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1、重庆大学 动力工程学院,第七章 离心式制冷压缩机Centrifugal compressor,College of Power Engineering,Chongqing University,主要内容,一、概述二、离心式压缩机的基本理论三、叶轮四、固定元件五、相似理论及其在离心式制冷机中的应用六、离心式制冷机特性曲线与运行调节,College of Power Engineering,Chongqing University,第一节 概 述,College of Power Engineering,Chongqing University,1.离心式制冷压缩机原理,离心式制冷压缩机属于速度型
2、压缩机，是一种叶轮旋转式的机械。靠高速旋转的叶轮对气体做功，以提高气体的压力。,离心式制冷压缩机的-吸气量为0.0315 m3/s，转速为180090000 r/min，吸气温度通常在10 100，吸气压力为14700 kPa，排气压力小于2 MPa，压力比在230之间，几乎所有制冷剂都可采用。,College of Power Engineering,Chongqing University,离心式压缩机的工作原理,由转子与定子等部分组成：当带叶片的转子(叶轮即工作轮)转动时，叶片带动气体转动，把功传递给气体，使气体获得动能；定子部分包括扩压器、弯道、回流器、蜗室等，作用是改变气流运动方向及
3、把速度能转变为压力能；气体在高速旋转的叶轮中获得高速度后，再在环行通道(即扩压器和蜗室)将速度动能变为压力位能，从而提高气体的压力。,制冷剂蒸气由轴向吸入，沿半径方向甩出，故称离心式压缩机。,A.单级离心式压缩机,College of Power Engineering,Chongqing University,离心式压缩机的工作原理,B.多级离心式压缩机,空气调节系统中，由于蒸发温度(压力)较高，压缩比较小，一般采用单级压缩；当蒸发温度较低，压缩比较大时采用多级压缩。压缩机由数个叶轮组成，每个叶轮与相配合的固定元件组成一个“级”，蒸气压力逐级增加。级数越多、转速越高，所产生的能量头越大。“级
4、”是组成离心式压缩机的基础。中间级有叶轮、扩压器、弯道、回流器、级间密封等。末级由叶轮、扩压器和蜗壳组成。,离心式制冷压缩机的“级”,气体每经过一级叶轮和扩压器所能升高的压力有限，当压力比大时，需采用多级压缩。,College of Power Engineering,Chongqing University,离心式压缩机的工作原理,对于多级离心式制冷压缩机，则利用弯道和回流器再将气体引入下一级叶轮进行压缩。,B.多级离心式压缩机,College of Power Engineering,Chongqing University,压缩机工作时，第一级吸入和压缩过程与单级压缩相同。气体出叶轮后进
5、入流道截面逐渐扩大的扩压器，速度减小，速度能转变为压力能，使气体压力进一步提高；在多级压缩机中，为把气体引入下一级继续增压，在扩压器后面设置了弯道和回流器。回流器中一般装有导流叶片，使气体均匀地沿轴向进入下一级工作轮；,多级离心式压缩机的工作过程,对单级或多级的末级，不存在把气体引入下一级的问题，故扩压器后面不再是弯道和回流器，而是将气体直接排入蜗壳，由于蜗壳外径和流通截面逐渐扩大，使气流进一步减速和扩压，最后从蜗壳出来的气体排至冷凝器。,College of Power Engineering,Chongqing University,2.压缩原理（与容积型比较）,增加单位容积内气体分子数目
6、，使分子间距离缩短：容积型压缩机：减少气体分子所占封闭空间的容积，使气体在气缸内随着容积减小直接受到压缩；速度型压缩机：利用惯性方法，通过气流的不断加速、减速，因惯性彼此挤压，使分子间距离缩短。,College of Power Engineering,Chongqing University,无往复运动部件，动平衡特性好，振动小，基础要求简单；无进排气阀、活塞、气缸等磨损部件，故障少、工作可靠、寿命长；机组单位制冷量的重量、体积及安装面积小；机组的运行自动化程度高，制冷量调节范围广，可连续无级调节，经济方便；在多级压缩机中容易实现一机多种蒸发温度；润滑油与制冷剂基本不接触，从而提高了冷凝器及
7、蒸发器的传热性能；大型离心式制冷压缩机可由蒸气或燃气动力机直接带动，能源使用经济、合理；,3.离心式制冷压缩机的特点,3.离心式制冷压缩机的特点,单机容量不能太小，否则会使气流流道太窄，影响流动效率；因依靠速度能转化成压力能，速度又受到材料强度等因素的限制，故压缩机的一级压力比不大，在压力比较高时，需采用多级压缩；工作转速较高，需通过增速齿轮来驱动；当冷凝压力太高或制冷负荷太低时，机器会发生喘振而不能正常工作；制冷量较小时，效率较低；在蒸发温度不太低和冷量需求量很大时，选用离心式制冷压缩机是比较适宜的。,College of Power Engineering,Chongqing Univer
8、sity,College of Power Engineering,Chongqing University,4.离心式制冷压缩机的分类,开启式：压缩机与原动机分开(增速齿轮可以与压缩机装在同一机壳内，也可以单独装在机外)，压缩机轴外伸端装有机械密封，以防止制冷剂外泄或空气漏入；封闭式（半封闭、全封闭式）：将压缩机、增速齿轮、原动机用一个壳体连成一体，轴端不需要机械密封。氟利昂离心式制冷压缩机为了减少制冷剂泄漏，大多采用封闭式结构。,College of Power Engineering,Chongqing University,5.典型离心式压缩机结构,空调用半封闭式离心式制冷压缩机,Co
9、llege of Power Engineering,Chongqing University,5.典型离心式压缩机结构,College of Power Engineering,Chongqing University,Two-stage centrifugal compressor.1-Second-stage variable inlet guide vane.2-First-stage impeller.3-Second-stage impeller.4-Water-cooled motor.5-Base,oil tank,and lubricating oil pump assemb
10、ly.6-First-stage guide vanes and capacity control.7-Labyrinth seal.8-Cross-over connection.9-Guide vane actuator.10-Volute casing.11-Pressure-lubricated sleeve bearing.,5.典型离心式压缩机结构,College of Power Engineering,Chongqing University,5.典型离心式压缩机结构,1缸2段7级,College of Power Engineering,Chongqing Universit
11、y,5.典型离心式压缩机结构,College of Power Engineering,Chongqing University,第三节 叶 轮,College of Power Engineering,Chongqing University,叶轮(工作轮),闭式、半开式和开式三种。叶轮随主轴高速旋转后，气体受旋转离心力和流道中扩压流动的作用，使其压力和速度在离开叶轮时都得到提高 叶轮是压缩机中对气体作功的唯一部件，其材料需具有足够的强度，氟利昂离心式压缩机的叶轮一般采用高强度铝合金精密铸造而成。为减少振动，叶轮和轴必须经过动平衡试验，以达到规定的动平衡要求。,College of Powe
12、r Engineering,Chongqing University,叶轮(工作轮),闭式由轮盖、叶片和轮盘焊接或整体铸造而成，空调用制冷压缩机大都采用闭式；有轮盖时，可减少内漏气损失，提高效率，但轮盖应力较大，限制了圆周速度提高。半开式叶轮仅有叶片和轮盘，用于单级压力较大场合；,College of Power Engineering,Chongqing University,第四节 固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,固定元件,吸气室 使气体在进入叶轮之前形成负压，以便将气体均匀地引入叶轮，以减少进口损失（气流扰动和
13、分离损失）。空调用压缩机在叶轮之前装有进口导叶，若改变其角度即可改变进入叶轮流量的大小，达到调节制冷量的目的。,作用:将从蒸发器或级间冷却器来的气体，均匀地引导至叶轮的进口；为减少气流的扰动和分离损失，吸气室沿气体流动方向的截面一般做成渐缩形。,College of Power Engineering,Chongqing University,扩压器 分无叶和有叶两种。其作用是将叶轮出口的高速气体的速度能转化为压力能。无叶扩压器：由两侧隔板组成的环行通道，随着径向距离的增大，截面通道面积也随之增加，使从叶轮出口出来的高速气体速度逐渐减慢，压力得到提高。有叶扩压器：在流道中装有叶片，在同样直径下
14、流道面积增加更多，故气流速度减小更快，压力增加更多。,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,可变无叶扩压器调节结构 当导叶转动时，装在导叶轴上的凸轮跟着旋转，并改变隔板在轴方向的位置。从而改变扩压器的宽度，达到提高运行效率的目的。,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,进口导流叶片（杠杆式）导流叶片可用来调节制冷量，当导流叶片旋转时，改变了进入叶轮的气流流动方向和气体流量的大小。,固定元件,College of Power Engineering,Ch
15、ongqing University,弯道和回流器 用于多级离心式压缩机，把由扩压器流出的气体导至下一级叶轮。气体在弯道和回流器的流动，可认为压力和速度不变，仅改变气体流动方向；它们实际上起的作用是整流。弯道：将扩压器出口的气流引导至回流器进口，使气流方向从离开轴心变为向轴心方向；回流器：把气流均匀导向下一级叶轮进口，其流道中设有导向叶片，使气体按叶片弯曲方向流动，沿轴向进入下一级工作轮。,下一级,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,蜗壳 把从扩压器或叶轮后的气体汇集起来并引向机外。蜗室的通道面积（外径和流通截面）逐渐扩
16、大，其出口接一段扩压管，对气体起到降速扩压作用。,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,密封,迷宫密封目前是离心压缩机用得较为普遍的密封装置，用于压缩机的外密封和内密封。,迷宫密封的气体流动，当气体流过梳齿形迷宫密封片的间隙时，气体经历了一个膨胀过程，压力从P1降至右端的P2。气流经过随后的每一个密封片和空腔就重复一次上面的过程，一直到压力P2为止。,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,迷宫密封,常用的迷宫密封,平滑形,曲折形,台阶形,轴做成光轴，密
17、封体上车有梳齿或者镶嵌有齿片,为了增加每个齿片的节流降压效果，发展了曲折型的迷宫密封，密封效果比平滑形好,这种型式的密封效果也优于平滑形，常用于叶轮轮盖的密封，一般有3-5个密封齿。,College of Power Engineering,Chongqing University,增速装置,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,半轴联器由高强度合金钢制成，同端面上凸起和凹下不分相配合，以传递力矩。两个铝制卡环夹紧两个半轴联器并用螺栓按规定力矩均匀拴紧。,轴联器,固定元件,College of Power Engineer
18、ing,Chongqing University,平衡盘和平衡管,利用平衡管把进口处的低压气体引至增速器机体的上部空间，平衡轴向力。并起到冷却的功能。,固定元件,College of Power Engineering,Chongqing University,第六节离心式压缩机特性曲线与运行调节,College of Power Engineering,Chongqing University,1、离心式压缩机的特性,工况变动时，离心式制冷压缩机的性能也将发生变化，它与活塞式制冷压缩机有类似之处。蒸发温度对性能的影响 蒸发温度对性能的影响较大：当转速和冷凝温度不变时，蒸发温度愈低，制冷量下降
19、愈剧烈；冷凝温度对性能的影响 当转速和蒸发温度不变时，冷凝温度高于设计值时，离心式制冷压缩机的制冷量将急剧下降；转速对性能的影响 随转速的降低，制冷量将急剧下降。,(1)工况变动时对性能的影响,当冷凝温度不变时，制冷量Q0随蒸发温度t0的升高而增大；当蒸发温度不变时，制冷量Q0随冷凝温度tk的升高而下降。,压缩机的特性曲线,空调用离心式制冷压缩机特性曲线,机组的平衡工况应该是压缩机特性曲线与冷凝器特性曲线的交点。,压缩机与制冷设备的联合工作特性,压缩机和制冷设备的联合特性曲线,点A为压缩机的稳定工作点,点K为喘振工况点,College of Power Engineering,Chongqin
20、g University,“喘振”是离心式压缩机固有的一个缺点，在低速运转负荷降低或者冷凝温度很高的时候，可能会发生喘振。离心压缩机是一种速度型压缩机，靠高速旋转来使制冷剂气体达到一定的速度(即获得动能)，然后进入扩压腔由动能转化为压力能。在低速旋转负荷很低的时候，气体的动能转化的压力能(即排气压力)小于冷凝器内部冷凝压力的时候，气体就会发生倒流，进入压缩机的压缩腔重新压缩，然后再回到排气口，如此反复，就是“喘振”，此时，气体对压缩机的冲击很大，会导致压缩机轴承烧毁。,(2)喘振与堵塞,College of Power Engineering,Chongqing University,喘振的危
21、害及解决措施,喘振危害：,喘振发生时，出现周期性的来回脉动气流，压缩机转子出现大的振动，电动机电流脉动加剧，气压表读数变化无常，机组运行处于危险状态。它将使压缩机产生强烈的振动和噪声，严重时会损坏叶片甚至整个机组，应设法消除。,解决措施：,为了防止当压缩机工况发生变化或调节压缩机制冷量(减少负荷)时发生喘振现象，可从压缩机出口旁通一部分气流直接进入吸入口，加大吸入量（即当流量小到接近喘振点时适当增加压缩机进口流量），从而避免喘振现象发生。,（开大进口导叶阀，同时打开旁通阀，使部分气体旁通进入蒸发器或压缩机进口。旁通的气体可以从冷凝器顶部流入。）,College of Power Enginee
22、ring,Chongqing University,所谓堵塞，即流量已达最大值。此时，压缩机流道中某个最小截面处的气流速度达到了音速，流量不可能继续增加。或者虽未达到音速，叶轮对气体所作的功全部用来克服流动损失，压力并不升高，这时也达到了堵塞工况，在运行中也不允许。,(2)喘振与堵塞,从堵塞点(最大流量点)到喘振点(最小流量点)这一范围，称为离心式压缩机的稳定工作区(图7-33,K-M)。它的大小也是压缩机性能好坏的标志之一。,College of Power Engineering,Chongqing University,2、离心式制冷压缩机组能量调节,进气节流调节。在蒸发器和压缩机的连接
23、管路上安装一节流阀，通过改变节流阀的开度，使气流通过节流阀时产生压力损失，从而改变压缩机的特性曲线，达到调节制冷量的目的。这种调节方法简单，但压力损失大，不经济。,进口导叶调节。在叶轮进口前装有可转动的进口导流叶片。利用进气预旋，在转速不变的情况下改变压缩机的特性曲线，从而实现机组能量的调节。,2、离心式制冷压缩机组能量调节,College of Power Engineering,Chongqing University,进口节流调节,改变叶轮前进口导叶的转角的方法调节，经济性较好，调节范围较宽，方法又较简单，故被广泛采用；它在叶轮进口前装有一组放射性可转动叶片，当改变它的角度时，就改变了进
24、入叶轮气流的方向，致使叶轮产生的能量头发生变化，达到制冷量调节的目的。,改变转速调节。当压缩机转速改变时，其性能曲线也有相应的改变，所以可用这个方法来改变工况点，以满足生产上的调节要求。,2、离心式制冷压缩机组能量调节,用汽轮机或可变转速的电动机拖动时，可改变压缩机的转速进行调节，这种调节方法最经济。,改变制冷压缩机转速的能量调节,VSD根据冷水出水温度和压缩机压头来优化电动机的转速和导流叶片的开度，从而使机组始终在最佳状态区运行。VSD控制的基本参数是冷水出水温度实际值与设定值的温差。,2、离心式制冷压缩机组能量调节,改变换热器参数对机组能量的调节,当改变冷凝器冷却水流量时，可以得到不同的冷
25、凝器特性曲线，从而可使工作点移动，达到调节能量的目的。,2、离心式制冷压缩机组能量调节,3.防喘振调节,通过喘振保护线来控制热气旁通阀的开启或关闭，使机组远离喘振点，达到保护的目的。,College of Power Engineering,Chongqing University,4、离心式制冷机的工作循环,离心式制冷机循环原理包括压缩、冷凝、节流和蒸发等主要过程。空调用单级压缩 制冷循环,采用浮球式节流阀作为制冷剂的流量控制和降压机构；采用抽气回收装置排出机内不凝结气体和水份，并把混入的气体中的制冷剂回收,College of Power Engineering,Chongqing Uni
26、versity,浮球式节流阀,压缩机排出的制冷剂蒸汽在冷凝器中由冷却水冷凝成液体后流入浮球室。当浮球室液位升至一定高度时，浮球式节流阀开启，液体制冷剂经节流降压后流至蒸发器底部；,制冷剂在蒸发器中被冷媒水(载冷剂)加热蒸发后，流经挡液板以除去液滴，然后重新被压缩机吸入、压缩并排入冷凝器，如此不断循环。,College of Power Engineering,Chongqing University,抽气回收装置,由于压缩机进口处于真空状态，不凝性气体会渗透到机组中，引起冷凝器内部压力的急剧升高，导致制冷效果下降，功耗增加。,用抽气泵排放冷凝器中积存的空气和不凝性气体。,用抽气泵排放冷凝器中积
27、存的空气和不凝性气体。,抽气回收装置,“无泵”型抽气回收装置,不用抽气泵，而采用新的控制流程，自动排放冷凝器中积存的空气和不凝性气体，达到与有泵装置等同的效果。,College of Power Engineering,Chongqing University,5、制冷剂的选用,制冷剂的分子量;为减少压缩机的级数和及其的尺寸，制冷机的相对分子量要大制冷量不同时，应选用不同单位容量制冷量的制冷剂;液体比热容与气化潜热之比尽量小;制冷剂腐蚀性尽量小;制冷剂安全性要求;化工用制冷机的制冷机的选择应随着生产过程的产品而选用。,College of Power Engineering,Chongqing
28、 University,6.离心式制冷系统,离心式制冷装置主要是由离心式制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、润滑系统、进口低于大气压时用的抽气回收装置、进口高于大气压时用的泵出系统、能量调节机构及安全保护装置等组成。,蒸发器和冷凝器往往做成单筒式或双筒式置于压缩机下面，作为压缩机的基础。节流装置常用浮球阀、节流膨胀孔板（或称节流孔口）、线性浮阀及提升阀等。,6.离心式制冷系统,College of Power Engineering,Chongqing University,蒸发温度在010范围内，大多采用单级和双级离心式制冷压缩机。通常将离心式压缩机、冷凝器、浮球式节流阀和蒸发器四大部件组装成机组；,采用单级离心式压缩机，冷凝器装置在蒸发器上部，二者之间装置浮球阀室。压缩机、增速齿轮箱和电动机密封于一个机壳之中组成半封闭式，以油箱为底座。这样布置节省连接管材料，减少管路中的阻力损失，使结构紧凑；辅助系统：润滑系统、抽气回收装置、泵出系统、闪发柜等等。,空调用离心式制冷机组,1.简述离心式制冷压缩机的工作原理及特点？2.离心式制冷压缩机由哪些主要零部件组成？各主要零部件的作用是什么？3.离心式制冷机组主要由哪些部分组成？4.抽气回收装置的作用是什么？常用的型式哪些？5.何谓“喘振”？有何危害？6.离心式制冷机组常用的能量调节方法有哪些？,思考题：,
