仇富強(qiáng) 農(nóng)秉茂 吳 立 楊偉兵

(1. 銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系， 安徽 銅陵 244061；2. 漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系， 河南 漯河 462000；3. 銅陵學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 安徽 銅陵 244061)

壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的心臟，它對制冷系統(tǒng)的整體性能具有決定性的作用。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、吸氣過熱度等變量對制冷量、吸排氣壓比、容積效率、制冷劑比容等性能參數(shù)都具有一定的影響。定量分析有關(guān)變量對壓縮機(jī)性能參數(shù)的影響，有助于不斷改善制冷系統(tǒng)性能。

有關(guān)研究已經(jīng)取得了許多成果。黃忠等人推導(dǎo)出了螺桿式壓縮機(jī)容積效率的計(jì)算方法，可用于工程設(shè)計(jì)[1]。文航等人針對滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)建立了一系列數(shù)學(xué)模型，可描述變工況下壓縮機(jī)的容積效率等性能參數(shù)[2]。傅烈虎等人分析了容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)對汽車空調(diào)壓縮機(jī)容積效率的影響[3]。李慶剛等人基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對一種螺桿式壓縮機(jī)而建立了預(yù)測誤差較小的容積效率計(jì)算模型[4]。范立娜等人分析了壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)對容積效率的影響[5]。商萍君在分析變頻螺桿式壓縮機(jī)性能時(shí)提出的非線性擬合數(shù)學(xué)模型，也具有較高的精度和實(shí)用性[6]。王楓等人通過實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對活塞式制冷壓縮機(jī)容積效率的影響，結(jié)果表明蒸發(fā)溫度越低、冷凝溫度越高，則壓縮機(jī)的容積效率就越低，蒸發(fā)溫度低于-35 ℃時(shí)，壓縮機(jī)的容積效率會(huì)降至50%以下[7]。

現(xiàn)利用水冷式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)，主要分析過熱度對滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)熱力性能的影響，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效運(yùn)行提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及有關(guān)參數(shù)

水冷式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)循環(huán)主要包括壓縮機(jī)性能測試循環(huán)和水源(冷凝用水和蒸發(fā)用水)循環(huán)。壓縮機(jī)性能測試循環(huán)涉及壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、過冷器、質(zhì)量流量計(jì)、膨脹閥(EXV)、蒸發(fā)器、油分離器等部件。所用壓縮機(jī)為上海日立電器公司生產(chǎn)的FG720CG1UY型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，其適用制冷劑為R22，允許變頻范圍為25～130 Hz，壓縮機(jī)的額定頻率為72 Hz。選用PUN-601EH 型增壓泵為換熱器水循環(huán)提供動(dòng)力，其測試范圍為115 Lmin，最大揚(yáng)程為25 m。

采用Rosement壓力變送器測量壓縮機(jī)的吸排氣壓力，其量程為0～3 MPa，精度為±0.5 MPa。采用PT100鉑電阻測量水溫，其測試精度為A級(jí)。對系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量，采用科氏力流量計(jì)進(jìn)行測量，其測量范圍為0～10 kgmin，測量精度為±0.1 kgmin。運(yùn)用數(shù)據(jù)采集儀對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控、測量。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過改變蒸發(fā)器側(cè)的進(jìn)水溫度和流量，實(shí)現(xiàn)對蒸發(fā)器換熱量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對壓縮機(jī)吸氣過熱度的控制。制冷劑過冷度設(shè)定值為5 ℃；壓縮機(jī)吸氣過熱度設(shè)定值分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃。實(shí)驗(yàn)分析以滿足換熱量需要為前提，保持蒸發(fā)器換熱量恒定。

通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的儀器儀表，可得測量參數(shù)：制冷劑循環(huán)流量(mr)，壓縮機(jī)吸氣壓力(pr,in)與溫度(Tr,in)，壓縮機(jī)排氣壓力(pr,out)與溫度(Tr,out)，冷凝器水源流量(mcw)及進(jìn)出口溫度(Tcw,in、Tcw,out)，蒸發(fā)器水源流量(mew)及進(jìn)出口溫度(Tew,in、Tew,out)。依據(jù)這些測量參數(shù)，應(yīng)用refprop物性軟件可得壓縮機(jī)吸排氣口制冷劑比焓，進(jìn)而計(jì)算得到壓縮機(jī)的吸排氣口制冷劑比容。

壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比焓：

hr，in=f(pr，in，Tr，in)

(1)

壓縮機(jī)排氣口制冷劑比焓：

hr，out=f(pr，out，Tr，out)

(2)

壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比容：

vr，in=f(pr，in，hr，in)

(3)

壓縮機(jī)排氣口制冷劑比容：

vr，out=f(pr，out，hr，out)

(4)

根據(jù)壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比容，計(jì)算得到壓縮機(jī)的容積效率(ηv)[8]，即：

ηv=(mr·vr，in)(V·N)

(5)

式中：V為壓縮機(jī)單位壓縮體積，m3；N為壓縮機(jī)額定運(yùn)轉(zhuǎn)速度，rmin。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)系統(tǒng)蒸發(fā)壓力、冷凝壓力為定值時(shí)，壓縮機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下過熱度對壓縮機(jī)制冷量的影響如圖1所示。壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為90 Hz時(shí)，相比70 Hz時(shí)，其制冷量要高出0.28～0.77 kW；壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為70 Hz時(shí)，相比50 Hz時(shí)，其制冷量要高出0.3～0.79 kW。這是由于隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加，系統(tǒng)制冷劑流量隨之增大而引起的。

在壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為定值時(shí)，壓縮機(jī)的制冷量是隨著吸氣過熱度的增大而下降的。這是由于壓縮機(jī)容積系數(shù)與吸氣過熱度成反比，過熱度增加后容積系數(shù)減小，于是導(dǎo)致制冷劑流量減小。

蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、吸氣過熱度、過冷度等實(shí)驗(yàn)變量，主要是通過壓縮機(jī)吸排氣壓比影響壓縮機(jī)容積系數(shù)、壓力系數(shù)，進(jìn)而影響壓縮機(jī)容積效率。壓縮機(jī)以不同頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其吸排氣壓比與吸氣過熱度成正比(見圖2)。

吸氣過熱度的降低，表征蒸發(fā)器內(nèi)兩相換熱區(qū)延長。在滿足相同換熱量的前提下，蒸發(fā)器換熱溫差減小、蒸發(fā)溫度升高，則蒸發(fā)壓力升高。盡管此時(shí)冷凝壓力也有所升高，但冷凝壓力升高比重小于蒸發(fā)壓力升高比重，因而吸排氣壓比減小。

圖1 過熱度對壓縮機(jī)制冷量的影響

圖2 過熱度對吸排氣壓比的影響

當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率升高，吸排氣壓比是隨之增加的。壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為90 Hz時(shí)的吸排氣壓比，一直大于運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為70、50 Hz時(shí)的氣壓比，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為50 Hz時(shí)的氣壓比相對最小。

實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)膨脹閥的開度來確保壓縮機(jī)吸氣過熱度的恒定，即將膨脹閥在不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下對制冷劑的節(jié)流效果視為相似。但在同一管路內(nèi)，制冷劑的流動(dòng)阻力隨著流量的增加而增大，即制冷劑在管路內(nèi)的壓降隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的升高而增大，因此壓縮機(jī)的吸排氣壓差是隨壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的升高而增大，致使吸排氣壓比同樣增大。

壓縮機(jī)的容積效率表示壓縮機(jī)內(nèi)部壓縮腔的有效利用程度，它主要與容積系數(shù)、壓力系數(shù)、溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)有關(guān)。其中，容積系數(shù)是指壓縮機(jī)實(shí)際輸氣量與理論輸氣量的比值，它反映了容積式壓縮機(jī)氣缸工作容積的有效利用程度。圖3所示為過熱度對壓縮機(jī)容積效率的影響曲線。由圖3可知，在相同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為定值時(shí)，吸氣過熱度越大，壓縮機(jī)容積效率就越小。這是因?yàn)橄到y(tǒng)吸排氣壓比是與吸氣過熱度成正比的(見圖2)，故壓縮機(jī)容積效率與吸排氣壓比成反比，王楓等人的研究[7]也表明了這一結(jié)果。

圖3 過熱度對容積效率的影響

壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率較高，則其容積效率也較高。這是由于系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流量的增加引起的，當(dāng)工質(zhì)在換熱器內(nèi)的流速增加后，換熱器的總換熱系數(shù)增加，蒸發(fā)器換熱溫差減小、蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力升高，最終引起吸排氣壓比進(jìn)一步減小、容積效率進(jìn)一步提高。

在保持蒸發(fā)器換熱量恒定的情況下，隨著吸氣過熱度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)溫度也降低。與吸氣過熱度的升高幅度相比，蒸發(fā)溫度的降低可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)以5 ℃的蒸發(fā)溫度為基準(zhǔn)，測量吸氣過熱度對工質(zhì)比容的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 過熱度對制冷劑比容的影響

由圖4可看出，制冷劑比容(vr，in)隨著吸氣過熱度的升高而增加，吸氣過熱度每升高5 ℃，制冷劑比容的增大幅度約為2.14%～2.62%。制冷劑比容的降低，表征制冷劑循環(huán)流量的降低，結(jié)果會(huì)削弱系統(tǒng)制冷量。

3 結(jié) 論

基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1) 在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度為定值時(shí)，隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加，制冷劑循環(huán)流量將增加，從而使得系統(tǒng)制冷量增大；當(dāng)過熱度增大時(shí)，系統(tǒng)制冷量會(huì)減小。

(2) 在保持蒸發(fā)器換熱量恒定的情況下，壓縮機(jī)以不同頻率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，吸排氣壓比與過熱度和壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率成正比；在相同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下，壓縮機(jī)容積效率隨著吸氣過熱度的增加而減小，隨著吸排氣壓比的減小而增大。此外，工質(zhì)比容是隨著吸氣過熱度的升高而增加，吸氣過熱度每升高5 ℃，工質(zhì)比容增大的幅度約為2.14%～2.62%。