工商用冷冻冷藏压缩机研究进展与展望
潘曦，李彦澎，王莹，邢子文
(西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安，710049)
摘要：随着中国经济的高速发展，人民对物质水平的要求越来越高，零售业、食品安全与医药行业等获得高度关注，加速食品保鲜、低温储存与冷链运输等工商用冷冻冷藏领域的发展，推动工商用冷冻冷藏压缩机相关技术的变革。以压缩机种类为划分，调研往复式活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机与转子压缩机的研究现状，确定各种压缩机结构形式的优缺点，讨论不同机型的适用范围，并从结构设计、热力性能、制冷工质和运行控制等角度总结工商用冷冻冷藏压缩机的现有技术及研究成果。新零售与冷链等领域对工商用冷冻冷藏压缩机提出的更高要求，讨论4种压缩机的当前技术瓶颈和现有产品与市场需求之间的矛盾，从结构改进、能效提升、运行控制及人工智能等方面进行展望，为工商用冷冻冷藏压缩机领域的研究人员、制造厂商和政策制定者提供了参考。
关键词：冷冻冷藏；活塞压缩机；螺杆压缩机；涡旋压缩机；转子压缩机
中图分类号：TB652 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)
文章编号：1672-7207（2021）06-1826-11
Research progress and outlook of refrigeration compressor for commercial and industrial applications at low temperature
PAN Xi, LI Yanpeng, WANG Ying, XING Ziwen
(Xi'an Jiaotong University, School of Energy and Power Engineering, Xi'an 710049, China)
Abstract: With the development of economy in China, people payed more attention to the improvement in living standards. Retailing, food safety and pharmaceuticals industry received high attention, which accelerated the development of commercial and industrial refrigeration field, such as food freshkeeping, cold storage and cold-chain transportation. Hence, technology of refrigeration compressor at low temperature was developing. The refrigeration compressors for commercial and industrial applications at low temperature were divided into four types, including reciprocating compressor, screw compressor, scroll compressor and rotary compressor respectively. These four types of compressors were investigated from the viewpoints of research status, which was helpful to determine the advantages and application of each compressor. The relative technology and results of these four types of compressors were summarized from the perspectives of structural design, thermal performance, working fluids and operation. Furthermore, based on the high requirement of new retail and cold chain, the technical difficulties and contradiction between the existing products and the market demand were presented. An outlook from the perspectives of structure improvement, efficiency improvement, operation and artificial intelligence was presented, which provided reference for researchers, manufacturers and policy makers in the field of refrigeration compressor at low temperature for commercial and commercial applications.
Key words: refrigeration; reciprocating compressor; screw compressor; scroll compressor; rotary compressor
制冷技术为人类社会带来了巨大便利。随着全球经济的飞速发展，人们追求消费升级，越来越关注人居的舒适性和食品的品质与安全[1]。即使处于新冠疫情导致的全球经济艰难前行的时期，冷冻冷藏产业支撑之下的低温储存和冷链运输等市场依然日益扩大，甚至需求增速更胜以往。冷冻冷藏产业在食品领域和医疗领域都发挥出了重大作用。
压缩机是制冷系统的心脏，冷冻冷藏产业的发展造成的市场扩大对工商用冷冻冷藏压缩机行业是一把双刃剑。不仅带来了更大的经济效益和更广阔的发展前景，还带来了更艰巨的挑战。一方面，在碳中和[2]目标的指引之下，工业领域需要深度减排，冷冻冷藏产业链也需向低碳转型，冷冻冷藏用制冷压缩机的生产工艺和技术创新要向绿色环保的方向迈进；另一方面，在经济飞速发展的背景之下，各个行业市场竞争激烈。工商用冷冻冷藏压缩机需要不断进行技术革新来达到兼具低成本与高能效的特征，增强市场竞争力，满足市场对产品品质的高要求。
目前市场上工商用冷冻冷藏压缩机多为活塞压缩机、螺杆压缩机、转子压缩机和涡旋压缩机。由于压比较大，离心压缩机在冷冻冷藏领域目前应用较少，但多级离心压缩机逐渐进入研究人员的视野，关于其在冷冻冷藏应用的研究正在加速开展。本文作者以压缩机种类为划分，讨论往复式活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机与转子压缩机4种压缩机的研究现状，总结不同机型在工商用冷冻冷藏领域内的技术内容，确定各种压缩机结构形式的优缺点与适用范围；然后分析4种压缩机的市场及其主流机型，对比不同结构形式的压缩机在相应的运行工况下的性能系数，为不同冷量和温区下压缩机选型提供了数据支撑；最后，探讨当前技术和产品存在的问题，从压缩机能效提升、减振降噪技术与经济性等方面对4种压缩机进行展望，为工商用冷冻冷藏压缩机领域的研究人员、制造厂商和政策制定者提供了参考。
1 冷冻冷藏用活塞压缩机研究现状
活塞压缩机在冷冻冷藏领域的应用机型有全封式、半封式和开启式。全封式活塞压缩机主要应用于轻商领域，如饮料展示柜和制冰机自动售卖机等，其功率一般在735 W以下；半封式活塞压缩机主要应用大型冷冻冷藏场所，其功率一般为2.20~36.75 kW；开启式活塞压缩机主要应用于制冷量不大、成本较低的场合，同时还包括一些特殊的场景如船用冷冻冷藏场所，其功率一般在3~30 kW。2015—2020年，国内只有全封式活塞压缩机销量复合增长率达4.7%，半封式及开启式总体上都呈现负增长趋势。但就活塞压缩机的销量来说，其在冷冻冷藏压缩机领域的地位依然稳固，国内市场及海外市场的发展持续向好。
1.1 全封式活塞压缩机
全封式活塞压缩机由于具有结构紧凑、密封性好与噪声低等优点，被广泛应用于轻商用冷冻冷藏领域，尤其是对系统稳定性、耐久性要求较高的小冷量场合，例如冰箱、酒柜与小冷库等。其中，近年来新零售行业的快速发展，轻型商用压缩机的销量增幅远高于家用压缩机[3]，未来的市场潜力也将持续增大。关于全封式活塞压缩机的技术研究已经非常成熟。无论是结构设计、零部件研究与振动噪声，还是压缩机的运行控制与变频调节都有成熟的技术与产品可以借鉴。目前根据市场需求，全封式活塞压缩机的技术发展需要满足应用途径的多样性，其可靠性与能效仍需不断提高。
轻商用制冷设备高效节能的要求与相关能效标准的实施让变频全封式活塞压缩机获得了高速发展。变频技术的成熟与相关产品的规模化生产降低了变频全封式压缩机的生产成本，导致变频全封式活塞压缩机成为高端冰箱的标配。对于变频压缩机而言，需要深入研究固定刚度下吸排气阀在不同运行频率下的运动规律，进而选取最优的气阀刚度。合适的气阀刚度可以改善阀片的运动规律，提升气阀的寿命，降低压缩机在变频工况下的综合排气流动损失。在超高频率运行时，适当提高吸排气阀阀片的刚度和固有频率有利于提升压缩机的容积效率[4]。而开发新型高效气阀对于拓展全封式活塞压缩机应用场合十分重要，EGGER等[5]提出了一种新型高效的舌簧阀，基于多响应优化方法优化了舌簧阀的几个变量，降低了压缩机内的排气流动损失，提高了压缩机的性能系数、制冷量及可靠性。另一方面，全封式活塞压缩机内活塞的运动轨迹对其热力性能有至关重要的影响，SILVA等[6]建立了全封式活塞压缩机的仿真模型，结合遗传优化算法确定了特定工况下活塞的最佳轨迹，并通过实验验证了其有效性，有效地提升了压缩机的热力性能。此外，全封式活塞压缩机的故障诊断对于轻商用制冷设备全生命周期的运行维护具有重要的意义。KOCYIGIT等[7]使用p-h图对蒸汽压缩式制冷循环中的全封式活塞压缩机进行了故障诊断，为压缩机的无损化故障诊断提供了借鉴。依托于现有的技术研究成果，全封式活塞压缩机在近几年内仍会保持高速的发展。
1.2 半封式活塞压缩机
半封式活塞压缩机具有结构简单、制冷量范围广和适应性强等特点，在工商用冷冻冷藏领域的应用比例最大[8]，其应用场合多为中小型冷库、工艺冷却设备与冷藏运输等。国内的单机半封式活塞压缩机按气缸数量划分可以分为2缸、4缸、6缸和8缸4种类型；而国外的单机半封式活塞压缩机则划分为2缸、3缸、4缸和6缸4种类型。一般而言，气缸数量增多，其排量也随之增大，对应的额定功率也提升。对于额定功率较小的机型，润滑方式一般采用飞溅润滑，并直接由冷凝器风机或独立风机强制对流冷却电机；而对于功率较大的机型，一般增设油泵为压缩机提供充足的润滑油，并采用吸气冷却的方式冷却电机，极端情况下会考虑使用喷液的方式保证电机的安全运行。近年来，随着大功率涡旋压缩机和小型螺杆压缩机相关技术的发展，半封式活塞压缩机的市场受到了挤压。然而，在8.8~29.4 kW的功率范围内，当蒸发温度较低时，半封式活塞压缩机凭借其性能与价格优势依然占据着主导地位。
作为工商用冷冻冷藏领域内覆盖应用范围最广的压缩机，半封式活塞压缩机的技术已较完善。目前的研究大多聚焦于提高能效、可靠性与制冷剂替代等方面。能效方面主要关注压缩机的容积效率与绝热效率，通过建立合理的数学模型模拟压缩机的工作过程，进而获得压缩机的热力性能参数。ROSKOSCH等[9]建立了一种活塞压缩机数学模型，以快速预测压缩机的容积效率和绝热效率，计算结果与实验结果的误差较小；YANG等[10]提出了一种CO2半封式往复压缩机的数学模型，预测了压缩机的输入功率和质量流量，预测结果与实测结果较吻合；RIVA等[11]测试了以丙烷为制冷剂的半封式活塞压缩机的性能，发现吸入过热蒸汽可以提高压缩机的容积效率。此外，气阀是半封式活塞压缩机内的易损件，改善阀片的运动规律对气阀的寿命具有重要的影响。MA等[12]开发了一种CO2制冷半封式活塞压缩机，研究了压缩机内排气阀的动态特性，获得了阀片的运动规律，通过优化设计参数，提高了压缩机的可靠性。依托于现有的技术研究成果，冷冻冷藏用半封式活塞压缩机获得了稳定发展，在其主要应用范围内依然占主导地位。
1.3 开启式活塞压缩机
开启式活塞压缩机的转速偏高，可以实现多缸结构，按气缸数量可分为2缸、4缸和6缸这3种机型，有皮带轮驱动和直接电机驱动2种驱动方式可供选择，一般具有特殊的调节机构实现分级能量调节[13]，并适用R22，R404A以及氨等天然低温工质。润滑方式一般采用油泵对机组进行润滑，并通过油冷却与吸气冷却保证轴封的密封性。开启式活塞压缩机的应用范围较窄，目前主要应用于大中型冷库和船用冷冻冷藏等特殊场合。该机型的易损件较多，需要定时检修气阀与活塞环等易损件。在低温场合下，开启式活塞压缩机处理吸气带液的能力较差，但其承压高和操作简单等优势依然为其保有特定市场[14]。由于市场潜力不大，近些年开启式活塞压缩机的相关研究较少，在压缩机结构设计、运行性能与控制逻辑等方面没有较大突破，部分研究聚焦在结合人工智能模型的数学建模。LEDESMA等[15]使用人工智能模型研究了活塞压缩机的热力性能，使用优化的人工神经网络对压缩机的3个能量参数进行高精度建模，发现了预测质量流量的神经网络模型具有最高精度。依托于现有的技术研究成果，开启式活塞压缩机在其特定市场下依然具有明显优势，但由于运行性能与当前市场份额等方面的劣势，该机型很难再有较大突破。
2 冷冻冷藏用螺杆压缩机研究现状
螺杆压缩机具有转速高、体积小、质量轻、振动小和噪声小等优点，在单机头大冷量方面具有绝对优势。受益于冷链物流的高速发展，冷冻冷藏用螺杆压缩机市场在近5年获得了稳步提升，而其中最主要的机型是半封式螺杆压缩机与开启式螺杆压缩机。半封式螺杆压缩机冷量覆盖范围较广，其功率为29.4~73.5 kW。主流的半封式螺杆压缩机相比于活塞压缩机具有更大的排气量和额定功率，根据转子齿数比大致可以分为5/6齿和5/7齿这2类。一般5/6齿机型的排气量略大于5/7齿机型的排气量，对应额定功率也略高。而开启式螺杆压缩机的冷量相对较大，其排气量一般大于250 m3/h，并可适应更大的压比与更宽广的容量范围。不同于活塞压缩机，利用吸排气压差驱动润滑是冷冻冷藏用螺杆压缩机的主要润滑方式，而电机冷却方式则兼有吸气冷却与喷液冷却。由于螺杆压缩机的机型一般偏大，所以大多数产品都带有内容积比调节滑阀或容量调节滑阀以适应不同负荷下的冷量需求。
螺杆压缩机依靠一对相互啮合的阴阳转子使其工作容积发生周期性变化进而实现气体压缩。图1所示为半封式螺杆压缩机的结构简图。由图1可见：转子的齿面与转子轴线垂直面的截交线称为转子型线，转子型线可以影响接触线、泄漏三角形、封闭容积与齿间面积等，对螺杆压缩机性能具有至关重要的影响。
图1 半封闭式螺杆压缩机结构简图
Fig. 1 Schematic diagram of semi-hermetic screw compressor
螺杆压缩机型线主要包括对称圆弧形线与不对称形线，国内外著名的螺杆压缩机生产厂家都是伴随着新型线的开发而不断发展壮大进而快速抢占市场份额。因此，需要加大力度开发适用于不同工况下的高效螺杆压缩机型线。邢子文等[16-17]总结了螺杆压缩机转子型线与压缩机几何特性的计算方法并开发了螺杆压缩机设计计算软件，设计了适用于低温工况下的转子型线以匹配工质特性、压缩机内部换热与转子受力情况；王文军等[18]基于三维激光扫描仪测得的数据点，利用NURBS曲线将转子截面数据拟合成型线，提出了一种螺杆型线设计方法；王炳明等[19-20]采用包络理论设计了CO2螺杆压缩机转子型线并设计了压缩机的排气孔口，实验测试发现所设计的样机可以满足NH3/CO2复叠制冷系统的要求。
在研发新的理论型线的同时还需要研究实际型线，并在此基础上设计刀具的刃形。在刀具刃形的设计中需要考虑的因素较多，包括转子在加工和运行过程中的受力变形、工作中的热膨胀、前后齿面间隙的不均匀性、不同齿面的相对速度对间隙的不同要求等，进而使加工出的转子在接触线各点上具有优化的间隙分布，保证压缩机在运行时具有优越性能。现有冷冻冷藏用螺杆压缩机型线设计技术已较成熟，基本可以匹配现有的运行工况。随着螺杆压缩机逐步扩大适用范围，转子型线需要进一步更新迭代，现有技术可为新型线的开发提供参考。
螺杆压缩机可以通过变频与滑阀调节压缩机的容量。文命清等[21]研究了冷冻油的物理性能对螺杆压缩机滑阀卸载力与滑阀容量调节机构可靠性的影响，发现增大滑阀在吸气端的受力面积与减小毛细管孔径均可减小低黏度冷冻油对滑阀容量调节机构可靠性的负面影响；王衍智等[22]通过实验对比，验证了单机双级变频螺杆机组在低温速冻装置中具有更加突出的节能效果，在蒸发温度为-40 ℃、冷凝温度为40 ℃时，该机型的性能系数可达1.86；狄红丽等[23]对比研究了应用于冷水机组的双螺杆压缩机滑阀调节与变频调节，发现变频调节在满载工况下性能系数有所降低，而其综合部分负荷性能系数提高约14%。目前尚缺乏对螺杆压缩机在冷冻冷藏工况下各容量调节方式的对比研究，冷水机组中的相关研究可为其提供参考，在考虑制造成本的情况选取合适的容量调节方式对冷冻冷藏用螺杆压缩机生产企业具有重大的意义。
理论上，使用经济器对螺杆压缩机进行补气可以有效地提高系统的制冷量与性能系数。而补气压力与补气口位置对补气效果与压缩机性能提升具有重要影响。现有文献对冷冻冷藏用螺杆压缩机补气研究较少，需参考冷水机组中螺杆压缩机补气压力与补气口设置。而目前国内一些企业采用冷却电机与润滑油后的高压制冷剂在吸气结束角处开始补气以增大系统的制冷量、减少压缩机开启数目，但该补气方式对系统的性能系数有负面影响。因此，冷冻冷藏用螺杆压缩机亟需补气方面的理论研究以指导产品的设计开发。另一方面，喷油技术同样对冷冻冷藏用螺杆压缩机的性能有重要的影响。油量较少会导致压缩机内摩擦损失较大、温度较高，对压缩机运行性能有负面影响；而油量较多则会导致压缩机的功耗增大。设计合适的喷油孔与喷油量对压缩机而言至关重要。现有文献对冷冻冷藏用螺杆压缩机喷油技术的研究较少，同样需要参考冷水机组用螺杆压缩机喷油技术[24]。
制冷剂替代方面，R22与R404A仍是冷冻冷藏用螺杆压缩机使用的主流工质。而自然工质NH3和CO2也逐渐进入研究人员与生产企业的视野。单级高压比的NH3开启式螺杆压缩机与NH3/CO2复叠系统中所用的开启式与半封式螺杆压缩机逐渐占领了一定的市场份额。宋有强等[25]实验研究了使用NH3和R22的开启式螺杆压缩机的热力性能，发现在蒸发温度为5~35 ℃，冷凝温度为30~40 ℃时，使用NH3的螺杆压缩机容积效率提高了约3%，性能系数提高6%~10%。而采用CO2作为低温级制冷剂的复叠系统已在欧美国家的超市与冷库工程中大量应用。我国自主研发的用于NH3/CO2复叠系统的螺杆压缩机已达到国际先进水平。
3 冷冻冷藏用涡旋压缩机研究现状
涡旋压缩机具有结构精密、体积小、可靠性高和运行平稳的特点，其产品与市场以空调为主。按照是否支持带经济器运行可将涡旋压缩机分为喷液机型与补气机型2种，补气机型一般稍大于喷液机型，且运行效率也更高。凭借优异性能，近年来涡旋压缩机在冷冻冷藏领域的份额逐渐增大，大多应用于冷库和零售行业。在冷冻冷藏领域，由于需要增加经济器等部件达到更低温度，同时制造成本较高，涡旋压缩机在冷冻冷藏领域的主要方向是中高温市场，且市场占有率较低，相关的研究较少。
影响涡旋压缩机的关键因素之一是压缩机内部的泄漏损失，主要包括径向泄漏与切向泄漏。现有文献对冷冻冷藏用涡旋压缩机泄漏研究较少。相比于空调用涡旋压缩机，冷冻冷藏用涡旋压缩机的压比较大，导致压缩机内部的泄漏损失较大，因而需要更深入的理论与实验研究。目前常见的泄漏模型包括喷管模型、Fanno模型与两相流动泄漏模型，这些模型均可应用到冷冻冷藏用涡旋压缩机中。袁秀玲等[26]同时考虑黏性摩擦力与惯性力，建立了小间隙泄漏模型，发现该模型的计算结果与实验结果基本吻合；李力等[27]将涡旋压缩机内切向泄漏模型简化为渐缩管、直管段和渐扩管这3部分的组合，并计算了压缩机内的切向泄漏量；江波等[28]研究油润滑涡旋压缩机泄漏通道内流体流态，提出了不同流态的判定方法与对应的数学模型；RAK等[29]分析了排气压力和转速等对工作腔内部切向泄漏的影响，获得了切向泄漏对涡旋压缩机工作腔内热力过程的影响。这些研究成果均可为冷冻冷藏涡旋压缩机内的泄漏研究提供参考。
补气技术可以应用于冷冻冷藏用涡旋压缩机，而补气量、补气压力与补气口的设置对压缩机性能有较大影响；喷液技术同样可以应用于冷冻冷藏用涡旋压缩机，而喷液量与喷液口的设置对压缩机性能也有较大影响。冷冻冷藏用涡旋压缩机的补气技术与喷液技术还需要更深入的理论研究。另一方面，涡旋压缩机内各部件的动力学特性直接影响着压缩机的热力性能、可靠性与寿命，现有研究成果可以较好地描述干式与油润滑涡旋压缩机的动力特性[30-31]。此外，涡旋压缩机内各个轴承的动力特性也将影响压缩机的轴功率。彭斌等[32]建立了变截面涡旋压缩机容积、气体力与摩擦损失的数学模型，发现影响压缩机机械效率的主要原因是主轴承处的摩擦损失；ISHII等[33]研究了不同压力下涡旋压缩机止推滑动轴承的动力特性，确定了由压差引起的止推滑动轴承处的润滑和摩擦情况；KIM等[34]建立了推力轴承的动力特性模型，计算了推力轴承上的压力分布、结构变形和热膨胀，对涡旋压缩机的性能预测起到了辅助作用。
相比空调工况，冷冻冷藏工况中冷凝压力与蒸发压力相差较大，较高的压比引起压缩机内运动部件间磨损增加，进而影响压缩机的可靠性[35]，因此，涡旋压缩机在应用范围上存在一定限制。开发新型线是解决涡旋压缩机在冷冻冷藏工况中运行效率较低的直接手段。型线优化方面需要充分使用结构力学、空气动力学等多学科相结合的方法改善压缩机的摩擦与泄漏特性[36]，提升压缩机的热力性能，同时需要兼顾加工与制造成本。作为螺杆压缩机的竞争对手，冷冻冷藏用涡旋压缩机的多联机组需要简化控制、降低故障率的同时向大冷量方向发展，力求推出单机竞品。结合大数据与人工智能的方法可以针对每一台压缩机训练定制化模型，进而达到多机并联时系统的最优控制。此外，冷冻冷藏用涡旋压缩机工质选取对压缩机的性能有重要的影响。张乐平[37]基于现有的R404A涡旋压缩机采用4种制冷剂进行替代，并计算了5种制冷剂的理论循环性能系数，发现与R134a与R1234ze相比，R407a与R407f具有更好的替代性。新的替代工质对涡旋压缩机的研发提出了更高要求，还需要更多相关的理论与实验研究。
4 冷冻冷藏用转子压缩机研究现状
转子压缩机结构简单、零部件少，振动小，运转平稳，是空调中应用的主要机型。图2所示为全封式无气阀摆动转子压缩机示意图，该机型主要包括电机、压缩机及油池。近年来，房地产行业的发展速度减缓，家用空调行业饱和，滚动转子压缩机向冷冻冷藏等领域开拓市场。QB/T 5203—2017“冷冻冷藏喷液旋转式压缩机”的制定[38]进一步加快了转子压缩机在抢占市场的速度，甚至替代了部分全封式活塞压缩机和涡旋压缩机。转子式压缩机的功率目前最大可达到8.8 kW，受到功率限制，转子压缩机难以匹配大型冷冻冷藏系统，目前主要应用场合有展示柜和小型冷库等。为了匹配较低蒸发温度带来的高压比和解决高压比带来的冷量衰减，转子压缩机逐渐向双缸双级压缩发展，甚至有部分企业在研发三缸转子压缩机。通过多缸设计技术，转子压缩机的应用范围可以进一步扩宽，进而抢占市场份额。此外，与家用空调压缩机类似，随着制造厂商在研发上的不断投入，冷冻冷藏用转子压缩机的成本会有显著降低。成本方面的优势会使转子压缩机在轻商用冷冻冷藏领域具有更强的竞争性。
图2 全封式无气阀摆动转子压缩机结构简图
Fig. 2 Schematic diagram of hermetic swing compressor with no valve
转子压缩机的技术发展趋势一般取决于其所在的应用场合的发展需求。蒸汽压缩制冷系统领域中转子压缩机通常为了适应新场合的工况或是新制冷剂的应用，或是为了达到更高能效、更低噪声与更低成本，相应地会进行新技术更迭。冷冻冷藏领域是转子压缩机正在进军的方向，目前缺乏深入的理论研究，而家用空调转子压缩机的技术已经较成熟，相关技术可作为参考。
转子压缩机的热力性能与动力特性是影响压缩机效率的关键因素，国内外学者对两者的研究较详尽。热力性能方面主要考虑泄漏特性，用于计算压缩机内泄漏量的模型有很多，包括一维等熵喷嘴模型、Fanno模型[39-40]与两相流动模型[41-43]，考虑到冷冻冷藏用转子压缩机一般需要使用润滑油进行冷却，两相流动模型可以更准确地描述压缩机间隙内的流动过程。动力特性方面主要考虑转子、偏心轮轴与滑片的运动、受力及摩擦特性。考虑到压缩机各间隙内充满润滑油，针对不同运动部件间的摩擦特性可以选取大平板间流体润滑模型、边界润滑模型与轴承润滑理论等进行分析计算[44]。吴建华[45]详细研究房间空调器用变频转子压缩机热力性能与动力特性，分析了压缩机的几何特性、各间隙的泄露损失、排气阀运动规律和各运动部件的动力学特性等，对冷冻冷藏用转子压缩机的开发具有重要的借鉴意义。
振动噪声方面，转子压缩机运行时产生的噪声主要包括机械性噪声和流体动力性噪声。机械性噪声主要由固体振动所产生，包括各运动部件间的碰撞、摩擦和振动等。而流体动力性噪声主要由压缩机内流体振动所产生，主要包括压缩机吸气及排气产生的流体动力性噪声，其中排气侧高压气体气流脉动诱发的流体动力性噪声更显著。制造厂商一般采用在排气阀上加装消音器消除这部分噪声，消音器的相关技术已较成熟。然而如何在根源上减小甚至是消除部分流体噪声成为减振降噪领域一大发展趋势。
制冷工质方面，相比于R134a和R600a，R22和R404A可以使得排量较小的压缩机拥有更大制冷量[46]。然而对于R22而言，压缩机排气温度较高，甚至超过了150 ℃；对于R404A而言，压缩机排气温度也超过了120 ℃，较高排气温度会影响压缩机的性能，甚至可能造成润滑油碳化。为了解决这一问题，相关制造企业考虑使用中间喷液技术，利用一次节流后液体制冷剂降低压缩机压缩腔内制冷剂的温度。然而，还需要进一步深入研究喷液压力、喷液口设置及喷液量等，如何避免压缩机内出现液击现象也是喷液技术需要考虑的重点，高效喷液技术成为转子压缩机在冷冻冷藏领域发展的重要方向。
5 结论与展望
在良好的应用前景与日益增长的市场需求下，工商用冷冻冷藏压缩机获得了高速发展，并向着高效、节能、环保、大冷量和低库温的方向前进。本文详细调研了工商用冷冻冷藏压缩机，以压缩机种类为划分，对活塞压缩机、螺杆压缩机、涡旋压缩机与转子压缩机的研究现状进行了分析与讨论，总结了现有工商用冷冻冷压缩机的相关技术。而新零售与冷链的发展对工商用冷冻冷藏压缩机提出了更高要求，针对不同应用场合的需求，各类压缩机还需要进行相应的升级。
1) 冷冻冷藏用活塞压缩机。
对于冷冻冷藏用活塞压缩机而言，从结构设计与零部件的角度考虑，需要优化压缩机内的易损件，提升可靠性与寿命的同时保证压缩机的运行性能。如气阀的设计需要兼顾有效通流面积、余隙容积与排气流动损失，同时还需要考虑气流脉动带来的流体动力性噪声。运行控制方面需要考虑多级压缩中压比的选取、喷液技术的应用与压缩机冷却方式的选取。此外，结合大数据与人工智能模型的性能预测与故障诊断是近些年活塞压缩机技术研究的方向，需要针对不同场合下不同形式的活塞压缩机建立定制化高精度的数学模型，通过智能运行控制与故障诊断提高活塞压缩机的能效与可靠性。
2) 冷冻冷藏用螺杆压缩机。
对于冷冻冷藏用螺杆压缩机而言，在结构与零部件方面需要着重关注新型线的开发、补气压力、补气口位置设置、喷油口位置设置与喷油量。转子型线的加工技术也需要进一步提高。对于蒸发温度较低的应用场合，需要定制化开发适用于大压比、低库温的螺杆压缩机，如单机两级压缩螺杆压缩机等。运行控制方面，螺杆压缩机的智能化运行及控制在冷冻冷藏系统中同样尤为重要。冷冻冷藏系统在实际运行中系统负荷会有较大波动，导致系统的蒸发温度、复叠系统的中间压力与温度均有较大波动，设置合适的运行参数可以提升压缩机的运行效率。对于多台并联机组而言，合理地分配系统总负荷给予每台压缩机同样可以提高系统整体的性能系数。因此，在提高压缩机设计与制造水平的同时，压缩机智能运行及控制成为提高系统性能的另一重要课题。此外，螺杆压缩机的故障诊断与远程监控对大中型冷库而言具有重要的意义。及时的故障预测与精准的故障诊断可以实现将事件驱动的故障维修变为模型驱动的预测维护，进而实现冷库的长时间正常运行。目前，结合大数据与人工智能模型的方法是一种有效地故障诊断方式，该项研究目前还处于初步探索阶段，还需更深入的理论与实验研究。
3) 冷冻冷藏用涡旋压缩机。
对于冷冻冷藏用涡旋压缩机而言，需要开发新型线以满足低蒸发温度带来的大压比的运行条件。型线优化方面需要充分使用结构力学和空气动力学等多学科相结合的方法改善压缩机的摩擦与泄漏特性，提升压缩机的热力性能，同时需要兼顾加工与制造成本。运行控制方面需要考虑补气与喷液技术。此外，作为螺杆压缩机的竞争对手，涡旋压缩机的多联机组需要简化控制、降低故障率并向大冷量方向发展，力求推出单机竞品。结合大数据与人工智能的方法可以针对每一台压缩机训练定制化模型，进而达到多机并联时系统的最优控制。振动噪声方面，需要研究涡旋压缩机内的气流脉动与机械振动，从诱发机理上减小压缩机的噪声。
4) 冷冻冷藏用转子缩机。
对于转子压缩机而言，提升转子压缩机性能对蒸汽压缩制冷循环系统能源利用效率优化有着至关重要的作用，也是转子压缩机技术发展历程中主题。提升压缩机的能效需从热力性能与动力特性2个方面考虑。目前冷冻冷藏转子压缩机尚处在初步研究阶段，相关的理论与实验研究需借鉴成熟的家用空调转子压缩机的相关技术。此外，中间喷液技术可以很好地解决压缩机排气温度过高的问题，而喷液量与喷液压力对压缩机性能有至关重要的影响。高效的喷液技术将会成为冷冻冷藏用转子压缩机未来重要的研究方向。为了匹配较低的蒸发温度带来的高压比和解决高压比带来的冷量衰减，转子压缩机逐渐向多缸多级压缩发展。通过多缸设计技术，转子压缩机的运行范围可以进一步扩宽。另一方面，为了进一步降低转子压缩机的制造成本与材料成本，研究人员在转子压缩机结构、材料及加工技术上纷纷投入了大量资金以求突破现有瓶颈。高效、低成本的转子压缩机结构成为冷冻冷藏转子压缩机的重要研究方向。而传统的摆动转子压缩机在适应高压差制冷工况方面具有一定的优势，深入研究摆动转子压缩机对转子式压缩机冷冻冷藏用具有重要的意义。
参考文献：
[1] 潘飞, 黄之敏, 初琦, 等. 2019年度中国压缩机市场发展分析[J]. 制冷技术, 2020, 40(S1): 9-38.
PAN Fei, HUANG Zhimin, CHU Qi, et al. 2019 China compressor market analysis[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2020, 40(S1): 9-38
[2] 姜克隽. 2060碳中和目标下企业需主动转型，避免淘汰[J].可持续发展经济导刊, 2020(11): 12-14.
JIANG Kejuan. Enterprises should actively transform and contribute to China's 2060 carbon neutral target[J]. China Sustainability Tribune, 2020(11): 12-14.
[3] 王会然. 全封活塞压缩机: 稳出口, 深挖细分产品领域[J]. 家用电器, 2019(12): 76-77.
WANG Huiran. Hermetic reciprocating compressor: stabilize exports and dig deeper into product field[J]. Home Appliance, 2019(12): 76-77.
[4] 赵旭敏, 熊克强, 张率华. 变频活塞压缩机超高频运行气阀特性分析及实验研究[J]. 制冷技术, 2020, 40(5): 29-32.
ZHAO Xumin, XIONG Keqiang, ZHANG Shuaihua. Analysis and experimental research on characteristics of gas valve of inverter reciprocating compressor under ultra-high frequency operation conditions[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2020, 40(5): 29-32.
[5] EGGER A, ALMBAUER R, DUR L,et al. Multi-response optimization applied to a mechanically assisted reed valve of a hermetic reciprocating compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2020, 119: 119-130.
[6] SILVA E, DUTRA T. Piston trajectory optimization of a reciprocating compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2021, 121: 159-167.
[7] KOCYIGIT N, BULGURCU H, LIN Chengxian. Fault diagnosis of a vapor compression refrigeration system with hermetic reciprocating compressor based on p-h diagram[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 45: 44-54.
[8] 张秀平, 刘晓红, 李炅, 等. 工商用制冷剂压缩机产品及技术现状与发展趋势[J]. 制冷与空调, 2017, 17(2): 49-57.
ZHANG Xiuping, LIU Xiaohong, LI Jiong, et al. Status and development trend of products and technologies for industrial and commercial refrigerant compressor[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2017, 17(2): 49-57.
[9] ROSKOSCH D, VENZIK V, ATAKAN B. Thermodynamic model for reciprocating compressors with the focus on fluid dependent efficiencies[J]. International Journal of Refrigeration, 2017, 84: 104-116.
[10] YANG Bin, BRADSHAW C R, GROLL E A. Modeling of a semi-hermetic CO2 reciprocating compressor including lubrication submodels for piston rings and bearings[J]. International Journal of Refrigeration, 2013, 36(7): 1925-1937.
[11] RIVA E D, COL D D. Performance of a semi-hermetic reciprocating compressor with propane and mineral oil[J]. International Journal of Refrigeration, 2011, 34(3): 752-763.
[12] MA Yuan, HE Zhilong, PENG Xueyuan, et al. Experimental investigation of the discharge valve dynamics in a reciprocating compressor for trans-critical CO2 refrigeration cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 32: 13-21.
[13] 马国远, 丁若晨, 魏川铖, 等. 工商用制冷压缩机的发展与展望[J]. 制冷与空调, 2017, 17(2): 65-72.
MA Guoyuan, DING Ruochen, WEI Chuancheng, et al. Development and outlook of industrial and commercial refrigeration compressor[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2017, 17(2): 65-72.
[14] 李玉斌, 谢利昌, 初琦, 等. 压缩机市场发展分析[J]. 制冷技术, 2019, 39(S1): 8-39.
LI Yubin, XIE Lichang, CHU Qi, et al. Compressor market analysis[J]. Chinese Journal of Refrigeration Technology, 2019, 39(S1): 8-39.
[15] LEDESMA S, BELMAN-FLORES J M, BARROSO-MALDANADO J M. Analysis and modeling of a variable speed reciprocating compressor using ANN[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 59: 190-197.
[16] 邢子文, 彭学院, 束鹏程. 螺杆压缩机设计计算软件的研究与开发[J]. 西安交通大学学报, 1999, 33(11): 33-36.
XING Ziwen, PENG Xueyuan, SHU Pengcheng. Software package for design of twin screw compressors[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 1999, 33(11): 33-36.
[17] 邢子文, 吴华根, 束鹏程. 螺杆压缩机设计理论与关键技术的研究和开发[J]. 西安交通大学学报, 2007, 41(7): 755-763.
XING Ziwen, WU Huagen, SHU Pengcheng. Research and development on design theory and key technology of screw compressors[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2007, 41(7): 755-763
[18] 王文军, 平雪良, 龚玉玲, 等. 压缩机螺杆转子型线逆向设计方法[J]. 机床与液压, 2008, 36(2): 75-77.
WANG Wenjun, PING Xueliang, GONG Yuling, et al. Reverse design method for compressor screw rotor profile[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2008, 36(2): 75-77.
[19] 王炳明, 李建风, 吴华根, 等. NH3/CO2复叠制冷系统中CO2螺杆压缩机的研发[J]. 流体机械, 2009, 37(3): 16-18.
WANG Bingming, LI Jianfeng, WU Huagen, et al. Development of twin screw CO2 compressor for NH3/CO2 cascadere frigeration system[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(3): 16-18.
[20] WANGBingming, WU Huagen, LI Jianfeng, et al. Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin-screw compressor[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32: 1358-1365.
[21] 文命清, 冯顺新, 李日华, 等. 冷冻油对螺杆式压缩机滑阀容量调节机构可靠性的影响与分析[J]. 制冷与空调, 2012, 12(1): 40-43.
WEN Mingqing, FENG Shunxin, LI Rihua, et al. Influence and analysis of refrigerant oil on reliability of slide- valve capacity regulated device in screw compressor[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2012, 12(1): 40-43.
[22] 王衍智, 周丹, 韩伟. 单机双级变频螺杆机组在速冻装置中的应用分析[C]// 2011年全国冷冻冷藏行业与山东制冷空调行业年会暨绿色低碳新技术研讨会论文集. 烟台, 2011: 73-75.
WANG Yanzhi, ZHOU Dan, HAN Wei. Research on two stage inverter screw condensing unitusing in quick freezing field[C]// 2011 National Refrigeration Industry and Shandong Refrigeration and Air-conditioning Industry Annual Conference and Green and Low-Carbon New Technology Seminar Proceedings.Yantai, 2011: 73-75.
[23] 狄红丽, 余江海, 刘敬辉. 螺杆式压缩机能量调节方式的对比测试研究[J]. 制冷与空调, 2012, 12(5): 73-74.
DI Hongli, YU Jianghai, LIU Jinghui. Test investigation on capacity regulation of screw compressor with slider and VFD[J]. Refrigeration and Air-Conditioning,2012, 12(5): 73-74.
[24] 彭学院, 邢子文, 崔天生, 等. 喷油螺杆压缩机工作过程的研究及应用[J]. 流体机械, 2001, 29(1): 9-13.
PENG Xueyuan, XING Ziwen, CUI Tiansheng, et al. Study of oil-injected screw compressors and its application[J]. Fluid Machinery, 2001, 29(1): 9-13.
[25] 宋有强, 樊海彬, 许敬德, 等. R717与R22在开启式螺杆压缩机中的性能对比试验研究[J]. 低温与超导, 2015, 43(5): 62-64.
SONG Youqiang, FAN Haibin, XU Jingde, et al. Performance experimental comparison of open screw compressor using R717 and R22 refrigerant[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2015, 43(5): 62-64.
[26] 袁秀玲, 陈志明, 樊珍. 气体通过小间隙泄漏量的计算模型[J]. 流体工程, 1993, 21(3): 17-20.
YUAN Xiuling, CHEN Zhiming, FAN Zhen. Calculation model of gas leakage through small clearance[J]. Fluid Machinery, 1993, 21(3): 17-20.
[27] 李力, 张占收, 边红卿. 涡旋压缩机径向间隙的泄漏[J]. 河北工业科技, 1999, 16(1): 17-20.
LI Li, ZHANG Zhanshou, BIAN Hongqing. Leakage from the diametral gap in scroll compressor[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 1999, 16(1): 17-20.
[28] 江波, 畅云峰, 朱杰, 等. 涡旋式压缩机内部泄漏的流态分析[J]. 压缩机技术, 1998(2): 21-23.
JIANG Bo, CHANG Yunfeng, ZHU Jie, et al. Flow pattern analysis of internal leakage in scroll compressor[J]. Compressor Technology, 1998(2): 21-23.
[29] RAK J, PIETROWICZ S. Internal flow field and heat transfer investigation inside the working chamber of a scroll compressor[J]. Energy, 2020, 202: 117700.
[30] ISHII N, FUHUSHIMA M, SANO K, et al. A study on dynamic behavior of a scroll compressor[C]// International Compressor Engineering Conference. Purdue, 1986: 901-916.
[31] MORISHITA E, SUGIHARA M, NAKAMURA T. Scroll compressor dynamics[J]. Bulletin of Japan Society of Mechanical Engineering, 1986, 29: 248-259.
[32] 彭斌, 孙迎, 张力. 变截面涡旋压缩机几何模型及摩擦损失模型[J]. 兰州理工大学学报, 2012, 38(3): 34-38.
PENG Bin, SUN Ying, ZHANG Li. Geometrical and frictional loss model for scroll compressor with variable scroll thickness[J].Journal of Lanzhou University of Technology, 2012, 38(3): 34-38.
[33] ISHII N, OKU T, ANAMI K, et al. Experimental study of the lubrication mechanism for thrust slide bearings in scroll compressors[J]. Hvac& R Research, 2008, 14(3): 453-465.
[34] KIM M S, SHIM J, KIM J, et al. Multiphysics simulation and experiment of a thrust bearing in scroll compressors[J]. Tribology International, 2020, 142: 105969.
[35] 刘桂平, 孙常权, 黄演均. 压缩比对冷冻冷藏用涡旋压缩机可靠性的影响[J]. 日用电器, 2014(8): 108-110.
LIU Guiping, SUN Changquan, HUANG Yanjun. Influence of compression ratio on reliability of frozen and refrigerated used scroll compressor[J]. Electrical Appliances, 2014(8): 108-110.
[36] 刘兴旺, 刘振全, 李超, 等.涡旋压缩机摩擦损耗和泄漏损耗研究[J]. 压缩机技术, 2006(3):1-4.
LIU Xingwang, LIU Zhenquan, LI Chao, et al. Study on the friction loss and the leakage loss of a scroll compressor[J]. Compressor Technology, 2006(3): 1-4.
[37] 张乐平. 冷冻冷藏用制冷剂R404A的替代品对比分析[J].制冷与空调, 2013, 13(9): 41-44.
ZHANG Leping. Comparison and analysis of substitutes for R404A used in freeze and cold storage[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2013, 13(9): 41-44.
[38] QB/T 5203—2017. 冷冻冷藏用喷液旋转式压缩机[S].
QB/T 5203—2017. Rotary compressor with liquid refrigerant injection for refrigeration appliance[S].
[39] YANAGISAWA T, SHIMIZU T. Leakage losses with a rolling piston type rotary compressor. I. radical clearance on the rolling piston[J]. International Journal of Refrigeration, 1985, 8(2): 75-84.
[40] TEH YL, OOI KT. Theoretical study of a novel refrigeration compressor-Part III: Leakage loss of the revolving vane(RV) compressor and a comparison with that of the rolling piston type[J]. International Journal of Refrigeration, 2009, 32(5): 945-952.
[41] CAI Dehua, HE Guogeng, YOKOYAMA T, et al. Simulation and comparison of leakage characteristics of R290 in rolling piston type rotary compressor [J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 53: 42-54.
[42] CAI Dehua, QIU Chengbo, PAN Jiao, et al. Leakage characteristics and an updated volumetric efficiency prediction model of rolling piston type rotary compressor for small capacity air-conditioner and heat pump applications [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 121, 1080-1094.
[43] PAN Xi, SUN Shizhong, XING Ziwen, et al. Theoretical study and experimental verification of the leakage losses of R410A in the swing compressor with no valves[J]. International Journal of Refrigeration, 2019, 99: 327-336.
[44] 李伟, 潘曦, 饶金强, 等. 空调用摆动转子压缩机摩擦损失分析[J]. 制冷与空调, 2019, 33(3): 287-292.
LI Wei, PAN Xi, RAO Jinqiang, et al. Analysis of friction losses of swing compressors for air conditioning[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2019, 33(3): 287-292.
[45] 吴建华. 变频转子压缩机性能及动力特性研究[D]. 西安: 西安交通大学能源与动力工程学院, 1998: 1-2.
WU Jianhua. Study on performance and dynamics of inverter controlled rotary compressors[D]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University, School of Energy and Power Engineering, 1998: 1-2.
[46] 李玉斌, 谢利昌, 廖熠, 等. 《冷冻冷藏用喷液旋转式压缩机》行业标准技术要点解读[J]. 制冷与空调, 2019, 19(2): 77-79.
LI Yubin, XIE Lichang, LIAO Yi, et al. Interpretation on technical points of industry standard for Rotary compressor with liquid refrigerant injection for refrigeration appliance[J]. Refrigeration and Air-Conditioning, 2019, 19(2): 77-79.
(编辑 秦明阳)
收稿日期： 2021 -03 -05； 修回日期： 2021 -03 -30
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51976148) (Project(51976148) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：邢子文，博士，教授，从事制冷压缩机技术研究；E-mail：zwxing@mail.xjtu.edu.cn
DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2021.06.012
引用格式：潘曦, 李彦澎, 王莹, 等. 工商用冷冻冷藏压缩机研究进展与展望[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021, 52(6): 1826-1836.
Citation:PAN Xi, LI Yanpeng, WANG Ying, et al. Research progress and outlook of refrigeration compressor for commercial and industrial applications at low temperature[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2021, 52(6): 1826-1836.
