制冷压缩机的节能分析

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本文介绍能够促进制冷压缩机CFCs工质替代，并明显提高家用制冷压缩机（冰箱、空调器等）能源效益的新一代制冷压缩机及其研究现状。它采用直线振荡电机驱动活塞式制冷压缩机，通过简单的控制方案可以实现无级能量调节，电效率可高达85%。

一、引言：制冷压缩机工质

根据《蒙特利尔议定书》缔约国第七次会议，发展中国家将于2010年停止使用CFCs工质，而HCFCs也将于2030年全面禁用。为此国内外的冷冻空调制冷压缩机工作者进行了大量的CFCs以及HCFCs工质替代试验研究，但迄今为止尚未找到一种纯工质能在热力性质、毒性、溶油性等方面与CFCs或HCFCs工质相媲美，其中一些较有前途的工质（如R407C，R410A）属于非共沸混合工质，不但价格昂贵，而且必须严格防止泄漏；另外最重要的一点就是工质热力性质等综合性能较CFCs以及HCFCs工质降低，但这一点降低（哪怕1%）也将给广泛使用的标准制冷机配置带来诸多的问题，并消耗无数的电力资源，而要将工质热力性质等综合性能提高哪怕半个百分点也是异常困难和需要大量试验工作的。例如，日本从1996年全面禁止生产CFCs冰箱，一般采用HFC-134a及HCFC-22替代CFC-12，HCFC-141b替代CFC-11。而使用HFC-134a替代CFC-12时，冰箱制冷压缩机工作性能下降5%-10%。

据国外统计，中央空调系统的全年能耗占整个建筑物总能耗的40%至60%，因此空调节能是空调行业永恒的课题；而每家每户每天使用的电冰箱更是CFCs制冷压缩机工质替代首先冲击的目标。如何提高电冰箱、空调器等家用制冷压缩机的能源效益是制冷界最紧迫的课题之一。

众所周知，电冰箱、空调器等家用制冷机由制冷压缩机驱动制冷工质进行热力循环，通过供冷部件向需冷空间输送冷量。因此，要提高家用制冷压缩机的能源效益不仅要改善制冷工质的热力特性及适用性能，还可以通过改善制冷压缩机性能来实现。因为制冷压缩机的性能优劣是制冷机整机性能优劣的决定因素，而制冷压缩机的性能试验在产品开发和质量控制中起着关键性作用。

二、目前使用的制冷压缩机及其研究现状

近年来，为了满足环保和市场的需要，国内电冰箱厂纷纷推出了CFCs制冷压缩机工质替代的电冰箱（俗称无氟冰箱或环保冰箱）；相应地，电冰箱压制冷缩机厂也不断开发出CFCs工质替代的制冷压缩机。

我们知道普遍使用的家用制冷压缩机大多数使用旋转式电动机驱动活塞作往复振荡，必须有一套将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构。通过对这类制冷压缩机的动力学分析（以曲柄连杆机构为例）可见：作用在曲柄连杆机构上的力主要有三种——惯性力、气体力（负载）、摩察力。惯性力又分为活塞往复运动所产生的惯性力、曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产的惯性力；压缩机的摩擦功率包括往复摩擦功率、旋转摩擦功率。其中曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力、连杆运动所产生的惯性力以及旋转摩擦功率项都是因为使用旋转式电动机而直接带来能量损失的项目，而往复摩擦功率的损失则很大程度上是由曲柄造成的活塞所受到的径向力引起的。总之，这种机器总体体积庞大、传动效率低、噪声大、磨损利害、寿命短，因此活塞式制冷压缩机具有很大大的改善潜力。对于家用冰箱的全封闭式制冷压缩机，输入功率只有1/3得到有效利用（电效率约为30%），而在商用制冷压缩机系统设备中，这个比例也仅有1/3至1/2。

建国以来，制冷压缩机工业在生产、国防和科技发展的推动下，从无到有、从小到大，获得了迅速的发展。活塞式制冷压缩机为制冷工业的建设做出了重大的贡献。

长期以来，我国的制冷技术一直落后于西方发达国家。50年代，活塞式制冷压缩机行业从修理转向仿制和组织批量生产。60年代，结合我国国情，制定了我国中小型活塞式制冷压缩机系列标准。到70年代末，除了全封闭式制冷压缩机外，大多数是自行设计制造的系列产品，其品种、数量、质量以及技术水平都有显著提高。80年代我国完成了全封闭式制冷压缩机标准的制定，并研制、生产了一些全封闭式制冷压缩机。目前国内生产电冰箱制冷压缩机的生产线情况是：连杆式引进了下列生产线（引进地）：意大利伊瑞公司（北京）、扎努西公司（天津）、英坦斯特公司（常州）、阿斯培拉公司（嘉兴），美国怀特公司（杭州）、WCI公司（沙市），西班牙CARSA公司（北京），罗马尼亚ARCTIC公司（常熟），澳大利亚科贝公司（重庆）等；滚动活塞式引进了下列生产线：美国惠而浦公司（珠海）、FEDDERS公司（南京）；滑管式引进了下列生产线：丹麦丹福斯A/S公司（四川）、德国AEG公司（上海）。可见，我国制冷压缩机工业落后于发达国家，并成为他们的销售市场。

从世界范围看，活塞式制冷压缩机发展历史悠久，具有丰富的设计、研究、制造和运行经验，至今在各个领域中依然被广泛应用、发展着。同时，制冷压缩机的持续进步还反映在其种类的多样化：离心式、螺杆式、滚动转子式、涡旋式等都在被卓有成效地开发。但是，在中小冷量范围内，仍以活塞式制冷压缩机为主（据统计，在100瓦-7.5千瓦的小型封闭式制冷压缩机中，活塞式占75%）；而且，随着制冷压缩机本身可靠性和耐久性不断提高和制冷压缩机紧凑轻量化的追求，高速活塞式制冷压缩机的发展是很自然的。使用直线电动机驱动的新一代制冷压缩机不存在旋转运动以及将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构，结构紧凑，体积小、效率高、寿命长、可以轻松实现高速驱动。

三、新型节能制冷压缩机

家用制冷压缩机的节能措施有多种：变频制冷压缩机、双转子制冷压缩机、模糊逻辑控制、微孔发泡、节能差压阀等。其中采用变频控制实现节能的方案正在得到广泛应用。由于采用变频制冷压缩机，要解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，高速运转时的轴承负荷问题、摩擦和磨损问题，因此对制冷压缩机的设计和制造提出了更高的要求，控制系统也比较复杂，增加了成本。而直线电机驱动的活塞式制冷压缩机具有优良的控制性能，采用简单的控制环路可以通过调节扫气容积来直接实现能量调节，从而达到节能的目的。