潘曦，李彥澎，王瑩，邢子文

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西西安，710049)

制冷技術(shù)為人類社會帶來了巨大便利。隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們追求消費升級，越來越關(guān)注人居的舒適性和食品的品質(zhì)與安全[1]。即使處于新冠疫情導(dǎo)致的全球經(jīng)濟艱難前行的時期，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)支撐之下的低溫儲存和冷鏈運輸?shù)仁袌鲆廊蝗找鏀U大，甚至需求增速更勝以往。冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)在食品領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域都發(fā)揮出了重大作用。

壓縮機是制冷系統(tǒng)的心臟，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成的市場擴大對工商用冷凍冷藏壓縮機行業(yè)是一把雙刃劍。不僅帶來了更大的經(jīng)濟效益和更廣闊的發(fā)展前景，還帶來了更艱巨的挑戰(zhàn)。一方面，在碳中和[2]目標的指引之下，工業(yè)領(lǐng)域需要深度減排，冷凍冷藏產(chǎn)業(yè)鏈也需向低碳轉(zhuǎn)型，冷凍冷藏用制冷壓縮機的生產(chǎn)工藝和技術(shù)創(chuàng)新要向綠色環(huán)保的方向邁進；另一方面，在經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景之下，各個行業(yè)市場競爭激烈。工商用冷凍冷藏壓縮機需要不斷進行技術(shù)革新來達到兼具低成本與高能效的特征，增強市場競爭力，滿足市場對產(chǎn)品品質(zhì)的高要求。

目前市場上工商用冷凍冷藏壓縮機多為活塞壓縮機、螺桿壓縮機、轉(zhuǎn)子壓縮機和渦旋壓縮機。由于壓比較大，離心壓縮機在冷凍冷藏領(lǐng)域目前應(yīng)用較少，但多級離心壓縮機逐漸進入研究人員的視野，關(guān)于其在冷凍冷藏應(yīng)用的研究正在加速開展。本文作者以壓縮機種類為劃分，討論往復(fù)式活塞壓縮機、螺桿壓縮機、渦旋壓縮機與轉(zhuǎn)子壓縮機4種壓縮機的研究現(xiàn)狀，總結(jié)不同機型在工商用冷凍冷藏領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)內(nèi)容，確定各種壓縮機結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點與適用范圍；然后分析4種壓縮機的市場及其主流機型，對比不同結(jié)構(gòu)形式的壓縮機在相應(yīng)的運行工況下的性能系數(shù)，為不同冷量和溫區(qū)下壓縮機選型提供了數(shù)據(jù)支撐；最后，探討當前技術(shù)和產(chǎn)品存在的問題，從壓縮機能效提升、減振降噪技術(shù)與經(jīng)濟性等方面對4種壓縮機進行展望，為工商用冷凍冷藏壓縮機領(lǐng)域的研究人員、制造廠商和政策制定者提供了參考。

1 冷凍冷藏用活塞壓縮機研究現(xiàn)狀

活塞壓縮機在冷凍冷藏領(lǐng)域的應(yīng)用機型有全封式、半封式和開啟式。全封式活塞壓縮機主要應(yīng)用于輕商領(lǐng)域，如飲料展示柜和制冰機自動售賣機等，其功率一般在735 W以下；半封式活塞壓縮機主要應(yīng)用大型冷凍冷藏場所，其功率一般為2.20～36.75 kW；開啟式活塞壓縮機主要應(yīng)用于制冷量不大、成本較低的場合，同時還包括一些特殊的場景如船用冷凍冷藏場所，其功率一般在3～30 kW。2015—2020年，國內(nèi)只有全封式活塞壓縮機銷量復(fù)合增長率達4.7%，半封式及開啟式總體上都呈現(xiàn)負增長趨勢。但就活塞壓縮機的銷量來說，其在冷凍冷藏壓縮機領(lǐng)域的地位依然穩(wěn)固，國內(nèi)市場及海外市場的發(fā)展持續(xù)向好。

1.1 全封式活塞壓縮機

全封式活塞壓縮機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好與噪聲低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于輕商用冷凍冷藏領(lǐng)域，尤其是對系統(tǒng)穩(wěn)定性、耐久性要求較高的小冷量場合，例如冰箱、酒柜與小冷庫等。其中，近年來新零售行業(yè)的快速發(fā)展，輕型商用壓縮機的銷量增幅遠高于家用壓縮機[3]，未來的市場潛力也將持續(xù)增大。關(guān)于全封式活塞壓縮機的技術(shù)研究已經(jīng)非常成熟。無論是結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件研究與振動噪聲，還是壓縮機的運行控制與變頻調(diào)節(jié)都有成熟的技術(shù)與產(chǎn)品可以借鑒。目前根據(jù)市場需求，全封式活塞壓縮機的技術(shù)發(fā)展需要滿足應(yīng)用途徑的多樣性，其可靠性與能效仍需不斷提高。

輕商用制冷設(shè)備高效節(jié)能的要求與相關(guān)能效標準的實施讓變頻全封式活塞壓縮機獲得了高速發(fā)展。變頻技術(shù)的成熟與相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)降低了變頻全封式壓縮機的生產(chǎn)成本，導(dǎo)致變頻全封式活塞壓縮機成為高端冰箱的標配。對于變頻壓縮機而言，需要深入研究固定剛度下吸排氣閥在不同運行頻率下的運動規(guī)律，進而選取最優(yōu)的氣閥剛度。合適的氣閥剛度可以改善閥片的運動規(guī)律，提升氣閥的壽命，降低壓縮機在變頻工況下的綜合排氣流動損失。在超高頻率運行時，適當提高吸排氣閥閥片的剛度和固有頻率有利于提升壓縮機的容積效率[4]。而開發(fā)新型高效氣閥對于拓展全封式活塞壓縮機應(yīng)用場合十分重要，EGGER 等[5]提出了一種新型高效的舌簧閥，基于多響應(yīng)優(yōu)化方法優(yōu)化了舌簧閥的幾個變量，降低了壓縮機內(nèi)的排氣流動損失，提高了壓縮機的性能系數(shù)、制冷量及可靠性。另一方面，全封式活塞壓縮機內(nèi)活塞的運動軌跡對其熱力性能有至關(guān)重要的影響，SILVA 等[6]建立了全封式活塞壓縮機的仿真模型，結(jié)合遺傳優(yōu)化算法確定了特定工況下活塞的最佳軌跡，并通過實驗驗證了其有效性，有效地提升了壓縮機的熱力性能。此外，全封式活塞壓縮機的故障診斷對于輕商用制冷設(shè)備全生命周期的運行維護具有重要的意義。KOCYIGIT等[7]使用p?h圖對蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中的全封式活塞壓縮機進行了故障診斷，為壓縮機的無損化故障診斷提供了借鑒。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，全封式活塞壓縮機在近幾年內(nèi)仍會保持高速的發(fā)展。

1.2 半封式活塞壓縮機

半封式活塞壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、制冷量范圍廣和適應(yīng)性強等特點，在工商用冷凍冷藏領(lǐng)域的應(yīng)用比例最大[8]，其應(yīng)用場合多為中小型冷庫、工藝冷卻設(shè)備與冷藏運輸?shù)?。國?nèi)的單機半封式活塞壓縮機按氣缸數(shù)量劃分可以分為2缸、4缸、6缸和8缸4種類型；而國外的單機半封式活塞壓縮機則劃分為2缸、3缸、4缸和6缸4種類型。一般而言，氣缸數(shù)量增多，其排量也隨之增大，對應(yīng)的額定功率也提升。對于額定功率較小的機型，潤滑方式一般采用飛濺潤滑，并直接由冷凝器風機或獨立風機強制對流冷卻電機；而對于功率較大的機型，一般增設(shè)油泵為壓縮機提供充足的潤滑油，并采用吸氣冷卻的方式冷卻電機，極端情況下會考慮使用噴液的方式保證電機的安全運行。近年來，隨著大功率渦旋壓縮機和小型螺桿壓縮機相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，半封式活塞壓縮機的市場受到了擠壓。然而，在8.8～29.4 kW 的功率范圍內(nèi)，當蒸發(fā)溫度較低時，半封式活塞壓縮機憑借其性能與價格優(yōu)勢依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。

作為工商用冷凍冷藏領(lǐng)域內(nèi)覆蓋應(yīng)用范圍最廣的壓縮機，半封式活塞壓縮機的技術(shù)已較完善。目前的研究大多聚焦于提高能效、可靠性與制冷劑替代等方面。能效方面主要關(guān)注壓縮機的容積效率與絕熱效率，通過建立合理的數(shù)學(xué)模型模擬壓縮機的工作過程，進而獲得壓縮機的熱力性能參數(shù)。ROSKOSCH 等[9]建立了一種活塞壓縮機數(shù)學(xué)模型，以快速預(yù)測壓縮機的容積效率和絕熱效率，計算結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差較?。籝ANG等[10]提出了一種CO2半封式往復(fù)壓縮機的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了壓縮機的輸入功率和質(zhì)量流量，預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果較吻合；RIVA 等[11]測試了以丙烷為制冷劑的半封式活塞壓縮機的性能，發(fā)現(xiàn)吸入過熱蒸汽可以提高壓縮機的容積效率。此外，氣閥是半封式活塞壓縮機內(nèi)的易損件，改善閥片的運動規(guī)律對氣閥的壽命具有重要的影響。MA等[12]開發(fā)了一種CO2制冷半封式活塞壓縮機，研究了壓縮機內(nèi)排氣閥的動態(tài)特性，獲得了閥片的運動規(guī)律，通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高了壓縮機的可靠性。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，冷凍冷藏用半封式活塞壓縮機獲得了穩(wěn)定發(fā)展，在其主要應(yīng)用范圍內(nèi)依然占主導(dǎo)地位。

1.3 開啟式活塞壓縮機

開啟式活塞壓縮機的轉(zhuǎn)速偏高，可以實現(xiàn)多缸結(jié)構(gòu)，按氣缸數(shù)量可分為2缸、4缸和6缸這3種機型，有皮帶輪驅(qū)動和直接電機驅(qū)動2種驅(qū)動方式可供選擇，一般具有特殊的調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)分級能量調(diào)節(jié)[13]，并適用R22，R404A以及氨等天然低溫工質(zhì)。潤滑方式一般采用油泵對機組進行潤滑，并通過油冷卻與吸氣冷卻保證軸封的密封性。開啟式活塞壓縮機的應(yīng)用范圍較窄，目前主要應(yīng)用于大中型冷庫和船用冷凍冷藏等特殊場合。該機型的易損件較多，需要定時檢修氣閥與活塞環(huán)等易損件。在低溫場合下，開啟式活塞壓縮機處理吸氣帶液的能力較差，但其承壓高和操作簡單等優(yōu)勢依然為其保有特定市場[14]。由于市場潛力不大，近些年開啟式活塞壓縮機的相關(guān)研究較少，在壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行性能與控制邏輯等方面沒有較大突破，部分研究聚焦在結(jié)合人工智能模型的數(shù)學(xué)建模。LEDESMA等[15]使用人工智能模型研究了活塞壓縮機的熱力性能，使用優(yōu)化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對壓縮機的3 個能量參數(shù)進行高精度建模，發(fā)現(xiàn)了預(yù)測質(zhì)量流量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有最高精度。依托于現(xiàn)有的技術(shù)研究成果，開啟式活塞壓縮機在其特定市場下依然具有明顯優(yōu)勢，但由于運行性能與當前市場份額等方面的劣勢，該機型很難再有較大突破。

2 冷凍冷藏用螺桿壓縮機研究現(xiàn)狀

螺桿壓縮機具有轉(zhuǎn)速高、體積小、質(zhì)量輕、振動小和噪聲小等優(yōu)點，在單機頭大冷量方面具有絕對優(yōu)勢。受益于冷鏈物流的高速發(fā)展，冷凍冷藏用螺桿壓縮機市場在近5年獲得了穩(wěn)步提升，而其中最主要的機型是半封式螺桿壓縮機與開啟式螺桿壓縮機。半封式螺桿壓縮機冷量覆蓋范圍較廣，其功率為29.4～73.5 kW。主流的半封式螺桿壓縮機相比于活塞壓縮機具有更大的排氣量和額定功率，根據(jù)轉(zhuǎn)子齒數(shù)比大致可以分為5/6齒和5/7齒這2類。一般5/6齒機型的排氣量略大于5/7齒機型的排氣量，對應(yīng)額定功率也略高。而開啟式螺桿壓縮機的冷量相對較大，其排氣量一般大于250 m3/h，并可適應(yīng)更大的壓比與更寬廣的容量范圍。不同于活塞壓縮機，利用吸排氣壓差驅(qū)動潤滑是冷凍冷藏用螺桿壓縮機的主要潤滑方式，而電機冷卻方式則兼有吸氣冷卻與噴液冷卻。由于螺桿壓縮機的機型一般偏大，所以大多數(shù)產(chǎn)品都帶有內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑閥或容量調(diào)節(jié)滑閥以適應(yīng)不同負荷下的冷量需求。

螺桿壓縮機依靠一對相互嚙合的陰陽轉(zhuǎn)子使其工作容積發(fā)生周期性變化進而實現(xiàn)氣體壓縮。圖1所示為半封式螺桿壓縮機的結(jié)構(gòu)簡圖。由圖1可見：轉(zhuǎn)子的齒面與轉(zhuǎn)子軸線垂直面的截交線稱為轉(zhuǎn)子型線，轉(zhuǎn)子型線可以影響接觸線、泄漏三角形、封閉容積與齒間面積等，對螺桿壓縮機性能具有至關(guān)重要的影響。

圖1 半封閉式螺桿壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of semi-hermetic screw compressor

螺桿壓縮機型線主要包括對稱圓弧形線與不對稱形線，國內(nèi)外著名的螺桿壓縮機生產(chǎn)廠家都是伴隨著新型線的開發(fā)而不斷發(fā)展壯大進而快速搶占市場份額。因此，需要加大力度開發(fā)適用于不同工況下的高效螺桿壓縮機型線。邢子文等[16?17]總結(jié)了螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線與壓縮機幾何特性的計算方法并開發(fā)了螺桿壓縮機設(shè)計計算軟件，設(shè)計了適用于低溫工況下的轉(zhuǎn)子型線以匹配工質(zhì)特性、壓縮機內(nèi)部換熱與轉(zhuǎn)子受力情況；王文軍等[18]基于三維激光掃描儀測得的數(shù)據(jù)點，利用NURBS曲線將轉(zhuǎn)子截面數(shù)據(jù)擬合成型線，提出了一種螺桿型線設(shè)計方法；王炳明等[19?20]采用包絡(luò)理論設(shè)計了CO2螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子型線并設(shè)計了壓縮機的排氣孔口，實驗測試發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的樣機可以滿足NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)的要求。

在研發(fā)新的理論型線的同時還需要研究實際型線，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計刀具的刃形。在刀具刃形的設(shè)計中需要考慮的因素較多，包括轉(zhuǎn)子在加工和運行過程中的受力變形、工作中的熱膨脹、前后齒面間隙的不均勻性、不同齒面的相對速度對間隙的不同要求等，進而使加工出的轉(zhuǎn)子在接觸線各點上具有優(yōu)化的間隙分布，保證壓縮機在運行時具有優(yōu)越性能?，F(xiàn)有冷凍冷藏用螺桿壓縮機型線設(shè)計技術(shù)已較成熟，基本可以匹配現(xiàn)有的運行工況。隨著螺桿壓縮機逐步擴大適用范圍，轉(zhuǎn)子型線需要進一步更新迭代，現(xiàn)有技術(shù)可為新型線的開發(fā)提供參考。

螺桿壓縮機可以通過變頻與滑閥調(diào)節(jié)壓縮機的容量。文命清等[21]研究了冷凍油的物理性能對螺桿壓縮機滑閥卸載力與滑閥容量調(diào)節(jié)機構(gòu)可靠性的影響，發(fā)現(xiàn)增大滑閥在吸氣端的受力面積與減小毛細管孔徑均可減小低黏度冷凍油對滑閥容量調(diào)節(jié)機構(gòu)可靠性的負面影響；王衍智等[22]通過實驗對比，驗證了單機雙級變頻螺桿機組在低溫速凍裝置中具有更加突出的節(jié)能效果，在蒸發(fā)溫度為?40 ℃、冷凝溫度為40 ℃時，該機型的性能系數(shù)可達1.86；狄紅麗等[23]對比研究了應(yīng)用于冷水機組的雙螺桿壓縮機滑閥調(diào)節(jié)與變頻調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)在滿載工況下性能系數(shù)有所降低，而其綜合部分負荷性能系數(shù)提高約14%。目前尚缺乏對螺桿壓縮機在冷凍冷藏工況下各容量調(diào)節(jié)方式的對比研究，冷水機組中的相關(guān)研究可為其提供參考，在考慮制造成本的情況選取合適的容量調(diào)節(jié)方式對冷凍冷藏用螺桿壓縮機生產(chǎn)企業(yè)具有重大的意義。

理論上，使用經(jīng)濟器對螺桿壓縮機進行補氣可以有效地提高系統(tǒng)的制冷量與性能系數(shù)。而補氣壓力與補氣口位置對補氣效果與壓縮機性能提升具有重要影響?，F(xiàn)有文獻對冷凍冷藏用螺桿壓縮機補氣研究較少，需參考冷水機組中螺桿壓縮機補氣壓力與補氣口設(shè)置。而目前國內(nèi)一些企業(yè)采用冷卻電機與潤滑油后的高壓制冷劑在吸氣結(jié)束角處開始補氣以增大系統(tǒng)的制冷量、減少壓縮機開啟數(shù)目，但該補氣方式對系統(tǒng)的性能系數(shù)有負面影響。因此，冷凍冷藏用螺桿壓縮機亟需補氣方面的理論研究以指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。另一方面，噴油技術(shù)同樣對冷凍冷藏用螺桿壓縮機的性能有重要的影響。油量較少會導(dǎo)致壓縮機內(nèi)摩擦損失較大、溫度較高，對壓縮機運行性能有負面影響；而油量較多則會導(dǎo)致壓縮機的功耗增大。設(shè)計合適的噴油孔與噴油量對壓縮機而言至關(guān)重要?，F(xiàn)有文獻對冷凍冷藏用螺桿壓縮機噴油技術(shù)的研究較少，同樣需要參考冷水機組用螺桿壓縮機噴油技術(shù)[24]。

制冷劑替代方面，R22與R404A仍是冷凍冷藏用螺桿壓縮機使用的主流工質(zhì)。而自然工質(zhì)NH3和CO2也逐漸進入研究人員與生產(chǎn)企業(yè)的視野。單級高壓比的NH3開啟式螺桿壓縮機與NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)中所用的開啟式與半封式螺桿壓縮機逐漸占領(lǐng)了一定的市場份額。宋有強等[25]實驗研究了使用NH3和R22的開啟式螺桿壓縮機的熱力性能，發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)溫度為5～35 ℃，冷凝溫度為30～40 ℃時，使用NH3的螺桿壓縮機容積效率提高了約3%，性能系數(shù)提高6%～10%。而采用CO2作為低溫級制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)已在歐美國家的超市與冷庫工程中大量應(yīng)用。我國自主研發(fā)的用于NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)的螺桿壓縮機已達到國際先進水平。

3 冷凍冷藏用渦旋壓縮機研究現(xiàn)狀

渦旋壓縮機具有結(jié)構(gòu)精密、體積小、可靠性高和運行平穩(wěn)的特點，其產(chǎn)品與市場以空調(diào)為主。按照是否支持帶經(jīng)濟器運行可將渦旋壓縮機分為噴液機型與補氣機型2種，補氣機型一般稍大于噴液機型，且運行效率也更高。憑借優(yōu)異性能，近年來渦旋壓縮機在冷凍冷藏領(lǐng)域的份額逐漸增大，大多應(yīng)用于冷庫和零售行業(yè)。在冷凍冷藏領(lǐng)域，由于需要增加經(jīng)濟器等部件達到更低溫度，同時制造成本較高，渦旋壓縮機在冷凍冷藏領(lǐng)域的主要方向是中高溫市場，且市場占有率較低，相關(guān)的研究較少。

影響渦旋壓縮機的關(guān)鍵因素之一是壓縮機內(nèi)部的泄漏損失，主要包括徑向泄漏與切向泄漏?，F(xiàn)有文獻對冷凍冷藏用渦旋壓縮機泄漏研究較少。相比于空調(diào)用渦旋壓縮機，冷凍冷藏用渦旋壓縮機的壓比較大，導(dǎo)致壓縮機內(nèi)部的泄漏損失較大，因而需要更深入的理論與實驗研究。目前常見的泄漏模型包括噴管模型、Fanno模型與兩相流動泄漏模型，這些模型均可應(yīng)用到冷凍冷藏用渦旋壓縮機中。袁秀玲等[26]同時考慮黏性摩擦力與慣性力，建立了小間隙泄漏模型，發(fā)現(xiàn)該模型的計算結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合；李力等[27]將渦旋壓縮機內(nèi)切向泄漏模型簡化為漸縮管、直管段和漸擴管這3 部分的組合，并計算了壓縮機內(nèi)的切向泄漏量；江波等[28]研究油潤滑渦旋壓縮機泄漏通道內(nèi)流體流態(tài)，提出了不同流態(tài)的判定方法與對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；RAK 等[29]分析了排氣壓力和轉(zhuǎn)速等對工作腔內(nèi)部切向泄漏的影響，獲得了切向泄漏對渦旋壓縮機工作腔內(nèi)熱力過程的影響。這些研究成果均可為冷凍冷藏渦旋壓縮機內(nèi)的泄漏研究提供參考。

補氣技術(shù)可以應(yīng)用于冷凍冷藏用渦旋壓縮機，而補氣量、補氣壓力與補氣口的設(shè)置對壓縮機性能有較大影響；噴液技術(shù)同樣可以應(yīng)用于冷凍冷藏用渦旋壓縮機，而噴液量與噴液口的設(shè)置對壓縮機性能也有較大影響。冷凍冷藏用渦旋壓縮機的補氣技術(shù)與噴液技術(shù)還需要更深入的理論研究。另一方面，渦旋壓縮機內(nèi)各部件的動力學(xué)特性直接影響著壓縮機的熱力性能、可靠性與壽命，現(xiàn)有研究成果可以較好地描述干式與油潤滑渦旋壓縮機的動力特性[30?31]。此外，渦旋壓縮機內(nèi)各個軸承的動力特性也將影響壓縮機的軸功率。彭斌等[32]建立了變截面渦旋壓縮機容積、氣體力與摩擦損失的數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)影響壓縮機機械效率的主要原因是主軸承處的摩擦損失；ISHII 等[33]研究了不同壓力下渦旋壓縮機止推滑動軸承的動力特性，確定了由壓差引起的止推滑動軸承處的潤滑和摩擦情況；KIM 等[34]建立了推力軸承的動力特性模型，計算了推力軸承上的壓力分布、結(jié)構(gòu)變形和熱膨脹，對渦旋壓縮機的性能預(yù)測起到了輔助作用。

相比空調(diào)工況，冷凍冷藏工況中冷凝壓力與蒸發(fā)壓力相差較大，較高的壓比引起壓縮機內(nèi)運動部件間磨損增加，進而影響壓縮機的可靠性[35]，因此，渦旋壓縮機在應(yīng)用范圍上存在一定限制。開發(fā)新型線是解決渦旋壓縮機在冷凍冷藏工況中運行效率較低的直接手段。型線優(yōu)化方面需要充分使用結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動力學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法改善壓縮機的摩擦與泄漏特性[36]，提升壓縮機的熱力性能，同時需要兼顧加工與制造成本。作為螺桿壓縮機的競爭對手，冷凍冷藏用渦旋壓縮機的多聯(lián)機組需要簡化控制、降低故障率的同時向大冷量方向發(fā)展，力求推出單機競品。結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能的方法可以針對每一臺壓縮機訓(xùn)練定制化模型，進而達到多機并聯(lián)時系統(tǒng)的最優(yōu)控制。此外，冷凍冷藏用渦旋壓縮機工質(zhì)選取對壓縮機的性能有重要的影響。張樂平[37]基于現(xiàn)有的R404A渦旋壓縮機采用4種制冷劑進行替代，并計算了5 種制冷劑的理論循環(huán)性能系數(shù)，發(fā)現(xiàn)與R134a 與R1234ze 相比，R407a 與R407f 具有更好的替代性。新的替代工質(zhì)對渦旋壓縮機的研發(fā)提出了更高要求，還需要更多相關(guān)的理論與實驗研究。

4 冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)子壓縮機結(jié)構(gòu)簡單、零部件少，振動小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，是空調(diào)中應(yīng)用的主要機型。圖2所示為全封式無氣閥擺動轉(zhuǎn)子壓縮機示意圖，該機型主要包括電機、壓縮機及油池。近年來，房地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展速度減緩，家用空調(diào)行業(yè)飽和，滾動轉(zhuǎn)子壓縮機向冷凍冷藏等領(lǐng)域開拓市場。QB/T 5203—2017“冷凍冷藏噴液旋轉(zhuǎn)式壓縮機”的制定[38]進一步加快了轉(zhuǎn)子壓縮機在搶占市場的速度，甚至替代了部分全封式活塞壓縮機和渦旋壓縮機。轉(zhuǎn)子式壓縮機的功率目前最大可達到8.8 kW，受到功率限制，轉(zhuǎn)子壓縮機難以匹配大型冷凍冷藏系統(tǒng)，目前主要應(yīng)用場合有展示柜和小型冷庫等。為了匹配較低蒸發(fā)溫度帶來的高壓比和解決高壓比帶來的冷量衰減，轉(zhuǎn)子壓縮機逐漸向雙缸雙級壓縮發(fā)展，甚至有部分企業(yè)在研發(fā)三缸轉(zhuǎn)子壓縮機。通過多缸設(shè)計技術(shù)，轉(zhuǎn)子壓縮機的應(yīng)用范圍可以進一步擴寬，進而搶占市場份額。此外，與家用空調(diào)壓縮機類似，隨著制造廠商在研發(fā)上的不斷投入，冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機的成本會有顯著降低。成本方面的優(yōu)勢會使轉(zhuǎn)子壓縮機在輕商用冷凍冷藏領(lǐng)域具有更強的競爭性。

圖2 全封式無氣閥擺動轉(zhuǎn)子壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of hermetic swing compressor with no valve

轉(zhuǎn)子壓縮機的技術(shù)發(fā)展趨勢一般取決于其所在的應(yīng)用場合的發(fā)展需求。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)領(lǐng)域中轉(zhuǎn)子壓縮機通常為了適應(yīng)新場合的工況或是新制冷劑的應(yīng)用，或是為了達到更高能效、更低噪聲與更低成本，相應(yīng)地會進行新技術(shù)更迭。冷凍冷藏領(lǐng)域是轉(zhuǎn)子壓縮機正在進軍的方向，目前缺乏深入的理論研究，而家用空調(diào)轉(zhuǎn)子壓縮機的技術(shù)已經(jīng)較成熟，相關(guān)技術(shù)可作為參考。

轉(zhuǎn)子壓縮機的熱力性能與動力特性是影響壓縮機效率的關(guān)鍵因素，國內(nèi)外學(xué)者對兩者的研究較詳盡。熱力性能方面主要考慮泄漏特性，用于計算壓縮機內(nèi)泄漏量的模型有很多，包括一維等熵噴嘴模型、Fanno 模型[39?40]與兩相流動模型[41?43]，考慮到冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機一般需要使用潤滑油進行冷卻，兩相流動模型可以更準確地描述壓縮機間隙內(nèi)的流動過程。動力特性方面主要考慮轉(zhuǎn)子、偏心輪軸與滑片的運動、受力及摩擦特性?？紤]到壓縮機各間隙內(nèi)充滿潤滑油，針對不同運動部件間的摩擦特性可以選取大平板間流體潤滑模型、邊界潤滑模型與軸承潤滑理論等進行分析計算[44]。吳建華[45]詳細研究房間空調(diào)器用變頻轉(zhuǎn)子壓縮機熱力性能與動力特性，分析了壓縮機的幾何特性、各間隙的泄露損失、排氣閥運動規(guī)律和各運動部件的動力學(xué)特性等，對冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機的開發(fā)具有重要的借鑒意義。

振動噪聲方面，轉(zhuǎn)子壓縮機運行時產(chǎn)生的噪聲主要包括機械性噪聲和流體動力性噪聲。機械性噪聲主要由固體振動所產(chǎn)生，包括各運動部件間的碰撞、摩擦和振動等。而流體動力性噪聲主要由壓縮機內(nèi)流體振動所產(chǎn)生，主要包括壓縮機吸氣及排氣產(chǎn)生的流體動力性噪聲，其中排氣側(cè)高壓氣體氣流脈動誘發(fā)的流體動力性噪聲更顯著。制造廠商一般采用在排氣閥上加裝消音器消除這部分噪聲，消音器的相關(guān)技術(shù)已較成熟。然而如何在根源上減小甚至是消除部分流體噪聲成為減振降噪領(lǐng)域一大發(fā)展趨勢。

制冷工質(zhì)方面，相比于R134a 和R600a，R22和R404A 可以使得排量較小的壓縮機擁有更大制冷量[46]。然而對于R22 而言，壓縮機排氣溫度較高，甚至超過了150 ℃；對于R404A 而言，壓縮機排氣溫度也超過了120 ℃，較高排氣溫度會影響壓縮機的性能，甚至可能造成潤滑油碳化。為了解決這一問題，相關(guān)制造企業(yè)考慮使用中間噴液技術(shù)，利用一次節(jié)流后液體制冷劑降低壓縮機壓縮腔內(nèi)制冷劑的溫度。然而，還需要進一步深入研究噴液壓力、噴液口設(shè)置及噴液量等，如何避免壓縮機內(nèi)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象也是噴液技術(shù)需要考慮的重點，高效噴液技術(shù)成為轉(zhuǎn)子壓縮機在冷凍冷藏領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

5 結(jié)論與展望

在良好的應(yīng)用前景與日益增長的市場需求下，工商用冷凍冷藏壓縮機獲得了高速發(fā)展，并向著高效、節(jié)能、環(huán)保、大冷量和低庫溫的方向前進。本文詳細調(diào)研了工商用冷凍冷藏壓縮機，以壓縮機種類為劃分，對活塞壓縮機、螺桿壓縮機、渦旋壓縮機與轉(zhuǎn)子壓縮機的研究現(xiàn)狀進行了分析與討論，總結(jié)了現(xiàn)有工商用冷凍冷壓縮機的相關(guān)技術(shù)。而新零售與冷鏈的發(fā)展對工商用冷凍冷藏壓縮機提出了更高要求，針對不同應(yīng)用場合的需求，各類壓縮機還需要進行相應(yīng)的升級。

1)冷凍冷藏用活塞壓縮機。

對于冷凍冷藏用活塞壓縮機而言，從結(jié)構(gòu)設(shè)計與零部件的角度考慮，需要優(yōu)化壓縮機內(nèi)的易損件，提升可靠性與壽命的同時保證壓縮機的運行性能。如氣閥的設(shè)計需要兼顧有效通流面積、余隙容積與排氣流動損失，同時還需要考慮氣流脈動帶來的流體動力性噪聲。運行控制方面需要考慮多級壓縮中壓比的選取、噴液技術(shù)的應(yīng)用與壓縮機冷卻方式的選取。此外，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能模型的性能預(yù)測與故障診斷是近些年活塞壓縮機技術(shù)研究的方向，需要針對不同場合下不同形式的活塞壓縮機建立定制化高精度的數(shù)學(xué)模型，通過智能運行控制與故障診斷提高活塞壓縮機的能效與可靠性。

2)冷凍冷藏用螺桿壓縮機。

對于冷凍冷藏用螺桿壓縮機而言，在結(jié)構(gòu)與零部件方面需要著重關(guān)注新型線的開發(fā)、補氣壓力、補氣口位置設(shè)置、噴油口位置設(shè)置與噴油量。轉(zhuǎn)子型線的加工技術(shù)也需要進一步提高。對于蒸發(fā)溫度較低的應(yīng)用場合，需要定制化開發(fā)適用于大壓比、低庫溫的螺桿壓縮機，如單機兩級壓縮螺桿壓縮機等。運行控制方面，螺桿壓縮機的智能化運行及控制在冷凍冷藏系統(tǒng)中同樣尤為重要。冷凍冷藏系統(tǒng)在實際運行中系統(tǒng)負荷會有較大波動，導(dǎo)致系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、復(fù)疊系統(tǒng)的中間壓力與溫度均有較大波動，設(shè)置合適的運行參數(shù)可以提升壓縮機的運行效率。對于多臺并聯(lián)機組而言，合理地分配系統(tǒng)總負荷給予每臺壓縮機同樣可以提高系統(tǒng)整體的性能系數(shù)。因此，在提高壓縮機設(shè)計與制造水平的同時，壓縮機智能運行及控制成為提高系統(tǒng)性能的另一重要課題。此外，螺桿壓縮機的故障診斷與遠程監(jiān)控對大中型冷庫而言具有重要的意義。及時的故障預(yù)測與精準的故障診斷可以實現(xiàn)將事件驅(qū)動的故障維修變?yōu)槟Ｐ万?qū)動的預(yù)測維護，進而實現(xiàn)冷庫的長時間正常運行。目前，結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能模型的方法是一種有效地故障診斷方式，該項研究目前還處于初步探索階段，還需更深入的理論與實驗研究。

3)冷凍冷藏用渦旋壓縮機。

對于冷凍冷藏用渦旋壓縮機而言，需要開發(fā)新型線以滿足低蒸發(fā)溫度帶來的大壓比的運行條件。型線優(yōu)化方面需要充分使用結(jié)構(gòu)力學(xué)和空氣動力學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的方法改善壓縮機的摩擦與泄漏特性，提升壓縮機的熱力性能，同時需要兼顧加工與制造成本。運行控制方面需要考慮補氣與噴液技術(shù)。此外，作為螺桿壓縮機的競爭對手，渦旋壓縮機的多聯(lián)機組需要簡化控制、降低故障率并向大冷量方向發(fā)展，力求推出單機競品。結(jié)合大數(shù)據(jù)與人工智能的方法可以針對每一臺壓縮機訓(xùn)練定制化模型，進而達到多機并聯(lián)時系統(tǒng)的最優(yōu)控制。振動噪聲方面，需要研究渦旋壓縮機內(nèi)的氣流脈動與機械振動，從誘發(fā)機理上減小壓縮機的噪聲。

4)冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子縮機。

對于轉(zhuǎn)子壓縮機而言，提升轉(zhuǎn)子壓縮機性能對蒸汽壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)能源利用效率優(yōu)化有著至關(guān)重要的作用，也是轉(zhuǎn)子壓縮機技術(shù)發(fā)展歷程中主題。提升壓縮機的能效需從熱力性能與動力特性2個方面考慮。目前冷凍冷藏轉(zhuǎn)子壓縮機尚處在初步研究階段，相關(guān)的理論與實驗研究需借鑒成熟的家用空調(diào)轉(zhuǎn)子壓縮機的相關(guān)技術(shù)。此外，中間噴液技術(shù)可以很好地解決壓縮機排氣溫度過高的問題，而噴液量與噴液壓力對壓縮機性能有至關(guān)重要的影響。高效的噴液技術(shù)將會成為冷凍冷藏用轉(zhuǎn)子壓縮機未來重要的研究方向。為了匹配較低的蒸發(fā)溫度帶來的高壓比和解決高壓比帶來的冷量衰減，轉(zhuǎn)子壓縮機逐漸向多缸多級壓縮發(fā)展。通過多缸設(shè)計技術(shù)，轉(zhuǎn)子壓縮機的運行范圍可以進一步擴寬。另一方面，為了進一步降低轉(zhuǎn)子壓縮機的制造成本與材料成本，研究人員在轉(zhuǎn)子壓縮機結(jié)構(gòu)、材料及加工技術(shù)上紛紛投入了大量資金以求突破現(xiàn)有瓶頸。高效、低成本的轉(zhuǎn)子壓縮機結(jié)構(gòu)成為冷凍冷藏轉(zhuǎn)子壓縮機的重要研究方向。而傳統(tǒng)的擺動轉(zhuǎn)子壓縮機在適應(yīng)高壓差制冷工況方面具有一定的優(yōu)勢，深入研究擺動轉(zhuǎn)子壓縮機對轉(zhuǎn)子式壓縮機冷凍冷藏用具有重要的意義。