近年来,随着节能环保政策的推动和市场需求的提升,中小型热泵压缩机技术不断进步,品类日益丰富。本文将系统梳理压缩机的分类及应用场景,重点对比分析往复式、涡旋式和旋转式三类压缩机的结构特点和发展现状,以期为业内人士提供参考。
近年来,随着节能环保政策的推动和市场需求的提升,中小型热泵压缩机技术不断进步,品类日益丰富。本文将系统梳理压缩机的分类及应用场景,重点对比分析往复式、涡旋式和旋转式三类压缩机的结构特点和发展现状,以期为业内人士提供参考。
容积式压缩机靠气体容积的周期性变化实现吸气、压缩和排气,包括往复式、旋转式和涡旋式等;速度式压缩机则利用高速气流动能转化为压力能,如离心式和轴流式压缩机[1]。
不同类型压缩机因其结构和性能特点,在不同领域和工况下具有独特优势[2]:
(1)活塞式压缩机结构简单、价格低廉,广泛用于家用冰箱、空调器和除湿机等。
(2)涡旋压缩机体积小、噪声低、效率高,适用于变工况热泵空调和热水器。
(3)转子压缩机启动转矩小、可实现变频调速,主要应用于移动空调和车载冷藏。
(4)螺杆压缩机排气量大、压比高,多用于大型工商业冷冻冷藏和工艺冷却。
(5)离心压缩机结构紧凑、转速高,适合大型中央空调和工业制冷系统。
图 不同型式压缩机制冷量分布
1、往复式压缩机
往复式压缩机主要包括活塞式和隔膜式两种。其中,全封闭活塞式压缩机应用最为广泛,由电动机、曲轴连杆机构和气缸组成。电机驱动曲轴旋转,带动活塞在气缸内往复运动,完成吸气、压缩和排气过程。活塞式压缩机的工作容积为活塞面积与行程的乘积,通过增大缸径或行程可提高排气量[3]。
活塞式压缩机的优点是结构简单、制造工艺成熟、适用范围广。但其缺点也较为明显,如零部件多、噪声大、泄漏严重、效率低。此外,全封闭结构导致散热困难,长期高温运行易引起压缩机烧毁[4]。
涡旋式压缩机由固定涡旋和旋转涡旋组成,两个涡旋盘啮合形成一系列新月形压缩腔。旋转涡旋绕固定涡旋公转,使压缩腔容积不断缩小,气体压力逐渐升高,最后从中心排出。涡旋压缩机的工作容积等于压缩腔截面积与涡旋高度的乘积[5]。
与活塞式压缩机相比,涡旋压缩机具有以下优势:体积小、重量轻、振动小、噪音低、无阀片和气阀、泄漏损失小、容积效率高、寿命长。但涡旋压缩机也存在加工精度要求高、装配困难、成本高等问题[6]。
3、旋转式压缩机
旋转式压缩机分为滚动活塞式和转子式。滚动活塞压缩机由气缸、活塞和滚子组成,活塞绕偏心轴转动,滚子在气缸内壁的挤压下往复运动,完成压缩过程。转子压缩机由定子和转子组成,转子在定子内偏心转动,叶片在离心力作用下伸出,与定子内壁形成封闭的压缩腔。滚动活塞和转子压缩机的工作容积分别由活塞后腔容积和转子容积决定[7]。
相比往复式压缩机,旋转式压缩机具有结构简单、体积小、重量轻、振动噪声小、惯性力平衡等优点,但也存在排气量小、泄漏大、异物磨损等缺陷[8]。
1、活塞式压缩机
活塞式压缩机是应用历史最悠久、市场规模最大的机型。全封闭活塞式压缩机主要用于家用冰箱和房间空调器,其产销量占全球压缩机总量的50%以上。但随着能效标准的提高和消费需求的升级,活塞式压缩机正逐步被节能、环保的新型压缩机所替代。
近年来,变频调速技术在活塞式压缩机上得到推广应用,通过改变电机转速实现连续调节制冷量,大幅提升压缩机的部分负荷性能。同时,气阀优化、泄漏控制、摩擦降低、噪声消减等关键技术不断进步,使活塞式压缩机的性能接近极限[9]。
图 2016—2020年全封闭活塞压缩机国内销量
图 2016—2020年滚动活塞压缩机国内销量
2、涡旋式压缩机
涡旋式压缩机自20世纪80年代商业化以来,以其独特的性能优势,在变频空调和热泵热水器市场占据主导地位。近十年,全球涡旋压缩机产量年均增长15%以上,预计到2025年将超过1亿台[10]。国内外主流厂商不断加大涡旋技术研发投入,涡旋压缩机的效率、可靠性持续提升。
涡旋压缩机的技术进展主要体现在以下几个方面:非对称涡旋型线设计、背压腔结构优化、中间压力注油控制、同轴双级压缩、无油涡旋压缩机等。其中,双级压缩技术通过串联两个压缩单元,可使压比提高1倍,在热泵采暖等高温工况下优势明显[11]。
图 2016—2020年涡旋压缩机（冷冻冷藏）国内销量
3、旋转式压缩机
旋转式压缩机因其轻量化、小型化、变频化的特点,在新兴领域得到快速发展。滚动活塞压缩机广泛应用于车载和便携式空调,在新能源汽车热管理系统中也有广阔前景。转子压缩机则主要用于家用和商用除湿机,市场需求稳步提升。
近年来,旋转式压缩机的技术创新主要集中在提高容积效率、减小泄漏损失和优化润滑特性等方面。在滚动活塞压缩机中,采用双向排气结构、优化活塞和气缸型线、改进润滑油分配等措施,显著提高了压缩机效率[12]。在转子压缩机中,通过增加转子叶片数量、改进定子型面、采用变叶片转子等新技术,有效降低了泄漏损失[13]。
综上所述,活塞式、涡旋式和旋转式是中小型热泵压缩机的三种主流机型,各有其独特的优势和应用领域。在节能环保、智能化的大趋势下,三类压缩机都朝着高效率、小型化、变频化的方向发展。 未来,压缩机的研发重点将集中在提高部分负荷效率、扩大工况适应性、优化润滑特性、降低噪声振动等方面。同时,压缩机与系统的匹配优化、新型制冷剂替代、智能控制策略等也是亟需突破的关键技术。
随着物联网、大数据、人工智能等现代信息技术的发展,压缩机行业必将迎来智能制造的新时代。设计开发、生产制造、运行监控、故障诊断等环节将实现全面数字化和网络化,压缩机的性能和质量将得到持续优化。"互联网+"背景下,基于大数据分析的远程运维、预测性维护等增值服务,也将成为压缩机企业的新型业务增长点。
中小型热泵压缩机是一个多学科交叉、技术密集的领域,涉及机械、材料、电气、控制、热力、声学等多个学科。产、学、研、用各界应加强合作,协同攻关,推动压缩机技术的创新发展。同时,还要重视基础研究,加强产业化应用,完善标准规范体系,营造良好的市场环境,为我国压缩机行业的自主创新和跨越发展提供有力支撑。
