丙烷滾動活塞壓縮機指示圖測量與性能分析

吳建華,李育勇,3,王剛,江波,周杏標,謝婉

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.廣東美的電器股份有限公司, 528311, 廣東佛山;3.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 510330, 廣州)

丙烷滾動活塞壓縮機指示圖測量與性能分析

吳建華1,李育勇1,3,王剛1,江波2,周杏標2,謝婉2

(1.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 710049, 西安; 2.廣東美的電器股份有限公司, 528311, 廣東佛山;3.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院, 510330, 廣州)

為了研究制冷劑丙烷(R290)熱物理性質(zhì)對全封閉滾動活塞壓縮機內(nèi)部熱物理過程及熱力損失分布的影響,在高效工況下,分別利用制冷劑R22和R290對全封閉滾動活塞壓縮機進行了內(nèi)部動態(tài)壓力測量和性能實驗,并提出了一種分析滾動活塞壓縮機指示圖的新方法。所提方法將余隙容積內(nèi)高壓氣體再膨脹損失分為余隙容積氣體的充壓損失和余隙容積氣體的回流損失,從而將指示圖分為7個部分。結(jié)果表明:R290替代R22后,制冷量、指示功率與輸入電功率均有所下降,容積效率略有下降,指示效率和性能系數(shù)略有上升,壓縮與排氣過程中未出現(xiàn)高頻壓力脈動;排氣壓力損失有所下降,吸氣和壓縮過程熱損失增加,二者的余隙容積損失接近。該結(jié)果可為研究R290房間空調(diào)器及壓縮機提供參考。

滾動活塞壓縮機;丙烷;指示圖;性能分析

滾動活塞壓縮機也稱旋轉(zhuǎn)壓縮機,廣泛用于房間空調(diào)器,也用于航空、軍工等特殊領(lǐng)域。研究滾動活塞壓縮機內(nèi)部熱力過程,進一步提高能效的最基本、最重要的實驗手段就是指示圖(p-V圖)測量與分析。目前,我國年產(chǎn)滾動活塞壓縮機近億臺,但對該類型壓縮機指示圖的測量與分析仍較欠缺[1-2]。

房間空調(diào)器使用的制冷劑R22對大氣臭氧層有破壞作用,20世紀90年代國際上研發(fā)出的替代工質(zhì)R410A的全球溫室效應(yīng)指數(shù)(GWP)也比較高。由于自然制冷劑丙烷(R290)具有優(yōu)良的環(huán)境友好性和熱力性質(zhì)[3],所以《中國家用空調(diào)器行業(yè)HCFC-22淘汰管理計劃(第一階段)》主要支持將房間空調(diào)器生產(chǎn)線由R22改為R290,相應(yīng)的R290滾動活塞壓縮機內(nèi)部熱力過程與熱力損失分布特點需要進行研究[4]。

R22、R410A及CO2滾動活塞壓縮機在開發(fā)初期,其指示圖測量與性能分析的研究較多,但它們僅考慮了余隙容積內(nèi)高壓氣體膨脹過程及其對壓縮機性能的影響[5-7]。這些方法在估計余隙容積對滾動活塞壓縮機性能影響時,沒有從實驗得到的指示圖中獲得相關(guān)信息,而是根據(jù)所做的假設(shè)由簡單的理想氣體公式估算出余隙容積對制冷量或指示功率的影響。

本文提出將余隙容積內(nèi)高壓氣體再膨脹損失分為余隙容積氣體的充壓損失和余隙容積氣體的回流損失,將指示圖分為7個部分,由測量得到的指示圖中吸氣過程結(jié)束(壓縮過程開始)時氣缸內(nèi)的壓力突調(diào)進行估算。本文還全面分析了R290滾動活塞壓縮機內(nèi)部熱物理過程、熱力損失分布及性能等特點,并提出了提高性能的措施。

1 指示圖實驗裝置

壓縮機指示圖實驗裝置主要包括測試壓縮機、傳感器、放大器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備及顯示設(shè)備。實驗用壓縮機是一單缸滾動活塞壓縮機,氣缸直徑為54 mm,行程容積為20 cm3。由于安裝傳感器及重復(fù)實驗的需要,所以對原壓縮機殼體及需要安裝傳感器的零件進行了必要的改動,這些改動不會影響壓縮機的內(nèi)部熱力過程與性能。

考慮到全封閉滾動活塞壓縮機內(nèi)部空間小、零件尺寸小、工作溫度高、氣缸內(nèi)壓力變化快等特性,本文選用了3個工作溫度范圍寬、固有頻率高的小型壓阻式壓力傳感器,來測試壓縮機氣缸內(nèi)部的動態(tài)壓力,壓力傳感器安裝位置如圖1a所示。為了得到壓縮機工作腔工作過程中的壓力與容積的精確對應(yīng)關(guān)系,還需要測量曲軸的轉(zhuǎn)角。壓縮機電機轉(zhuǎn)子上方的氣體溫度較高,所以沒有采用編碼器,而是安裝了分度圓盤齒輪,如圖1b所示,再用位移傳感器測量曲軸轉(zhuǎn)角的變化。受氣閥、限位器及消音器空間的限制,本文選用了體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)寬的電渦流式位移傳感器,來測量氣閥動態(tài)位移,如圖1c所示。實驗中采用美國Kulite公司XTL-190M小型壓阻式壓力傳感器測量壓力,選用AEC公司PU07型渦流位移傳感器測量位移,使用NI公司PXI總線數(shù)據(jù)采集器PXI-6255進行總線數(shù)據(jù)采集。

1～3:小型壓阻式壓力傳感器(a)壓力傳感器的安裝位置

(b)轉(zhuǎn)角位移傳感器安裝位置

(c)氣閥位移傳感器安裝位置

指示圖測量是在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、閥前溫度(節(jié)流器入口溫度)、吸氣溫度及環(huán)境溫度分別為46、10、41、18、35℃的工況下進行,同時還需要測量壓縮機的性能,制冷壓縮機性能測試根據(jù)GB5773-2004相關(guān)規(guī)定進行。

由于R290的特殊性,所以還需安裝氣體警報器裝置,此裝置可根據(jù)泄漏量的多少實現(xiàn)分級報警和強制停機。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的原始電壓信號如圖2所示。此電壓信號已經(jīng)過放大器的放大處理,包括壓縮腔壓力信號、中間壓力信號、吸氣腔壓力信號、轉(zhuǎn)角及止點信號、氣閥位移信號。雖然數(shù)據(jù)采集程序?qū)Σ杉^程的噪聲進行了過濾,但是仍然有一些數(shù)據(jù)明顯偏離正常值。為此,用五點三次法對采集的等距點上的數(shù)據(jù)進行了平滑處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的原始電壓信號

3 滾動活塞壓縮機指示圖分析方法

滾動活塞壓縮機的滑片將氣缸與活塞間容積分為2部分。曲軸帶動活塞運動時,一部分容積擴大,吸入工質(zhì),另一部分容積減小,壓縮或排出工質(zhì)?；钊D(zhuǎn)到排氣口或氣缸上斜切口后緣時,排氣孔與斜切口內(nèi)高壓氣體向氣缸內(nèi)的吸氣腔膨脹。膨脹前期(見圖3a),氣缸內(nèi)吸氣腔與吸氣口連通。余隙容積的氣體膨脹一方面會使吸氣腔氣體壓力升高,另一方面會使吸入吸氣腔內(nèi)的氣體通過吸氣口回流。膨脹后期(見圖3b),由于回流面積很小或已為0,所以從余隙容積流到壓縮腔內(nèi)的氣體只是提高了壓縮腔的壓力與溫度。在這個過程中,吸氣腔或其后的壓縮腔(即轉(zhuǎn)過360°后的壓縮腔)的容積變化很小,可近似為定容壓縮。

除余隙容積內(nèi)高壓氣體膨脹外,影響滾動活塞壓縮機內(nèi)部熱力過程、冷量系數(shù)和指示效率的還有吸氣阻力及吸氣氣流脈動、排氣阻力及排氣氣流脈動、吸氣管內(nèi)氣體及吸氣管的傳熱、吸氣腔內(nèi)氣體及氣缸的傳熱、壓縮腔內(nèi)氣體及氣缸的傳熱,以及各間隙的泄漏損失。

(a)膨脹前期

(b)膨脹后期

滾動活塞壓縮機的p-V圖與往復(fù)壓縮機明顯不同(見圖4),原因一是余隙容積膨脹過程線基本為垂直,二是工作腔容積接近行程容積時內(nèi)壓力出現(xiàn)突跳。

壓縮機容積效率可由性能實驗測得的制冷量來計算,即

(1)

壓縮機的指示功率可以通過對壓縮機壓縮腔壓力與吸氣腔壓力積分得到,即

(2)

以往的對滾動活塞壓縮機性能分析基本上是將指示圖分為5個部分,即將指示功分為5個部分[2,7],個別的分為3個部分[1]。本文利用2條水平等壓線和4條等熵線Ⅰ～Ⅳ將指示圖分為7個部分,如圖4所示,圖中:psc、pcs分別為吸氣過程終了且沒有受余隙容積內(nèi)高壓氣體膨脹影響的吸氣腔壓力、余隙容積內(nèi)高壓氣體膨脹結(jié)束而壓縮過程開始時的壓縮腔壓力;ps為壓縮機名義吸氣壓力;pd為壓縮機名義排氣壓力;Va為壓縮機實際有效容積;面面積①為壓縮機絕熱壓縮理論功;面積②為壓縮機吸氣過程的壓力損失;面積③為排氣過程的壓力損失;面積④為余隙容積高壓氣體膨脹引起的回流損失;面積⑤為吸氣過程泄漏與傳熱引起的熱損失;面積⑥為余隙容積高壓氣體膨脹過程對吸氣腔及其后壓縮腔充入氣體所引起的余隙容積充壓損失;面積⑦為壓縮過程中的熱損失。

圖4 滾動活塞壓縮機指示圖示意

與文獻[2]指示圖分為5個部分的相比,本文的分為7個部分的,是將余隙容積增壓損失和余隙容積回流損失分別從壓縮過程熱損失和吸氣過程熱損失中獨立出來,相對于文獻[7],是將余隙容積損失從吸氣過程熱損失中獨立出來,并將其再細分為2個部分。這樣熱力損失劃分更細,有利于明確熱力損失產(chǎn)生的具體原因。

起點容積為壓縮機實際有效容積Va的等熵線I與理想吸氣、排氣壓力線圍成的面積,為壓縮機絕熱壓縮理論功,可由壓縮機性能實驗臺測得的壓縮機實際制冷量與工況及工質(zhì)性質(zhì)計算,即

(3)

(4)

壓縮機吸氣過程與排氣過程的壓力損失分別為

(5)

(6)

壓縮過程中的熱損失為

(7)

余隙容積高壓氣體膨脹過程對吸氣腔及其后壓縮腔充入氣體所引起的余隙容積充壓損失為

(8)

根據(jù)壓差δp=pcs-psc,可以得到由氣缸吸氣口回流制冷劑及其在名義吸氣工況下的容積δV。圖4中等熵線Ⅱ的起點容積就是Va+δV。余隙容積內(nèi)氣體引起氣缸氣體回流帶來的指示功率損失

(9)

吸氣過程的熱損失

ΔPsh=Pi-Pad-ΔPs-ΔPd-ΔPch-

ΔPcvP-ΔPcvV

(10)

壓縮機指示效率

(11)

4 實驗結(jié)果分析

壓縮機瞬時轉(zhuǎn)角與時間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出,此壓縮機轉(zhuǎn)速脈動較大,導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)角與時間之間呈非線性關(guān)系。對于R22的滾動活塞壓縮機,所測轉(zhuǎn)角與理想情況相比,最大延遲角度為12°,最大提前角度為14.5°;對于R290的滾動活塞壓縮機,所測轉(zhuǎn)角與理想情況相比,最大延遲角度為13.5°,最大提前角度為11.5°。此圖將用于p-θ圖、指示圖的轉(zhuǎn)化。

(a)R22壓縮機

(b)R290壓縮機

R22、R290壓縮機的性能比較如表1所示。從表1可以看出:R290相對R22壓縮機,制冷量與輸入功率的下降幅度,以及理論單位容積制冷量與單位容積絕熱功均很接近(上述實驗工況下R22、R290的單位容積制冷量分別為4 510、3 818 kJ/m3,單位容積等熵功分別為681.1、579.1 kJ/m3);R290壓縮機的容積效率略有下降,但指示效率與制冷劑系數(shù)(COP)略有上升?？紤]到所用壓縮機是為R22優(yōu)化設(shè)計的,重新考慮R290特性后開發(fā)的R290壓縮機的性能會全面提高。

表1 R22、R290壓縮機性能比較

R22、R290壓縮機p-θ圖如圖6所示。從圖6可以看出,壓縮過程結(jié)束與排氣過程開始時的轉(zhuǎn)角相同。壓縮與排氣過程中,R22壓縮機氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力有明顯的高頻脈動,R290壓縮機中高頻脈動不存在,吸氣過程中壓力低頻脈動的頻率也有所變化,與制冷劑的聲速變化基本成正比。

(a)R22

(b)R290

(a)R22壓縮機

(b)R290壓縮機

R22、R290壓縮機指示圖如圖7所示。從圖7b可以看出,R290壓縮機排氣過程中壓力損失明顯比R22壓縮機小。R22、R290壓縮機的相對指示效率損失分布如圖8所示。從圖8可以看出,R290壓縮機的熱損失大于R22壓縮機,這與R290氣體黏度較小、導(dǎo)熱系數(shù)較大有關(guān),與本文實驗潤滑油對R290溶解度較高相關(guān)。為了減少R290壓縮機的泄漏損失,需要進一步控制間隙公差。由于本文所用壓縮機的排氣孔直徑與同排量壓縮機相比較小,排氣阻力損失相對較大,這使得余隙容積損失相對較小。

圖8 R290、R22壓縮機相對指示效率損失分布

5 結(jié) 論

本文根據(jù)熱力過程特點,提出了一種分析滾動活塞壓縮機指示圖的方法,此方法將滾動活塞壓縮機指示圖分為7個部分。根據(jù)R290滾動活塞壓縮機測量結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

(1)R290替代R22后制冷量、指示功率與輸入電功率都有所下降,下降比例與R290理論單位容積制冷量及單位容積絕熱功的下降接近;

(2)雖然采用R290的容積效率略有下降,但性能系數(shù)和指示效率略有上升;

(3)R22壓縮機在壓縮與排氣過程中出現(xiàn)的高頻壓力脈動在R290壓縮機沒有出現(xiàn),R290壓縮機吸氣氣流脈動頻率高于R22壓縮機;

(4)相對R22壓縮機,R290壓縮機排氣壓力損失下降,但吸氣和壓縮過程熱損失增大,二者的余隙容積損失接近;

(5)實驗用R290壓縮機,其性能可以通過減小電動機功率、改變排氣孔直徑與控制間隙的方法來提高。

[1] 李建民, 王勇.P-V圖在高能效壓縮機開發(fā)中的應(yīng)用 [J].家電科技, 2009(13): 51-53.LI Jianmin, WANG Yong.Application ofP-Vdiagram in the development of high efficiency compressor [J].China Appliance Technology, 2009(13): 51-53.

[2] YANG J, QI Z, CHEN J, et al.Experimental study on a two stage rolling piston CO2compressor based onP-Vindicator diagrams [J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers: Part C Journal of Mechanical Engineering Sciece, 2012, 226: 995-1003.

[3] WU J H, YANG L D, HOU J.Experimental performance study of a small wall room air conditioner retrofitted with R290 and R1270 [J].International Journal of Refrigeration, 2012, 35(7): 1860-1868.

[4] 王超.碳氫房間空調(diào)器旋轉(zhuǎn)壓縮機性能分析及排氣氣流脈動模擬 [D].西安: 西安交通大學(xué), 2012.

[5] MATSUZAKA T, NAGATOMO S.Rolling piston type rotary compressor performance analysis [C]∥Proceedings of the International Compressor Engineering Conference.Purdue, USA: Purdue University, 1982: 149-158.

[6] NOMURA T, OHTA M, TAKESHITA K, et al.Efficiency improvement in rotary compressor [C]∥Proceedings of the International Compressor Engineering Conference.Purdue, USA: Purdue University, 1984: 307-314.

[7] MOU K C, TAE-HWAN Y, TAE-JONG K, et al.Performance evaluation of rotary compressor with special attention to the accuracy ofP-Vdiagram [C]∥Proceedings of the International Compressor Engineering Conference.Purdue, USA: Purdue University, 1990: 442-449.

(編輯 苗凌)

MeasurementofIndicatedDiagramandPerformanceAnalysisofPropaneRollingPistonCompressor

WU Jianhua1,LI Yuyong1,3,WANG Gang1,JIANG Bo2,ZHOU Xingbiao2,XIE Wan2

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.Guangdong Midea Electrical Holdings Co.Ltd., Foshan, Guangdong 528311, China;3.Guangdong Testing Institute of Product Quality Supervision, Guangzhou 510330, China)

The measurement of the internal dynamic pressure and performance test of a hermetic rolling piston compressor with R22 and R290 as refrigerant respectively were conducted under the high efficiency condition to investigate the effects of thermophysical properties of propane (R290) on the internal thermodynamic process and thermodynamic loss distribution of the compressor.A new method to analyze the indicated diagram of a rolling piston compressor was proposed.The re-expansion loss of high pressure gas in clearance volume is divided into the supercharging loss and the backflow loss, and thus the indicated diagram can be divided into seven parts by the method.The test results show that with R290 as the substitute of R22, the cooling capacity, indicated power and input electric power decrease, and the volumetric efficiency drops slightly.The indicated efficiency and COP rise slightly, and the high frequency pressure fluctuation during the compression and discharge processes does not exist.In addition, the discharge pressure loss decreases, and the heat losses in the suction and compression processes increase and the clearance loss is almost the same.

rolling piston compressor; propane; indicated diagram; performance analysis

10.7652/xjtuxb201403002

2013-04-12。

吳建華(1963—),男,副教授。

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合資助項目

時間: 2013-12-19

TB652

:A

:0253-987X(2014)03-0006-06

(2011A090200118)。

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.006.html