壓縮機轉速與回油率對空調性能影響的試驗研究

崔 嵩 孟亞鵬 張 明

壓縮機轉速與回油率對空調性能影響的試驗研究

崔 嵩 孟亞鵬 張 明

（泛亞汽車技術中心有限公司 上海 200120）

以焓差法原理為基礎，利用焓差室搭建汽車空調壓縮機試驗臺架，通過控制系統制冷劑側、水側和空氣側相應參數，對相應工況下某型壓縮機轉速及回油率對系統性能的影響進行研究。結果表明：該型壓縮機在800rpm～1100rpm轉速下，回油率為5.5%時即可保證壓縮機排氣溫度低于90℃，且在此區間內增大壓縮機轉速能夠提高系統制冷量，并能增大系統的制冷效率；回油率對壓縮機功耗和制冷量均有影響，將回油率由3.5%提升至5.5%可有效降低壓縮機功耗，不同轉速下取得最大制冷量的回油率則有所不同；相同回油率條件下增大壓縮機轉速可以提高系統制冷效率，而在相同轉速下系統制冷效率會隨回油率增大呈現先增后減的趨勢。

壓縮機；轉速；回油率；制冷效率；試驗研究

0 引言

壓縮機轉速與回油率對壓縮機自身及整個汽車空調系統性能具有較大影響。通過搭建具有油循環回路的壓縮機試驗系統臺架，利用焓差室及環境箱給予各主要部件環境參數，通過充注制冷劑，調節膨脹閥等方式調節系統參數，換熱器主要工作部件制冷劑側相關參數可完成對相應條件下壓縮機不同轉速及回油率的試驗[1-5]。本試驗選用定排量斜盤壓縮機；使用的制冷劑為R134a，排量為133cc；適用的潤滑油為ZXL-100PG潤滑油。對此壓縮機進行試驗，基于試驗數據可有效對壓縮機轉速及回油率對系統性能的綜合影響進行評估。

1 試驗原理及臺架說明

1.1 焓差試驗室試驗原理

焓差室通過焓差法實現對換熱器換熱能力的測量。焓差法是一種測定空調制冷制熱能力的試驗方法，基于能量守恒，當空氣流經換熱器的時候，空氣側焓值變化與換熱器內制冷劑側焓值變化相同，且換熱器進出風兩側的空氣狀態均為氣態，方便進行焓值測量[6]。因此，通過在換熱器進出風側布置干濕球溫度計，并控制流經換熱器的空氣流量即可算得空氣流經換熱器時的換熱量，從而實現對蒸發器或冷凝器換熱能力的測量。

1.2 試驗臺架說明

壓縮機性能試驗臺架基于空調系統循環進行搭建，試驗系統循環圖如圖1所示：試驗臺架在焓差室中進行搭建，系統臺架包括壓縮機試驗臺架，蒸發器輔助臺架，模擬冷凝器的水冷換熱器輔助臺架，此外包括節流閥和管路等部件；系統中需要在壓縮機吸氣和排氣側布置溫度傳感器和壓力傳感器，在膨脹閥進口側和出口側布置溫度傳感器和壓力傳感器，以便監測系統中制冷劑在制冷循環中各主要部件進出口狀態點的物性參數；同時，制冷劑循環回路和油循環回路中應分別布置質量流量計，系統中還布置有液視鏡以觀察制冷劑是否存在不足。需要特別說明的是：本系統壓縮機兩側連接有油循環回路，通過控制油循環回路中流量調節閥開度實現調節壓縮機回油率的目的；此外，不同于常規空調試驗臺架，本系統冷凝器采用水冷式冷凝器以達到更大的制熱量調節范圍從而滿足不同型號及功率的壓縮機在不同工況下的試驗需求[7]。

圖1 壓縮機試驗臺系統循環示意圖

2 參數測量及調節方法

2.1 主要參數的測量和計算

系統運行時，大部分參數通過布置于系統中得傳感器直接測得，此類參數主要包括：各狀態點得制冷劑溫度，壓力；制冷劑循環流量；油循環流量；空氣干球溫度和濕球溫度等。基于以上傳感器所測參數，通過相關計算，可得如下參數：

（1）制冷劑各狀態點焓值：通過該狀態點制冷劑的溫度和壓力，通過系統中嵌入的程序調用制冷劑物性參數表查表獲得。

（2）空氣濕度：通過干濕球溫度計所測干濕球溫度進行空氣-圖查表獲得。

（3）蒸發器的制熱量計算：蒸發器制熱量根據空氣側參數進行計算，蒸發器進出風溫度可由指蒸發器前后的溫度傳感器測得，流經蒸發器的風量可通過布置在風道內的流量傳感器得到?因此，蒸發器的制冷量可根據如下公式進行計算[8,9]?

Q=m·（h,out－h） （1）

式中，Q為系統制冷量，m為空氣質量流量，h,out為蒸發器出口空氣焓值，h為蒸發器進口空氣焓值。

（4）壓縮機功耗及效率計算：壓縮機功耗通過壓縮機電流和電壓進行計算?壓縮機制冷效率COP（coefficient of performance）可通過如下公式進行計算[10]?

式中，COP為系統制冷COP，W為壓縮機功耗?

（5）過冷度過熱度計算：空調系統中，過熱度是指蒸發器出口制冷劑溫度與蒸發器出口處制冷劑壓力下的氣態飽和溫度的差值，可通過布置于蒸發器出口處的溫度傳感器和壓力傳感器測得的數據計算得到?過冷度是指冷凝器出口處的制冷劑溫度與冷凝器出口處的制冷劑壓力下的液態飽和溫度之間的差值?計算公式如下[11]?

T=T－T(P) （3）

superheated=T－T(P) （4）

式中，T為系統過冷度，T為冷凝器出口制冷劑溫度，T(P)為冷凝器出口制冷劑壓力對應飽和溫度?superheated為過熱度， T為蒸發器出口制冷劑溫度，T(P)為蒸發器出口制冷劑壓力對應的飽和溫度?

2.2 參數調節方法

表1 試驗工況參數及其調節方式

試驗在給定膨脹閥前制冷劑溫度，壓縮機吸排氣壓力，壓縮機吸氣溫度，蒸發器進風干濕球溫度的條件下，改變壓縮機轉速和回油率進行多組試驗。在確定液視鏡無氣泡從而保證制冷劑充足的前提下，試驗工況各參數及其調整方式如表1所示。

3 試驗結果分析

對某型空調壓縮機按表2所示工況下進行試驗，其他狀態參數相同情況下，取壓縮機轉速為800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm四個轉速工況，并在每個轉速工況下分別進行回油率為1.5%、3.5%、5.5%和7.5%的四組試驗，以研究定壓縮機轉速以及回油率對系統性能的綜合影響?各工況參數中，溫度點測量值與設定值最大允許偏差為±0.50℃，壓力點測量值與設定值最大允許偏差為±1.0%。

表2 壓縮機轉速及回油率試驗工況條件

上述條件下分別進行共16組試驗，分別得到各工況下排氣溫度，制冷劑質量流量（油分離器將油分離后），系統制冷量，壓縮機功耗和制冷COP，試驗結果如表3所示。試驗過程中系統內制冷劑最低溫度在0℃以上，最高溫度100℃以下，此溫度范圍內對表3試驗數據進行分析可得到壓縮機轉速和回油率對系統和壓縮機性能的綜合影響。

表3 試驗結果數據

續表3 試驗結果數據

3.1 轉速及回油率對壓縮機排氣溫度影響分析

圖2 定轉速條件下壓縮機排氣溫度隨回油率變化曲線

壓縮機排氣溫度在給定壓縮機轉速條件下隨回油率變化曲線如圖3所示?結果表明：在上述工況下，對此壓縮機，低轉速將會導致高的排氣溫度，在回油率為1.5%時，與壓縮機轉速為1100rpm的工況相比，壓縮機轉速為800rpm的工況下排氣溫度要高出5.34℃，達到96.64℃。此時壓縮機存在過熱的風險；回油率對空調系統性能的影響主要體現在對排氣溫度的降低上，試驗溫度條件下，R134a制冷劑與ZXL-100PG潤滑油始終具有良好的相溶性，增大壓縮機回油率能夠有效增加壓縮機工作過程中的潤滑油流量，從而有效降低壓縮機的排氣溫度。以轉速為800rpm的工況為例，與回油率為1.5%時相比，回油率為7.5%條件下壓縮機排氣溫度下降了12.38℃，有效降低了排氣溫度，避免了過熱風險；雖然增加回油率可以有效避免壓縮機因過熱損壞，但是可以發現，隨回油率不斷增大，其對排氣溫度降低的效果越來越不明顯，且對此壓縮機，在回油率為5.5%條件下轉速為800rpm～1100rpm時排氣溫度均低于90℃，可以避免過熱，繼續增加回油率會導致存在過設計從而增加成本?

3.2 轉速及回油率對系統制冷性能影響分析

定回油率條件下系統制冷劑質量流量及系統制冷性能隨壓縮機轉速變化曲線如圖4所示，結果表明：上述工況下，對此壓縮機，制冷劑質量流量和制冷量隨壓縮機轉速變化趨勢接近，可以表明：轉速在800rpm～1100rpm范圍內，增大壓縮機轉速是增大制冷量最直接的方式，其效果是通過增大制冷劑質量流量達成的；回油率主要通過影響壓縮機排氣溫度影響制冷劑質量流量，在壓縮機轉速為800rpm和900rpm條件下，增大回油率可以提升系統制冷量，將回油率由1.5%增至7.5%，制冷量分別提7.9%和5.6%，而對于壓縮機轉速為1000rpm的工況，回油率為3.5%時系統制冷量大于回油率為5.5%時的制冷量，在轉速為1100rpm的工況下，則在回油率為3.5%時具有最大的系統制冷量?

圖3　定回油率條件下制冷劑質量流量和系統制冷量隨轉速變化曲線

3.3 轉速及回油率對壓縮機功耗影響分析

定回油率條件下壓縮機功耗隨壓縮機轉速變化曲線如圖5所示，結果表明：在上述工況下，對此壓縮機而言，除回油率為3.5%時轉速從1000rpm變為1100rpm的工況外，壓縮機功耗與轉速近似呈正比關系；在轉速為800rpm～1100rpm范圍內，相同轉速下，回油率為1.5%和回油率為3.5%時壓縮機功耗接近，回油率為3.5%和回油率為5.5%時壓縮機功耗接近，但是將回油率由3.5%提升至5.5%，對于除1100rpm的轉速外，壓縮機功耗均有一定程度的下降，在800rpm，900rpm和1000rpm條件下下降比例分別為3.77%，3.9%和3.44%，可以看出：對于壓縮機節能而言，選擇5.5%的回油率效果較好?

圖4 定回油率條件下壓縮機功耗隨轉速變化曲線

3.4 轉速及回油率對系統制冷COP影響分析

定轉速條件下系統制冷COP隨回油率變化的曲線如圖6所示，結果表明：在上述工況下，對此壓縮機而言，在轉速為800rpm-1100rpm范圍內，相同回油率條件下，系統制冷COP隨壓縮機轉速的升高而增大，此時較大的轉速能使系統具有更高的效率；在回油率為1.5%，3.5%，5.5%和7.5%條件下，將壓縮機轉速由800rpm提升至1100rpm，系統制冷COP分別提升了18.9%，24.6%，12.2和9.1%；適當提高回油率能夠起到增大制冷COP的目的，但是過大的回油率會導致系統COP出現下降，在壓縮機轉速為900rpm和1000rpm時，系統制冷COP在回油率由5.5%增至7.5%時出現下降，在壓縮機轉速為1100rpm時，系統制冷COP在壓縮機回油率由3.5%增至5.5%時出現下降?

圖5 定轉速條件下制冷COP隨回油率變化曲線

4 結束語

利用基于焓差試驗室的試驗臺對壓縮機在不同轉速及回油率工況下進行了試驗，分析了試驗中各參數的調節方法及原理，并得出轉速及回油率綜合情況下對于系統計壓縮機性能的影響，結論如下：

（1）此壓縮機在轉速800rpm～1100rpm時，增大壓縮機轉速能降低排氣溫度；增大回油率可降低排氣溫度，對此壓縮機，回油率為5.5%可保證壓縮機排氣溫度低90℃，無需繼續增大回油率來避免壓縮機過熱。

（2）此壓縮機在轉速800rpm～1100rpm范圍內制冷劑質量流量均與轉速存在較好的線性關系，可通過提升轉速起到增大制冷量的目的；回油率也對制冷量有影響，但不同轉速下取得最大制冷量時的回油率不相同?

（3）此壓縮機在轉速800rpm～1100rpm范圍內壓縮機功耗與轉速存在較好的線性關系，且將回油率從3.5%提升至5.5%時可以起到一定降低壓縮機功耗的作用，除1100rpm轉速時外能耗下降均在3.5%-4%之間?

（4）此壓縮機在轉速800rpm～1100rpm范圍內時制冷COP隨壓縮機轉速增大明顯增大，在回油率為1.5%，3.5%，5.5%和7.5%條件下，將轉速由800rpm提升至1100rpm，系統制冷COP分別提升了18.9%，24.6%，12.2和9.1%；適量的回油率可以增大制冷COP，但是過大回油率會導致制冷COP下降，對于不同轉速，取得最大制冷COP的回油率不同?

[1] 萬騰,王文靜,李武成,等.汽車空調壓縮機制冷技術及工作能力試驗研究[J].壓縮機技術,2019,(1):32-35.

[2] 趙惠麟,何立江,等.汽車空調變排量壓縮機耐久臺的研制[J].制冷與空調,2013,13(1):102-105.

[3] Henry Nasution, MHZ Yamani, K Sumeru. Performance Study of DC Compressor for Automotive Air conditioning System[J]. Advanced Material Research, 2013:674-677.

[4] 朱向東,許樹學,馬國遠,等.電動車空調用壓縮機的性能測試[J].制冷與空調,2019,19(2):84-88.

[5] Kopelowicz, H j Barreto, A R Moutella, et al. Simulation and Experimental Evaluation of an Innovative Rotary Compressor with Variable Speed Displacers[J]. Thermal Engineering, 2008,(7):55-59.

[6] 吳曉磊.空氣焓差法測量空調器性能的影響因素[J].現代制造技術與裝備,2018(7):180-182.

[7] 王春慧,任春立.制冷壓縮機試驗裝置改造的研究[J].節能,2017,(8):69-71.

[8] 吳業正.制冷原理及設備[M].西安:西安交通大學出版社,2015.

[9] 王慧中,常銀玲,張天坤.相似換熱器的設計與經驗公式修正[J].制冷與空調,2018,18(4):99-102.

[10] 吳業正,李紅旗,張華.制冷壓縮機[M].北京:機械工業出版社,2017.

[11] 闕雄才,陳江平.汽車空調實用技術[M].北京:機械工業出版社,2003.

Experimental Study on Influenceof Compressor Speed and Oil Recycle Content on Air Conditioning System

Cui Song Meng Yapeng Zhang Ming

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai, 200120 )

By setting up vehicle compressor platform in the enthalpy chamber, based on enthalpy difference method and used the satisfied way to control the parameters of air, water and refrigerant, then the influence of compressor speed and oil recycle rate can be experimented and the results can be used to evaluate the performance of compressor. The results show that when compressor speed between 800-1100rpm, 5.5% oil recycle content can make compressor exhaust temperature below 90℃ and increasing compressor speed can increase cooling capacity and cooling coefficient of performance in this range; oil recycle content can influence compressor consumption and system cooling capacity, increasing oil recycle content from 3.5% to 5.5% has advantages to decrease compressor consumption but the oil recycle content when system has the best cooling capacity in different speed is different; increasing compressor speed can increase cooling coefficient of performance and the cooling coefficient of performance will increase first then decrease with oil recycle content increase in the same compressor speed.

Compressor; Speed; Oil Recycle Rate; Coefficient of Performance; Experimental Research

1671-6612（2021）03-328-06

TK05

A

崔 嵩（1994.9-），男，碩士，工程師，E-mail：Song1_Cui@PATAC.com.cn

2020-12-02