压缩机-能源与冷冻空调工程系.PDF

第十一章 壓縮機 11-1 壓縮機種類 蒸氣壓縮系統的四個構件－壓縮機、凝結器、膨脹裝置及蒸發器各有其特定 現象，同時每一構件又受其他三構件所加的條件影響，例如凝結器水溫度可能改 變壓縮機泵的冷媒流率，從而可能要求膨脹閥重新調整，而蒸發器內的冷媒則改 變壓力。本書將先各別探討蒸氣壓縮循環中的構件，並分析其各別性能，然後觀 察與其他構件之間的交互作用，而壓縮機即為所要分析的第一個構件。 蒸氣壓縮系統的心臟是壓縮機，而最普遍的四種冷凍壓縮機為往復式 （reciprocating ）、螺旋式（screw ）、離心式（centrifugal ）及輪葉式（vane ）。 往復式壓縮機有一活塞在一缸筒內來回移動，其吸取與排洩閥安排造成泵啷作 用；螺旋式、離心式與輪葉式壓縮機全都使用旋轉元件，其中螺旋式與輪葉式壓 縮機均為正排量機器（Positive-displacement machine ），而離心式壓縮機係利用 離心力操作。本章的四個部份即分別討論這些壓縮機。 第一部份：往復式壓縮機 冷凍工業的主力是往復式壓縮機，其尺寸由不到一千瓦到數百千瓦冷凍容 量。現代壓縮機為單動式（single-action ），而可能為單缸或多缸。於多缸壓縮機 中，缸筒成 V 、W ，徑向或單排（in-line ）安排。圖 11-1 中的壓縮機有 16 缸， 每一缸頭則有 2 缸。於活塞的吸取衝程中，低壓冷媒氣體經由吸取閥吸入，此閥 可能位於活塞內或缸頭內。於排洩衝程中，活塞將冷媒壓縮，然後將冷媒推過排 洩閥，此閥通常位於缸頭內。 壓縮機的操作速率在過去 20 年內隨大部份旋轉機械的趨勢而增大，即由早 期壓縮機的 2 或 3r/s 左右一直增加到今日高達 60r/s 的速率。 l1-2 密封型壓縮機 壓縮機的曲軸若延伸到壓縮機殼外，使馬達可以在外面與軸偶合，則稱為開 敞式壓縮機（open-type compressor ），而在軸伸入壓縮機殼處必須使用軸封，以 避免冷媒氣體漏出，或因為曲軸箱壓力低於大氣壓力而使空氣漏入。雖然設計人 員一直發展出更好的軸封．但是殼被穿過一直，穿過一直代表有洩漏源存在。為 了避免在抽封處的洩漏，馬達與壓縮機常封閉在同一殼內，如圖 11-2 中的切開 視圖所示。 1 馬達電絕緣技術的改進使馬達即使和冷媒接觸也可以操作 ，在許多設計中， 冷吸取氣體即橫越過馬達吸入，以使馬達保持低溫。幾乎所有用在冰箱、冷凍櫃 及家用空氣調節器內的小馬達壓縮機組合均為密封型，而與壓縮機殼連接的只有 吸取與排洩接頭及電接頭。系統中的水份可能會傷害馬達，故密閉單元在裝配之 前必須先除去水份。比較大的密閉單元之缸頭通常可以拆下，以便保養閥與活 塞，這種單元稱為半密閉型（semihermetic ）。 圖 11-1 使用氨的 16 缸往復式壓縮機 圖 11-2 某密封型壓縮機的切開視圖 2 11-3 凝結單元 一系統的壓縮機與凝結器係方便地合併成一凝結單元 （condensing unit ）（圖 11-3），馬達、壓縮機與凝結器可以合裝在同一架上，且遠離膨脹閥與蒸發器。 11-4 性能 壓縮機的兩種最重要的性能特性是其冷凍容量及功率需要，以等速率操作的 壓縮機，這兩種特性主要受吸取與排洩壓力控制。首先要做的分析是理想往復式 壓縮機，因為對於這兩種壓力的效應會有比較清楚的瞭解。由理想壓縮機的探討 所確定的趨勢對於實際壓縮機而言也成立，雖然數值方面必須調整，這些調整將 在討論實際壓縮機時加以研究。 圖 11-3 合併成一凝結單元的壓縮機與凝結器 l1-5 體積效率 體積效率為預測往復式壓縮機的基準，本章將考慮兩種體積效率，即實際與 η 係定義為 餘隙體積效率。實際體積效率（actual volumetric efficiency ） va 進入壓縮機的體積流率 ，m3 / s ηva 3 ×１０