吸氣過熱度對滾動轉子壓縮機性能影響的實驗研究

陶 宏 楊 軍 劉春慧 葉柯嘉 胡長更

(上海日立電器有限公司技術中心 上海 201206)

滾動轉子壓縮機是目前最常見的一種房間空調器用壓縮機，其在定吸氣過熱度情況下的變工況性能通常采用圖、表法或AHRI540[1]建議的10系數多項式模型來表示，即：

式中，X11表示吸氣過熱度11.1K時壓縮機的質量流量W、輸入功率P等性能參數；Tc—排氣壓力對應的飽和溫度或露點溫度，Te—吸氣壓力對應的飽和溫度或露點溫度。

一般，基于壓縮機變工況性能的圖、表或10系數多項式模型基本上可以通過作圖法初步計算制冷系統運行狀態[2]；為了更加準確地計算機模擬制冷循環，需要吸氣過熱度修正的壓縮機性能模型。AHRI540雖然建議了空調用壓縮機吸氣過熱度修正范圍(8.3K～16.7K)，可是并沒有提供具體的修正方法。因此，在壓縮機性能實驗臺上進行了吸氣過熱度對滾動轉子壓縮機性能影響的實驗研究，特別是進行了負吸氣過熱度的實驗研究來解決這個問題。

1 研究回顧

Dabiri和Rice[3]系統地提出一套壓縮機性能模型變吸氣過熱度的修正方法，由壓縮機質量流量計算式：

假設在一定蒸發溫度、冷凝溫度下，壓縮機的轉速n和容積效率ηV近似不變，那么在某吸氣過熱度時壓縮機質量流量W與參考吸氣過熱度時壓縮機質量流量Wref之間的關系式：

由壓縮機輸入功率定義式：

假設在一定蒸發溫度、冷凝溫度下，壓縮機的電效率ηe基本不變，那么在某吸氣過熱度時壓縮機輸入功率P與參考吸氣過熱度時壓縮機質量流量Pref之間的關系式：

Dabiri和Rice[3]特別指出，在負過熱度區間仍然需要更多的實驗數據來驗證上述吸氣過熱度修正模型。

向獻紅[4]通過實驗以吸氣溫度20℃為參考點修正了不同吸氣溫度時開啟式活塞壓縮機性能。

蘇順玉[5]通過實驗以吸氣過熱度11.1K為參考點修正了不同吸氣過熱度時渦旋壓縮機性能。

與活塞壓縮機、渦旋壓縮機一般采用低背壓型式不同，滾動轉子壓縮機通常采用高背壓型式(如圖1右所示)，一般自帶吸氣儲液器(氣液分離器)；AHRI540提供的吸氣過熱度范圍(8.3K～16.7K)并不能完全覆蓋滾動轉子壓縮機的實際運行工況。陶宏[6]實驗研究了變制冷劑流量制冷循環在“0吸氣過熱度”附近的性能，韓磊[7]實驗研究了回氣帶液(負吸氣過熱度)對滾動轉子壓縮制冷系統性能的影響，源生一太郎[8]定性闡述了吸氣過熱度(包括負過熱度)對壓縮機質量流量、容積效率、排氣溫度等性能的影響。

2 滾動轉子壓縮機性能實驗系統

2.1 實驗方法

實驗采用GB/T5773－2004[9]中定義的第二制冷劑量熱器法(如圖1左所示)，第二制冷劑量熱器是一個隔熱的密閉壓力容器，充注有第二制冷劑，下部是液相區，電加熱器浸沒其中，上部是氣相區，懸置一個蒸發器；第二制冷劑被電加熱器加熱沸騰蒸發為氣體上升到氣相區，在蒸發器表面又被冷凝為液體滴落回下部液相區。為了使量熱器的漏熱損失最小，調節量熱器室溫度等于量熱器內第二制冷劑溫度。

排氣壓力、吸氣壓力、閥前溫度、吸氣溫度(吸氣過熱度大于5K)按照圖 2調節；吸氣過熱度小于5K時，手工設定電加熱器的功率，吸氣溫度(或干度)自動平衡；其中主要參數測量儀表參見表1。壓縮機室溫度可調節，同時有一風扇對著壓縮機吹風。

圖1 壓縮機性能實驗裝置原理圖Fig.1 Compressor performance test installation schematic diagram

圖2 壓縮機性能實驗裝置主要調節回路框圖Fig.2 Key regulation loops block diagram of compressor performance test installation

表1 主要測量儀表Tab.1 List of principal measuring instruments

eo-s連管采用保溫棉隔熱，幾乎無漏熱，那么吸氣口比焓近似等于量熱器出口比焓。

為了消除壓縮機自帶吸氣儲液器漏熱對壓縮機性能的影響，設定壓縮機室溫度等于吸氣溫度Ts，吸氣儲液器幾乎無漏熱 Φacc≈ 0。

由公式(6)和(7)得

質量流量計在過冷段直接測量制冷劑的質量流量W；另外，也可以通過量熱器法間接測量制冷劑的質量流量W′，即：

式中的Φe等于直接測量的電加熱功率ΦH和量熱器漏熱量Φloss的代數和，

式中，量熱器漏熱量Φloss根據量熱器室與量熱器內部的溫差大小修正[9]。

閥前的比焓hvi通過閥前的壓力pvi和溫度Tvi計算；當量熱器出口制冷劑為過熱蒸汽時，通過當地壓力peo和溫度Teo可計算當地比焓heo。

壓縮機在一定吸氣壓力ps、吸氣溫度Ts、排氣壓力pd條件下，某膨脹閥前溫度TVi時的制冷量為：

其中包括從量熱器出口eo到壓縮機吸氣口s之間連接管路的損失。

當量熱器出口制冷劑為氣液兩相時，當地壓力peo和溫度Teo不獨立，無法計算當地比焓heo；另外，當量熱器出口制冷劑過熱度小于0.5K時，由于壓力傳感器和溫度傳感器的測量誤差，也不能計算當地比焓Teo；W和W′之間差異很小，即W=W′，

由hs≈ heo和當地壓力ps可以計算壓縮機吸氣口s處的制冷劑狀態，

或

那么，吸氣過熱度定義為：

當吸氣口過熱時(正過熱度)，

當吸氣口兩相時(負過熱度)，

2.2 實驗對象

海立(HIGHLY)壓縮機SL211，制冷劑R22，冷凍油4GSI。

壓縮機理論排量Vd=21.1mL。

2.3 實驗工況

實驗工況參照GB/T15765－2006[10]選定，為了比較壓縮機室環境溫度對壓縮機性能的影響，一種工況設定壓縮機室溫度等于吸氣溫度Ts，另一種工況設定壓縮機室溫度為35℃。

表2 測試工況Tab.2 Test operating conditions

3 實驗結果分析

3.1 質量流量、容積效率、制冷量

如圖3所示，壓縮機的質量流量隨吸氣過熱度的增大而減??；曲線2低于曲線1，且在高吸氣過熱度區域，曲線2距離曲線1較近，而在低吸氣過熱度區域，曲線2距離曲線1較遠；這是由于當壓縮機室溫度為35℃，吸氣儲液器被加熱，泵體吸氣口s′吸氣過熱度高于吸氣口s過熱度，溫差越大吸氣儲液器被加熱效果越強。如圖 3所示，曲線2上A點質量流量比曲線1上低A-AU，曲線2上B點質量流量比曲線1上低B-BU，低吸氣過熱度時質量流量損失大于高吸氣過熱度時；曲線2上A點實際吸氣過熱度相當于曲線1上AR點，曲線2上B點實際吸氣過熱度相當于曲線1上BR點，低吸氣過熱度時過熱度變化大于高吸氣過熱度時。另外，根據曲線1和曲線2實驗數據，通過公式(12)和(13)可以標定吸氣儲液器漏熱系數KFacc。

在吸氣過熱度區間[-20K,20K]，壓縮機的質量流量與吸氣過熱度之間符合二次多項式擬合關系：

在正吸氣過熱度區間[0K,20K]，壓縮機的質量流量與吸氣過熱度之間符合線性擬合關系：

圖3 質量流量隨吸氣過熱度的變化Fig.3 Mass fl owrate varie with degree of suction gas superheat

曲線1為壓縮機室溫度等于吸氣溫度時，曲線2為壓縮機室溫度等于35℃；

圖4 容積效率隨吸氣過熱度的變化Fig.4 Volume ef fi ciecy varies with degree of suction gas superheat

由實測壓縮機轉速n=(2855±5)r/min和實測質量流量，按照公式(2)計算壓縮機容積效率(圖4)，可見，正吸氣過熱度[0K,20K]時，壓縮機容積效率處于0.86～0.87之間，按照公式(3)估算質量流量誤差小于1.25%；但是負吸氣過熱度[-20K,0K]時，壓縮機容積效率下降較快，按照公式(3)估算質量流量誤差將達到3%。

圖5 制冷量隨吸氣過熱度的變化Fig.5 Refrigerating capacity varies with degree of suction gas superheat

如圖5所示壓縮機制冷量等于質量流量與單位質量制冷量的乘積；當過冷溫度一定時，吸氣過熱度增大，單位質量制冷量增大；但隨著吸氣過熱度的增大壓縮機吸氣密度減小，質量流量減小(如圖 3所示) ；綜合起來，在負吸氣過熱度區間[-20K,0K]，壓縮機制冷量隨著吸氣過熱度的增大而增大，而在正吸氣過熱度區間[0K,20K]，壓縮機制冷量基本不變(如圖5所示)。

3.2 功耗、電效率

如圖6所示，壓縮機的功耗隨吸氣過熱度的變化幅度小于10W(1%)，考慮到功率測量的誤差(參見表1)，認為壓縮機的功耗基本不隨吸氣過熱度的變化而變化。

按照公式(4)計算壓縮機的電效率，在正吸氣過熱度區間[0K,20K]，壓縮機電效率處于0.655～0.665之間，按照公式(5)估算壓縮機功耗誤差小于2%；在負吸氣過熱度區間[-20K,0K]，壓縮機電效率下降較快，按照公式(5)估算壓縮機功耗誤差將達到6%。

圖6 功耗隨吸氣過熱度的變化Fig.6 Input power varies with degree of suction gas superheat

圖7 電效率隨吸氣過熱度的變化Fig.7 Electrical ef fi ciency varies with degree of suction gas superheat

3.3 排氣溫度

在吸氣過熱度區間[-20K,20K]，壓縮機排氣溫度隨吸氣過熱度近似線性變化。另外，根據壓縮機排氣狀態實驗數據，通過能量守恒方程

可以標定壓縮機殼體的傳熱系數KFcomp。

圖8 排氣溫度隨吸氣過熱度的變化Fig.8 Discharge gas temperature varies with degree of suction gas superheat

4 結論

在一定吸氣壓力和排氣壓力下，當正吸氣過熱度時，滾動轉子壓縮機的轉速n和容積效率ηV近似不變，其質量流量在公式(1)的基礎上按照公式(3)修正吸氣密度變化的影響即可；而當負吸氣過熱度(吸氣帶液)時，滾動轉子壓縮機的容積效率ηV有所減小，還應修正容積效率ηV減小的影響。

在一定吸氣壓力和排氣壓力下，滾動轉子壓縮機的輸入功率幾乎不隨吸氣過熱度變化，按照公式(1)計算即可。

符號說明

符號 名稱 單位 符號 名稱 單位W 質量流量 kg/s h 比焓 J/kg P 功耗 W ρ 密度 kg/m3 p 壓力 Pa n 壓縮機轉速 r/min T 溫度 ℃ Vd壓縮機理論排量m3 x 干度 —

下標 名稱 下標 名稱acc 吸氣儲液器 sat 飽和comp 壓縮機

[1]AHRI. ANSI/AHRI Standard 540 (formerly ARI Standard 540) 2004 Standard For Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units[S]. USA: AHRI, 2004.

[2]繆道平, 吳業正.制冷壓縮機[M].北京: 機械工業出版社,2001，37-39.

[3]Daribi A E, Rice C K. A compressor simulation model with correlations for the level of suction gas superheat[J].ASHRAE Transactions, 1981, 187(3): 771-782.

[4]向獻紅, 丁力行.制冷壓縮機性能曲線擬合方程及應用[J].制冷與空調(四川), 1997, (1): 21-24.(Xiang Xianhong，Ding Lixing. Research on Simulation Model of FK4 Refrigerating Compressor[J]. Refrigeration & Aircondition, 1997, (1): 21-24. )

[5]蘇順玉, 秦妍, 趙之海, 等.渦旋壓縮機的實驗研究及其工作性能分析[J].流體機械, 2006, 34(10): 1-4. (Su Shunyu, Qin Yan, Zhao Zhihai, et al. Experimental Study of a Scroll Compressor and Analysis of its Performance[J].Fluid Machinery, 2006, 34(10): 1-4. )

[6]陶宏.變制冷劑流量制冷循環“0過熱度”問題的實驗研究[D].上海: 上海理工大學，2008年12月.

[7]韓磊, 陶樂仁, 鄭志皋, 等.回氣帶液對滾動轉子壓縮制冷系統性能影響實驗研究[J].制冷學報, 2010,33(4): 22-25. (Han Lei, Tao Leren, Zheng Zhigao, et al.Experimental Studies on the Effect of Liquid-Refrigerant Return on the Rotary Refrigerant System Performance[J].Journal of Refrigeration, 2010, 33(4): 22-25. )

[8]源生一太郎.制冷機的理論和性能[M]. 北京: 農業出版社, 1981, 66-69,84.

[9]中國國家標準化管理委員會全國冷凍設備標準化技術委員.GB/T5773-2004容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法[S]. 北京: 中國標準出版社, 2004.

[10]中國國家標準化管理委員會全國家用電器標準化技術委員會. GB/T15765-2006房間空氣調節器用全封閉型電動機-壓縮機[S]. 北京: 中國標準出版社, 2006.