便時，宜首選封閉式或半封閉式壓縮機；如電力較緊張時，可考慮采用內燃機或燃氣輪機驅動的開啟式壓縮機。
④壓縮機型式確定后，選擇生產該型式壓縮機的制造商，查詢壓縮機的樣本資料，根據制熱量或由低溫熱源吸熱量確定壓縮機型號（壓縮機制熱量約等于由低溫熱源吸熱量與功率之和減去機組散熱等熱損失）。設某熱泵考慮選用活塞式壓縮機，熱泵工質為R22，蒸發溫度為5℃，冷凝溫度為50℃，制熱量為10kW，由R22活塞式壓縮機性能參數表，可選機型D，在上述工況下其制熱量為10.6kW，滿足該熱泵要求，此時電動機輸入功率為2.8kW。
⑤當熱泵工質無專用壓縮機時，可考慮與該工質相容的壓縮機。對開啟式壓縮機，一般可使用不同工質，通用性較強；對封閉式壓縮機，因壓縮機內各種材料均是為某種工質專門設計的，換用其他工質時一定要慎重。通常，選用相容壓縮機時需考慮如下幾方面。
a.所選壓縮機的潤滑油要與工質相容。
b.封閉式壓縮機中的材料，如電動機繞組的絕緣漆等，要與工質相容。
c.工質與材料相容的大致規律是極性小的工質一般可與極性大的工質配套材料相容，反之通常不可。反映工質極性的主要參數為工質的偶極矩。
d.壓縮機的受力不應超過設計值。
e.壓縮機中各點的溫度不應超過設計值。
f.滿足上述條件后，核算工質的熱力循環性能。此時壓縮機一般在非設計工況下運行，原則上應使其負荷略低于設計負荷而不應超出。
g.壓縮機采用非原配工質長期運行時，需就上述內容進行試驗和測試，滿足各項要求后才能再使用。
⑥選用示例。設熱泵所要求的制熱量為45kW，冷凝溫度為90℃，蒸發溫度為30℃，工質可選R124。由R124飽和熱力性質表，其冷凝溫度下的冷凝壓力約為19.5atm（1atm=101.325kPa），蒸發溫度下的蒸發壓力約為4.5atm，蒸發壓力下飽和氣的比體積為0.036m3/kg。由于選用R124專用壓縮機難度較大，可考慮與之性質相近、技術較成熟且價格相對低的常用工質壓縮機。由熱泵工質的基礎物性表，R124的偶極矩約為1.47Debye（1Debye=3.335×10-30C·m），R22的偶極矩約為1.46Debye，二者極性相近，可初選R22壓縮機，R124與R22全封閉式壓縮機內的材料和潤滑油相容的可能性應較大。
壓縮機可按輸氣量初步選型。由于制冷壓縮機樣本資料一般是按制冷量（即由低溫熱源吸熱量）給出的，此處先按制冷量選型（制冷量相同時，制熱量也基本相同），然后再核算制熱量。由R124熱泵的循環參數可算得其單位容積制冷量約為1900kJ/m3；制熱量為45kW時，按制熱性能系數為3估算，其制冷量約為30kW，需壓縮機輸氣量約為0.016m3/s（≈58m3/h）。
當R22的壓力為19.5atm時，其飽和溫度約為50℃；壓力為4.5atm時，飽和溫度約為-3℃。計算此工況下輸氣量為0.016m3/s時的制熱量（或由低溫熱源吸熱量），并以此為參考根據R22壓縮機性能參數表或曲線初選適當機型，但必須在咨詢生產商得到確認后選用。
當壓縮機采用非原配工質時，在壓縮機長期運行前應進行工質與壓縮機材料及潤滑油間的相容性試驗，并校核壓縮機內部有無過壓點、超溫點、部件受力過載，掌握運行工況范圍及性能變化規律。