螺杆式制冷压缩机的工作原理及结构
第一节 螺杆式制冷压缩机的工作原理
1、螺杆式制冷压缩机的特点
与活塞压缩机的往复容积式不同,螺杆式压缩机是一种回转容积式压缩机。与活塞压缩机相比,螺杆式制冷压缩机有以下优点:
a.体积小重量轻,结构简单,零部件少,只相当于活塞压缩机的1/3~1/2;
b.转速高,单机制冷量大;
c.易损件少,使用维护方便;
d.运转平稳,振动小;
e.单级压比大,可以在较低蒸发温度下使用;
f.排气温度低,可以在高压比下工作;
g.对湿行程不敏感;
h.制冷量可以在10%~100%之间无级调节;
i.操作方便,便于实现自动控制;
j.体积小,便于实现机组化。
缺点:
转子、机体等部件加工精度要求高,装配要求比较严格;
油路系统及辅助设备比较复杂;因为转速高,所以噪声比较大。
2、螺杆式制冷压缩机工作原理
双螺杆(压缩机)是由一对相互啮合、旋向相反的阴、阳转子,阴转子为凹型,阳转子为凸型。随着转子按照一定的传动比旋转,转子基元容积由于阴阳转子相继侵入而发生改变。侵入段(啮合线)向排气端推移,于是封闭在沟槽内的气体容积逐渐缩小,压力逐渐升高,压力升高到一定值(或者说转子旋转到一定位置)时,齿槽(密闭容积)与排气孔相通,高压气体排出压缩机,进入油分离器。吸气、压缩、排气过程见示意图。
3、内压比与螺杆压缩机经济性的关系
螺杆压缩机是没有气阀的容积型回转式压缩机,吸、排气孔的打开和关闭完全为几何结构决定的,即吸气终了的体积和压缩结束时的体积是固定的,即内容积比是固定的。而活塞压缩机的吸、排气阀片的打开是由吸、排气腔的压力决定的。
内容积比:Vi=VS/Vd
VS—吸气终了时的容积,Vd—压缩终了时的容积
内压力比:Za = Pd / P0
Pd—压缩终了压力,P0—吸入压力
可见,内压比是由内容积比决定的。所以,压缩终了压力Pd是由吸气压力和内容积比决定的。
外压力比:Zy = Py / P0
Py—排气背压力,或者说冷凝压力
外压比是由蒸发温度和冷凝温度决定的,即由运行工况所决定的。
当压缩机内压比小于外压比时(内容积比小),压缩终了压力小于冷凝压力,气体进入排气口后不能排出压缩机,会受到下一个齿槽排出的气体继续压缩(等容压缩),直到压力达到冷凝压力时,才会排出排气口,进入排气管路;当压缩机内压比大于外压比时(内容积比大),
压缩终了压力大于冷凝压力,气体进入排气口后压力迅速降低至冷凝压力(等容膨胀)。不论是等容压缩还是等容膨胀,都会使压缩机功耗增加。
因为一台压缩机的内压比一般都是固定的,而工况的变化会导致内、外压比不一致。所以在选用压缩机时,应选用内压比与使用工况对应的外压比相同或接近的,才能获得节能。
2)转子部件
转子部件由主动转子(一般为阳转子)、从动转子(一般为阴转子)、主轴承、止推轴承、轴承压盖、平衡活塞以及平衡活塞套等零件组成。
阴、阳转子是螺杆压缩机中最核心的零件。转子的加工精度、形位公差要求都很高,精加工后还必须做动平衡试验方可使用。主动转子通过联轴器与电机直联,并带动从动转子旋转。
主轴承一般采用滑动轴承,又叫主轴瓦,是支撑转子、承担径向力。主轴承内表面衬有一层耐磨合金,磨损较大或拉毛、拉伤时应更换。主轴承在工作中靠润滑油润滑,各油路必须通畅。更换新轴承时要采取“刮花”处理。
止推轴承:每个转子上一般装有一对止推轴承,而且是经过游隙测定后相反方向安装。止推轴承是克服转子工作时产生的轴向力(排气端压向吸气端),并保持转子端面与吸、排气端座保持一定的间隙。转子排气端面与排气端座的间隙是靠调整垫的厚度来调整的。如果测量排气端间隙大,则磨薄调整垫;如果测量排气端间隙小,则更换调整垫或增加一个调整垫。止推轴承的内圈是通过圆螺母及防松垫片(俗称王八垫)固定在转子上,外圈是通过轴承压
盖压紧在排气端座上。装配轴承压盖时要注意用力均匀,并随时盘动转子检查是否盘车过紧。把紧轴承压盖后,要测量转子的轴向和径向的串动量。此时,转子的轴向串动量应为0,径向串动量应小于0.005mm。
平衡活塞通过螺栓(或键)固定在主动转子上吸气侧的一端、在平衡活塞套中随转子一同旋转,承受油压来平衡一部分轴向力,作用是延长止推轴承的使用寿命。平衡活塞及平衡活塞套磨损严重时必须更换。
5)联轴器部件螺杆压缩机的联轴器有橡胶柱销式和挠性(膜片式)联轴器两种。
橡胶柱销式联轴器由两个半联轴节、飞轮、传动芯子以及螺钉等组成。这种联轴器的橡胶传动芯容易磨损,磨损后会导致机器运动不平稳,对转子、轴承、轴封都会产生不良影响。目前逐渐被挠性联轴器取代。
挠性联轴器是由两半联轴节、接筒、传动垫片以及螺钉等组成。这种联轴器的两个半联轴节是经过动平衡试验的,安装时相对位置是固定的。
联轴器是将电动机的动力传递到压缩机主动转子的重要部件。由于螺杆压缩机的转速较高对联轴器的安装精度(同轴度)要求也较高。联轴器安装不当,不但会引起机器运转不平稳、噪声增高,而且对转子、主轴承、止推轴承和轴封会产生异常损伤。
对于新运行的机组,因为油分或机架的应力变化,会使压缩机、电机的同轴度发生改变,应定期检查同轴度,直至机组应力消除方可连续运转。
第三节 螺杆式制冷压缩机组与循环系统
1、螺杆制冷压缩机组
螺杆压缩机工作时要不断向工作腔喷入润滑油,起着润滑、冷却、密封和消声作用,以及润滑主轴承、止推轴承、轴封的润滑油,推动油活塞、平衡活塞的压力油,这些油最后和高压气体混合着排出压缩机。这些油必须分离出来,经过冷却、过滤、加压后循环使用。为防止制冷系统中的杂质随吸气进入压缩机对转子、机体造成磨损,必须设置吸气过滤器。
①吸气过滤器
吸气过滤器主要由壳体和金属过滤网等组成。壳体上安装吸气温度计、压力表和加油阀。加油阀是机组运行时加油的部位。
③油冷却器
油分分离出来的润滑油因为吸收摩擦热及气体的热量而使温度升高(接近排气温度)。润滑油正常使用温度是30~60℃,油温过高粘度降低,会使密封作用减弱,内泄漏增加,降低压缩机的效率,所以润滑油必须经过冷却才能循环使用。油冷却器就是起冷却油的作用。
一般油冷却器采用水冷却方式。油走壳程,水走管程,清洗水路方便。优点是系统简单,油
温可以降低至比较低的温度(根据水温而定);缺点是水侧管路易腐蚀。
工质冷却。油走管程,工质走壳程。优点是油冷不易腐蚀,操作维护简单;节省一套水路系统,适用于水质差或供水困难的场合;油温比较稳定。缺点是油温的最低温度受冷凝温度控制,系统需增加辅助贮液器或氨泵。辅助贮液器出液口与油冷之间至少要有1米以上的高度差。
⑧止回阀
止回阀又称止逆阀或单向阀。因为螺杆压缩机没有例似于活塞压缩机中的吸、排气阀片可以自动隔开高低压气腔,当压缩机突然停机而又没有来得及关闭吸排气截止阀,制冷剂气体就会从高压侧流向低压侧,同时压缩机转子也会在气流的作用下出现倒转现象。螺杆压缩机倒转会产生很多恶劣的影响:转子会产生严重的磨损;低压侧(蒸发器)压力升高,温度上升;压缩机中的润滑油会随气流大量流向低压侧,会使机组油量不足,影响蒸发器换热,或再次开机出现液击现象。
螺杆压缩机在吸气截止阀与机体吸气口之间、油分出口与排气截止阀之间设有吸气单向阀和排气单向阀,用以防止制冷剂气体反方向流动。不能把单向阀做为截止阀使用。吸、排气止
回阀安装时应注意方向,不可倒置。
在机体吸气口和油分之间设还有一个电磁阀(俗称B阀),人为停机时,电磁阀打开,使压缩机吸、排气口压力迅速平衡,减轻压缩机在停机时倒转。
3、带经济器的螺杆制冷循环系统
螺杆压缩机的特点之一是单级压比大,但随着压比增大,压缩机的内泄漏增加,效率降低,耗功大。利用螺杆压缩机的吸气、压缩、排气单向进行的特点,在转子转动到开始压缩的某一位置设置一个中间补气孔,补入中间压力下的制冷剂气体,使单级螺杆按两极压缩运转,相当于准双级,即为带经济器的螺杆压缩机。
带经济器的螺杆制冷循环系统又称为节能系统。如图2-18所示的为带经济器的一级节流循环原理图。
A—压缩机
B—油分离器
C—冷凝器
S—贮液器
J—经济器
E—蒸发器
P—油泵
F—油冷
G1—节流阀1
G2—节流阀2
经济器为壳管式换热器,壳程为低压侧,管程为高压侧。经济器上配带补气过滤器、止回阀、节流阀等配件。当压比发生变化时,要根据中间补气的过热度适当调节节流阀的供液量,防止回液,尤其是采用热力膨胀阀供液的氟利昂系统。
带经济器的螺杆压缩机组常用于蒸发温度为-25~-40℃的制冷系统。与原来的单级压缩机相比,制冷量、制冷效率都有了大幅的提高,同时还节省电能。见图2-19所示,为带经济器的氨螺杆压缩机制冷量、轴功率的增加率跟温度的关系,可见轴功率变化比较平缓,而制冷量随蒸发温度的降低增加率增高,并且压比越大,增加的效果越显著。