"双碳"目标下螺杆制冷压缩机的技术发展

    本文在分析螺杆压缩机基本原理和结构特点的基础上,从型线优化、导程设计、涂层改进、润滑优化、变频调速、补气系统等方面,系统阐述了螺杆压缩机节能增效的关键技术,并对其未来的研究方向进行了展望,以期为实现"双碳"目标下螺杆压缩机的高质量发展提供参考。                       

 

一、引言      

         

制冷行业是能源消耗大户,据统计,建筑制冷系统和工商业冷藏库的耗电量占全社会用电量的15%以上[1]。随着我国"碳达峰、碳中和"目标的提出,大力发展绿色高效制冷技术,全面提升制冷系统能效水平,对于控制碳排放具有重要意义。  

螺杆压缩机是应用最广泛的工商业制冷设备之一。与活塞式、离心式等压缩机相比,螺杆压缩机具有效率高、可靠性好、振动噪音小、适应性强等突出优点[2]。但受限于设计和制造工艺水平,目前螺杆压缩机在部分工况下的效率还有待提升。"双碳"目标为螺杆压缩机节能技术创新指明了方向,通过优化螺杆型线、改进结构设计、创新控制策略等手段,进一步挖掘螺杆压缩机节能潜力,对于建设绿色低碳制冷系统,助力"双碳"目标实现具有重要意义。

 

二、螺杆压缩机工作原理与结构特点      

         

   1、原理   

螺杆压缩机主要由一对啮合转动的双螺杆转子组成。两螺杆形成一系列容积不断变化的压缩腔,完成吸气、压缩、排气全过程。其工作原理如下图所示[3]:

 

1—吸气端座  2—阴转子  3—气缸  4—滑阀  5—排气端座  6—阳转子

   2、工作过程   

(1)吸气过程:

随着转子旋转,吸气口逐渐打开,吸气腔容积增加,气体被吸入压缩机。当转子旋转一定角度后,吸气口关闭,吸气过程结束。

(2)压缩过程:

吸气结束后,气体被封闭在压缩腔内,随着转子旋转,压缩腔容积不断减小,气体被压缩,压力升高。

(3)排气过程:

当压缩腔容积减小到一定程度,排气口打开,高压气体被排出压缩机。随后新的吸气过程开始,完成一个工作循环。  

图3-2为螺杆式压缩机的工作过程示意图。其中，a、b为一对转子的俯视图，c、d、e、f为一对转子由下而上的仰视图。

   3、特点   

与活塞式等往复式压缩机相比,螺杆压缩机具有以下结构特点[4]:
(1)无气阀:螺杆压缩机依靠转子旋转实现进、排气,无需气阀,可靠性高。
(2)容积效率高:螺杆转子间、端面间间隙小,泄漏损失小,容积效率高。
(3)平衡性好:螺杆转子受力均匀,重力和惯性力矩平衡,振动噪音小。
(4)结构紧凑:两螺杆同轴布置,径向尺寸小,机组布置灵活。
(5)过载能力强:螺杆压缩机可在较宽的工况范围内稳定运行,适应性强。  

 

三、螺杆压缩机节能增效关键技术      

         

(一)型线优化   
螺杆转子的型线设计是压缩机效率提升的关键。型线参数直接决定了压缩腔的几何特性,影响吸气量、泄漏量、压缩功等性能指标。目前,非对称型线、大容积比型线、多齿形线等已成为型线优化设计的主流方向[5]。  

非对称型线通过男女转子型线的合理匹配,在保证啮合性能的同时,最大限度地增大压缩腔容积,减小泄漏间隙,可使容积效率提高3%左右。大容积比型线采用更长的齿廓线,增大压缩比,降低排气损失,在高温热泵等工况下优势明显。多齿型线如5-6型线、6-7型线通过增加齿数,提高单位容积输气量,在小型化、高速化应用中独具优势[6]。近年来,非圆齿轮理论逐步应用到型线设计中,为开发高性能型线提供了新思路[7]。  

(二)导程设计   
导程是指螺杆转子轴向单位长度的旋转角度。导程设计直接影响螺杆压缩机的容积利用系数、泄漏特性和加工精度。恒导程设计因其加工简单、制造成本低,成为螺杆压缩机的主导结构形式。但恒导程设计也存在容积利用系数低、泄漏量大的缺点[8]。  

变导程设计可有效改善上述不足。变导程结构通过沿转子轴向连续或分段地改变导程,在保证容积利用系数的同时,减小泄漏面积,降低泄漏损失。研究表明,采用变导程设计可使容积效率和绝热效率分别提高3%和2%[9]。变导程设计对加工精度和装配精度有更高要求,随着数控加工与检测技术的进步,其应用范围日益扩大。此外,非线性导程、双导程等新型导程设计方法也在不断探索和发展[10]。  

(三)涂层改进   
螺杆转子表面涂层可显著降低泄漏损失和摩擦损失,提升压缩机效率和可靠性。涂层材料需同时满足耐磨、导热、粘附、抗腐蚀等性能要求。目前,高速电弧喷涂、等离子喷涂、HVOF喷涂等成为螺杆涂层的主要制备工艺[11]。  

涂层材料经历了从单一金属到合金、陶瓷基复合材料的发展历程。WC-12Co、Cr3C2-NiCr等合金涂层凭借优异的综合性能,在螺杆压缩机上得到广泛应用。近年来,YSZ、Cr2O3等陶瓷涂层以其低导热系数、高硬度、抗氧化能力强等优点,成为螺杆涂层的研究热点[12]。此外,金属-陶瓷复合涂层、梯度涂层、自润滑涂层等新型涂层结构,通过多元化设计,实现了性能的进一步提升[13]。     

(四)润滑优化   
润滑油在降低摩擦、密封泄漏、冷却散热、清洁防腐等方面发挥着不可替代的作用。选用与压缩机匹配的润滑油,对提高效率至关重要。矿物油因其成本低、工艺成熟,是应用最广泛的螺杆压缩机润滑油。近年来,合成油、半合成油凭借优异的高低温性能和热氧化安定性,在高端螺杆压缩机中得到推广应用[14]。  

油液分离是影响螺杆压缩机系统效率的关键因素。提高油气分离效率,减少系统油循环量,可降低蒸发器换热面积,提高制冷效果。旋风分离和膜分离是目前应用最广的两种油气分离技术。采用多级分离、热管余热回收等方法,可使油气分离效率提高到99.9%以上[15]。  

(五)变频调速   
螺杆压缩机在变工况运行时,频繁启停、空载运行等低效状态严重影响系统效率。变频调速可根据负荷需求,无级调节压缩机转速,始终保持在高效运行区域。  

在螺杆压缩机变频系统中,驱动电机多为异步电动机或永磁同步电动机。与定频驱动相比,变频驱动可使压缩机全工况效率提高20%以上[16]。同时变频还具有软启动、过载保护等功能,大幅提高了运行可靠性。随着电力电子和控制技术的进步,高功率密度、高效率变频器不断涌现,压缩机变频调速已成为当前的主流技术路线。  

(六)补气技术   
补气是在压缩后期向压缩腔注入高压冷媒气体,降低排气温度,减小功耗的一种节能方法。补气不仅可提高压缩机效率,还能防止排气温度过高引起的润滑油劣化等问题。目前,经济补气、完全补气、过量补气是应用较多的三种补气方式[17]。  

经济补气即在压缩后期补入适量高压气体,在补气量较小时,就能显著降低排气温度。完全补气是补入足够的高压气体,使压缩后期不再做功。过量补气在完全补气的基础上,进一步降低排气温度至等熵温度,效率最高,但补气量大。采用合理的补气方式,可使压缩机效率提高5%以上。但补气装置增加了系统复杂度,优化补气策略,开发高效补气装置是进一步研究的重点。

    

四、结语与展望      

         

随着计算流体力学、多学科优化等现代设计方法的进步,复杂型线、非线性导程等新型转子结构将不断涌现,大幅提升容积效率和绝热效率。纳米涂层、自修复涂层、耐极压涂层等前沿涂层技术的应用,将进一步降低摩擦和泄漏损失。高性能润滑油及油气分离新工艺的研发,将显著改善油路系统效率。永磁同步电机驱动、智能控制算法等技术的普及,将推动压缩机向油冷剂一体化方向发展。  

随着物联网、大数据、人工智能等现代信息技术的发展,螺杆压缩机将从单一装置向智能系统升级。高精度传感器和智能算法的应用,实现了压缩机运行状态的实时监测和故障诊断。远程运维平台构建和数字孪生模型搭建,将极大提升压缩机全生命周期管理水平。5G、边缘计算等新一代信息技术与螺杆压缩机的融合,将催生云端协同优化、预测性维护等智能化应用新场景。

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