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“双碳”目标下螺杆制冷压缩机的技术发展趋势“杭州制冷展”

深浅统计 时间:2022年06月06日 17:15

  我邦目前已是宇宙上最大的制冷装备分娩邦和消费市集,与此相对应,压缩机等闭节部件的时间程度和产物格地也不时取得提升,良众产物的职能到达了邦际前辈程度。个中,螺杆制冷压缩机是一种紧急的制冷装备,具有容量治疗容易、工况合适性强、职能牢靠等利益,正在大中型制冷空妥洽冷冻冷藏装备中取得了广博地利用。

  为了应对环球天色蜕变,我邦提出了“2030年前完毕碳达峰、2060年前完毕碳中和”这一巨大政策标的。制冷行业与邦民经济各部分和社会存在各方面严密相连,正在碳中和布景下,将迎来紧急的发达机缘,也将面对一系列新的寻事。螺杆制冷压缩机动作制冷编制的主旨部件,消重其碳排放量对完毕制冷编制降碳、助力我邦“双碳”政策标的具有紧急旨趣。

  螺杆制冷压缩机的全性命周期排碳闭头首要囊括原质料获取、加工创设、产物运输、运转保卫和报废接纳5个方面。然而螺杆制冷机的任职年限凡是抢先20年,职掌产物正在永恒运转进程中的碳排放才是重中之重。依据数据统计,运维闭头碳排放量正在全性命周期中的占比到达了85%以上,于是,螺杆制冷压缩机的节能减排的核心仍需放正在产物能效的提升上。本文以螺杆制冷压缩机为研商核心,基于对行业痛点题目的深化研商,提出了一系列螺杆制冷性能效擢升时间,并探求了其低碳化利用场景,以期为“双碳”标的下螺杆制冷机的发达趋向指明偏向。

  螺杆制冷压缩机动作蒸气压缩制冷编制中最大的耗能部件,是整条家产链中时间含量高、开采创设难度较大的产物,其品格直接影响到编制的能效,于是,螺杆压缩机的能效擢升对付用能编制的绿色转型有巨大旨趣。本文基于对行业现存题目的深化研商,进而提出了囊括型线优化、变导程计划、自合适众孔封厉涂层的利用、润滑油细腻化料理、永磁变频时间、两级压缩级间补气时间和聪敏运转时间7种新型能效擢升时间,并对其用意道理与优化结果举行了探求,为异日压缩机的优化计划供给新思绪,助力“双碳”标的的准期完毕。

  螺杆制冷压缩机最主旨的部件是彼此啮合的转子,而转子型线是螺杆制冷机的紧急组成因素,直接影响了接触线、显露三角形、封锁容积与齿间面积等几何特征,也从基础上决策了螺杆制冷机的显露特征、热力职能、动力职能和牢靠性,于是转子型线的开采是其计划中的主旨时间。邦外里出名螺杆压缩机分娩厂家都是由高效转子型线的开采而得胜吞没市集。

  已取得了总结,但近些年转子型线的计划技巧仍正在不时改正。新技巧之一是采用贝塞尔弧线、NURBS等替换常例弧线动作构成齿弧线,以切矢量构修曲率渐变弧线,通过变革节点权重、填补职掌点以及搬动职掌点来天真的对型线举行优化,本质型线所示;另一新技巧是采用基于逆向工程的啮合线法构修型线,通过构制啮合线,直接职掌几何特征,根本道理睹图2。

  其余,可针对整体例冷剂品种、压缩机容量和运转工况,开采出特意的高效转子外面型线,并研究转子运转进程中的受力变形、受热膨胀和加工及装置进程中的差错,合理摆设本质型线 变导程计划利用于螺杆真空泵的变导程螺杆转子因为其卓越的利用职能而取得了长足地发达,邦外里良众学者也针对变导程螺杆真空泵做了各方面翔实的研商。这对付双螺杆制冷压缩机导程计划而言有较大的模仿旨趣,变导程计划寻常将导程较长的局限放正在吸气侧,其最大的上风是可能直接增大排气孔口,消重排气滚动阻力。其余,正在压缩进程方面,恒定导程的压缩速率永远是匀速的;而对付变导程而言,导程较长的局限压缩较速,导程较短的局限则压缩较缓,这意味着更低的压缩众方指数与更高的效劳。

  目前首要有3种导程计划样子,构造示意如图3所示。个中,恒导程为最常睹的样子,因为其便捷的计划技巧、成熟的加工工艺而被目前市道上根本一齐双螺杆制冷压缩机利用;众段导程计划为方便的物理拼接,正在分歧的压缩段采用了分歧的恒定导程,目前已有制品样机。然而众段导程压缩进程中的压缩速率突变将不行避免地导致必定的噪声、振动以至职能的题目;渐变导程的螺杆转子尚正在开采之中,比拟于众段导程计划,该样子压缩进程稳固、吸排气顺畅,限制其发达的首要因由正在于加工难度较高,加工工艺不可熟以及加工岁月较长、资金本钱过高。

  对付巩固办事的螺杆制冷压缩机而言,其吸气端温度略低于装置温度而排气端温度则明显高于装置温度。正在丰富温度、压力场的耦适用意下,螺杆转子将爆发膨胀、中断、扭蜕化形等各样复合应变,这种作恶例的应变特征酿成了转子间隙的不匀称蜕变,不妨导致转子摩擦以至卡死。增大计划间隙是确保压缩机安然运转的有用办法,但会增大压缩机显露量并消重能效。采用自合适众孔封厉涂层可有用减小间隙,是提升航空带动机职能的紧急办法,已初阶正在螺杆制冷压缩机中取得利用。自合适众孔封厉涂层寻常由基相、润滑相和大方轻细孔洞构成。基相首要担保涂层我方强度以及与基体的勾结强度;润滑相首要用意则为消重硬度,提升涂层塑性;轻细孔洞由制备进程中参加的制孔相酿成。喷涂有该涂层的转子正在办事时,涂层上的局限轻细孔洞将被压缩,完毕转子间隙的自合适治疗,进而担保了最小的安然运转间隙,对付擢升螺杆制冷机的能效而言具有紧急潜力,其结果如图4所示。

  润滑油对付螺杆制冷压缩机职能的优劣起到至闭紧急的影响,其用意大致有如下几个方面:提升压缩腔的密封性,节减显露;完毕转子啮合区域的润滑,节减摩擦功耗;冷却工质,提升绝热效劳;消重运转噪声。转子腔喷油孔开设处所和喷油量的选拔对螺杆制冷机很紧急。对付喷油孔开设处所,过于靠前时会导致被压缩工质提前加热,而过于靠后则会导致换热不充满,进而增大压缩机的本质压缩功耗。对付喷油量,过少时转子啮合区域无法完毕充满润滑,不妨导致摩擦磨损、振动噪声等题目;而喷油量过众时,会显示搅油失掉过大等一系列题目。喷油量增大对螺杆制冷机绝热效劳的影响如图5所示,正在全工况下,跟着润滑油油量的增大,实测绝热效劳都邑有必定水准的消重;这种消重幅度正在低温工况下愈加清楚,跟着油气体积比增大0.1%,绝热效劳最大消重了2%。于是,依据特定样子的制冷机和制冷工质,以定制化选拔般配润滑油、合理筹备计划喷油孔开设处所和喷油量的润滑油细腻化料理成为了螺杆制冷压缩性能效擢升核心。图5 喷油量对制冷机绝热效劳的影响

  KAUDER K等依据大方试验研商,对润滑油正在压缩腔内部的本质用意机理举行领会释。他们以为,润滑油正在压缩腔内本质是以薄膜的样子遮盖正在压缩腔外貌的,理念的油膜厚度将恰巧完毕对啮合间隙、齿顶间隙等的密封;而当油膜厚渡过大时,会显示积油景色(图6),此处的积油将跟着转子的转动而被输送到排气端,从而增大压缩机的本质功耗。BENES G等通过双螺杆压缩机的光学丈量,验证了上述外面的牢靠性。依据外面,喷入压缩腔内部的油从吸气到排气进程因为密封间隙而匀称花费,于是当排气终结时油体积挨近于零时的油量即为最佳喷油量。

  螺杆制冷压缩机容量治疗的技巧囊括启停治疗、滑阀治疗以及变频治疗等,但以滑阀治疗为主的古代容量治疗形式正在本质利用中存正在各样题目。最初,当压缩机处于局限负荷时,其能效衰减告急(图7),滑阀有用办事长度与螺杆制冷压缩性能效存正在必定的正联系闭联,当滑阀有用办事长度缩短(局限负荷运转)时,其能效将大幅低重;其次,正在本质利用滑阀治疗时,跟着滑阀处所的细微蜕变,螺杆制冷压缩机冷量跳跃的景色较量清楚;其余,跟着制冷机利用年限的增进,滑阀油活塞处因为磨损而导致密封性变差,不妨会显示工况无法撑持、自愿加卸载等题目,影响其正在工程中的平常利用。图7 滑阀有用办事长度与能效的闭联

  比拟于古代治疗形式,变频治疗具有治疗领域大、构造方便等上风,可能有用提升螺杆制冷压缩机正在局限负载下的能效。CHEN W Q等通过创造半封锁螺杆式制冷压缩机的集总参数模子,并勾结螺杆式制冷机局限负荷办事进程,对滑阀和变频两种形式治疗下压缩机的职能举行了模仿比照,结果说明,螺杆制冷机采用变频治疗正在功耗、排怀抱以及绕组定子温度特征上有更好的再现。永磁同步变频电机驱动的双螺杆制冷压缩机的构造示意如图8所示,永磁变频电机正在宽转速领域下的高效巩固运转,有用擢升了螺杆制冷机全工况领域的运转职能。目前,变频驱动已正在重心空移用螺杆制冷压缩机中获取了广博利用,也正正在敏捷推行利用于各样热泵和冷冻冷藏装置中。希奇是通过变频治疗容量、通过滑阀治疗实质积比的变频变容积比螺杆制冷机,完毕了容量和实质积比的彼此独立治疗,能精准高效地及时般配制冷编制的运转工况和负荷,希奇适合于负荷与工况蜕变领域请求高的利用园地。

  1.6 补气时间当螺杆制冷压缩机利用于高压比、大温差工况时,单级压缩因为过大的压差而往往存正在告急的振动、噪声、显露、能效过低等职能题目,双级压缩也于是取得了广博地承认与闭心。中央补气时间因为可能职掌压缩进程的温度、擢升压缩能效而被广博利用于低温氛围源热泵周围,加倍是正在涡旋压缩机和滚动转子压缩机上。然而目前针对双螺杆制冷压缩机中央补气的研商仍然控制于单级压缩机,WU H G等通过CFD模仿与试验勾结的技巧,研商了补气压力对付单级双螺杆压缩机职能的影响。对付双螺杆制冷压缩机的补气,因为物理构造的限定,目前少许企业凡是是用冷却电机与润滑油后的高压制冷剂正在吸气终结之后补入以增大制冷量,但这往往对付压缩机的能效有负面影响。

  归纳研究以上两者的上风,般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、冷冻冷藏周围的首选,并逐步向常例空调周围拓展。对付单机双级机型而言,补气孔口不必开设正在压缩腔内,而可能直接正在两级的中央腔内举行补气,从而提升补气效劳。其余,两级螺杆转子的部署样子的选拔也将直接影响压缩机的利用职能。目前邦内的部署样子以同轴串联式为主,即上下压级的阳转子通过统一根轴与电机相连,如图9所示。然而这种部署样子最大的题目是低压级排气侧物理空间有限,低压级滑阀计划繁难。外洋有些压缩机厂商开采了两轴并联式单机双级双螺杆制冷压缩机,该样子有滑阀部署容易、计划紧凑等上风。

  正在提升螺杆制冷机加工计划程度的同时,依托于大数据的压缩机聪敏运转与优化职掌也是擢升其能效的紧急办法。实时的毛病预测与精准的毛病诊断也可能大幅度擢升制冷机巩固运转时长,降冷机运转保卫本钱。模范的数据收集与领悟利用流程如图10所示,正在制冷机吸排气等闭节部位部署测点,及时收集制冷机运转数据;对收集到的运转数据举行冲洗,去除清楚格外数据;依据参数之间的热力学闭联创造数据之间的外面互推闭联,借助人工智能算法创造模子;诈欺已有模子对编制中的闭节参数举行预测,通过及时比照数据预测值与本质值的差值,可能完毕不妨存正在题目的预警,从而完毕制冷机基于毛病预测的保卫;终末完毕数据解决的可视化,容易后续算法模子、计划流程的计划优化。以单机双级螺杆压缩机制冷编制为例,当利用工况爆发蜕变时,存正在最优中央压力使得制冷性能效最高。勾结人工智能算法创造的基于数据驱动的制冷性能效与中央压力之间的数学模子,当运转工况爆发蜕变时,通过及时安排制冷机的本质中央压力,使之等于算法估计打算获取的最优中央压力,可能完毕制冷机全天候的运转能效最大化,从基础上戒备了能源的铺张,是擢升能效的有用办法。

  “双碳”政策标的不单对螺杆制冷机的发达提出了更高的能效请求,也督促了其低碳利用编制的推行利用。加倍是水蒸气螺杆压缩机、螺杆膨胀机和氦气螺杆制冷压缩机,阔别利用于水蒸气高温热泵、有机工质朗肯轮回发电、氢气的液化流程,正在碳中和布景下将敏捷发达。2.1 高温热泵

  很众工业周围存正在有温度领域 80 ℃~90 ℃的废热,但其需求的热源温度则为 110 ℃~130 ℃,利用高温热泵编制可以有用接纳这局限低品位热能,将之转化为较高温度热能供给给工业编制,同时完毕了能源接纳诈欺的节能结果和减小工业热污染的环保结果。高温热泵编制正在工业废水余热接纳中的利用如图11所示。

  正在高温热泵周围,螺杆压缩机与水工质的勾结具有诸众利益。最初,水是高温热泵的理念工质,正在第4代制冷剂中具有稠密利益。水是自然工质,其ODP值为0,GWP值小于1,具有低价、 无毒和巩固等特质;汽化潜热大,单元质地的制冷量相对较大,采用水动作工质的编制外面COP值较古代的合成工质编制为高。其次,正在水蒸气压缩机稠密样子当中,双螺杆压缩机是最适宜的样子。其诈欺压缩进程喷水冷却,能有用消重排气温度、提升压缩机压比;喷入的水能正在填补压缩机容积流量的同时,使排气温度饱和,如许可能有用诈欺水的潜热,能有用提升热泵编制的职能。其余,螺杆压缩机自己具有运转特征巩固和操作容易等利益。于是,螺杆水蒸气压缩机正在高温热泵编制中具有较为理念的利用。

  邦内少许学者针对螺杆水蒸气压缩机正在余热接纳中的利用张开了研商。沈九兵等针对高温热泵的工业需求,计划并领悟以水为介质的闭式高温热泵编制,引入了喷水螺杆式水蒸气压缩机,诈欺喷水完毕压缩机排气为饱和状况,通过外面估计打算得出了此轮回正在高蒸发温度时具有高COP值的结论。高磊等文针对碱接纳热泵编制中水蒸汽压缩机温升小而酿成效数不足的题目,采用螺杆水蒸气压缩机组成呆滞压缩式编制,对其举行了数学修模和热力职能估计打算,并研究了编制的经济性。梁政等为拓宽水蒸气热泵正在余热接纳中的办事温区,消重水蒸气压缩机的排气温度,对采用喷水降温螺杆压缩机的水蒸气热泵编制及其首要部件创造热力学模子,研商了螺杆压缩机喷水温度,及最佳喷水温度下蒸发温度、冷凝温度对编制职能的影响。螺杆水蒸气压缩机也存正在容积流量较小的题目,但总的来说,螺杆水蒸气压缩机对水蒸气的压缩结果很好,还可能通过喷水消重压缩中断排气温度,从而消重对压缩机装备的请求和本钱,同时规避了有机工质的各样过失,是水蒸气压缩机的核心研发偏向。2.2 有机工质朗肯轮回发电

  正在古代的能—功转化工业中,编制热效劳会正在热源温度不敷 370 ℃时降至极低的程度,但统计视察说明,低品位余热占工业发生的总热量的50%或以上。这些低品位的废热不单带来了能源铺张,也酿成了热污染是我邦完毕碳中和道道上务必处分的题目。有机工质朗肯轮回(ORC)采用低沸点有机工质,完毕与低温热源的温度般配,可以完毕低品位废热的接纳,具有天真性强、安然性高、保卫请求低、职能优异等利益,被以为是低温余热发电的首选计划。

  ORC示希图如图12所示,由4个进程和相应的编制部件组成。进程1-2中,介质泵来日自冷凝器的低温低压的液体工质送入蒸发器;进程2-3中,液体工质正在蒸发器中接收余热,定压蒸发为高温高压的工质蒸汽;进程3-4中,工质蒸汽进入螺杆膨胀机做功,输出的呆滞功通过发电机转化为电能;进程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对膨胀机具有如下请求:1) 效劳高,本钱低;2) 局限合适带液膨胀;3) 工况领域宽,无喘振等处境;4) 可能重负荷启动;5) 转速与直连带动机般配,避免利用特殊的减速装配。可睹螺杆膨胀机相当适合ORC编制。其余螺杆膨胀机初期投资少、保卫用度低、牢靠性高,很适合能耗较高的企业举行余能接纳,从而消重分娩本钱,于是正在ORC编制中具有超越上风。

  2.3 氦制冷的氢液化氢气是一种绿色、来历广博的二次能源载体,其联系家产正在我邦已初阶酿成了完全的家产链,上逛可借助电解水制氢时间与光伏、风能等可再生能源勾结起来,下逛可诈欺氢燃料电池和氢燃气轮机等时间转化为电能,氢于是被视为化石能源的理念代庖能源,正在我邦异日能源转型中饰演紧急脚色。其余,以氢气为储能介质的氢储能时间可以完毕大领域、跨时节储能,正在削峰填谷、分散式能源等场景中具有紧急利用。

  氢气的储运是其家产链中的紧急一环,个中液氢储运具有低本钱、纯度高、适于长隔绝运输等利益,是公认的大领域操纵氢能的闭节时间。经典的氢液化流程囊括Linde-Hampson轮回、Claude轮回和氦制冷的氢液化,个中氦制冷的氢液化编制因氢轮回的压力较低,只需取胜热交流器中的压力降,因而具有更好的安然性。其流程示希图如图13所示,该工艺中工质氦先被氦压缩机压缩,通过液氮预冷,再被换热器逐级冷却,终末正在氦透平膨胀机中膨胀降至低温;正在氢编制中,被压缩的氢气经液氮预冷后,正在热交流器内被冷氦气降温液化。

  正在氦制冷的氢液化编制中,氦气的压缩需求用到氦压缩机,螺杆式是氦压缩机可选的样子之一。研商说明,氢液化进程中大局限㶲损来自压缩机,于是螺杆氦压缩机的职能对擢升总共氢液化流程的能效程度至闭紧急。某公司与笔者所正在单元合伙研制了出了一种氢液化周围新型高效氦气螺杆压缩机,其机组产物外观图如图14所示,经邦度能源局结构评定,该项目增加了邦内的联系时间空缺,到达邦际前辈程度,氦气压缩机组的容积效劳和等温效劳等首要时间目标均处于邦际领先程度,并被列入了第一批能源周围首台(套)巨大时间装置项目名单。

  “双碳”标的对螺杆制冷压缩机提出了更高请求和新的需求,研究到螺杆制冷压缩机全性命周期碳排放闭头中运维闭头是碳排放的闭节所正在,螺杆制冷压缩机的降碳仍需着眼于产物能效程度的擢升。可通过采用螺杆制冷压缩性能效擢升的新时间予以完毕,如采用贝塞尔弧线、NURBS等替换常例弧线以及基于逆向工程的啮合线法拓展转子型线优化空间;计划变导程转子增大螺杆制冷机的排气孔口,完毕更低的压缩众方指数与更高的效劳;转子喷涂自合适众孔封厉涂层以担保最小的安然运转间隙;对润滑油举行细腻化料理以消重喷油失掉;采用永磁变频时间和单机双级级间补气时间提升全工况能效;利用基于大数据和人工智能的聪敏运维时间擢升螺杆制冷机运转能效、消重保卫本钱。

  其余,“双碳”政策标的也将督促螺杆制冷压缩机低碳利用编制的推行利用,加倍是水蒸气螺杆压缩机、螺杆膨胀机和氦气螺杆制冷压缩机,阔别利用于水蒸气高温热泵编制、ORC编制和氢气的液化流程等低碳节能编制,正在“双碳”布景下将迎来敏捷发达的契机。声明:作品来历于中邦制冷与空调 ,如有侵权,请相闭删除。

  2022杭州邦际空调透风暨制冷及冷链家产博览会(英文缩写:RACC)是邦内极具行业影响力的专业展会。本展会是以浙江制冷家产基地为上风,打制中邦邦际新咭片为主意,取得浙江省各级政府肆意撑持。11月2-4日将于杭州邦际博览核心,RACC2022博览会将通过“整合制冷资源,助推家产双轮回”办好展会,分为空调透风馆、配件馆、冷链馆以及制冷装备馆。通过更为广博的环球传扬推行,邀请邦外里著名企业参展或敬仰,显示环球供应,邦际采购,充满餍足企业对邦外里音讯、时间、模范、计谋、传扬的全方位需求,以“市集化、专业化、邦际化”为标的,使博览会成为空调制冷行业供需的邦际换取平台。同期将举办抢先40场愈加专业细分的行业论坛勾当。

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