“双碳”目标下螺杆制冷压缩机的技术发展趋势“杭州制冷展”

发布日期:2022-05-12 21:02   来源:未知   阅读:

  我国目前已是世界上最大的制冷设备生产国和消费市场,与此相对应,压缩机等关键部件的技术水平和产品质量也不断得到提高,很多产品的性能达到了国际先进水平。其中,螺杆制冷压缩机是一种重要的制冷设备,具有容量调节方便、工况适应性强、性能可靠等优点,在大中型制冷空调和冷冻冷藏设备中得到了广泛地应用。

  为了应对全球气候变化,我国提出了“2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”这一重大战略目标。制冷行业与国民经济各部门和社会生活各方面紧密相连,在碳中和背景下,将迎来重要的发展机遇,也将面临一系列新的挑战。螺杆制冷压缩机作为制冷系统的核心部件,降低其碳排放量对实现制冷系统降碳、助力我国“双碳”战略目标具有重要意义。

  螺杆制冷压缩机的全生命周期排碳环节主要包括原材料获取、加工制造、产品运输、运行维护和报废回收5个方面。然而螺杆制冷机的服务年限通常超过20年,控制产品在长期运行过程中的碳排放才是重中之重。根据数据统计,运维环节碳排放量在全生命周期中的占比达到了85%以上,因此,螺杆制冷压缩机的节能减排的重点仍需放在产品能效的提高上。本文以螺杆制冷压缩机为研究重点,基于对行业痛点问题的深入研究,提出了一系列螺杆制冷机能效提升技术,并探讨了其低碳化应用场景,以期为“双碳”目标下螺杆制冷机的发展趋势指明方向。

  螺杆制冷压缩机作为蒸气压缩制冷系统中最大的耗能部件,是整条产业链中技术含量高、开发制造难度较大的产品,其品质直接影响到系统的能效,因此,螺杆压缩机的能效提升对于用能系统的绿色转型有重大意义。本文基于对行业现存问题的深入研究,进而提出了包括型线优化、变导程设计、自适应多孔封严涂层的使用、润滑油精细化管理、永磁变频技术、两级压缩级间补气技术和智慧运行技术7种新型能效提升技术,并对其作用原理与优化效果进行了探讨,为未来压缩机的优化设计提供新思路,助力“双碳”目标的如期实现。

  螺杆制冷压缩机最核心的部件是相互啮合的转子,而转子型线是螺杆制冷机的重要构成要素,直接影响了接触线、泄漏三角形、封闭容积与齿间面积等几何特性,也从根本上决定了螺杆制冷机的泄漏特性、热力性能、动力性能和可靠性,因此转子型线的开发是其设计中的核心技术。国内外著名螺杆压缩机生产厂家都是由高效转子型线的开发而成功占领市场。

  已得到了总结,但近些年转子型线的设计方法仍在不断改进。新方法之一是采用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线作为组成齿曲线,以切矢量构建曲率渐变曲线,通过改变节点权重、增加控制点以及移动控制点来灵活的对型线进行优化,实际型线所示;另一新方法是采用基于逆向工程的啮合线法构建型线,通过构造啮合线,直接控制几何特性,基本原理见图2。

  KAUDER K等根据大量试验研究,对润滑油在压缩腔内部的实际作用机理进行了解释。他们认为,润滑油在压缩腔内实际是以薄膜的形式覆盖在压缩腔表面的,理想的油膜厚度将恰好实现对啮合间隙、齿顶间隙等的密封;而当油膜厚度过大时,会出现积油现象(图6),此处的积油将随着转子的旋转而被输送到排气端,从而增大压缩机的实际功耗。BENES G等通过双螺杆压缩机的光学测量,验证了上述理论的可靠性。根据理论,喷入压缩腔内部的油从吸气到排气过程由于密封间隙而均匀消耗,因此当排气结束时油体积接近于零时的油量即为最佳喷油量。

  相比于传统调节方式,变频调节具有调节范围大、结构简单等优势,可以有效提高螺杆制冷压缩机在部分负载下的能效。CHEN W Q等通过建立半封闭螺杆式制冷压缩机的集总参数模型,并结合螺杆式制冷机部分负荷工作过程,对滑阀和变频两种方式调节下压缩机的性能进行了模拟对比,结果表明,螺杆制冷机采用变频调节在功耗、排气量以及绕组定子温度特性上有更好的表现。永磁同步变频电机驱动的双螺杆制冷压缩机的结构示意如图8所示,永磁变频电机在宽转速范围下的高效稳定运转,有效提升了螺杆制冷机全工况范围的运行性能。目前,变频驱动已在中央空调用螺杆制冷压缩机中获得了广泛应用,也正在快速推广应用于各种热泵和冷冻冷藏装备中。特别是通过变频调节容量、通过滑阀调节内容积比的变频变容积比螺杆制冷机,实现了容量和内容积比的相互独立调节,能精准高效地实时匹配制冷系统的运行工况和负荷,特别适合于负荷与工况变化范围要求高的应用场合。

  综合考虑以上两者的优势,匹配大温差工况的单机双级级间补气双螺杆制冷压缩机是低温冷库、冷冻冷藏领域的首选,并逐渐向常规空调领域拓展。对于单机双级机型而言,补气孔口不必开设在压缩腔内,而可以直接在两级的中间腔内进行补气,从而提高补气效率。此外,两级螺杆转子的布置形式的选择也将直接影响压缩机的使用性能。目前国内的布置形式以同轴串联式为主,即高低压级的阳转子通过同一根轴与电机相连,如图9所示。然而这种布置形式最大的问题是低压级排气侧物理空间有限,低压级滑阀设计困难。国外有些压缩机厂商开发了两轴并联式单机双级双螺杆制冷压缩机,该形式有滑阀布置方便、设计紧凑等优势。

  在高温热泵领域,螺杆压缩机与水工质的结合具有诸多优点。首先,水是高温热泵的理想工质,在第4代制冷剂中具有众多优点。水是自然工质,其ODP值为0,GWP值小于1,具有廉价、 无毒和稳定等特质;汽化潜热大,单位质量的制冷量相对较大,采用水作为工质的系统理论COP值较传统的合成工质系统为高。其次,在水蒸气压缩机众多形式当中,双螺杆压缩机是最适宜的形式。其利用压缩过程喷水冷却,能有效降低排气温度、提高压缩机压比;喷入的水能在增加压缩机容积流量的同时,使排气温度饱和,这样可以有效利用水的潜热,能有效提高热泵系统的性能。此外,螺杆压缩机本身具有运行特性稳定和操作方便等优点。因此,螺杆水蒸气压缩机在高温热泵系统中具有较为理想的应用。

  ORC示意图如图12所示,由4个过程和相应的系统部件构成。过程1-2中,介质泵将来自冷凝器的低温低压的液体工质送入蒸发器;过程2-3中,液体工质在蒸发器中吸收余热,定压蒸发为高温高压的工质蒸汽;过程3-4中,工质蒸汽进入螺杆膨胀机做功,输出的机械功通过发电机转化为电能;过程4-1中,低压工质蒸汽进入冷凝器中与冷却水换热,再次成为低温低压的液体工质。

  ORC对膨胀机具有如下要求:1) 效率高,成本低;2) 部分适应带液膨胀;3) 工况范围宽,无喘振等情况;4) 可以重负荷启动;5) 转速与直连发动机匹配,避免使用额外的减速装置。可见螺杆膨胀机非常适合ORC系统。此外螺杆膨胀机初期投资少、维护费用低、可靠性高,很适合能耗较高的企业进行余能回收,从而降低生产成本,因此在ORC系统中具有突出优势。

  在氦制冷的氢液化系统中,氦气的压缩需要用到氦压缩机,螺杆式是氦压缩机可选的形式之一。研究表明,氢液化过程中大部分㶲损来自压缩机,因此螺杆氦压缩机的性能对提升整个氢液化流程的能效水平至关重要。某公司与笔者所在单位共同研制了出了一种氢液化领域新型高效氦气螺杆压缩机,其机组产品外观图如图14所示,经国家能源局组织评定,该项目填补了国内的相关技术空白,达到国际先进水平,氦气压缩机组的容积效率和等温效率等主要技术指标均处于国际领先水平,并被列入了第一批能源领域首台(套)重大技术装备项目名单。

  “双碳”目标对螺杆制冷压缩机提出了更高要求和新的需求,考虑到螺杆制冷压缩机全生命周期碳排放环节中运维环节是碳排放的关键所在,螺杆制冷压缩机的降碳仍需着眼于产品能效水平的提升。可通过采用螺杆制冷压缩机能效提升的新技术予以实现,如采用贝塞尔曲线、NURBS等替代常规曲线以及基于逆向工程的啮合线法拓展转子型线优化空间;设计变导程转子增大螺杆制冷机的排气孔口,实现更低的压缩多方指数与更高的效率;转子喷涂自适应多孔封严涂层以保证最小的安全运行间隙;对润滑油进行精细化管理以降低喷油损失;采用永磁变频技术和单机双级级间补气技术提高全工况能效;应用基于大数据和人工智能的智慧运维技术提升螺杆制冷机运行能效、降低维护成本。

  2022杭州国际空调通风暨制冷及冷链产业展览会(英文缩写:RACC)是国内极具行业影响力的专业展会。本展会是以浙江制冷产业基地为优势,打造中国国际新名片为目的,得到浙江省各级政府大力支持。11月2-4日将于杭州国际博览中心,RACC2022展览会将通过“整合制冷资源,助推产业双循环”办好展会,分为空调通风馆、配件馆、冷链馆以及制冷设备馆。通过更为广泛的全球宣传推广,邀请国内外知名企业参展或参观,体现全球供应,国际采购,充分满足企业对国内外信息、技术、标准、政策、宣传的全方位需求,以“市场化、专业化、国际化”为目标,使展览会成为空调制冷行业供需的国际交流平台。同期将举办超过40场更加专业细分的行业论坛活动。