大功率CO2壓縮機運行效率的實驗研究

韓毅吳靜怡Hafner Armin

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學 特隆赫姆 7049）

大功率CO2壓縮機運行效率的實驗研究

韓毅1吳靜怡1Hafner Armin2

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2挪威科技大學 特隆赫姆 7049）

本文在不同壓力和轉速工況下，對一臺由挪威科技大學與Sintef聯合研發的100 kW大功率單級活塞式CO2制冷壓縮機進行了實驗測試，得出壓縮機效率、容積效率以及油循環率隨壓縮比和轉速的變化曲線，以及效率最優時各參數的范圍。結果表明：當壓縮比為2.1、轉速為2 500 r／min時，油循環率達到最大值2.84%；當壓縮比為1.88，轉速為1 000 r／min時，容積效率達到最大值85.8%；當壓縮比為1.5～2.5，轉速約為1 500 r／min時，壓縮機效率最優；當轉速為1 500 r／min，壓縮比為2.0時，可達到最大值79.1%。針對壓縮機效率的實驗數據進行了數學擬合，并與兩臺同類壓縮機的產品效率作對比分析，結果表明：大功率壓縮機當壓縮比為1.5～3.2時的效率比同類壓縮機約高11.5%。

壓縮機；CO2；效率；壓縮比；轉速

當今由傳統氟氯制冷劑造成的環境問題越來越受到人們的重視，因此友好型工質在制冷系統的應用中逐漸成為重要的發展方向之一。CO2作為替代氟氯制冷劑的新工質由G.Lorentzen等［1－3］提出，并在21世紀的商業和工程發展中得到了廣泛的應用。CO2壓縮機是CO2制冷設備中的核心部件，由于CO2臨界溫度低但臨界壓力高，在制冷循環中多采用跨臨界壓縮循環，所以CO2壓縮機運行的壓縮比和轉速范圍較廣。但由于運行在高壓縮比或過低、過高轉速時壓縮機效率會顯著下降，因此在不同壓縮比和轉速下實現高效率成為CO2壓縮機的技術關鍵。以往已有很多針對CO2跨臨界循環的分析和壓縮機技術的相關研究。 楊亮等［4］，王景剛等［5］，孫志利等［6］，姜云濤等［7］，陳江平等［8］對CO2壓縮膨脹循環和流動進行了仿真和實驗分析，孫玉等［9］，郭蓓等［10］對近年來CO2壓縮機在國內以及國際上的研發現狀做了概括性總結，陸平［11］，薛衛東等［12］分別對全封閉旋轉式及微型CO2壓縮機做了測試研究。吳炯［13］，胡健等［14］，鄧帥等［15］對CO2壓縮機在跨臨界及超臨界循環等工程應用中的關鍵技術進行了模擬研究。

然而，現今涉及100 kW大功率CO2壓縮機在變轉速和壓比方面的實驗研究不多，已有的研究主要針對中小型CO2壓縮機的設計細節或僅針對不同壓縮比做測試分析，由于壓縮比和轉速在大功率CO2壓縮機運行中起到顯著的影響作用，因此需要大量的效率數據作為壓縮機開發和制冷容量設計的支持。本文實驗研究了在不同工況下對NTNU和Sintef研發的一個100 kW大功率CO2壓縮機，得出壓縮機效率、容積效率以及油循環率隨壓縮比和轉速的變化曲線，以及效率最優時各參數的范圍。此外，針對壓縮機效率進行了數學擬合，并與兩家同類CO2壓縮機產品效率進行了對比分析。實驗結果為大功率CO2壓縮機在有變轉速需求的大型工程應用中提供了基礎數據。

1 實驗系統原理

實驗所采用的CO2制冷壓縮機測試系統如圖1所示。圖中標明了主要的測量點以及管路。該系統共有兩個分離器，分別用于機油循環和保證過熱度。油分離器與壓縮機出口相連接，氣液分離器與蒸發器出口連接。

圖1 簡化CO2壓縮機測試系統Fig.1 Simplified overview of the experimental CO2compressor test system

由圖1可知，CO2從壓縮機壓縮進入氣冷器冷凝，之后油分離器中的壓縮機油通過循環支路流回壓縮機，CO2則進入內部換熱器對氣液分離器中的氣體進行過熱，再經過兩個膨脹閥降壓后流入蒸發器，最后不完全蒸發的兩相流流入氣液分離器。其中膨脹閥的開口大小可以人工調節，用于穩定壓縮比。氣液分離器中的氣體經內部換熱器過熱后進入壓縮機完成一個完整制冷循環。

當多次循環系統內氣體量下降時，可通過限流閥從氣液分離器中放出少量液體，經內部換熱器蒸發進入制冷循環。限流閥和氣冷器的風扇變速器用于調控和穩定過熱度，其中風扇減速可以增加過熱度，而通過限流閥引入液體可以減小過熱度，其短暫開啟后須關閉以避免液體過熱不足進入壓縮機。

實驗測量中采用兩個溫度傳感器，兩個壓力傳感器和兩個流量計。其他部件略（閥門和其他傳感器等）。壓縮機的基本參數如表1所示，表2所示為溫度、壓力傳感器以及流量計等裝置的量程和精度。所有的傳感器都連接于Obrist控制器，且每個都可以單獨控制顯示，并有相應的保護。

表1 壓縮機主要參數Tab.1 Main compressor parameters

表2 測量裝置Tab.2 Test facilities

2 實驗過程

為了找出壓縮機效率和容積效率最佳的工況范圍，實驗系統中布置了多個測點，主要包括壓縮機吸氣溫度 Tv1，吸氣壓力 pv1，排氣溫度 Tv2，排氣壓力pv2，壓縮機油流量m·o，制冷劑循環流量m·m，壓縮機頻率n和壓縮機電功耗Pelect。此外，壓縮機吸氣密度ρ1，吸氣焓值hv1以及絕熱排氣焓值hv2，is由吸氣溫度Tv1，壓力pv1和排氣溫度Tv2，壓力pv2經REFPROP計算得到。

本文用實驗的方法在不同實驗點上測試了6氣缸壓縮機在CO2壓縮系統中的工作情況，得出了壓縮機效率最優時各參數的范圍。壓縮機的吸氣溫度選取2.0 MPa，2.3 MPa，2.7 MPa，3.2 MPa，4.0 MPa五個值，排氣溫度選取7.5 MPa，8.0 MPa，8.5 MPa三個值，壓縮機轉速選取 1 000，1 500，2 000，2 500 r／min四個值，過熱度保持10 K進行實驗。為了描述壓縮機的工作狀態，壓縮比、進出口絕熱焓差、容積效率、壓縮機效率以及油循環率為：

壓縮比：

進出口絕熱焓差：

壓縮機效率，容積效率以及油循環率分別由式（3）、式（4）和式（5）確定：

式中：Δhis為壓縮機進出口絕熱焓差，kJ／kg；ηoverall為壓縮機總效率；ηvol為壓縮機容積效率；hv1為吸氣焓，kJ／kg；hv2，is為絕熱排氣焓，kJ／kg；m·o為壓縮機油流量，kg／s；m·m為制冷劑循環流量，kg／s；m·total為總質量流量，kg／s；m·theoretical為理論質量流量，kg／s；OCR為油循環率；R為壓縮比；Pis為壓縮機絕熱功耗，kW；Pelect為壓縮機電功耗，kW；ρ1為吸氣密度，kg／m3；VH為排氣量，m3；n為壓縮機頻率，Hz。

3 實驗結果與分析

對于壓縮機而言，容積效率和壓縮機效率是衡量壓縮機性能的關鍵參數，而油循環率也在一定程度上影響壓縮機性能。本文將所有的絕對吸氣壓力和排氣壓力化歸為壓縮比，實驗結果以壓縮比為坐標，轉速為對照坐標作圖，得到壓縮機效率、容積效率以及油循環率隨壓縮比和轉速的變化曲線，以及效率最優時各參數的范圍。

3.1 壓縮比和轉速與油循環率

油循環率是影響壓縮機運行性能的重要參數。油循環率過高會影響系統換熱器的性能，而循環率過低則會造成潤滑不足，效率下降。

圖2所示為油循環率與壓縮比和轉速的關系。圖中顯示，轉速為1 500 r／min以上時，油循環率均大于0.6%。可以看出在相同的壓縮比下，油循環率隨轉速升高顯著增大，這是由于轉速升高使流動壓降增大，造成摩擦損失增加，進而導致油耗增加。例如，當壓縮比為2.0，轉速為2 500 r／min時的油循環率約為轉速1 000 r／min時油循環率的70倍；另一方面，相同轉速下油循環率隨壓縮比先增大后逐漸減小，因為壓降隨壓縮比增大而升高，壓降的增高將增加油耗，但壓縮比較小時流速較小，所以油耗小，因此會出現最大值，并且最大值在各轉速下均在壓縮比2.0～2.1附近獲得，例如實驗中最高的油循環率在壓縮比2.1，轉速2 500 r／min時獲得。因此壓縮比在2.0～2.2，轉速2 500 r／min及以上的區域為高循環率區域，這個區域內的工況利于壓縮機自身運行所需的潤滑，實際應用時油循環率最優范圍則因工況而異。

圖2 油循環率與壓縮比和轉速的變化關系Fig.2 The correlation between oil circulation rate，pressure ratio and revolution

3.2 壓縮比和轉速與容積效率

容積效率是衡量壓縮機運行排氣性能的關鍵參數。圖3所示為容積效率與壓縮比和轉速的相對關系。可知在相同的轉速下，容積效率隨壓縮比升高而迅速降低，壓縮比增大導致輸氣系數迅速下降，所以容積效率下降。例如當轉速為2 500 r／min，壓縮比從1.88增大至3.2時，容積效率下降約11%。

對于壓縮比相同的工況，總體上容積效率隨轉速增大而下降，但個別實驗點會出現異常。例如在壓縮比2.78時，最大容積效率對應的轉速并非較低轉速（1 000 r／min）而是較高轉速（1 500 r／min），這是由于容積效率與轉速呈非線性關系，轉速升高會使氣體流速加快，而壓降與流速平方成正比，高壓降會導致機身溫度升高和內部泄漏增加，造成轉速 1 500 r／min和2 000 r／min時容積效率的差值小于其在2 000 r／min和2 500 r／min時的差值。

另外，圖中每條曲線都呈現出明顯周期性波浪形的下降趨勢，這是由于實驗以工況編組進行，測試組之間對膨脹閥和氣冷器的調節會造成過熱度和氣液分離器內壓力的輕微改變，導致容積效率曲線不夠平滑。因此實驗的環境因素的輕微改變也會造成容積效率的偏高或偏低。

綜上所述，當壓縮比較小，轉速較低時容積效率較高，最大值85.8%在壓縮比為1.88，轉速為1 000 r／min時獲得。

圖3 容積效率與壓縮比和轉速的變化關系Fig.3 The correlation between volumetric efficiency，pressure ratio and revolution

3.3 壓縮比和轉速與壓縮機效率

工程應用中常通過變頻器改變壓縮機轉速，以適應不同的制冷量需求。壓縮機的制冷容量和效率在最佳轉速下達到最高，但使壓縮機效率達到最大的轉速和壓縮比需要大量的實驗數據確定。本文將實驗結果與 A.Hafner等［16］先前的測試結果作對比，兩次的測試結果中壓縮機的最佳壓縮比和轉速相符。測量結果的不確定度由JCGM／WG1標準［17］確定。

圖4所示為壓縮機效率隨壓縮比和轉速的變化關系。可知當轉速相同時，壓縮機效率隨著壓縮比升高而先增大后減小，由于壓縮比過低時排氣阻力損失較大，壓縮比過高時實際壓縮過程偏離絕熱程度增大，導致功耗增加，二者均造成壓縮機效率降低。本實驗和Armin的先前測試中，壓縮機效率的最大值均在壓縮比為2.0～2.1時獲得。另外，在相同的壓縮比下，由于壓縮機效率和制冷容量在最佳轉速下達到最高，所以壓縮機效率隨著轉速升高而先增大后減小，并在轉速1 500 r／min時獲得最大值。但是在壓縮比大于2.8時，壓縮機效率在各轉速下非常接近，因此由于誤差原因導致測試結果在轉速1 500 r／min時低于在轉速為2 000 r／min或2 500 r／min的值。

圖4 壓縮機效率與壓縮比和轉速的變化關系Fig.4 The correlation between overall efficiency，pressure ratio and revolution

綜合先前測試結果，使壓縮機效率較高的壓縮比為1.6～2.5，轉速為1 000～2 000 r／min，效率最大值在壓縮比2.0，轉速1 500 r／min左右獲得。

3.4 與同類壓縮機產品的效率對比

得到實驗數據后，進行一些擬合工作。將壓縮機效率隨不同壓縮比變化的實驗數據擬合，得到壓縮機的效率曲線，并與 Pack Calculation軟件［18］中 Dorin和Bitzer的大功率CO2壓縮機效率曲線作對比，擬合公式和同類產品效率公式由表3所示。對比結果如圖5所示。結果由四次多項式表示：

表3 擬合多項式與已有產品效率公式參數Tab.3 Coefficients of the fitted polynomial and the efficiency formula of existing products

由圖5可知，這臺100 kW級大功率壓縮機在1 500 r／min轉速下，最高效率為0.79，比Bitzer的29 kW壓縮機在相同壓縮比和其最佳轉速（額定頻率）下高17%，在壓縮比為3.2時，100 kW壓縮機效率為0.73，比相同壓縮比下效率較高的Dorin 31.9 kW的壓縮機高11.5%。在轉速變化時，Sintef壓縮機的測試最低效率（0.72）仍高于Bitzer和Dorin，說明該壓縮機在壓縮比范圍1.5～3.2和轉速范圍1 000 r／min～2 500 r／min時效率遠高于同類較小功率壓縮機產品。

圖5 實驗數據與兩個CO2壓縮機的效率對比Fig.5 Comparison of experimental data with the efficiency of two CO2compressors

本文壓縮機以及配套的測試系統中，在壓縮機吸氣端的電機中實現了壓縮機油的徹底分離，提高了壓縮機的容積效率；實現了智能的壓縮機的排熱管理，使壓縮機在轉速變化時能更快達到穩定工況進行測試；采用了永磁電機；更先進的雙膨脹閥及雙蒸發器串并聯的結構設計使之能夠適應大范圍的壓縮機轉速變化；密封性的提升使膨脹閥能夠準確調整系統壓力，顯著提升了壓縮機的絕熱性能。

4 結論

本文用實驗的方法在不同實驗點上測試了大功率CO2壓縮機在CO2壓縮制冷系統中工作的情況，轉速設定為1 000～2 500 r／min，改變壓縮機吸氣壓力2.0～4.0 MPa，排氣壓力7.5～8.5 MPa，得到一系列關于壓縮機效率，容積效率和油循環率的實驗點，進行比較得到最佳工況。最后將實驗結果擬合并與市場上同類較大功率CO2壓縮機的效率進行對比，發現在壓縮比R＜3.2，最佳轉速為1 500 r／min時，該壓縮機效率比同類產品約高11.5%。

由實驗結果可知，當壓縮比為2.1，轉速為2 500 r／min時，油循環率達到最大值2.84%；當壓縮比為1.88，轉速為1 000 r／min時，容積效率達到最大值85.8%。當壓縮比為1.5～2.5，轉速為1 500 r／min附近時，壓縮機效率最優，壓縮機效率最大值79.1%在吸氣壓力4.0 MPa，排氣壓力80 MPa，轉速為1 500 r／min時獲得。這臺大功率CO2壓縮機可以為終端用戶在大型制冷工廠、大型超市以及包含高溫熱泵的系統應用中提供更高的COP和能源效率。

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Experimental Investigation of High?power CO2Compressor Efficiencies at Varied Revolutions

Han Yi1Wu Jingyi1Hafner Armin2
（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China；2.Norwegian University of Science and Technology，Trondheim，7049，Norway）

The performance of a new 100 kW single-stage CO2piston compressor developed by Norwegian University of Science and Technology and Sintef is investigated in this paper.The oil circulation，volumetric efficiency，and overall efficiency are tested as an overview of the compressor performance.Experimental results with a pressure-ratio range from 1.9 to 4 under compressor revolutions of 1000 to 2500 r／min are reported.The results show that the highest oil circulation rate is 2.84%，acquired with a pressure ratio of 2.1 and a revolution of 2500 r／min，while the volumetric efficiency reaches a maximum value of 85.8%as a pressure ratio of 1.88 and revolution of 1000 r／min are reached.Optimum overall efficiencies of this compressor can be achieved in a pressure-ratio range from 1.5 to 2.5 and a compressor revolution near 1500 r／min.Specifically，the maximum value is obtained up to 79.1%with a revolution of 1500 r／min and a pressure ratio of 2.0.The fitted overall efficiency results are compared with the efficiency data from two commensurate products in a catalog.This illustrates that the overall efficiency of the new compressor is about 11.5%higher than the others when the pressure ratio ranges from 1.5 to 3.2.

compressor；CO2；efficiency；pressure ratio；revolution

TQ051.5；TB69；TB652

：A

：0253－4339（2017）03－0007－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.007

吳靜怡，女，教授，博士生導師，上海交通大學教務處處長，上海交通大學機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所，15021080118，E-mail：jywu＠sjtu.edu.cn。研究方向：航天熱環境模擬系統及其控制、分布式能源與熱泵、制冷空調中的能源利用與環境控制。

2016年10月26日

About the corresponding author

Wu Jingyi，female，Ph.D.，professor，doctoral supervisor，Director of School Council，Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，＋86 15021080118，E-mail：jywu＠sjtu.edu. cn.Research fields：aerospace thermal environment simulation systems and control，distributed energy and heat pumps，refrigeration and air conditioning energy use and environmental control.