工商用制冷压缩机的发展与展望

中国３０多年来经济的高速发展，造就了巨大的制冷（热泵）装置需求，比如建筑业发展使得空调使用量急速增长；冷藏链及其物流业发展，加快冷冻冷藏基础建设的速度。２０１５年中国集中空调市场的整体容量约为６６０亿元人民币。但是，制冷（热泵）产品的大量使用消耗了巨大的电力，也形成了巨大的节能减排压力；食品质量和安全是民众更加关心的问题，这就要求更普遍地使用冷藏链设备，而且要求冷藏链设备具备更高的品质。
目前国际上正在普遍采用的无臭氧破坏作用的替代ＣＦＣｓ和ＨＣＦＣｓ的制冷剂ＨＦＣｓ，包括目前常用的Ｒ１３４ａ，Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４０４Ａ 等，均属于《联合国气候变化框架公约》框架下的《京都议定书》所列明的应实施减排的六大类温室气体之一。
２０１６年１０月，《蒙特利尔议定书》第２８次缔约方会议上，国际社会达成了基加利修正案，规定了对ＨＦＣｓ开展逐步削减的时间表。新的修正案将对行业未来的发展带来全面而深刻的影响，将推动制冷剂进行新一轮的替换，即用低温室效应潜能（ＧＷＰ）的制冷剂替换目前广泛使用的高ＧＷＰ制冷剂，如Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ 等。所有这些，再加上产品传统的高质量、低成本要求，造就了目前制冷（热泵）产品在我国大发展的时代、更是大变革的时代的总体表现是产品种类繁多、技术日新月异，很多资深的专业人士都感到茫然、眼花缭乱，更别说非专业人士和广大用户了。
作为制冷（热泵）系统或机组的核心部件，压缩机决定其性能和成本，是一种设计和制造水平要求极高的产品，既是制冷技术水平的综合体现，也是制造水平的综合反映。另外，压缩机必须适应制冷（热泵）技术和产品的发展和变革，这也造就了压缩机在我国市场上不仅品种多，而且新产品、新技术、新工艺不断涌现。这里，笔者依据主要压缩机生产厂商的技术资料，对目前我国市场上销售的工商用制冷压缩机产品进行梳理，分类介绍它们的性能特点、主要参数、运行范围和技术特征，以期能对我国工商用制冷压缩机市场有一个概貌性介绍。

图１　工商用制冷剂压缩机制冷量分布
目前我国市场上常见的工商用制冷压缩机的制冷量范围如图１所示，活塞式压缩机和涡旋式压缩机（包括全封闭和半封闭式）的制冷量普遍在３００ｋＷ 以下，开启式活塞式压缩机和螺杆式压缩机的制冷量范围分布在２０００ｋＷ 以下，离心式压缩机的制冷量可以达到９０００ｋＷ。
工商用制冷压缩机的排气量如图２所示，半封闭活塞式压缩机、开启式活塞式压缩机、全封闭螺杆式压缩机和涡旋式压缩机的排气量都在４００ｍ３／ｈ以下，半封闭螺杆式压缩机的排气量在２０００ｍ３／ｈ以下，开启式螺杆式压缩机的排气量可达８９４３ｍ３／ｈ。

图２　工商用制冷压缩机排气量分布
１、活塞式压缩机
１．１　冷藏链用（中低温用途）
半封闭活塞式压缩机是冷冻冷藏领域中小型制冷装置采用的主要机型，如图３所示。从适用的蒸发温度看，半封闭活塞式压缩机有中高温、中温和低温工况机型；从适用的冷凝温度看，有低冷凝压力（水冷）和高冷凝压力（风冷）机型。半封闭活塞式压缩机的冷却方式主要有２种，分别是吸气冷却和空气冷却。该类型压缩机的蒸发温度能够达到－５０℃，适用的制冷剂为Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ，Ｒ５０７Ａ，Ｒ１３４ａ和Ｒ４０７Ｃ，常用机型的名义功率为０．５～７０ｈｐ（１　ｈｐ＝０．７３５　ｋＷ），制冷量范围约为０．３１～
８２．８　ｋＷ。

图３　半封闭活塞式压缩机
单机双级半封闭活塞式压缩机如图４所示，其部分汽缸作为高压级缸，其余汽缸作为低压级缸，常见的高、低压缸数比为１：２或１：３。该类压缩机适合低温用途，适用的制冷剂为Ｒ２２和Ｒ４０４Ａ，常用机型的名义功率为１５～３０　ｈｐ，制冷量范围约为１５～４０　ｋＷ，排气量范围为２８～１０１．２　ｍ３／ｈ。此类压缩机应用于较低的蒸发温度场合，可用Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ和Ｒ５０７Ａ制冷剂，其显著优势就是采用板式换热器进行液体过冷处理，提高了制冷量与系统的总能效，允许最低蒸发温度达到－６０℃。

图４　单机双级半封闭活塞式压缩机
低温用途的ＣＯ２半封闭活塞式压缩机主要用于亚临界循环，亚临界循环的ＣＯ２压缩机冷凝温度范围为－２０～１０ ℃，蒸发温度范围为－２５～－５０℃，电机功率范围为０．５～３０　ｈｐ。图５所示为此类压缩机的运行工况范围，其主要用于复叠制冷系统的低温级。

图５　亚临界循环的ＣＯ２半封闭活塞式压缩机运行界限
开启式活塞式压缩机具有转速高、多汽缸、节能高效、排气温度低、适用温度范围宽、安装维修方便等特点，目前在中大型冷藏库中仍有广泛使用。该类压缩机设有顶开吸气阀片的调节机构，可以使部分或者全部汽缸处于卸载状态，从而实现分级能量调节。例如，对于６缸机型，可实现“三级”能量调节（３３％，６６％和１００％）；对于４缸和８缸机型可实现“四级”能量调节（２５％，５０％，７５％和１００％）。１２５缸径系列分别有２，４，６和８缸机型，适用工质为Ｒ７１７和Ｒ２２，配用电机功率为２２～１１５　ｋＷ，制冷量范围约为６１～２６４　ｋＷ。１７０缸径系列分别有４，６和８缸机型，适用工质为Ｒ７１７，配用电机功率范围为９０～２５０　ｋＷ，制冷量范围为
２５５～１　１１６　ｋＷ。６缸和８缸机型有单机双级压缩机，其中的２个汽缸作为高压级缸，其余汽缸作为低压级缸，蒸发温度可以低至－４５℃。图６所示为开启式Ｒ７１７活塞式压缩机。

图６　开启式Ｒ７１７活塞式压缩机
１．２　空调用（中高温用途）
常见空调用半封闭活塞式压缩机，单台输入功率范围为１０～１９０ｈｐ，３～８台并联后用于制冷量范围为８６～３５００ｋＷ 的冷水机组。
中高温用途的ＣＯ２半封闭活塞式压缩机主要用于跨临界循环，高压侧最大压力为１４０ｂａｒ，低压侧最大压力为８０ｂａｒ。图７所示为跨临界循环ＣＯ２半封闭活塞式压缩机的运行界限。
空调用全封闭活塞式压缩机的排气量范围为５．２６～９４．５ｍ３／ｈ，输入功率范围为１．３９～２６．７９ｋＷ。

图７　跨临界循环ＣＯ２半封闭活塞式压缩机的运行界限
２、螺杆式压缩机
２．１　冷藏链用（中低温用途）
螺杆式压缩机主要应用于大中型的冷藏冻结装置，如速冻设备、预冷设备、制冰机和冷藏库等。最常见的型式是低温用途的半封闭螺杆式压缩机，适用制冷剂为Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ 和Ｒ５０７Ａ等，常用机型的排量范围为１００～４２０　ｍ３／ｈ。此类压缩机的能量调节方法有：旁通调节和滑阀调节。
滑阀调节方法通过油压系统和滑阀实现，可实现“三级”能量调节（３３％，６６％和１００％）、“四级”能量调节（２５％，５０％，７５％和１００％）或“无级”能量调节（２５％～１００％连续）；旁通调节方法通过旁通系统实现，可实现“三级”能量调节。通常情况下，压缩机的内容积比（即压缩比）是固定的，例如：内容积比为４．４，比较适合应用于低蒸发温度工况（蒸发温度最低可至－５０℃）；内容积比为２．６，比较适合应用于中、高蒸发温度工况。有的机型内置容积比调节装置，压缩机运行时可根据工况实时调整内容积比。部分机型可选配补气口（即经济器口），构成制冷系统时可实现经济器流程，进一步提高制冷性能和能效比，特别是对于中、高压缩比的场合尤其适合。单机系统自带高效多段式油分离器，分离效果好且压降低。图８所示为低温用途的半封闭螺杆式压缩机。多台压缩机可以并联成机组使用，每个并联系统可以连接多至６台压缩机。

图８　低温用途的半封闭螺杆式压缩机

图９　开启式螺杆式压缩机
随着国际上已达成全面禁用氟氯烃（ＣＦＣ）类、逐渐限制使用氢氟氯烃（ＨＣＦＣ）类制冷剂的共识，氨作为自然工质，在大型制冰系统、建筑领域、医疗制药等制冷工程有着广泛的应用。为此，主要生产商专门开发了开启式螺杆式压缩机系列产品，以满足广大客户的需要，如图９所示。目前常用机型的排气量范围为１９０～１　５００　ｍ３／ｈ。压缩机的内容积比有固定和可调２种类型，通常情况下，固定式的内容积比为２．２，２．６和３．０等；可调式内容积比范围为２．６～５．１。为了达到更低温度、更高效率的目的，近年来有生产企业推出了单机双级螺杆式压缩机，图１０所示为一台螺杆式压缩机实现二级压缩。图１１所示为单机双级螺杆式压缩机以氨为工质时的运行界限。该压缩机有开启式和半封闭式２种型式，对于开启式机型，氨、氢氟烃（ＨＦＣ）类制冷剂均可使用，对于半封闭式机型，只可使用氢氟烃（ＨＦＣ）类制冷剂，如Ｒ４０４Ａ和Ｒ５０７Ａ等。目前常用机型的排气量范围为５００～５　０００　ｍ３／ｈ，吸气压力对应的制冷剂饱和温度范围为－６５～－１０℃，排气温度范围为４５～１００℃，设计压力为２．８　ＭＰａ，可以实现
１０％～１００％的连续无级能量调节。通常采用高效分子筛三级油分离系统，分油效率达到９９．７％。

图１０　开启式单机双级螺杆式压缩机

图１１　单机双级螺杆式压缩机的运行界限（ＮＨ３）
２．２　空调用（中高温用途）
工商空调用螺杆式压缩机主要是半封闭型式，使用的工质为Ｒ２２，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ１３４ａ等。电源有：２相，２３０Ｖ，５０Ｈｚ和３相，４００Ｖ，５０Ｈｚ。容量调节方式主要采用滑阀调节方式，可选择四级或无级调节；也可采用旁通调节方式，为三级冷量调节或二级冷量调节。自带ＥＣＯ（经济器）接口，可直接连接经济器进一步提高能效比。可连接液喷、外置油冷却器，使压缩机在高排气温度时应用范围更大。可选择不同内容积比，并可增加内置内容积比调节装置，使压缩机具备运行时内容积比切换的功能。图１２所示为中温用途的半封闭螺杆式压缩机。

图１２　中温用途的半封闭螺杆式压缩机
立式全封闭螺杆式压缩机采用耐高温电机，保证压缩机长期无故障运行。该压缩机用于空气源热泵机组，空调工况制冷量范围为２４６～１７８０ｋＷ，制热量范围为２８５～２０２４ｋＷ。
螺杆式压缩机的容量调节一般采用滑阀进行调节。变频螺杆式压缩机采用变转速进行容量控制。例如，有厂家开发了Ｒ１３４ａ专用变频螺杆式制冷压缩机，内置变频器，体积小、结构紧凑、安装简易，变频调节范围为３０～７０Ｈｚ（推荐范围），在应用范围内的任意工况下效率均实现最优化，功率因数高于０．９。
３、涡旋式压缩机
与活塞压缩技术相比，涡旋技术具有与生俱来的优势。涡旋式压缩机内配有独立的涡旋腔，因此可以省去吸气阀。与往复式压缩机的脉冲压缩方式相比，涡旋式压缩机的连续压缩方式可省去吸气与排气消声器。由于避免了压力在阀门与消声器上的损失，压缩机的效率更高。
３．１　冷藏链用（中低温用途）
低温涡旋式压缩机（如图１３所示）适用于最低可达－４０℃的低温制冷领域，其运行工况范围见图１４，主要用于超市用陈列柜。该系列压缩机带有补气口，构成经济器流程，经济器采用板式换热器。该类压缩机适用工质为Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ 和Ｒ４０７Ｃ，工作容积范围为１１５～２０５ｃｍ３，制冷量范围为６～２２ｋＷ。
ＣＯ２亚临界涡旋式压缩机，制冷量范围为７～２３ｋＷ，采用数码调节方式，可实现１０％～１００％容量范围内的无级调节。

图１３　低温涡旋式压缩机

图１４　低温涡旋式压缩机运行工况范围
３．２　空调用（中高温用途）
涡旋式压缩机早期主要应用于单元式空调机。对于商用空调，早期使用涡旋式压缩机的产品为空气源热泵冷（热）水机、屋顶式空调机，压缩机的输入功率范围为７～１５　ｈｐ，工作容积９０～１８２ｃｍ３，能效比高达３．３，适用的制冷工质为Ｒ４１０Ａ，Ｒ２２和Ｒ４０７Ｃ。图１５所示为中高温用途的全封闭涡旋式压缩机。

图１５　中高温用途的全封闭涡旋式压缩机
随着技术的进步，涡旋式压缩机进一步大型化，目前市场供应的大型商用空调涡旋式压缩机的名义功率范围为２０～４０ｈｐ，能效比范围为３．２５～３．４９，适用的制冷剂为Ｒ２２，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ，主要用于冷水（热泵）机组，以及大型空气源热泵机组和屋顶式空调机等。而某公司的Ｒ４１０Ａ 机型，名义功率为６０　ｈｐ，制冷量高达１８３ｋＷ，能效比为３．１９，噪声为８８ｄＢ（Ａ）。该类压缩机系列均有补气口（ＥＶＩ孔）选配。带补气口的涡旋式压缩机可以构成经济器流程，运行工况范围显著扩大，能够改进其在寒冷气候区的制热性能和炎热气候区的制冷性能，能效比也有所改善。
多台压缩机可以并联使用，如图１６所示，以扩大应用的容量范围。应用２０～４０　ｈｐ商用涡旋式压缩机，最多并联压缩机数量为６台，推荐系统配置方式见表１。采用机械能量调节方式的数码涡旋式压缩机（如图１７所示）可实现１０％～１００％的容量调整范围，实现０．５℃的精确温度控制。

表１　多台压缩机并联使用推荐系统配置方

图１６　大型商用并联涡旋式压缩机组

图１７　数码涡旋式压缩机
半封闭涡旋式压缩机（如图１８所示）适用工质为Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０Ａ 和Ｒ５０７Ａ，排气量范围为３８．５～７２．３　ｍ３／ｈ，制冷量范围（Ｒ２２）为２６．５～７６．９　ｋＷ。

图１８　半封闭涡旋式压缩机

图１９　Ｄ公司ＴＴ系列离心式压缩机
４、离心式压缩机
目前市场上很难见到中低温用途离心式压缩机。中高温用途离心式压缩机多应用于１０００～４５００ｋＷ 制冷量范围的中、大型制冷系统。
磁悬浮轴承是一种利用磁场使转子悬浮起来，从而在旋转时不会产生机械接触及机械摩擦，不再需要机械轴承以及机械轴承所必需的润滑系统。因此，近年来企业推出了使用磁悬浮轴承的离心式压缩机产品。
图１９所示为Ｄ公司生产的ＴＴ 系列离心式压缩机。该系列压缩机配备径向和轴向磁轴承使得轴实现悬浮，从而避免金属之间的接触，并因此避免摩擦及润滑要求。该系列压缩机采用Ｒ１３４ａ制冷剂，最高压比达到５．２，最大转速为４００００ｒ／ｍｉｎ，制冷量范围为２１０～７００ｋＷ。
Ｇ公司ＣＣ系列磁悬浮变频离心式冷水机组采用永磁同步电机、双级压缩等多项先进技术，机组满负荷性能系数（ＣＯＰ）可达７．１９，部分负荷综合能效系数（ＩＰＬＶ）达１２．０６。
Ｔ公司开发的三级压缩冷水机组将三级压缩、直接传动和二级经济器等先进的节能技术集于一体，效率高、振动小、噪声低、制冷剂泄漏量少，调节能力和工况适应能力很强，很早就应用于蓄冰工况和热泵工况。制冷量范围为２２８５～８７９０ｋＷ，输入功率范围为３５３～１２５９ｋＷ。
５、主要技术特征和趋势
通过以上介绍可以看出：压缩机厂家都在通过新技术、新工艺的应用不断改进、完善压缩机的性能，使之性能进一步提高、成本进一步降低；其次，细化产品系列和型号，更好满足不同用户的需求；其三，重视产品额定工况能效比提高的同时，更加注重改善压缩机的全工况性能和能效水平，以及适合环保的法规。
从整体上看，我国市场销售的压缩机产品的技术特征和变化趋势还是比较显著的，具体归纳如下：
１）型式多样化
活塞式、螺杆式、涡旋式和离心式等主要压缩机型式，在冷藏链、商用空调、工业制冷等应用领域均有相应的压缩机产品。在型式趋于多样化的同时，各种工商用制冷压缩机的容量和运行范围得到不断扩大，使其传统领地出现了交错重叠。例如，在商用空调领域，涡旋式压缩机的大型化和螺杆式压缩机在名义功率３０～６０　ｈｐ范围出现重叠，离心式压缩机的小型化又和螺杆式压缩机在名义功率１００～３００ｈｐ范围出现重叠；冷冻用途的低温涡旋式压缩机与传统的中小型半封闭活塞式压缩机产生了竞争。
２）领地垄断化（专门化）
尽管压缩机型式多样，应用范围出现了重叠，但是在某些特定应用场合，主导机种的垄断性在加强。例如，涡旋式压缩机在６～３０ｈｐ（压缩机电机功率）商用空调压缩机这一领地独占优势，全封闭活塞式压缩机用量持续减少；３０ｈｐ以下的冷冻压缩机，以及新出现的ＣＯ２亚临界循环压缩机，基本上是半封闭活塞式压缩机的天下，涡旋式压缩机和螺杆式压缩机对其无法构成实质性的竞争；３００ｈｐ以上的冷水机组中，离心式压缩机也无竞争对手。
３）工质自然化
只有自然工质能够很好地满足零ＯＤＰ和低ＧＷＰ的要求，尽管它们物性存在这样或者那样的不足，但自然工质压缩机的应用一直在持续增长。Ｒ７１７压缩机，除了在大型冷库使用外，目前在复叠制冷系统和热泵热水机组得到一定的应用；ＣＯ２压缩机在复叠制冷系统和热泵机组的应用持续增加；另外，Ｒ２９０压缩机和Ｒ７１８压缩机在热泵机组和空调机组中得到应用，目前研究人员还在致力于Ｒ７２９制冷技术民用化。
４）调节连续化
顶开吸气阀等传统的压缩机能量调节方式，一般都是“三级”或“四级”的阶梯式调节，这种调节方式无论是控温精度还是能效水平都不理想。近年来，压缩机逐步采用连续性的调节方式，如螺杆式压缩机滑阀和数码涡旋式压缩机都能实现１０％～１００％范围内能量的连续调节。更值得说明的是，连续调节特性更优的变频驱动调节，目前所有机种均有变频的机型，压缩机采用变频驱动的趋势非常明显。
５）工况扩大化
各种压缩机都在持续地扩大其运行工况，使单个压缩机构成的制冷（热泵）系统能够在更高的冷凝温度或更低的蒸发温度下工作，以达到传统双级压缩或复叠系统才能达到的温度范围。最明显的例证是，采用单机双级螺杆式压缩机的系统可以达到－６０℃的蒸发温度；强化补气的涡旋式压缩机和螺杆式压缩机，可以使系统能够在－２０℃低温环境中具备良好的制热性能。
６）功能热泵化
近年来，随着空气源热泵热水器在我国市场走俏，各大生产商争相研发和生产以制热功能为主的热泵压缩机，产量一直持续增长。随着北方清洁空气行动的加快，以及长江中下游等南方地区采暖呼声越来越高，替代北方冬季传统燃煤采暖的热泵机组和适合南方采暖需求的热泵机组的市场容量将会急速增长，这都将进一步扩大热泵压缩机的品种和产量。
尽管上述变化特征十分明显，但与上世纪后３０年以活塞式压缩机、涡旋式压缩机大规模应用为代表的压缩机旋转化趋势相比，都是改良而非革命性的变革。随着出台的节能减排和环境保护法规越来越严格，压缩机变革的呼声越来越高，变革的力量正在聚集。压缩机的变革如何破局，笔者认为，一方面是机构上的突破；另一方面是压缩原理上的突破。相信通过压缩机同行们的不懈努力，将持续推动压缩机技术和产品的快速进步。 


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