1.1.3替代中的技术问题

    由制冷剂替代引起很多相关基础理论和技术问题，如替代制冷剂的热物理性质和迁移性质的确定、热物性现代测试技术、制冷工质热物性数据评估及网络数据库的建立、润滑油的开发与匹配、油与替代制冷剂的互溶性、流动与传热特性，耐新型制冷剂的材料研究，针对替代制冷剂的压缩机及制冷系统的设计理论等。目前，根据各国情况不同，具体的替代期限亦有差异，过渡性制冷工质（如R134a等）和自然工质（如碳氢化合物、二氧化碳等）依然是研究的热点。

    CO2(R744)是一种自然工质，它的特点是单位容积制冷量大，而且ODP为0,GWP值为1。主要问题是其临界温度较低(31.1℃)及相同温度下的饱和压力比较高，使得制冷循环跨临界和制冷系统的高压力。因此，提高系统循环效率与安全可靠性，进行系统装置的结构设计和优化，比如改节流过程为膨胀过程以回收高压冷媒的焓值等，是CO2超临界制冷循环系统应用研究的关键。

NH3（R717）是另一种自然工质，其ODP为0,GWP值小于1，具有较好的热力性质和热物理性质，属于中温制冷剂，但由于易燃、有毒的缺点，其应用受到限制。只要氨的使用安全问题得到解决，作为有近130年历史的氨制冷剂的使用范围的进一步扩大应该不成问题，而且势必成为替代CFCs和HCFCs的主要物质之一。长远来说，制冷剂发展的最终趋势极有可能就是回到上个世纪，即用现代压缩机及其改进技术和上个世纪广泛采用的天然制冷剂来实现压缩式制冷循环对环境保护的要求。

2.2节能技术

    制冷与空调装置的运行所消耗的电量已占我国年发电总量的近四分之一（在美国等工业发达国家为40%），随着经济与社会的发展，这一比例必然增加。因此，深入研究现有制冷循环的工作过程、分析制冷循环中工作流体的物性，研究新的制冷循环、强化热力过程（蒸发、压缩、冷凝等）等，对于提高制冷装置的效率、节约能源、保护生态环境具有极其重要的意义，也是制冷行业和制冷学科的研究热点。

2.2.1研究制冷循环改进制冷系统的设计

    制冷循环是制冷系统设计的基础。对制冷循环的研究包括：研究新的制冷循环或制冷方法，实现能量的更有效转化；改进制冷系统，发掘节能潜力，实现任意环境不同工况下机组的高效运行；探索特殊制冷尤其是低温制冷技术的普冷化方法。

2.2.2开发节能型制冷压缩机

    从应用的领域和市场保有量来看，压缩式制冷循环在制冷装置中仍占据主导地位，因此作为制冷与空调装置心脏的压缩机技术的研发就成为核心问题，而制冷与空调系统节能的关键技术之一，就是开发生产节能高效的制冷压缩机。除了不同结构型式的压缩机采用新技术以提高工作效率外，变频与变容量压缩机的开发也是实现制冷与空调系统高效运行的重要技术，它不仅可以减少断续运行造成的能量损失（主要是建立高低压力差需要的功耗），而且可以缩小被调节环境的温度差从而增加了舒适性。

    变频压缩机具有高效、节能和控温精度高的优点，是制冷压缩机技术发展的热点，变频空调器将是未来市场的主要走向之一。这种压缩机的转速随频率而变化，转速变化则几乎与排气量或制冷量成正比例关系。变频与控制相结合,可根据设定温度要求实现制冷量供需的基本平衡和系统的高效率运行，达到节能的目的。如果采用季节能效比ＳＥＥＲ来分析制冷和空调的用能效率,变频技术比固定转速压缩机可节能30%以上。变频技术还可以减轻制冷设备在非满负荷条件下工作以及频繁启停对电网电压造成的影响。近几年，变频调速的制冷空调设备有了较快的发展，在日本的变频空调已经占据80%～90%的市场份额。在我国，未来变频空调技术的发展应以开发生产变频性能更好的直流变频压缩机，以及与之配套的直流变频电机、变频控制器为主。变频压缩机主要的研发方向是解决低速运转时的振动问题和润滑油供给问题，高速运转时的轴承负荷问题、摩擦和磨损问题以及设计制造问题等。

变排量技术是在相同转速下实现气量（制冷量）调节的一种实用技术，它是通过压缩机自身吸气量的改变来实现制冷量的调节。变排量技术是在保证制冷系统尤其是压缩机高效工作的前提下实现冷量供需平衡的最简单也是最有效的手段之一。它与变转速相结合可以实现制冷量的更有效调节。目前，在车用空调系统中压缩机的变排量技术已有成功的应用。

2.2.3提高热交换设备的传热性能

    换热设备是制冷系统中重要部件之一，其效率的提高是制冷机节能的一项重要措施，如利用强化传热技术，在系统中设置过冷却器等。目前有些空调产品的能效比已经超过6.0，采取的主要措施之一就是增加换热器的面积或提高换热器效率，使实际制冷循环的高低温热源温度差缩小，即冷凝温度接近过冷温度、蒸发温度接近过热温度，增加了制冷量却减小了压缩过程的耗功。

2.2.4制冷及空调装置运行的智能控制

智能控制技术在在一定程度上直接反映了制冷机组的水平。当前，制冷装置的自动化已经从单机自动安全保护、单机自动运转发展为多机组自动控制，甚至直接用电子计算机检测和控制，以实现运行工况最佳化，从而大大降低能量消耗。一台具有节能优化控制软件的机电一体化空调器比通常恒温空调器节能40%左右。智能控制的研究方向有以下几个方面：控制原理、目标和器件；遗传算法等与模糊控制的结合；制冷系统的网络控制等。

2.2.5其他

    地温热源的利用。实现“冬暖夏凉”是大部分制冷与空调装置的直接目的，地温（包括土壤、地下水）等就具备这种特性，为此地温的应用就成为制冷技术研究的一个方面。地温可以被直接用来冷却被冷却介质，如抽取地下水与空气进行热交换以降低空气的温度，也可以被用来预冷或预热空气，以降低制冷系统的负荷。地温热源利用时应充分考虑不能浪费资源，例如地下水的回灌要及时等。

    与电加热取暖相比，热泵系统的供热效率要高得多。在长江以南地区，由于冬季大部分时间在零度以上，使用热泵系统的供热效率更高些，问题在于南方的相对湿度较大，蒸发器表面结霜是影响系统可靠运行和运行效率的主要因素；在北方地区，由于-100C以下的大气环境温度时常遇到，在这样低的温度下热泵系统的可靠运行（主要是压缩机的可靠起动与运行）难于保证。所以，热泵系统的推广应用是节约能源的重要的空气调节技术之一。除霜技术、 较低环境温度下热泵系统的起动和运行特性的研究将是制冷技术发展的又一主要方向。

    冰蓄冷技术在国外已有较好的应用，它对于平衡电网负荷、节约能耗起着十分重要的作用。尽管中国在此方面的研究不算晚，但至今未能实现真正的产业化，除了技术（比如蓄冷材料的开发）因素外，宏观政策的引导也缺乏力度。由于电力供需矛盾可能持续下去，冰蓄冷技术将有较大的推广应用空间。

    太阳能制冷是利用可再生能源的方式之一。利用太阳能制冷的方法有两种，一是先实现光电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷即压缩式太阳能制冷与空调系统，由于目前太阳能电池成本较高且光电转换效率很低，尚难推广；二是进行光热转换，以热能制冷，如太阳能吸收式空调系统，去湿－蒸发降温空调系统，太阳能金属氢化物空调系统等。面向二十一世纪，由于常规能源供应的有限性，太阳能制冷空调系统将具有广阔的发展前景。

    可以预料的是，随着新型制冷循环和热泵循环的发展、能效标识制度在我国的强制性实施以及集成能源系统(简称IES，将分布式发电技术与余热驱动技术相结合，提供制冷，供暖，湿度控制，能量储存及其他的废热利用技术)的研究开发，必将推动制冷学科和制冷行业的研究工作更好地为我国的经济和社会发展服务。

3.1技术现状

    制冷压缩机在面临环保、节能、以及企业间竞争等一系列的挑战中出现了新的突破。在整个压缩机工业的方方面面都广泛使用的电子计算机成为不可或缺的手段，这包括计算机数据采集和整理，计算机辅助设计、设计和工艺的优化等。其带来的总体效果体现在压缩机的小型化和高效率，此外，噪声和振动得到降低，可靠性得到提高和寿命得到延长。而在取得这些成就的过程中所消耗的开发、设计和生产制造时间都比过去短且费用亦低。表示了目前各类压缩机的大致应用范围及其制冷量大小，图中虚线包围的部分表示该结构型式压缩机制冷量拓宽的方向。涡旋式由两部分组成，前一部分表示车用空调。往复式制冷压缩机是一种传统的制冷压缩机，最大的特点是可以实现制冷量和压力比的任意设计。虽然它的应用还比较广泛，但市场份额正逐渐减小。

3.1.1往复式压缩机

    到目前为止，冰箱（包括小型冷冻与冷藏装置）的主机仍以往复式压缩机为主。通过气阀结构、摩擦副等的优化设计，往复式冰箱压缩机的制冷系数（单位功率制冷量）已由九十年代初期的1.0(w/w)提高到如今的1.8左右；除了节能技术的进步外，与环境保护密切相关的制冷剂替代技术也取得了可喜的进步，我国的冰箱系统已大量采用R600等碳氢化合物，小型制冷装置上也采用了R134a等新的工质。进一步提高往复式冰箱压缩机的效率、降低系统噪声仍然是它的发展方向。

3.1.1.1线性压缩机

    线性压缩机依然使往复式，由于电机的直线运动可以直接带动活塞的往复运动，从而避免了曲柄连杆机构的复杂性和由此带来的机械功率的消耗。装配线性压缩机作为冰箱系统已经面世，线性冰箱压缩机的的制冷系数已超过2.0(w/w)，市场前景看好。主要问题是压缩机油路系统的设计和电机线性位移极限点的有效控制及相应的防撞缸技术。

3.1.1.2斜盘式压缩机

    斜盘式压缩机也是往复式压缩机的一种变型结构，目前主要用于车用空调系统。经过几十年的发展，斜盘式压缩机已经成为一种非常成熟的机型，在车用空调压缩机市场占有70以上的份额。尽管如此，因为它仍属于往复式结构的系列，所以在汽车空调系统中的能效比（制冷系数）也只有1.5左右，且体积大、重量大。由于斜盘式汽车空调压缩机的工艺成熟，加上技术的进一步改进，在可预见的将来，仍将保有一定的市场份额，但在一定的排量范围内被逐渐替代却是必然之路。

3.1.2转子式压缩机

    转子式压缩机于上世纪七十年代起受到国内的关注，它的代表结构包括滚动活塞式、滑片式等。目前滚动活塞式广泛应用于家用空调器上，在电冰箱上也有一些应用。这种压缩机不需要吸气阀，使它适用于变速运行，从而可以通过变频控制提高系统性能。为了确保大功率（电机输出功率达3P）滚动活塞式压缩机的性能，国内与上世纪末开始研发双转子滚动活塞式压缩机，现已投放市场。双转子滚动活塞式压缩机结构上有两个优点：①转动系统的受力情况得到较大改善，机器的振动与噪声有所降低；②增加了单机的容积排量，提高了电机的输出功率。

在3P以下的空调器中，暂时没有可以替代滚动活塞式压缩机的较好机型。所以提高压缩过程的效率、减低噪声、电动机变速控制以及采用R410A等新制冷工质后的相关技术问题等，是滚动活塞式压缩机的研究方向。

    滑片式压缩机属于转子式压缩机的一种，主要用来提供压缩空气，排气量一般在0.3—3m3/min，市场占有率较低。

    旋叶式压缩机是滑片式压缩机的一种改型结构，由于它的起动性能比较好、压缩过程力矩变化亦不大，目前主要用于微型轿车和一些排量比较小的工具车的空调系统。高速下的动力特性是这种压缩机的主要技术研究方向。

3.1.3螺杆式压缩机

    螺杆式压缩机具有尺寸小、重量轻、易维护等特点，是制冷压缩机中发展较快的一种机型。一方面，螺杆型线、结构设计有了长足的进步，另一方面，螺杆转子专用铣床特别是磨床的引进，提高了这对关键零件的加工精度与加工效率，使得螺杆压缩机的性能得到了有效提高，产业化生产的必备硬件也有了保障。目前，螺杆压缩机以压缩空气为主，在中型热泵式空调系统中也有成功的应用。由于螺杆式压缩机工作可靠性的不断提高，使之在中等制冷量范围内已逐渐替代往复式压缩机并占据了离心式压缩机的大部分市场。

3.1.4涡旋式压缩机

    涡旋式压缩机在过去十年中得到了快速发展，从基本理论、结构研究、工业样机开发到最终实现规模化工业生产，构成了压缩机技术发展的新亮点。数控加工工艺的发展使涡旋压缩机得以实现大批量生产，无可比拟的性能优势是其大量进人市场的前提。短短数年，已在柜式空调领域占有绝对优势。在柜式空调系统，涡旋压缩机的制冷系数已达3.4(w/w)；在车用空调领域，涡旋压缩机的制冷系数已达2.0(w/w)，显示出很强的竞争潜力。涡旋压缩机的发展在于扩大其制冷量范围、进一步提高效率、使用替代工质和降低制造成本等方面。

    由于没有气阀，压缩过程力和力矩变化小等结构上的优点使之更适合于变频调速运行，这也成为涡旋压缩机技术发展的主要方向。开发变排量机构也是涡旋压缩机技术发展的重点。目前，利用轴向“柔性”密封技术，理论上可以实现制冷/制热容量10%-100%范围内的调节。由于涡旋压缩机近乎连续的吸排气特性、低的起动力矩以及抗液击能力，涡旋压缩机的并联使用创造了条件。并联使用的涡旋压缩机可以大大增加机组的制冷能力，可以从目前的单机25匹马力提高到单机组100匹马力（4台的单机并联），而且使得冷量的调节更为合理，充分发挥单机效率最高的优点。但单机并联出现的最大问题，就是回油不平均易造成机组使用时单机的烧机现象。

3.1.5离心式压缩机

    目前在大冷量范围内（大于1500kW）仍保持优势，这主要是受益于在这个冷量范围内，它具有无可比拟的系统总效率。离心式压缩机的运动零件少而简单，且其制造精度要比螺杆式压缩机低得多，这些都带来制造费用相对低且可靠的特点。相对来讲，离心式压缩机的发展有所缓慢，因为受到螺杆式压缩机和吸收式制冷机的挑战。

    离心机的市场容量大约在700～1200台之间徘徊，因为在目前的技术前提下，该机型主要用于大型建筑物的空气调节,需求量有限。近几年由于大型基建项目纷纷上马，离心式制冷与空调压缩机又成为关注的热点。解决喘振现象、改善气量调节和随工况变化的适应能力、小型化技术等是离心式压缩机技术发展的主要方向。

3.1.6其它结构形式

    单齿压缩机、十字滑块式压缩机等一些结构独特的容积式压缩机也有一定程度的发展，但在国内尚未形成生产能力。

3.1.7其它

    为了适应特殊地区环境调节的需要，比如中东等高温高湿地区的空气调节要求，有针对性地开发高负荷高工况制冷压缩机也取得了较好发展，目前采用的主要结构型式是活塞式压缩机和旋转式压缩机。

    为了适应压缩新制冷剂的需要，润滑油特性的研究尤其是匹配性能的实验研究是制冷行业的基本任务之一。R407C、R410A等非共沸制冷剂的蒸发温度滑移现象、吸气管中油气两相流动规律等是制冷工质替代带来的压缩机和制冷系统的若干基础问题之一。

另外，容积式（比如涡旋式和螺杆式）试图向大容量发展，离心式则试图向小容量发展。随着综合技术的不断发展和市场的相互渗透，总有一天我们将很难仅从制冷量大小的角度去判断压缩机的结构型式，特别是容积式和速度式制冷压缩机的适应制冷量范围。

3.2基础理论和共性技术研究

3.2.1工作过程模拟与优化

    模拟容积式压缩机的瞬态工作过程，进一步揭示密封、润滑与导热的机理，建立新的数学模型，改良设计方法等，是提高容积式压缩机工作性能的主要途径之一。从几何学和运动啮合原理出发开发新的压缩腔型线，应用有限元理论分析关键零件的热、力变形及其对密封间隙的影响，以及通过对气体流动规律的认识来判断相关损失等，是优化设计的必要工作。

    离心式压缩机则应从流场出发，研究叶轮机械内部复杂的三维非定常、非对称流动现象，深化对激振力产生机理以及失速、喘振等现象的认识，探索通过诱导流场主动控制气动失稳、提高稳定裕度的途径。研究高参数下微小间隙约束自激源特性，建立超常工况流体激励下的轴系非线性稳定性和动力响应模型，研究提高轴系稳定性的工程适用方法。

3.2.2变工况设计理论

    容积式压缩机现有的结构设计都是以规定设计工况为前提，规定设计工况又是考核压缩机性能优劣的必要条件。可靠性与寿命考核的工况则是以压缩机的安全运行为目的。实际上，制冷压缩机的运行工况与环境（温度、湿度）有很大关系，规定设计工况下的高性能并不表示实际运行时的能量节省。所以，有必要开展变工况设计理论的研究。

3.2.3超常工况下的安全运行与控制

    特别恶劣的环境条件、系统压力的突然升高等超常工况的出现以及高转速、跨临界等高参数的要求，对压缩机的运行效率与可靠性提出了挑战，必须进行专题研究，也是未来容积式压缩机和制冷技术进步的象征。

3.2.4制冷压缩机与环境保护

    传统的制冷剂（R11,R12,R22等）的排放对大气环境造成严重破坏已成为不争的事实，新的环境友好制冷剂的研究开发正在积极进行当中。制冷剂的替代不仅要求制冷系统做相应的更改，也要求压缩机适应相应的要求。因此，适应于新型制冷工质的压缩机技术的研究开发成为压缩机技术发展的重点之一，制冷工质替代对压缩机与相关系统的影响以及相关设计思想与对策的研究，是不容忽视的重要研究内容。

3.2.5无油润滑及特殊用途压缩机研发

    由于一些特定应用环境的要求，无油润滑或其他一些特殊结构的压缩机被提出，比如用在航天器上食品与蔬菜保鲜、飞机吊舱空调系统等。这就需要我们研发特殊结构的压缩机以适应特殊的环境要求。

3.2.6新原理、新结构开发

    涡旋压缩机、螺杆压缩机仍将是未来一段时间内容积式压缩机技术发展的重要方向。根据容积式压缩机的结构特点，人们一直在尝试并探索一些新的结构，效率高、工艺性好的新型压缩机将成为开发的重点。

3.2.7其他

    压缩机技术的发展离不开诸如电机、材料、机械加工、测试、计算机技术及控制等相关学科的技术进步，反过来，压缩机与制冷技术的不断进步也推动着相关学科的发展。

    制冷与空调技术的发展趋势依然是：环保型制冷剂的开发与应用、研发高效的制冷部件（压缩机、换热器等）以及为实现制冷系统高效与可靠运行的匹配技术、调节技术和智能化控制技术等。同时制冷方法也在不断革新，半导体制冷、磁制冷等技术的进步和完善也有可能引发制冷技术革命。

中国制冷与空调技术的整体水平与西方国家相比仍有差距，应该从环保和节能两方面出发，加快CFCs制冷剂替代的步伐，提高制冷系统的综合效率，力图尽快缩小与国际水平的差距。

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