冷库制冷系统中活塞式制冷压缩机与螺杆式制冷压缩机的选型方法分析概要.docx
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冷库制冷系统中活塞式制冷压缩机与螺杆式制冷压缩机的选型方法分析概要
黄冈职业技术学院
毕
业
论
文
系别:
机电学院
专业:
制冷与冷藏技术
班级:
制冷201002班
姓名:
学号:
201003051245
指导老师:
邵志刚
黄冈职业技术学院
专科毕业论文(设计)原创性及知识产权声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文(设计)是本人在导师的指导下取得的成果。
对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
因本毕业论文(设计)引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业论文(设计)成果归黄冈职业技术学院所有。
特此声明。
毕业论文(设计)作者签名:
作者专业:
制冷与冷藏技术
作者学号:
201003051245
2012年10月15日
目录
摘要
ABSTRACT
第一章活塞式制冷压缩机的结构及工作原理
1.1活塞式压缩机的分类........................................1
1.2活塞式制冷压缩机工作原理与过程.............................2
1.3活塞式制冷压缩机主要部件....................................3
1.4活塞式制冷压缩机润滑环系统.................................5
1.5活塞式制冷压缩机常见故障...................................7
第二章螺杆式制冷压缩机的结构及工作原理
2.1螺杆式制冷压缩机主要部件....................................9
2.2螺杆式制冷压缩机工作原理....................................10
2.3螺杆压缩机的润滑系统.......................................11
2.4螺杆压缩机常见故障.........................................14
第三章活塞式压缩机与螺杆式压缩机性能比较
3.1活塞式压缩机实际输气量与能量调节..........................16
3.2螺杆式压缩机实际输气量与能量调节...........................20
3.3带经济器的螺杆压缩机系统....................................23
第四章冷库的分类与发展前景
4.1冷库分类与要求..............................................24
4.2冷库压缩机性能比较.........................................27
4.3压缩机的选型计算.........................................30
总结............................................................33
参考文献.......................................................34
致谢...........................................................35
摘要
随着经济的发展冷链的扩张各地冷库需求不断的增加,冷库的建设迫在眉睫,冷库的设备选型与日常生产运行直接关系着经济效益。
本文通过对不同类型的压缩机进行工作原理、工作过程、主要零部件、常见故障以及输气量、能量调节的方法的描述与概论,然后对不同压缩机性能分析与综合比较,为冷库压缩机提供了关键性数据。
关键词:
活塞压缩机螺杆压缩机能量调节性能
Abstract
Withthedevelopmentofeconomyofcoldchainexpansionaroundthestoragedemandunceasingincrease,theconstructionofcoldstorageimminent,coldstorageequipmentanddailyoperationisdirectlyrelatedtotheeconomicbenefit.Basedonthedifferenttypesofcompressors,workingprinciple,workingprocess,maincomponents,commonfailuresandtransmissioncapacity,energyregulatingmethodisdescribedwiththeintroduction,andthenoncompressorperformanceanalysisandcomprehensivecomparison,forrefrigeratorcompressorprovidedcriticaldata.
KeywordPistoncompressorScrewcompressorEnergyregulationPerformance
第一章活塞式制冷压缩机的结构及工作原理
1.1活塞式压缩机分类
按所采用的工质分类,一般有氨压缩机和氟利昂压缩机两种。
按压缩级数分类,有单级压缩和两级压缩。
单级压缩机是指压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压只经过一次压缩。
而所谓的两级压缩机,压缩过程中制冷剂蒸气由低压至高压要连续经过两次压缩。
按作用方式分类,有单作用压缩机和双作用压缩机。
其制冷剂蒸气仅在活塞的一侧进行压缩,活塞往返一个行程,吸气排气各一次。
而双作用压缩机制冷剂蒸气轮流在活塞两侧的气缸内进行压缩,活塞往返一个行程,吸、排气各两次。
所以同样大小的气缸,双作用压缩机的吸气量较单作用的大。
但是由于双作用压缩机的结构较复杂,因而目前大都是采用单作用压缩机。
图1-1压缩机气缸布置形式
(a)卧式;(b)直立式;(C)V型;(d)W型;(e)扇形(s)型;(f)星形
按制冷剂蒸气在气缸中的运动分类,有直流式和逆流式。
所谓直流式是指制冷剂蒸气的运动从吸气到排气都沿同一个方向进行,而逆流式,吸气与排气时制冷剂蒸气的运动方向是相反的。
从理论分析来看,直流式与逆流式相比,由于蒸气在气缸中温度及比容的变化较少,故直流式性能较好。
但是由于直流式压缩机的进汽阀需装在活塞上,这样便相对增加了活塞的长度和重量,因而功的消耗就增加、检修也麻烦,所以目前生产的压缩机大都采用逆流式型压缩机等。
立式压缩机气缸中心线呈垂直位置而卧式压缩机气缸中心线是水平的。
V型、W型和S型是高速、多缸、现代型压缩机,其速度一般为960~1440转/分,气缸数目多为2、4、6、8四种,其中如图1-1,字母表示气缸的排列形式。
活塞式制冷压缩机,根据其结构特征,还可分为开启式、半封闭式和全封闭式三种。
虽然构造各异,但它们之间也有许多共同之处,只是其结构特征不同。
开启式制冷压缩机的结构特征在于:
压缩机的动力输入轴伸出机体外,通过联轴器或皮带轮与电动机联结,并在伸出处用轴封装置密封。
目前,氨压缩机和容量较大的氟利昂压缩机都采用这种结构形式。
半封闭式制冷压缩机的结构特点是:
压缩机与电动机共用一主轴,并共同组装于同一机壳内,但机壳为可拆式,其上开有各种工作孔用盖板密封。
全封闭式制冷压缩机的结构特点在于:
压缩机与其驱动电动机共用一个主轴,二者组装在一个焊接成型的密封罩壳中。
这种压缩机结构紧凑,密封性好,使用方便,振动小、噪音小,广泛使用在小型自动化制冷和空调装置中。
1.2活塞式制冷压缩机工作原理与过程
当曲轴旋转时,通过连杆的传动,活塞便做往复运动,由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。
活塞从气缸盖处开始运动时,气缸内的工作容积逐渐增大,这时,气体即沿着进气管,推开进气阀而进入气缸,直到工作容积变到最大时为止,进气阀关闭;活塞反向运动时,气缸内工作容积缩小,气体压力升高,当气缸内压力达到并略高于排气压力时,排气阀打开,气体排出气缸,直到活塞运动到极限位置为止,排气阀关闭。
当活塞再次反向运动时,上述过程重复出现。
如果不考虑活塞式压缩机实际工作中的容积损失和能量损失(即理想工作过程),则活塞式压缩机曲轴每旋转一周所完成的工作,可分为吸气、压缩和压缩过程、排气过程,即完成一个工作循环。
1.2.1吸气过程
通过活塞的移动,气缸内容积增大,压力降低,于是吸气管内制冷剂蒸汽顶开吸气阀而进入气缸内直到活塞最大行程另一端。
1.2.2压缩过程
活塞从下止点向上运动,吸、排汽阀处于关闭状态,气体在密闭的气缸中被压缩,由于气缸容积逐渐缩小,则压力、温度逐渐升高直至气缸内气体压力与排气压力相等。
压缩过程一般被看作是等熵过程。
1.2.3排气过程
活塞继续向上移动,致使气缸内的气体压力大于排气压力,则排气阀开启,气缸内的气体在活塞的推动下等压排出气缸进入排气管道,直至活塞运动到上止点。
此时由于排气阀弹簧力和阀片本身重力的作用,排气阀关闭排气结束。
至此,压缩机完成了一个由吸气、压缩和排气三个过程组成的工作循环。
此后,活塞又向下运动,重复上述三个过程,如此周而复始地进行循环。
这就是活塞式制冷压缩机的理想工作过程与原理。
1.3活塞式制冷压缩机主要部件
活塞式制冷压缩机主要由机体、缸盖、侧盖、曲轴、连杆组件、活塞组件、气阀、轴封、油泵、能量调节装置、油循环系统等部件组成。
1.3.1机体
机体:
包括汽缸体和曲轴箱两部分,一般采用高强度灰铸铁(HT20-40)铸成一个整体。
它是支承汽缸套、曲轴连杆机构及其它所有零部件重量并保证各零部件之间具有正确的相对位置的本体。
汽缸采用汽缸套结构,安装在汽缸体上的缸套座孔中,便于当汽缸套磨损时维修或更换。
因而结构简单,检修方便。
1.3.2缸盖、侧盖
缸盖:
制冷压缩机的缸盖起着对气缸上部进行密封的作用,它和机体排气阀一起形成压缩机的排气腔。
侧盖:
用以密封曲轴箱两侧的窗孔。
两侧盖上一般分别装有油面指示器和油冷却器,用来检测曲轴箱油面是否在正常高度及冷却润滑油。
1.3.4曲轴
曲轴:
曲轴是活塞式制冷压缩机的主要部件之一,传递着压缩机的全部功率。
其主要作用是将电动机的旋转运动通过连杆改变为活塞的往复直线运动。
曲轴在运动时,承受拉、压、剪切、弯曲和扭转的交变复合负载,工作条件恶劣,要求具有足够的强度和刚度以及主轴颈与曲轴销的耐磨性。
故曲轴一般采用40、45或50号优质碳素钢锻造,但现在已广泛采用球墨铸铁(如QT50-1.5与QT60-2等)铸造。
1.3.5连杆组件
连杆:
连杆是曲轴与活塞间的连接件,它将曲轴的回转运动转化为活塞的往复运动,并把动力传递给活塞对汽体做功。
连杆包括连杆体、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓。
连杆体在工作时承受拉、压交变载荷,故一般用优质中碳钢锻造或用球墨铸铁(如QT40-10)铸造,杆身多采用工字形截面且中间钻一长孔作为油道。
连杆小头通过活塞销与活塞相连,销孔中加衬套以提高耐磨、耐冲击能力。
连杆小头衬套常用锡磷青铜ZQSn10-1做成整体筒状,外圆面车有环槽并钻有油孔,内表面开有轴向油槽。
连杆大头与曲轴连接。
连杆大头一般做成剖分式,以便于装拆和检修。
为了改善连杆大头与曲柄销之间的磨损状况,大头孔内一般均装有轴承合金轴瓦即连杆大头轴瓦。
连杆大头轴瓦分薄壁和厚壁两种,系列制冷压缩机都采用薄壁轴瓦。
轴瓦的上瓦与连杆油孔相应的地方也开有油孔。
连杆螺栓用于连接剖分式连杆大头与大头盖。
连杆螺栓是曲柄连杆机构中受力严重的零件,它不仅受反复的拉伸且受振动和冲击作用,很容易松脱和断裂,以致引起严重事故。
所以对连杆螺栓的设计、加工、装配均有严要求。
连杆螺栓常用40Cr、45Cr钢等制造,且采用细牙螺纹,其安装时要求有一定的预紧力,以免在载荷变化时连杆大头上下瓦和曲柄销之间松动敲击,加速机器零件的损坏。
1.3.6活塞组件
活塞可分为筒形和盘形两大类。
我国系列制冷压缩机的活塞均采用筒形结构,它由顶部、环部和裙部三部分组成。
活塞顶部组成封闭汽缸的工作面。
活塞环部的外圆上开有安装活塞环的环槽,环槽的深度略大于活塞环的径向厚度,使活塞环有一定的活动余地。
活塞裙部在汽缸中起导向作用并承受侧压力。
活塞的材料一般为铝合金或铸铁。
灰铸铁活塞过去在制冷压缩机中应用较广,但由于铸铁活塞的质量大且导热性能差,因此,近年来系列制冷压缩机的活塞都采用铝合金活塞。
铝合金活塞的优点是质量轻、导热性能好,表面经阳极处理后具有良好的耐磨性。
但铝合金活塞比铸铁活塞的机械强度低、耐磨性差也差。
活塞销是用来连接活塞和连杆小头的零件,在工作时承受复杂的交变载荷。
活塞销的损坏将会造成严重的事故,故要求其有足够的强度、耐磨性和抗疲劳、抗冲击的性能。
因此,活塞销通常用20号钢、20Cr钢或45号钢制造。
活塞环包括汽环和油环。
汽环的主要作用是使活塞和汽缸壁之间形成密封,防止被压缩蒸气从活塞和汽缸壁之间的间隙中泄漏。
为了减少压缩汽体从环的锁口泄漏,多道汽环安装时锁口应相互错开。
油环的作用是布油和刮去汽缸壁上多余的润滑油。
汽环可装一至三道,油环通常只装一道且装在汽环的下面,常见的油环断面形状有斜面式和槽式两种,斜面式油环安装时斜面应向上。
1.3.7气阀、轴封
汽阀是压缩机的一个重要部件,属于易损件。
它的质量及工作的好坏直接影响压缩机的输汽量、功率损耗和运转的可*性。
汽阀包括吸气阀和排气阀,活塞每上下往复运动一次,吸、排气阀各启闭一次,从而控制压缩机并使其完成吸气、压缩、排气等四个工作过程。
由于阀门启闭工作频繁且对压缩机的性能影响很大,因此汽阀需满足如下要求:
气体流过阀门时的流动阻力要小,要有足够的通道截面,通道表面应光滑,启闭及时、关闭严密,坚韧、耐磨。
轴封:
轴封的作用在于防止制冷剂蒸汽沿曲轴伸出端向外泄漏,或者是当曲轴箱内压力低于大气压时,防止外界空气漏入。
因此,轴封应具有良好的密封性和安全可*性、且结构简单、装拆方便、并具有一定的使用寿命。
轴封装置主要有机械式和填料式两种。
目前常用的机械式轴封主要有摩擦环式和波纹管式。
其中,国产系列活塞式制冷压缩机大都采用摩擦式轴封,这种轴封由活动环(摩擦环)、固定环、弹簧及弹簧座、压圈和两个“0”形耐油橡胶圈所组成。
活动环槽内嵌一橡胶密封圈并与活动环一同套装在轴上,在弹簧力和压圈的作用下,活动环与橡胶圈一同被压紧在轴上且使活动环紧贴在固定环上。
工作时弹簧座与弹簧、轴上橡胶密封圈及活动环随同曲轴一起转动,固定环及其上的橡胶圈则固定不动。
故工作时活动环和固定环作相对运动,紧贴的摩擦面起防止制冷剂往外泄漏的密封作用,轴上橡胶圈用来密封轴与活动环之间的间隙,固定环上的耐油橡胶密封圈起防止轴封室内润滑油外泄的作用。
1.4活塞式制冷压缩机润滑环系统
1.4.1润滑的作用
润滑是压缩机中的重要问题之一,它不仅影响到压缩机的性能指标,而且跟压缩机的寿命、可靠性、安全性也直接相关。
润滑的作用如下:
1)使摩擦表面(即轴与轴承、活塞环与气缸壁等运动部件接触面)被油膜分隔,形成液体摩擦或半干摩擦,从而降低压缩机的摩擦功、摩擦热和零件的磨损,提高压缩机的机械效率,增加压缩机的可靠性和耐久性。
2)对摩擦表面起冷却和清洁作用。
带走摩擦热,使摩擦表面温度不致过高,带走磨屑,改善摩擦表面的工作情况。
3)润滑油充满活塞与气缸的间隙和轴封的摩擦表面,增强密封作用。
4)利用压力润滑系统中的压力油,可以作为操纵能量调节机构的动力。
1.4.2润滑方式
压缩机的润滑方式可分为飞溅润滑和压力润滑两种类型。
飞溅润滑是利用运动零件的机械作用,将润滑油送至需要的摩擦表面,半封闭压缩机就有很多的采用飞溅润滑。
一方面在连杆大头下端装设甩油勺,将曲轴箱中的油甩向气缸镜面,润滑活塞与气缸壁之间的摩擦表面;另一方面,在电动机一端的轴上装有甩油盘,将油甩起并收集在电动机侧端盖的集油小室上,通过曲轴中的油道,润滑主轴承和连杆轴承。
在某些小型立式开启式压缩机中,飞溅润滑仅依靠曲柄连杆机构的运动来实现。
压力润滑系统式利用油泵产生的油压,将润滑油通过输油管道输送到需要润滑的各摩擦面,润滑油压力和流量可以按照给定要求实现,因而油压稳定,油压充足,还能对润滑油进行滤清和冷却处理,故润滑效果良好,大大提高了压缩机使用寿命、可靠性和安全性。
在我国中、小型制冷压缩机系列中和非标准大型制冷压缩机中均广泛采用压力润滑方式。
1.4.3润滑系统图
如图1-2
图1-2
1.5活塞式制冷压缩机常见故障
1.5.1液击
液击是往复式压缩机的致命杀手,往往会在很短时间内造成阀片破碎、连杆和曲轴弯曲甚至断裂。
液击是由回液、带液启动等引起的,是系统问题在压缩机上的表现。
提升制冷系统的设计、施工和维护技巧可以从根本上防止液击的发生,正确选择和安装膨胀阀、气液分离器、热气旁通阀和曲轴箱电热器、定时化霜、以及避免库温频繁波动是防止回液的具体措施。
1.5.2吸气阀片断裂
压缩机是压缩气体的机器。
通常,活塞每分钟压缩气体1450次(半封压缩机)或2900次(全封压缩机),即完成一次吸气或排气过程的时间为0.02秒甚至更短。
阀板上的吸排气孔径的大小以及吸排气阀片的弹性与强度均是按照气体流动而设计的。
从阀片受力角度讲,气体流动时产生的冲击力是比较均匀的。
液体的密度是气体的数十甚至数百倍,因而液体流动时的动量比气体大得多的,产生的冲击力也大得多。
吸气中夹杂较多液滴进入气缸时的流动属于两相流。
两相流在吸气阀片上产生的冲击不仅强度大而且频率高,就好像台风夹杂着鹅卵石敲打在玻璃窗上,其破坏性是不言而喻的。
吸气阀片断裂是液击的典型特征和过程之一。
1.5.3连杆断裂
压缩行程的时间约0.02秒,而排气过程会更短暂。
气缸中的液滴或液体必须在如此短的时间内从排气孔排出,速度和动量是很大的。
排气阀片的情况与吸气阀片相同,不同之处在于排气阀片有限位板和弹簧片支撑,不容易折断。
冲击严重时,限位板也会变形翘起。
1.5.4压缩机抱轴、卡缸
压缩机如果失油或有杂质进入往往会引起抱轴或卡缸,其故障现象为,通电后压缩机不运转,保护器动作。
1.5.5压缩机吸、排气阀关闭不严
如果压缩机的吸、排气阀门损坏,即使制冷剂充足系统也不能建立高低压或难以建立合格的高低压,系统不制冷或制冷效果很差。
1.5.6压缩机的震动和噪音
这类问题在维修工作中经常发生,一般对制冷性能并没有多大影响,但会使用户感觉不正常,引起的原因往往是管道和机壳相碰、压缩机的固定螺栓松动和减震块脱落等。
1.5.7热保护器损坏
热保护器是压缩机的附件,故障一般为断路或动作温度点变小。
断路会引起压缩机不工作;动作温度点变小会引起压缩机工作一段时间后就停机并反复如此,该问题往往容易和绕组匝间轻微短路相混淆,区别是热保护器损坏时工作电流是正常的,绕组短路时电流偏大。
第二章螺杆式制冷压缩机的结构及工作原理
2.1螺杆式制冷压缩机主要部件
螺杆式制冷压缩机主要由机壳、转子、轴承、轴封、平衡活塞及能量调节装置等组成。
2.1.1机壳
—般为剖分式,由机体、吸气端座及排气端座等三部分用螺栓连接组成。
机体内腔横断面为双圆相交的横8字形,与置于其内的两个啮合转子的外圆柱面相适合。
转子为一对互相啮合的螺杆,其上具有特殊的螺旋齿形。
其中凸齿形的称为阳螺杆(或称阳转子),凹齿形的称为阴螺杆(或称阴转子)。
阳螺杆与阴螺杆的齿数比,一般为4:
6(大流量的压缩机齿数比可为3:
4,当压缩比高达20时,齿数比可采用6:
8)。
多数情况下,阳螺杆与电动机直接连接,称为主动转子,阴螺杆为从动转子,故阳螺杆多为四头右旋,阴螺杆多为六头左旋。
为了使螺杆式制冷压缩机系列化,零件标准化和通用化,我国有关部门规定,螺杆的公称直径为63、80、100、125、160、200和315mm7种,其长径比分为λ=1.0和λ=1.5两种。
2.1.2轴承与轴封
螺杆式制冷压缩机的阴、阳螺杆均由滑动轴承(主轴承)和向心推力球轴承支承。
主轴承用柱销正确安装固定在吸、排气端座内,止推轴承在排气侧阳、阴螺杆上各装有两只,以承受一定的轴内力。
螺杆式制冷压缩机的轴封也多采用摩擦环式机械密封器,安装在主动转子靠联轴器——端轴上,其结构和原理同活塞式制冷压缩机的轴封相同。
2.1.3平衡活塞
由于结构上的差异,因吸、排气侧之间的压力差所引起的,作用在阳螺杆上的轴向合力,比作用在阴螺杆上的轴向合力大得多。
因此,阳螺杆上除装设止推轴承外,还增设油压平衡活塞,以减轻阳螺杆对滑动轴承端面的负荷,减轻止推轴承所承受的轴向力。
2.1.4能量调节装置
由滑阀、油缸、油活塞、四通电磁换向阀及油管路等组成。
活塞装在气缸壁下部两圆交汇处,改变滑阀的位置,即可起调节制冷量的作用。
螺杆式制冷压缩机工作时,齿间基元容积作周期性变化,从而使汽体沿转子轴向移动过程中完成吸汽,压缩和排气过程
2.2螺杆式制冷压缩机工作原理
螺杆式压缩机的工作是依靠啮合运动着的一个阳转子与一个阴转子,并借助于包围这一对转子四周的机壳内壁的空间完成的。
当转子转动时,转子的齿、齿槽与机壳内壁所构成的呈“V”字形的一对齿间容积称为基元容积,其容积大小会发生周期性的变化,同时它还会沿着转子的轴向由吸气口侧向排气口侧移动,将制冷剂气体吸入并压缩至一定的压力后排出。
图2-1
其中,a、b、c为从转子吸气侧(一般在转子上方)视图,表示了基元容积从吸气开始到吸气结束的过程;d、e、f为从转子排气侧(一般在转子下方)视图,表示了基元容积从开始压缩到排气结束的过程。
在两转子的吸气侧(图中a、b、c所示的转子上部),齿面接触线与吸气端之间的每个基元容积都在扩大,而在转子的排气侧(图中d、e、f所示的转子上部),齿面接触线与排气端之间的基元容积却逐渐缩小。
这样,使每个基元容积都从吸气端移向排气端。
下面以图2-1中所示某V形基元容积,说明螺杆式制冷压缩机的工作过程。
2.2.1吸气过程
齿间基元容积随着转子旋转而逐渐扩大,并和吸入孔口连通,气体通过吸入孔口进入齿间基元容积,称为吸气过程。
当转子旋转一定角度后,齿间基元容积越过吸入孔口位置与吸入孔口断开,吸气过程结束。
值得注意的是,此时阴、阳转子的齿间基元容积彼此并不连通。
2.2.2压缩过程
压缩开始阶段主动转子的齿间基元容积和从动转子的齿间基元容积彼此孤立地向前推进,称为传递过程。
转子继续转过某一角度,主动转子的凸齿和从动转子的齿槽又构成一对新的V形基元容积,随着两转子的啮合运动,基元容积逐渐缩小,实现气体的压缩过程。
压缩过程直到基元容积与排出孔口相连通的瞬间为止,此刻排气过程开始。
2.2.3排气过程
由于转子旋转时基元容积不断缩小,将压缩后具有一定压力的气体送到排气腔,此过程一直延续到该容积最小时为止。
随着转子的连续旋转,上述吸气、压缩、排气过程循环进行,各基元容积依次陆续工作,构成了螺杆式制冷压缩机的工作循环。
由上可知,两转子转向相迎合的一面,气体受压缩,称为高压力区;另一面,转子彼此脱离,齿间基元容积吸入气体,称为低压力区。
高压力区与低压力区由两个转子齿面间的接触线所隔开。
另外,由于吸气基元容积的气体随着转子回转,由吸气端向排气端作螺旋运动。
因此,螺杆式制冷压缩机的吸、排气孔口都是呈对角线方式布置的。
2.3螺杆压缩机的润滑系统
2.3.1润滑油的作用
1)在螺杆与压缩室以及阴阳螺杆间形成动态密封,减少制冷剂在压缩过程中
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