余隙容積對往復(fù)式壓縮機性能的影響

魏會軍 馮 海 趙旭敏 徐 敏 陳娟娟

(1 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室 珠海 519070； 2 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室 珠海 519070； 3 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

往復(fù)式活塞壓縮機在運行過程中，由于結(jié)構(gòu)及制造工藝原因，活塞運行至上止點時，氣缸中仍有一部分容積，該容積稱為余隙容積[1]。排氣過程結(jié)束，活塞向下止點移動時，余隙容積內(nèi)的高壓氣體具有膨脹過程。由于膨脹過程會使氣缸有效吸氣量減小，所以余隙容積增大將造成容積效率降低以及制冷量減小[2-4]。

基于余隙容積對制冷量的影響，壓縮機容積流量調(diào)節(jié)方式中有通過補助余隙調(diào)節(jié)制冷量的方法[5-6]。此外，行業(yè)內(nèi)普遍認為余隙容積越小越好[7]。目前，關(guān)于余隙容積增大對降低制冷量的研究較多，但關(guān)于余隙容積對能效的影響卻鮮有研究。實驗規(guī)律表明一定范圍內(nèi)增大余隙容積有助于能效提升。

從傳統(tǒng)角度考慮，相比能效提升，余隙容積對制冷量的影響可能更為突出。但在壓縮機進行排氣量微調(diào)以提高系統(tǒng)匹配效率，或通過制冷劑旁通進行容積流量調(diào)節(jié)時，關(guān)注重點不是滿負荷時的容積效率(制冷量)，而是部分負荷時的能效。因此，研究余隙容積對壓縮機性能的影響尤為重要[8-9]。因此，本文基于改變余隙進行實驗測試的思路，研究余隙容積對系統(tǒng)性能的影響，以掌握不同余隙容積時，系統(tǒng)運行參數(shù)的變化規(guī)律。

1 壓縮機余隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

壓縮機固定頻率時，具有固定的氣缸排量，當用于一定范圍的制冷量系統(tǒng)匹配時，壓縮機將不能滿足每個系統(tǒng)的最佳匹配效率。基于余隙容積對制冷量的影響，往復(fù)式活塞壓縮機可利用余隙容積(如圖1所示，通過改變吸氣閥墊片厚度，調(diào)節(jié)余隙容積)進行排氣量微調(diào)，目的是保持整機能效不變，優(yōu)化系統(tǒng)的匹配效果[10-11]。

圖1 壓縮機泵體及吸氣閥墊片

余隙容積儲存的氣體作用于膨脹過程時，具有推動活塞向下運動的趨勢，因此大部分熱能將轉(zhuǎn)化為機械能。圖2所示為中間余隙結(jié)構(gòu)，在氣缸距離上止點一定位置處設(shè)置一段中間余隙容積，中間余隙容積在本文定義為：活塞運行過程中，儲存在中間空腔具有中間壓力的氣體容積。與余隙容積膨脹過程的區(qū)別是，中間余隙膨脹時，由于氣缸內(nèi)已有一定的低壓氣體，因此膨脹過程主要與低壓氣體進行能量交換，其能量的轉(zhuǎn)換效率相對余隙容積更高。因此可推測，利用中間余隙容積進行排量的調(diào)節(jié)相比于余隙容積進行排量的調(diào)節(jié)具有更高的效率。

圖2 中間余隙結(jié)構(gòu)

2 實驗系統(tǒng)及實驗方案

2.1 實驗系統(tǒng)介紹

實驗根據(jù)第二制冷劑熱平衡法，對不同余隙容積的往復(fù)式活塞壓縮機進行實驗研究，實驗系統(tǒng)制冷劑為R600a，實驗指定工況：蒸發(fā)溫度-23.3 ℃，冷凝溫度54.4 ℃，環(huán)境溫度32.2 ℃，其中制冷劑過冷、過熱至環(huán)境溫度。

實驗過程將被測機接入實驗系統(tǒng)，待實驗臺穩(wěn)定至設(shè)定工況后，量熱器內(nèi)電加熱器開始加熱，以平衡蒸發(fā)器制冷量，待第二制冷劑(R134a)壓力達到平衡后，所測得的電加熱量即為熱平衡法測得被測機的制冷量。實驗中使用功率計Zes-Zimmer LMG500測量壓縮機輸入功率，其全程示值誤差為0.01%。系統(tǒng)共布有Pt100溫度測點5個，Keller壓力測點3個，Emerson質(zhì)量流量測點1個，實驗系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 實驗系統(tǒng)原理

2.2 實驗方案

實驗一：試制定排量的往復(fù)式活塞壓縮機，通過百分表測得活塞突出量為0.2 mm，采用單一變量法，通過更換不同厚度的吸氣閥墊片，在壓縮機運行頻率為20、33 Hz時進行實驗研究，吸氣墊片分檔數(shù)據(jù)如表1所示。記錄并分析不同余隙時壓縮機性能參數(shù)的變化規(guī)律。

實驗二：試制定排量的往復(fù)式活塞壓縮機，采用單一變量法，通過連接不同容積的中間余隙管長，記錄并分析不同中間余隙時壓縮機性能參數(shù)的變化規(guī)律，實驗泵體結(jié)構(gòu)如圖4所示。工況1：氣缸中間旁通孔與上止點距離L=14.15 mm，外接中間余隙段內(nèi)徑R為Ф4.5 mm，管長N為350、300、250、200、170、140、110、80、30、0 mm，對應(yīng)中間段余隙容積分別為46%、39%、33%、26%、22%、18%、14%、11%、3.9%、0；工況2：L=12.1 mm，管徑同上，管長N為160、120、80、40、0 mm，對應(yīng)中間段余隙容積分別為21%、16%、11%、5.3%、0。

表1 吸氣閥墊片分檔

圖4 實驗二泵體結(jié)構(gòu)

3 p-V理論分析

余隙容積Vc在膨脹過程中與所接觸壁面發(fā)生熱交換，產(chǎn)生多變過程的膨脹曲線3-4(圖5(a))。其中多變膨脹指數(shù)m主要由熱交換的方向及強度決定，初始階段膨脹制冷劑溫度高于氣缸壁面溫度，m大于絕熱指數(shù)k；隨膨脹過程的進行，制冷劑溫度降低，m亦隨之減小，直至小于k。

如圖5(a)所示，壓縮機指示功可由1-2-3-4面積等量表示，即式(1)所示；制冷量可由4-1段等比表示，即式(2)所示。

(1)

(2)

式中：V為容積，m3；p為壓力，Pa；n和m為壓縮機膨脹過程的膨脹指數(shù)；i為頻率，Hz；q0m為吸氣質(zhì)量流量，kg/h；vs為吸氣比容，m3/kg；Wi為指示功，W；Q0為制冷量，W。

余隙容積Vc增大時，膨脹放熱時間變長，即3-4曲線斜率增大，因此Vc在一定范圍增長時，指示功的減小量大于V4-1(制冷量)的減小量，導(dǎo)致能效隨余隙容積的增加呈先增后減的趨勢。

圖5 理論循環(huán)p-V圖

相較余隙容積膨脹過程，中間余隙容積膨脹的能量轉(zhuǎn)化效率更高，示功圖更為復(fù)雜[12]。當活塞向下經(jīng)過中間余隙段時，會有一段膨脹混合過程，因此工作循環(huán)可分為壓縮、排氣、膨脹、吸氣、膨脹混合、混合吸氣過程，其p-V圖如5(b)所示。

a-b-c-d為壓縮過程，在活塞經(jīng)過中間余隙段時，氣缸的有效容積將突變減小，減小容積為ΔV=Vb-Vc，即中間余隙容積。

g-h為f-h段吸入低壓制冷劑與中間余隙制冷劑的混合過程，忽略膨脹時間，混合過程視為等容過程，如式(3)所示。

phVh=pgVg+pcΔV

Vh=Vg

(3)

h-i-a為混合吸氣過程，在此階段氣缸內(nèi)制冷劑壓力擾動增大ph>pg，由于吸氣過程pg

pcΔV<(pevap-pg)Vg

(4)

式中：pevap為蒸發(fā)吸氣端壓力，Pa。

在h點時，吸氣閥處于完全開啟狀態(tài)，制冷劑具有向氣缸內(nèi)的吸氣流量，因此ph

=V1234-Vlimn=Wi-Vlimn

(5)

式中：V為容積，此處表示示功功率，W。(其中下標為圖5字母構(gòu)成區(qū)域面積)

當pcΔV滿足式(4)時，指示功較無中間余隙情況減小Vlimn。因此，存在中間余隙在一定程度增大時，COP隨之增大的趨勢。

4 實驗結(jié)果及分析

實驗一：圖6所示分別為壓縮機運行頻率為20、33 Hz下，壓縮機性能參數(shù)隨相對余隙的變化。

圖6 不同頻率下性能參數(shù)隨相對余隙的變化

圖7 性能隨不同中間余隙的變化

當壓縮機運行頻率為20 Hz時，制冷量和功耗隨余隙容積的增加而減少，COP呈先增加后減小的趨勢，并在相對余隙為0.73%時取得最大值，與相對余隙為0.50%時相比，COP增加0.62%。

當壓縮機運行頻率為33 Hz時，制冷量和功耗均呈遞減的趨勢。COP呈先增加后減小的趨勢，并在相對余隙為0.56%時取得最大值，與相對余隙0.50%時相比，COP增加0.32%。

研究表明，一定范圍內(nèi)增大余隙容積，相對余隙在0.56%～0.73%時，有助于壓縮機性能的提升。

實驗二：如圖7所示，制冷量隨中間余隙的增大而減小，COP隨中間余隙的增大呈先增大后減小的趨勢，其變化趨勢與余隙容積對性能的影響規(guī)律一致。可知余隙容積或中間余隙容積在一定范圍增大時，將有助于壓縮機性能的提升。

工況1泵體的中間余隙開孔距離氣缸端面L=14.15 mm時，中間余隙管段長度為14 cm(相對中間余隙18%)時COP最大，其相對于無中間余隙時的COP增量為1.31%，制冷量為無中間余隙時的90%。

工況2泵體的中間余隙開孔距離氣缸端面L=12.1 mm時，中間余隙管段長度為8 cm(相對中間余隙10%)COP最大，其相對于無中間余隙時的COP增量為0.82%，制冷量為無中間余隙時的92%。

工況1、2的對比結(jié)果表明，增加中間余隙容積對能效的提升相較于增加余隙容積對能效的提升有明顯優(yōu)勢。

圖8所示為排氣、殼體溫度隨中間余隙的變化。由圖8可知，排氣溫度隨中間余隙的增大而減小，殼體溫度隨中間余隙的增大不具有明顯單調(diào)性。其中排氣溫度降低，一方面是因中間余隙管段增強了泵體氣缸的散熱，另一方面當中間余隙制冷劑膨脹時，中間壓力制冷劑補入氣缸，對缸內(nèi)制冷劑具有一定補氣降溫作用。因此，排氣溫度隨中間余隙的增大呈降低趨勢。

圖8 排氣、殼體溫度隨中間余隙的變化

5 結(jié)論

為提升壓縮機部分負荷的匹配效率，本文基于改變余隙容積進行實驗研究的思路，針對余隙容積對性能的影響進行研究，得到不同余隙容積時系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)余隙容積增大，能效呈現(xiàn)先增后減的趨勢，相對余隙為0.56%～0.73%時，往復(fù)式活塞壓縮機能效具有最大值，COP提升0.62%。原因是膨脹過程傳熱變化導(dǎo)致膨脹曲線斜率值增大。

2)中間余隙增大，能效呈先增后減的趨勢，相對中間余隙為18%時，制冷量下降10%，同時COP提升1.31%。原因是中間余隙膨脹減小了氣缸吸氣比容，增大了吸氣結(jié)束階段氣體制冷劑壓力。

3)增加中間余隙容積對能效的提升相比增加余隙容積更優(yōu)。其差異原因是能量轉(zhuǎn)換方式不同，余隙容積膨脹是將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，中間余隙膨脹是與低壓氣體進行能量交換。

4)基于中間余隙管段可增強散熱且中間余隙制冷劑具有補氣降溫作用。因此，增大相對中間余隙容積，有助于降低壓縮機的排氣溫度。