吸氣過(guò)熱度對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

陶 宏 楊 軍 劉春慧 葉柯嘉 胡長(zhǎng)更

(上海日立電器有限公司技術(shù)中心 上海 201206)

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)是目前最常見(jiàn)的一種房間空調(diào)器用壓縮機(jī)，其在定吸氣過(guò)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(shù)多項(xiàng)式模型來(lái)表示，即：

式中，X11表示吸氣過(guò)熱度11.1K時(shí)壓縮機(jī)的質(zhì)量流量W、輸入功率P等性能參數(shù)；Tc—排氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度或露點(diǎn)溫度，Te—吸氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度或露點(diǎn)溫度。

一般，基于壓縮機(jī)變工況性能的圖、表或10系數(shù)多項(xiàng)式模型基本上可以通過(guò)作圖法初步計(jì)算制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[2]；為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算機(jī)模擬制冷循環(huán)，需要吸氣過(guò)熱度修正的壓縮機(jī)性能模型。AHRI540雖然建議了空調(diào)用壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度修正范圍(8.3K～16.7K)，可是并沒(méi)有提供具體的修正方法。因此，在壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了吸氣過(guò)熱度對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，特別是進(jìn)行了負(fù)吸氣過(guò)熱度的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

1 研究回顧

Dabiri和Rice[3]系統(tǒng)地提出一套壓縮機(jī)性能模型變吸氣過(guò)熱度的修正方法，由壓縮機(jī)質(zhì)量流量計(jì)算式：

假設(shè)在一定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度下，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速n和容積效率ηV近似不變，那么在某吸氣過(guò)熱度時(shí)壓縮機(jī)質(zhì)量流量W與參考吸氣過(guò)熱度時(shí)壓縮機(jī)質(zhì)量流量Wref之間的關(guān)系式：

由壓縮機(jī)輸入功率定義式：

假設(shè)在一定蒸發(fā)溫度、冷凝溫度下，壓縮機(jī)的電效率ηe基本不變，那么在某吸氣過(guò)熱度時(shí)壓縮機(jī)輸入功率P與參考吸氣過(guò)熱度時(shí)壓縮機(jī)質(zhì)量流量Pref之間的關(guān)系式：

Dabiri和Rice[3]特別指出，在負(fù)過(guò)熱度區(qū)間仍然需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證上述吸氣過(guò)熱度修正模型。

向獻(xiàn)紅[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)以吸氣溫度20℃為參考點(diǎn)修正了不同吸氣溫度時(shí)開啟式活塞壓縮機(jī)性能。

蘇順玉[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)以吸氣過(guò)熱度11.1K為參考點(diǎn)修正了不同吸氣過(guò)熱度時(shí)渦旋壓縮機(jī)性能。

與活塞壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)一般采用低背壓型式不同，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)通常采用高背壓型式(如圖1右所示)，一般自帶吸氣儲(chǔ)液器(氣液分離器)；AHRI540提供的吸氣過(guò)熱度范圍(8.3K～16.7K)并不能完全覆蓋滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況。陶宏[6]實(shí)驗(yàn)研究了變制冷劑流量制冷循環(huán)在“0吸氣過(guò)熱度”附近的性能，韓磊[7]實(shí)驗(yàn)研究了回氣帶液(負(fù)吸氣過(guò)熱度)對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮制冷系統(tǒng)性能的影響，源生一太郎[8]定性闡述了吸氣過(guò)熱度(包括負(fù)過(guò)熱度)對(duì)壓縮機(jī)質(zhì)量流量、容積效率、排氣溫度等性能的影響。

2 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)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(gè)隔熱的密閉壓力容器，充注有第二制冷劑，下部是液相區(qū)，電加熱器浸沒(méi)其中，上部是氣相區(qū)，懸置一個(gè)蒸發(fā)器；第二制冷劑被電加熱器加熱沸騰蒸發(fā)為氣體上升到氣相區(qū)，在蒸發(fā)器表面又被冷凝為液體滴落回下部液相區(qū)。為了使量熱器的漏熱損失最小，調(diào)節(jié)量熱器室溫度等于量熱器內(nèi)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(guò)熱度大于5K)按照?qǐng)D 2調(diào)節(jié)；吸氣過(guò)熱度小于5K時(shí)，手工設(shè)定電加熱器的功率，吸氣溫度(或干度)自動(dòng)平衡；其中主要參數(shù)測(cè)量?jī)x表參見(jiàn)表1。壓縮機(jī)室溫度可調(diào)節(jié)，同時(shí)有一風(fēng)扇對(duì)著壓縮機(jī)吹風(fēng)。

圖1 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Compressor performance test installation schematic diagram

圖2 壓縮機(jī)性能實(shí)驗(yàn)裝置主要調(diào)節(jié)回路框圖Fig.2 Key regulation loops block diagram of compressor performance test installation

表1 主要測(cè)量?jī)x表Tab.1 List of principal measuring instruments

eo-s連管采用保溫棉隔熱，幾乎無(wú)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(jī)自帶吸氣儲(chǔ)液器漏熱對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，設(shè)定壓縮機(jī)室溫度等于吸氣溫度Ts，吸氣儲(chǔ)液器幾乎無(wú)漏熱 Φacc≈ 0。

由公式(6)和(7)得

質(zhì)量流量計(jì)在過(guò)冷段直接測(cè)量制冷劑的質(zhì)量流量W；另外，也可以通過(guò)量熱器法間接測(cè)量制冷劑的質(zhì)量流量W′，即：

式中的Φe等于直接測(cè)量的電加熱功率ΦH和量熱器漏熱量Φloss的代數(shù)和，

式中，量熱器漏熱量Φloss根據(jù)量熱器室與量熱器內(nèi)部的溫差大小修正[9]。

閥前的比焓hvi通過(guò)閥前的壓力pvi和溫度Tvi計(jì)算；當(dāng)量熱器出口制冷劑為過(guò)熱蒸汽時(shí)，通過(guò)當(dāng)?shù)貕毫eo和溫度Teo可計(jì)算當(dāng)?shù)乇褥蔴eo。

壓縮機(jī)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(shí)的制冷量為：

其中包括從量熱器出口eo到壓縮機(jī)吸氣口s之間連接管路的損失。

當(dāng)量熱器出口制冷劑為氣液兩相時(shí)，當(dāng)?shù)貕毫eo和溫度Teo不獨(dú)立，無(wú)法計(jì)算當(dāng)?shù)乇褥蔴eo；另外，當(dāng)量熱器出口制冷劑過(guò)熱度小于0.5K時(shí)，由于壓力傳感器和溫度傳感器的測(cè)量誤差，也不能計(jì)算當(dāng)?shù)乇褥蔜eo；W和W′之間差異很小，即W=W′，

由hs≈ heo和當(dāng)?shù)貕毫s可以計(jì)算壓縮機(jī)吸氣口s處的制冷劑狀態(tài)，

或

那么，吸氣過(guò)熱度定義為：

當(dāng)吸氣口過(guò)熱時(shí)(正過(guò)熱度)，

當(dāng)吸氣口兩相時(shí)(負(fù)過(guò)熱度)，

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

海立(HIGHLY)壓縮機(jī)SL211，制冷劑R22，冷凍油4GSI。

壓縮機(jī)理論排量Vd=21.1mL。

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)工況參照GB/T15765－2006[10]選定，為了比較壓縮機(jī)室環(huán)境溫度對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，一種工況設(shè)定壓縮機(jī)室溫度等于吸氣溫度Ts，另一種工況設(shè)定壓縮機(jī)室溫度為35℃。

表2 測(cè)試工況Tab.2 Test operating conditions

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 質(zhì)量流量、容積效率、制冷量

如圖3所示，壓縮機(jī)的質(zhì)量流量隨吸氣過(guò)熱度的增大而減??；曲線2低于曲線1，且在高吸氣過(guò)熱度區(qū)域，曲線2距離曲線1較近，而在低吸氣過(guò)熱度區(qū)域，曲線2距離曲線1較遠(yuǎn)；這是由于當(dāng)壓縮機(jī)室溫度為35℃，吸氣儲(chǔ)液器被加熱，泵體吸氣口s′吸氣過(guò)熱度高于吸氣口s過(guò)熱度，溫差越大吸氣儲(chǔ)液器被加熱效果越強(qiáng)。如圖 3所示，曲線2上A點(diǎn)質(zhì)量流量比曲線1上低A-AU，曲線2上B點(diǎn)質(zhì)量流量比曲線1上低B-BU，低吸氣過(guò)熱度時(shí)質(zhì)量流量損失大于高吸氣過(guò)熱度時(shí)；曲線2上A點(diǎn)實(shí)際吸氣過(guò)熱度相當(dāng)于曲線1上AR點(diǎn)，曲線2上B點(diǎn)實(shí)際吸氣過(guò)熱度相當(dāng)于曲線1上BR點(diǎn)，低吸氣過(guò)熱度時(shí)過(guò)熱度變化大于高吸氣過(guò)熱度時(shí)。另外，根據(jù)曲線1和曲線2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)公式(12)和(13)可以標(biāo)定吸氣儲(chǔ)液器漏熱系數(shù)KFacc。

在吸氣過(guò)熱度區(qū)間[-20K,20K]，壓縮機(jī)的質(zhì)量流量與吸氣過(guò)熱度之間符合二次多項(xiàng)式擬合關(guān)系：

在正吸氣過(guò)熱度區(qū)間[0K,20K]，壓縮機(jī)的質(zhì)量流量與吸氣過(guò)熱度之間符合線性擬合關(guān)系：

圖3 質(zhì)量流量隨吸氣過(guò)熱度的變化Fig.3 Mass fl owrate varie with degree of suction gas superheat

曲線1為壓縮機(jī)室溫度等于吸氣溫度時(shí)，曲線2為壓縮機(jī)室溫度等于35℃；

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

由實(shí)測(cè)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n=(2855±5)r/min和實(shí)測(cè)質(zhì)量流量，按照公式(2)計(jì)算壓縮機(jī)容積效率(圖4)，可見(jiàn)，正吸氣過(guò)熱度[0K,20K]時(shí)，壓縮機(jī)容積效率處于0.86～0.87之間，按照公式(3)估算質(zhì)量流量誤差小于1.25%；但是負(fù)吸氣過(guò)熱度[-20K,0K]時(shí)，壓縮機(jī)容積效率下降較快，按照公式(3)估算質(zhì)量流量誤差將達(dá)到3%。

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

如圖5所示壓縮機(jī)制冷量等于質(zhì)量流量與單位質(zhì)量制冷量的乘積；當(dāng)過(guò)冷溫度一定時(shí)，吸氣過(guò)熱度增大，單位質(zhì)量制冷量增大；但隨著吸氣過(guò)熱度的增大壓縮機(jī)吸氣密度減小，質(zhì)量流量減小(如圖 3所示) ；綜合起來(lái)，在負(fù)吸氣過(guò)熱度區(qū)間[-20K,0K]，壓縮機(jī)制冷量隨著吸氣過(guò)熱度的增大而增大，而在正吸氣過(guò)熱度區(qū)間[0K,20K]，壓縮機(jī)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(jī)的功耗隨吸氣過(guò)熱度的變化幅度小于10W(1%)，考慮到功率測(cè)量的誤差(參見(jiàn)表1)，認(rèn)為壓縮機(jī)的功耗基本不隨吸氣過(guò)熱度的變化而變化。

按照公式(4)計(jì)算壓縮機(jī)的電效率，在正吸氣過(guò)熱度區(qū)間[0K,20K]，壓縮機(jī)電效率處于0.655～0.665之間，按照公式(5)估算壓縮機(jī)功耗誤差小于2%；在負(fù)吸氣過(guò)熱度區(qū)間[-20K,0K]，壓縮機(jī)電效率下降較快，按照公式(5)估算壓縮機(jī)功耗誤差將達(dá)到6%。

圖6 功耗隨吸氣過(guò)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(guò)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(guò)熱度區(qū)間[-20K,20K]，壓縮機(jī)排氣溫度隨吸氣過(guò)熱度近似線性變化。另外，根據(jù)壓縮機(jī)排氣狀態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)能量守恒方程

可以標(biāo)定壓縮機(jī)殼體的傳熱系數(shù)KFcomp。

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

4 結(jié)論

在一定吸氣壓力和排氣壓力下，當(dāng)正吸氣過(guò)熱度時(shí)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速n和容積效率ηV近似不變，其質(zhì)量流量在公式(1)的基礎(chǔ)上按照公式(3)修正吸氣密度變化的影響即可；而當(dāng)負(fù)吸氣過(guò)熱度(吸氣帶液)時(shí)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的容積效率ηV有所減小，還應(yīng)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(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的輸入功率幾乎不隨吸氣過(guò)熱度變化，按照公式(1)計(jì)算即可。

符號(hào)說(shuō)明

符號(hào) 名稱 單位 符號(hào) 名稱 單位W 質(zhì)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(jī)轉(zhuǎn)速 r/min T 溫度 ℃ Vd壓縮機(jī)理論排量m3 x 干度 —

下標(biāo) 名稱 下標(biāo) 名稱acc 吸氣儲(chǔ)液器 sat 飽和comp 壓縮機(jī)

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