往復(fù)壓縮機作為應(yīng)用最廣泛的一種壓縮機,盡管市場份額已經(jīng)被其它形式的壓縮機逐漸壓縮,但在小制熱量的應(yīng)用場合仍然占有一席之地,并在小型高溫?zé)岜弥腥〉昧思夹g(shù)與市場的突破。Viking與AVLSchrick聯(lián)合開發(fā)的HeatBooster工業(yè)熱泵,其核心設(shè)備是一臺往復(fù)式熱泵壓縮機,在半程維護之前,該壓縮機可在高達200°C的溫度下工作40000小時。
渦旋壓縮機由于具有動力平衡性好、壓力波動小以及振動和噪聲小等優(yōu)點,在熱泵應(yīng)用場合中相比較往復(fù)式壓縮機更具有優(yōu)勢。利用渦旋式熱泵壓縮機在空氣源熱泵中制備80°C熱水的穩(wěn)定性已經(jīng)在諸多應(yīng)用場景中得到了驗證,并且得到了商業(yè)化。達到120°C熱匯溫度的渦旋熱泵壓縮機樣機已經(jīng)由Emerson成功開發(fā)并投入了示范運行。AlterECO項目中設(shè)計了一臺能夠在140°C冷凝溫度和200kW熱輸出下運行的高溫?zé)岜?,熱泵由兩臺功率分別為75kW的并聯(lián)渦旋壓縮機運行,并經(jīng)過1000多小時的試驗來驗證了其可靠性。
滾動轉(zhuǎn)子壓縮機依靠氣缸中偏心圓筒形轉(zhuǎn)子的滾動減小內(nèi)部容積,實現(xiàn)對氣體的有效壓縮,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易損件少、可靠性高等優(yōu)點,主要用于空調(diào)/熱泵、輕商冷凍冷藏等領(lǐng)域。在熱泵領(lǐng)域,滾動轉(zhuǎn)子壓縮機主要用于CO2 工質(zhì),采用雙級壓縮的方式來實現(xiàn)效率高、振動低和噪聲小。大金工業(yè)有限公司從2002年開始開發(fā)用于CO2 熱泵熱水器和汽車空調(diào)的高性能和高可靠性的滾動轉(zhuǎn)子壓縮機。
羅茨壓縮機作為最早問世的旋轉(zhuǎn)壓縮機,19世紀中葉就開始在市場上獲得應(yīng)用,由于結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低,逐漸在蒸汽壓縮領(lǐng)域獲得應(yīng)用。由于羅茨蒸汽壓縮機齒型為直齒設(shè)計,沒有扭轉(zhuǎn)角,因此沒有內(nèi)壓縮過程,效率隨著壓比上升急劇下降,主要用于中小流量、溫升10~15°C的MVR裝置,在一些溫升超過15°C的場合,也有雙級羅茨蒸汽壓縮機的應(yīng)用。隨著國家對節(jié)能的日益重視,羅茨壓縮機在空氣動力行業(yè)逐漸被螺桿壓縮機與離心壓縮機所替代,在蒸汽壓縮行業(yè)也呈現(xiàn)這樣的趨勢。為了提高羅茨蒸汽壓縮機的效率,國外制造商(如凱撒)開始往高速方向發(fā)展,除了要解決軸承與軸封的可靠性問題,更大的瓶頸在于羅茨蒸汽壓縮機的排氣噪聲的控制。
單螺桿壓縮機除了具有回轉(zhuǎn)壓縮機的結(jié)構(gòu)簡單、體積小和無氣閥組件等特點外,還因為兩個星輪在螺桿兩側(cè)對稱配置而具備獨特優(yōu)點:(1) 結(jié)構(gòu)合理,具有理想的力平衡性;(2)單機容量大,無余隙容積;(3) 高速輕載,易于建立流體動力潤滑。單螺桿壓縮機的主要缺點是中、高頻率的噪聲較大,嚙合副與機殼的幾何形狀和相互位置精度要求高。
不同于雙螺桿壓縮機,單螺桿壓縮機不存在同步齒輪結(jié)構(gòu),因此轉(zhuǎn)子與星輪需要良好的潤滑來減少直接接觸帶來的磨損,這就意味著單螺桿壓縮機主要用于噴油壓縮。
歐適能制造的高溫?zé)岜貌捎昧藛温輻U壓縮機,熱匯溫度為95-130°C。廢熱來自溫度為35-55°C(一級經(jīng)濟器循環(huán))或8-25°C(兩級復(fù)疊循環(huán))的熱源。單機供熱能力為170-750kW,通過多臺機器并聯(lián)可以實現(xiàn)更高的容量,例如1.5MW的雙機組。
StarRefrigeration的熱泵(Neatpump)可以產(chǎn)生高達90°C的熱水,加熱能力從380-2600kW。采用特殊鑄鋼設(shè)計的Vilter單螺桿壓縮機技術(shù)(VSSH系列)可承受高達76bar的壓力。在50/90°C時,可實現(xiàn)約4的COP。
雙螺桿壓縮機由于尺寸小、重量輕和易維護,在諸多工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ笮屯鶑?fù)壓縮機和小型離心壓縮機形成了全面挑戰(zhàn),尤其在制冷、空調(diào)及熱泵應(yīng)用場合,還具有部分負荷下的良好性能。Ochsner基于雙螺桿壓縮機制造的工業(yè)熱泵,熱匯溫度可以實現(xiàn)130°C,制熱量可以達到750kW。
在空氣源熱泵中,由于環(huán)境溫度隨著季節(jié)變換及日夜更替波動較大,空氣側(cè)低溫級循環(huán)的壓 比會在2~10之間波動,為熱泵壓縮機帶來巨大的挑戰(zhàn),要求熱泵壓縮機在寬壓比變動范圍內(nèi)仍然能維持高效。而雙螺桿壓縮機由于帶有內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機構(gòu),可以根據(jù)實際的運行壓比調(diào)節(jié)排氣孔口形狀,實現(xiàn)壓縮機效率的最優(yōu)化。
雙螺桿蒸汽壓縮機介入高溫(排氣溫度達到200°C或更高)領(lǐng)域,主要沿用無油雙螺桿氣體壓縮機路線,結(jié)構(gòu)上將以滑動軸承、多道充氣碳環(huán)密封(或干氣密封)來應(yīng)對高溫工況下的技術(shù)挑戰(zhàn)。
離心壓縮機結(jié)構(gòu)簡單,運動零件少,且制造精度要求低,具有制造成本低和可靠性高的優(yōu)點。雖然離心壓縮機在部分負荷下具有喘振風(fēng)險,但在一些工作壓力變化范圍狹小的場合(如水源熱泵)、制熱量較大(>1MW)的應(yīng)用場合中,仍將具有無可比擬的系統(tǒng)總效率與極有競爭力的投資回收期。FriothermAG的Unitop系列工業(yè)熱泵采用兩級離心壓縮機實現(xiàn)40-90°C的供熱溫度,斯德哥爾摩地區(qū)的供暖網(wǎng)絡(luò)采用了大型熱泵機組,配備了6臺并聯(lián)的Unitop50FY。上海交通大學(xué)與格力空調(diào)聯(lián)合開發(fā)的基于離心壓縮機的10MW級水源熱泵,在30~40°C熱源溫度與60~70°C熱水溫度下運行,在供暖季累計12個月的運行中充分驗證了離心壓縮機的穩(wěn)定性和可靠性。
離心蒸汽壓縮機由于容積流量大,可靠性高,動力平衡性好,是目前蒸汽壓縮領(lǐng)域的主要應(yīng)用機型,目前單級壓縮最大溫升可達20~25°C,雙級壓縮最大溫升可達40~45°C,而且離心蒸汽壓縮機的結(jié)構(gòu)不受排氣溫度與排氣壓力限制,因此可以用在羅茨蒸汽壓縮機與螺桿蒸汽壓縮機所不能勝任的高溫工況(可達250°C或更高)。 離心蒸汽壓縮機的發(fā)展趨勢是小型化與多級化,以延伸到更小氣量與更大溫升的蒸汽壓縮工況。從結(jié)構(gòu)上而言,高速電機直驅(qū)將是未來的主要發(fā)展方向,驅(qū)動電機采用磁懸浮軸承或氣懸浮軸承將避免齒輪傳動所帶來的成本增加與效率損失問題。