CO2制冷壓縮機性能檢測裝置與試驗研究

周俊海，賈磊，劉期聶，周洪林，范歡歡，劉杰，胡愛民

（合肥通用機械研究院壓縮機技術國家重點實驗室，安徽合肥 230088）

CO2制冷壓縮機性能檢測裝置與試驗研究

周俊海*，賈磊，劉期聶，周洪林，范歡歡，劉杰，胡愛民

（合肥通用機械研究院壓縮機技術國家重點實驗室，安徽合肥 230088）

根據 CO2制冷壓縮機的運行特點，設計了一套適用于跨臨界循環的壓縮機性能檢測裝置，該裝置適用于制冷量為14 kW ～70 kW的冷凍冷藏及熱泵系統用CO2壓縮機的測試，試驗方法為制冷劑氣體流量計法和跨臨界氣體冷卻器法；在此基礎上開展了CO2制冷壓縮機的性能測試，結果表明，該壓縮機的主側制冷量、輔側制冷量及主輔側平均值的測量結果重復性偏差均在±1%以內。

CO2制冷壓縮機；性能檢測裝置；試驗

0 引言

CO2是一種優良的天然制冷劑，具有良好的安全性和化學穩定性，安全無毒和無腐蝕性，不可燃；價格低廉，適應多種潤滑油及常用材料；具有較高的單位容積制冷量、較好的傳熱性能和流動性能。雖然CO2具有很高的系統運行壓力，導致可靠性和安全性問題令人擔憂，但從長遠角度看，CO2制冷系統具有一定的開發潛力[1]。

近年來，隨著CO2制冷（熱泵）系統的逐步推廣，CO2制冷壓縮機的需求也逐年增長。日本大金、三洋、松下和電裝等公司均生產CO2制冷壓縮機，每年產量達數十萬臺，比澤爾和都凌等歐洲知名企業也紛紛推出各自的 CO2制冷壓縮機產品，主要用于熱泵熱水機和冷凍冷藏領域。以上企業推出的產品均為容積式CO2制冷壓縮機，涉及往復式、渦旋式、轉子式和螺桿式等型式，國內煙臺冰輪集團有限公司與西安交通大學合作，已推出冷凍冷藏用CO2壓縮機，并將CO2制冷系統與NH3系統組合構成復疊式制冷系統[2]。隨著CO2熱泵熱水器、CO2汽車空調和CO2冷凍冷藏設備在國內外市場的不斷深入發展，CO2壓縮機的市場也正在逐漸擴大和發展。

然而，與CO2壓縮機研究密不可分的壓縮機性能檢測技術的研究才剛剛開始，專門針對CO2制冷壓縮機的試驗設備較少。因此，開展CO2制冷壓縮機檢測技術的研究和開發相應試驗裝置，將對CO2制冷壓縮機的研究、生產、制造以及技術進步都有極其重要的意義。

自2010年起，筆者所在的項目組針對使用CO2壓縮機制冷系統跨臨界和亞臨界循環的特點，通過對CO2壓縮機性能測試技術和實驗方法的研究，開發適合其特點的試驗方法和測試技術，研制出能滿足CO2壓縮機性能測試的試驗裝置，為CO2壓縮機的設計、改進提供理論依據，并為國家標準《容積式 CO2制冷壓縮機（組）》[3]的制定提供了重要的技術支持。

1 CO2制冷壓縮機性能檢測裝置

1.1 系統流程

對于亞臨界循環的 CO2壓縮機，可完全采用GB/T 5773的試驗方法[4]。所有的試驗均包括兩種試驗方法，即X法和Y法，兩種方法應同時進行測量，并以X法和Y法測量計算結果的平均值為準。

對于跨臨界循環的CO2壓縮機，其循環具有一定的特殊性：首先，跨臨界循環高壓側的壓力很高；其次，跨臨界循環無冷凝過程，在高壓側是CO2氣體單相換熱，也無過冷的情況；第三，其節流過程也不是從液相節流至氣液兩相區，而是從超臨界區節流至氣液兩相區。正因為這種特殊性，所以GB/T 5773中的制冷劑液體流量計法和水冷冷凝器量熱器法就不適用于跨臨界循環的CO2壓縮機。

本文設計的CO2制冷壓縮機性能檢測裝置，其主要試驗方法為排氣管制冷劑氣體流量計法。該方法采用一個流量測量節流裝置或質量流量計來測量氣體制冷劑體積流量或質量流量，如圖 1所示。為減少和消除制冷劑氣體流量的脈動，在相應管道上應裝設脈動緩沖器。為減少流量計的測量誤差，應設置有效的油分離裝置，使流經流量計的制冷劑氣體中含油量不超過1.5%（以質量計）。

圖1 排氣管制冷劑氣體流量計法示意圖

校核試驗方法采用跨臨界氣體冷卻器法，如圖2所示：高壓側制冷劑氣體經節流后一部分進入冷凝支路冷卻成液體，并測量其流量，然后使其在一個氣體混合冷卻器中于低壓側壓力下再蒸發，用以冷卻經另一支路降壓后進入氣體混合冷卻器的剩余循環蒸氣，從氣體混合冷卻器出來的制冷劑混合蒸氣應不含制冷劑液滴，之后制冷劑蒸氣進入壓縮機吸氣口，形成一個閉式循環系統。在對氣體混合冷卻器進行漏熱量修正后，已冷凝的制冷劑質量和未冷凝的制冷劑質量之比等于進入氣體混合冷卻器的兩股制冷劑蒸氣比焓變化之比的倒數，據此計算出循環系統的制冷劑總流量。

圖2 跨臨界氣體冷卻器法示意圖

經理論分析，跨臨界氣體冷卻器法的流量、制冷量計算公式與GB/T 5773相同。由于從壓縮機排氣通過壓力流量調節閥將壓力降至臨界壓力以下，因此對于試驗系統，其絕大部分管路和部件以及測試儀表需要承受的壓力均在臨界壓力以下，可以大大降低成本，系統可靠性也能顯著增加。

測試系統的主回路包括CO2主循環系統、油冷卻系統、經濟器系統、熱氣旁通系統、噴液系統、冷媒充排系統和測量調節系統。

在測試過程中，CO2冷媒和冷凍油的混合物從被測壓縮機的排氣口排出，通過管路輸送到油分離器；經過油分離器后（分離出的冷凍油被輸送到油冷卻系統管路中），CO2氣體經過氣體流量計到達一級節流閥，而后進入冷卻器冷卻；冷卻后的氣體進入儲液罐；再進入再冷卻器被冷凝為過冷的CO2液體；CO2液體經過液體流量計后被二次節流降壓輸送到混合器，在這里與熱氣旁通管路輸送的熱氣進行混合；CO2過熱氣體從混合器的頂部出口進入到吸氣管路，然后被壓縮機吸氣口吸入進行壓縮。

整套系統的示意圖和實物圖如圖3和圖4所示。

圖3 CO2制冷壓縮機性能檢測裝置示意圖

圖4 CO2制冷壓縮機性能檢測裝置實物圖

1.2 輔助系統

除了上述主回路系統外以外，試驗裝置還包括以下輔助系統。

恒溫水箱：采用304鋼材制作，外有橡塑保溫層，配不銹鋼外包。外接管包括：補水管、排污管、溢流管、冷卻水進出水管、冷媒水進出水管、電加熱安裝孔、液位浮球開關安裝孔、補水浮球安裝孔和鉑電阻安裝孔等。通過一定的控制方法，保證水箱里的水達到設定溫度并維持恒溫。

風冷冷水機組：為水箱提供冷源，降低水箱的溫度。主要保護信號有：斷流、高低壓和排溫過高等。為了適應本地夏季溫度高的特點，散熱方面采用了冷凝壓力風扇調速器（無級調速），使冷凝溫度受外界環境溫度的影響較小，從而保證為恒溫水箱提供冷源溫度的相對穩定性。

電加熱：安裝在恒溫水箱上，與水箱的水直接接觸，為水箱提供熱源。該熱源采用了調功器控制，輸出的熱量由PID調節表無級控制，根據壓縮機的負荷和冷源的狀態，自動調節輸出能力，保證水溫恒定在設定值。

水泵：冷卻水和冷媒水輸送的動力部件。該系統包含5只均為變頻控制的水泵：冷媒水水泵——將需要降溫的水輸送到風冷冷水機組；冷卻器水泵——將恒溫水箱的水輸送到冷卻器中帶走被測CO2壓縮機產生的部分熱量；再冷器水泵——將恒溫水箱的水輸送到在冷卻器中，再次冷卻處于循環的CO2冷媒；經濟器換熱器水泵——將恒溫水箱的水輸送到經濟器管路的換熱器中，降低經濟器進入壓縮機經濟器接口的冷媒的溫度；油冷卻器水泵——將恒溫水箱的水輸送到油冷卻器換熱器中，降低冷媒中被分離出來的冷凍油的溫度。

三通調節閥：對不同溫度的水采用混合的方式，二次調節進入換熱器的水溫。

閥件和管路：管路采用耐溫PPR管材制作，閥件為PPR材質，安裝方便，并能保證冷卻水金屬離子的污染。

1.3 測量范圍

通過與AHRI和ASERCOM等機構的技術交流，并參考國內相關壓縮機標準的測試工況，本文開發的 CO2壓縮機性能試驗裝置設計最低蒸發溫度為-50℃，最高蒸發溫度為28℃，結合流量計的量程，計算出試驗裝置的測量范圍為14 kW～70 kW。

試驗裝置采用科氏力氣體流量計，測量精度為±0.5%；溫度傳感器采用高精度鉑電阻溫度計，測量精度為±0.1℃；壓力測量采用最大量程為8 MPa和17 MPa的兩類壓力傳感器，測量精度為±1%。通過主輔系統的綜合設計，可以獲得裝置的溫度范圍和壓力范圍，見表1。

表1 CO2制冷壓縮機試驗裝置溫度和壓力運行范圍

該試驗裝置可以準確測定冷凍冷藏和熱泵系統用CO2制冷壓縮機的技術數據，實現跨臨界和亞臨界循環的測試，系統可由計算機進行采集測量數據，同時計算機對測量數據進行處理并存檔，自動打印試驗報告。同時裝置的操作簡單，維護量少，耗能較低。

圖5 CO2制冷壓縮機運行過程的典型測試曲線

2 CO2制冷壓縮機性能試驗

2.1 運行穩定性

通過冷熱源系統的組合，可以保障CO2壓縮機測試過程中的工況控制和參數測量。圖5是CO2制冷壓縮機運行過程的典型測試曲線，從圖中可以看出，系統運行平穩，滿足試驗要求。

2.2 樣機性能試驗

筆者對某型號的CO2制冷壓縮機進行了兩次性能測試，目的是初步了解該壓縮機的運行特性，并驗證試驗系統多次測量的穩定性。

兩次試驗的設定工況如下：壓縮機吸氣溫度20℃，壓縮機吸氣壓力4.5 MPa，蒸發溫度10℃，過熱度10℃，氣體冷卻器出口溫度20℃。

制冷量測試結果如表2所示。

表2 CO2制冷壓縮機性能試驗測量結果

從上述結果可以看出，無論是主側制冷量、輔側制冷量還是制冷量（即主輔側平均值），重復性偏差均在±1.5%以內（該數值為常規試驗裝置的重復性偏差要求）。

3 結束語

本文通過對CO2壓縮機性能試驗方法和試驗技術的分析，研究符合其特點的合理可靠的試驗方法，并研制出能滿足試驗方法的試驗裝置，該裝置的特征參數如下：

1） 試驗系統適用的制冷劑：CO2。

2） 主要試驗方法：制冷劑氣體流量計法；校核試驗方法：跨臨界氣體冷卻器法。

3） 測量范圍：冷凍冷藏及熱泵系統用CO2壓縮機制冷量14 kW～70 kW。

4） 重復性精度：一次安裝的重復性精度為±1.5%。

本文還通過對CO2壓縮機樣機的試驗來驗證試驗方法和試驗裝置的合理性和科學性，并為相關國家標準的制定提供技術支撐，以促進CO2制冷壓縮機產品的技術進步。

[1]史敏, 賈磊. 二氧化碳制冷技術[J]. 制冷與空調, 2007,7（6）∶ 1-5.

[2]王炳明, 李建風, 吳華根, 等. NH3/CO2復疊制冷系統中CO2螺桿壓縮機的研發[J]. 流體機械, 2009, 37（3）∶ 16-18.

[3]GB/T 29030-2012, 容積式 CO2制冷壓縮機（組）[S].

[4]GB/T 5773-2004, 容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法[S].

Performance Test Equipment and Experimental investigation of CO2Refrigeration Compressors

ZHOU Jun-hai*, JIA Lei, LIU Qi-nie, ZHOU Hong-lin, FAN Huan-huan, LIU Jie, HU Ai-min
（National Key Laboratory for Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China）

According to the operation features, a performance test equipment for transcritical CO2Refrigeration compressors is designed. The equipment is suitable for performance test of the refrigeration and heat pump CO2compressors which cooling capacity within 14 kW～70 kW, and the testing methods are gas Refrigerant flowmeter method and transcritical gas-cooler method. A CO2Refrigeration compressor model is tested on this equipment and the results indicate that the repeatability deviations of primary cooling capacity, auxiliary cooling capacity and average cooling capacity are within ±1%.

CO2refrigeration compressor; Performance test equipment; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.108

*周俊海（1981-），男，工程師，學士。研究方向：制冷空調檢測技術。聯系地址：合肥市高新區天湖路29號，郵編：230088。聯系電話：0551-65335429。E-mail：13856007764@163.com。