往复压缩机作为应用最广泛的一种压缩机,尽管市场份额已经被其它形式的压缩机逐渐压缩,但在小制热量的应用场合仍然占有一席之地,并在小型高温热泵中取得了技术与市场的突破。Viking与AVLSchrick联合开发的HeatBooster工业热泵,其核心设备是一台往复式热泵压缩机,在半程维护之前,该压缩机可在高达200°C的温度下工作40000小时。
涡旋压缩机由于具有动力平衡性好、压力波动小以及振动和噪声小等优点,在热泵应用场合中相比较往复式压缩机更具有优势。利用涡旋式热泵压缩机在空气源热泵中制备80°C热水的稳定性已经在诸多应用场景中得到了验证,并且得到了商业化。达到120°C热汇温度的涡旋热泵压缩机样机已经由Emerson成功开发并投入了示范运行。AlterECO项目中设计了一台能够在140°C冷凝温度和200kW热输出下运行的高温热泵,热泵由两台功率分别为75kW的并联涡旋压缩机运行,并经过1000多小时的试验来验证了其可靠性。
滚动转子压缩机依靠气缸中偏心圆筒形转子的滚动减小内部容积,实现对气体的有效压缩,具有结构简单、体积小、易损件少、可靠性高等优点,主要用于空调/热泵、轻商冷冻冷藏等领域。在热泵领域,滚动转子压缩机主要用于CO2 工质,采用双级压缩的方式来实现效率高、振动低和噪声小。大金工业有限公司从2002年开始开发用于CO2 热泵热水器和汽车空调的高性能和高可靠性的滚动转子压缩机。
罗茨压缩机作为最早问世的旋转压缩机,19世纪中叶就开始在市场上获得应用,由于结构简单、制造成本低,逐渐在蒸汽压缩领域获得应用。由于罗茨蒸汽压缩机齿型为直齿设计,没有扭转角,因此没有内压缩过程,效率随着压比上升急剧下降,主要用于中小流量、温升10~15°C的MVR装置,在一些温升超过15°C的场合,也有双级罗茨蒸汽压缩机的应用。随着国家对节能的日益重视,罗茨压缩机在空气动力行业逐渐被螺杆压缩机与离心压缩机所替代,在蒸汽压缩行业也呈现这样的趋势。为了提高罗茨蒸汽压缩机的效率,国外制造商(如凯撒)开始往高速方向发展,除了要解决轴承与轴封的可靠性问题,更大的瓶颈在于罗茨蒸汽压缩机的排气噪声的控制。
单螺杆压缩机除了具有回转压缩机的结构简单、体积小和无气阀组件等特点外,还因为两个星轮在螺杆两侧对称配置而具备独特优点:(1) 结构合理,具有理想的力平衡性;(2)单机容量大,无余隙容积;(3) 高速轻载,易于建立流体动力润滑。单螺杆压缩机的主要缺点是中、高频率的噪声较大,啮合副与机壳的几何形状和相互位置精度要求高。
不同于双螺杆压缩机,单螺杆压缩机不存在同步齿轮结构,因此转子与星轮需要良好的润滑来减少直接接触带来的磨损,这就意味着单螺杆压缩机主要用于喷油压缩。
欧适能制造的高温热泵采用了单螺杆压缩机,热汇温度为95-130°C。废热来自温度为35-55°C(一级经济器循环)或8-25°C(两级复叠循环)的热源。单机供热能力为170-750kW,通过多台机器并联可以实现更高的容量,例如1.5MW的双机组。
StarRefrigeration的热泵(Neatpump)可以产生高达90°C的热水,加热能力从380-2600kW。采用特殊铸钢设计的Vilter单螺杆压缩机技术(VSSH系列)可承受高达76bar的压力。在50/90°C时,可实现约4的COP。
双螺杆压缩机由于尺寸小、重量轻和易维护,在诸多工业领域对大型往复压缩机和小型离心压缩机形成了全面挑战,尤其在制冷、空调及热泵应用场合,还具有部分负荷下的良好性能。Ochsner基于双螺杆压缩机制造的工业热泵,热汇温度可以实现130°C,制热量可以达到750kW。
在空气源热泵中,由于环境温度随着季节变换及日夜更替波动较大,空气侧低温级循环的压 比会在2~10之间波动,为热泵压缩机带来巨大的挑战,要求热泵压缩机在宽压比变动范围内仍然能维持高效。而双螺杆压缩机由于带有内容积比调节机构,可以根据实际的运行压比调节排气孔口形状,实现压缩机效率的最优化。
双螺杆蒸汽压缩机介入高温(排气温度达到200°C或更高)领域,主要沿用无油双螺杆气体压缩机路线,结构上将以滑动轴承、多道充气碳环密封(或干气密封)来应对高温工况下的技术挑战。
离心压缩机结构简单,运动零件少,且制造精度要求低,具有制造成本低和可靠性高的优点。虽然离心压缩机在部分负荷下具有喘振风险,但在一些工作压力变化范围狭小的场合(如水源热泵)、制热量较大(>1MW)的应用场合中,仍将具有无可比拟的系统总效率与极有竞争力的投资回收期。FriothermAG的Unitop系列工业热泵采用两级离心压缩机实现40-90°C的供热温度,斯德哥尔摩地区的供暖网络采用了大型热泵机组,配备了6台并联的Unitop50FY。上海交通大学与格力空调联合开发的基于离心压缩机的10MW级水源热泵,在30~40°C热源温度与60~70°C热水温度下运行,在供暖季累计12个月的运行中充分验证了离心压缩机的稳定性和可靠性。
离心蒸汽压缩机由于容积流量大,可靠性高,动力平衡性好,是目前蒸汽压缩领域的主要应用机型,目前单级压缩最大温升可达20~25°C,双级压缩最大温升可达40~45°C,而且离心蒸汽压缩机的结构不受排气温度与排气压力限制,因此可以用在罗茨蒸汽压缩机与螺杆蒸汽压缩机所不能胜任的高温工况(可达250°C或更高)。 离心蒸汽压缩机的发展趋势是小型化与多级化,以延伸到更小气量与更大温升的蒸汽压缩工况。从结构上而言,高速电机直驱将是未来的主要发展方向,驱动电机采用磁悬浮轴承或气悬浮轴承将避免齿轮传动所带来的成本增加与效率损失问题。