4.1.2 压缩机的工作过程在线视频

首先 我们来看看压缩机的工作过程

容积式压缩机 是制冷压缩机的主要形式

因此 下面我以往复活塞式压缩机为例

来阐述压缩机的工作过程

在我们日常生活中

经常会接触到活塞式压缩机

例如 自行车的打气筒

就是最简单的往复式活塞式压缩机

且还是一种线性压缩机

只是它的动力来自于我们的人力

打气筒活塞在向上提起的时候

吸气阀打开 将空气吸入到打气筒的气缸内

当向下按压时 压缩机吸气阀关闭

推动活塞向下移动

当气缸中的压力超过轮胎中的压力时

排气阀打开

增压后的气体就被压入轮胎中

当这个过程的动力改为电动机时

就形成了 我们给自行车轮胎打气的空压机

空压机 由电机驱动

将动力 传递至旋转的曲轴

通过曲轴上的连杆 将转动变化成往复运动

从而实现空气的压缩

这个过程 与打气筒完全相同

如果我们压缩的气体 不是空气而是制冷剂

压缩机的气缸 不仅仅是1个而可能是多个

这就成为了我们建筑冷热源领域中的

多气缸活塞式压缩机

请看这个只有一个活塞的活塞式压缩机

的理想工作过程的p-V图

所谓理想 就是指压缩机能够将加压后的气体

全部排出气缸之外的理想情形

压缩机工作包含了三个过程

第一 1→2的压缩过程

此时 吸排气阀均关闭

活塞自位置1向左移动

气缸内的气体逐渐被压缩

直到活塞运动到位置2时

气缸内气体压力达到了排气压力

排气阀打开 压缩过程结束

第二 2→3的排气过程

活塞自位置2继续向左移动

气体通过排气阀进入排气腔

直至最左端3为止 结束了排气

第三 4→1的吸气过程

活塞自位置4也就是位置3

开始向右移动 吸气阀打开

吸气管内的气体被吸入气缸

直至活塞运行到右止点1

上述三个过程 循环往复

连续不断地 将低压制冷剂气体

压缩至高压状态

实际上 压缩机是不能让活塞顶部

直接与气缸顶部接触的

否则 容易出现液击撞缸现象

特别是 当出现有油滴或者是液滴时

因此 必须预留一个微小的缝隙

这个缝隙的厚度 与气缸端面的乘积

就叫余隙容积 Vc

当气缸的工作容积为Vg时

余隙容积Vc与工作容积Vg的比值

叫做 相对余隙容积

活塞压缩机的相对余隙容积 一般为4%左右

当排气压力为p2时

这个余隙容积Vc 膨胀至吸气压力p1时

将占据ΔV1的气缸容积

使得气缸的有效工作容积减小至V1

我们将V1与Vg的比值

叫做余隙系数 或者叫做容积系数 用λv表示

由于 气缸具有吸气和排气阀片

打开阀片需要一定的压差

因此 气缸内的压力只有低于吸气压力p1

才能吸入吸气管内的气体

只有压力高于排气压力p2

才能排出气缸内的气体

所以 在压缩机吸气过程中

气缸内的压力比吸气压力低Δp1

才能吸入气体

也必须压缩到比排气压力高Δp2的压力时

才能开始压缩机的排气过程

由于存在Δp1的吸气压力损失

故在压缩初期

即 气缸内的压力还低于p1这段时间

吸气阀逐渐关闭

直到压缩升高至p1时

才能实现有效压缩

这个过程 又导致压缩机的有效工作容积

减小了ΔV2 变成了V2

为了反映压缩机吸气阀片

导致有效工作容积的减小程度

我们用V2与V1的比值

即节流系数 或者叫压力系数 用λp来描述

压缩机在实际工作过程中

由于气态制冷剂被压缩后温度升高

以及活塞与气缸壁之间存在着摩擦

导致气缸壁温度比较高

因此 在吸气过程中吸入的低压 低温气体

与气缸壁发生热交换

温度升高 比容增大

实际进入气缸的气体质量将减小

为了描述这个过程

对有效工作容积的影响程度

我们引入预热系数λt 来描述这个现象

由于 气缸内的气体与气缸壁之间的热交换

是一个非常复杂的过程

除与压缩比有关外

还与压缩机的构造 气缸尺寸

转数以及制冷剂的性质等多种因素有关

很难确切地计算出来

但排气压力越高 吸气压力越低

吸气所得到的热量也越多

因此 预热系数也越低

根据实验数据的统计结果

总结出了活塞式压缩机

预热系数的经验公式

它等于 蒸发温度的绝对温度与冷凝温度之比

此外 压缩机的进 排气阀

以及 活塞与气缸壁之间并不绝对是密合的

压缩机工作时

少量的气体 将从高压部位向低压部位渗漏

从而造成 压缩机实际输气量的减少

我们引入气密系数 来描述渗漏

对压缩机有效工作容积的影响

气密系数又称为泄漏系数 用λl表示

它与压缩机的结构 加工质量

部件磨损程度等因素有关

还随压缩比的增大而减小

一般约为0.95～0.98

我们将λv λp λt λl四个系数的乘积

叫做容积效率 或者叫做输气系数

用ηv来表示

对于气缸工作容积为Vg的压缩机

那么 它完成一个工作周期的实际工作容积Vs

则是 容积效率ηv与工作容积Vg的乘积

由于ηv小于1

故 压缩机的实际工作容积Vs

小于它的几何工作容积Vg

如果 我们将单位时间内压缩机的总工作容积

叫做理论输气量Vh

那么 其实际输气量Vr

就是 理论输气量Vh与容积效率ηv的乘积

这样 我们就可以利用制冷循环压焓图

计算出 压缩机在给定工况下的

制冷剂流量Mr和制冷量Q0

制冷剂流量Mr是实际输气量Vr

与压缩机吸气比容v1的比值

制冷量Q0 是流过蒸发器的制冷剂质量流量Mr

与单位制冷量h1-h4的乘积

那么 制取Q0这么大的制冷量

到底需要多大的耗功量呢

从理论上讲

压缩机的耗功量 就是其等熵压缩功

即为 制冷剂质量流量Mr

与单位等熵压缩功h2s-h1的乘积

我们称之为 理论功率Pth

但从电机输入电能到等熵压缩所需功量之间

主要存在四个能量损失环节

故 电机输入功率Pin远大于理论功率Pth

是理论功率与四个环节的效率的乘积之比

这四个效率分别是指示效率ηi 机械效率ηm

传动效率ηd和电机效率ηe

下面 我们来分别介绍这四个效率的含义

指示效率ηi

是理论功率Pth与指示功率Pi之比

它表示实际的多变压缩过程

偏离等熵压缩过程的程度

等熵压缩过程的压缩指数 为绝热指数k

实际压缩过程的压缩指数 是多变指数m

机械效率ηm

是指示功率Pi与压缩机轴功率Pe之比

二者之间的差 包括运动部件之间的摩擦损失

和油泵等消耗的功率

传动效率ηd

是指轴功率Pe电机的输出功率Pout之比

由于传动方式较多

有皮带轮 联轴器

还有电机与压缩机本身同轴等等

有些连接方式 如皮带轮会出现掉速

此时 传动效率就小于1

如果 电机的输出转速和压缩机主轴转速相等

例如 封闭式压缩机的电机和压缩机同轴

故其传动效率ηd就等于1

电机效率ηe

是电机输出功率（Pout）与输入功率（Pin）之比

由于 电机会存在铁损和铜损等损失

故其输入电能不可能全部转化为机械能

因此 电机效率一定小于1

我们把这四个效率的乘积

称为压缩机的电效率 用ηel表示

换言之 压缩机电机的输入功率（Pin）

是理论功率Pth与电效率ηel之比

我们将上述各个效率 总结成这样一张图

就可以清晰地看出

压缩机输入功率传递至

压缩机等熵压缩过程的能量损失环节

以及 各个环节的能量转换效率

需要说明的是

为了保证压缩机电机的安全

在选配电机时

应当在极限工况下 确定压缩机的输入功率

并预留一定的安全裕度

这个安全裕度 是10%~15%之间

那么 各类压缩机的结构

工作原理和性能特点又如何呢

下面 我们将依次介绍容积式

和离心式压缩机的相关内容

在容积式压缩机中

我们将主要介绍 活塞式压缩机

以及转子 涡旋 螺杆三类回转式压缩机的

结构 工作原理和性能特点

请大家 在课后结合教材和主要参考书的内容

学习各类压缩机的理论输气量

容积效率和电效率的计算方法