CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置與試驗研究

周俊海，賈磊，劉期聶，周洪林，范歡歡，劉杰，胡愛民

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥 230088）

CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置與試驗研究

周俊海*，賈磊，劉期聶，周洪林，范歡歡，劉杰，胡愛民

（合肥通用機(jī)械研究院壓縮機(jī)技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥 230088）

根據(jù) CO2制冷壓縮機(jī)的運(yùn)行特點，設(shè)計了一套適用于跨臨界循環(huán)的壓縮機(jī)性能檢測裝置，該裝置適用于制冷量為14 kW ～70 kW的冷凍冷藏及熱泵系統(tǒng)用CO2壓縮機(jī)的測試，試驗方法為制冷劑氣體流量計法和跨臨界氣體冷卻器法；在此基礎(chǔ)上開展了CO2制冷壓縮機(jī)的性能測試，結(jié)果表明，該壓縮機(jī)的主側(cè)制冷量、輔側(cè)制冷量及主輔側(cè)平均值的測量結(jié)果重復(fù)性偏差均在±1%以內(nèi)。

CO2制冷壓縮機(jī)；性能檢測裝置；試驗

0 引言

CO2是一種優(yōu)良的天然制冷劑，具有良好的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性，安全無毒和無腐蝕性，不可燃；價格低廉，適應(yīng)多種潤滑油及常用材料；具有較高的單位容積制冷量、較好的傳熱性能和流動性能。雖然CO2具有很高的系統(tǒng)運(yùn)行壓力，導(dǎo)致可靠性和安全性問題令人擔(dān)憂，但從長遠(yuǎn)角度看，CO2制冷系統(tǒng)具有一定的開發(fā)潛力[1]。

近年來，隨著CO2制冷（熱泵）系統(tǒng)的逐步推廣，CO2制冷壓縮機(jī)的需求也逐年增長。日本大金、三洋、松下和電裝等公司均生產(chǎn)CO2制冷壓縮機(jī)，每年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬臺，比澤爾和都凌等歐洲知名企業(yè)也紛紛推出各自的 CO2制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品，主要用于熱泵熱水機(jī)和冷凍冷藏領(lǐng)域。以上企業(yè)推出的產(chǎn)品均為容積式CO2制冷壓縮機(jī)，涉及往復(fù)式、渦旋式、轉(zhuǎn)子式和螺桿式等型式，國內(nèi)煙臺冰輪集團(tuán)有限公司與西安交通大學(xué)合作，已推出冷凍冷藏用CO2壓縮機(jī)，并將CO2制冷系統(tǒng)與NH3系統(tǒng)組合構(gòu)成復(fù)疊式制冷系統(tǒng)[2]。隨著CO2熱泵熱水器、CO2汽車空調(diào)和CO2冷凍冷藏設(shè)備在國內(nèi)外市場的不斷深入發(fā)展，CO2壓縮機(jī)的市場也正在逐漸擴(kuò)大和發(fā)展。

然而，與CO2壓縮機(jī)研究密不可分的壓縮機(jī)性能檢測技術(shù)的研究才剛剛開始，專門針對CO2制冷壓縮機(jī)的試驗設(shè)備較少。因此，開展CO2制冷壓縮機(jī)檢測技術(shù)的研究和開發(fā)相應(yīng)試驗裝置，將對CO2制冷壓縮機(jī)的研究、生產(chǎn)、制造以及技術(shù)進(jìn)步都有極其重要的意義。

自2010年起，筆者所在的項目組針對使用CO2壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)跨臨界和亞臨界循環(huán)的特點，通過對CO2壓縮機(jī)性能測試技術(shù)和實驗方法的研究，開發(fā)適合其特點的試驗方法和測試技術(shù)，研制出能滿足CO2壓縮機(jī)性能測試的試驗裝置，為CO2壓縮機(jī)的設(shè)計、改進(jìn)提供理論依據(jù)，并為國家標(biāo)準(zhǔn)《容積式 CO2制冷壓縮機(jī)（組）》[3]的制定提供了重要的技術(shù)支持。

1 CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置

1.1 系統(tǒng)流程

對于亞臨界循環(huán)的 CO2壓縮機(jī)，可完全采用GB/T 5773的試驗方法[4]。所有的試驗均包括兩種試驗方法，即X法和Y法，兩種方法應(yīng)同時進(jìn)行測量，并以X法和Y法測量計算結(jié)果的平均值為準(zhǔn)。

對于跨臨界循環(huán)的CO2壓縮機(jī)，其循環(huán)具有一定的特殊性：首先，跨臨界循環(huán)高壓側(cè)的壓力很高；其次，跨臨界循環(huán)無冷凝過程，在高壓側(cè)是CO2氣體單相換熱，也無過冷的情況；第三，其節(jié)流過程也不是從液相節(jié)流至氣液兩相區(qū)，而是從超臨界區(qū)節(jié)流至氣液兩相區(qū)。正因為這種特殊性，所以GB/T 5773中的制冷劑液體流量計法和水冷冷凝器量熱器法就不適用于跨臨界循環(huán)的CO2壓縮機(jī)。

本文設(shè)計的CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置，其主要試驗方法為排氣管制冷劑氣體流量計法。該方法采用一個流量測量節(jié)流裝置或質(zhì)量流量計來測量氣體制冷劑體積流量或質(zhì)量流量，如圖 1所示。為減少和消除制冷劑氣體流量的脈動，在相應(yīng)管道上應(yīng)裝設(shè)脈動緩沖器。為減少流量計的測量誤差，應(yīng)設(shè)置有效的油分離裝置，使流經(jīng)流量計的制冷劑氣體中含油量不超過1.5%（以質(zhì)量計）。

圖1 排氣管制冷劑氣體流量計法示意圖

校核試驗方法采用跨臨界氣體冷卻器法，如圖2所示：高壓側(cè)制冷劑氣體經(jīng)節(jié)流后一部分進(jìn)入冷凝支路冷卻成液體，并測量其流量，然后使其在一個氣體混合冷卻器中于低壓側(cè)壓力下再蒸發(fā)，用以冷卻經(jīng)另一支路降壓后進(jìn)入氣體混合冷卻器的剩余循環(huán)蒸氣，從氣體混合冷卻器出來的制冷劑混合蒸氣應(yīng)不含制冷劑液滴，之后制冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，形成一個閉式循環(huán)系統(tǒng)。在對氣體混合冷卻器進(jìn)行漏熱量修正后，已冷凝的制冷劑質(zhì)量和未冷凝的制冷劑質(zhì)量之比等于進(jìn)入氣體混合冷卻器的兩股制冷劑蒸氣比焓變化之比的倒數(shù)，據(jù)此計算出循環(huán)系統(tǒng)的制冷劑總流量。

圖2 跨臨界氣體冷卻器法示意圖

經(jīng)理論分析，跨臨界氣體冷卻器法的流量、制冷量計算公式與GB/T 5773相同。由于從壓縮機(jī)排氣通過壓力流量調(diào)節(jié)閥將壓力降至臨界壓力以下，因此對于試驗系統(tǒng)，其絕大部分管路和部件以及測試儀表需要承受的壓力均在臨界壓力以下，可以大大降低成本，系統(tǒng)可靠性也能顯著增加。

測試系統(tǒng)的主回路包括CO2主循環(huán)系統(tǒng)、油冷卻系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)、熱氣旁通系統(tǒng)、噴液系統(tǒng)、冷媒充排系統(tǒng)和測量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在測試過程中，CO2冷媒和冷凍油的混合物從被測壓縮機(jī)的排氣口排出，通過管路輸送到油分離器；經(jīng)過油分離器后（分離出的冷凍油被輸送到油冷卻系統(tǒng)管路中），CO2氣體經(jīng)過氣體流量計到達(dá)一級節(jié)流閥，而后進(jìn)入冷卻器冷卻；冷卻后的氣體進(jìn)入儲液罐；再進(jìn)入再冷卻器被冷凝為過冷的CO2液體；CO2液體經(jīng)過液體流量計后被二次節(jié)流降壓輸送到混合器，在這里與熱氣旁通管路輸送的熱氣進(jìn)行混合；CO2過熱氣體從混合器的頂部出口進(jìn)入到吸氣管路，然后被壓縮機(jī)吸氣口吸入進(jìn)行壓縮。

整套系統(tǒng)的示意圖和實物圖如圖3和圖4所示。

圖3 CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置示意圖

圖4 CO2制冷壓縮機(jī)性能檢測裝置實物圖

1.2 輔助系統(tǒng)

除了上述主回路系統(tǒng)外以外，試驗裝置還包括以下輔助系統(tǒng)。

恒溫水箱：采用304鋼材制作，外有橡塑保溫層，配不銹鋼外包。外接管包括：補(bǔ)水管、排污管、溢流管、冷卻水進(jìn)出水管、冷媒水進(jìn)出水管、電加熱安裝孔、液位浮球開關(guān)安裝孔、補(bǔ)水浮球安裝孔和鉑電阻安裝孔等。通過一定的控制方法，保證水箱里的水達(dá)到設(shè)定溫度并維持恒溫。

風(fēng)冷冷水機(jī)組：為水箱提供冷源，降低水箱的溫度。主要保護(hù)信號有：斷流、高低壓和排溫過高等。為了適應(yīng)本地夏季溫度高的特點，散熱方面采用了冷凝壓力風(fēng)扇調(diào)速器（無級調(diào)速），使冷凝溫度受外界環(huán)境溫度的影響較小，從而保證為恒溫水箱提供冷源溫度的相對穩(wěn)定性。

電加熱：安裝在恒溫水箱上，與水箱的水直接接觸，為水箱提供熱源。該熱源采用了調(diào)功器控制，輸出的熱量由PID調(diào)節(jié)表無級控制，根據(jù)壓縮機(jī)的負(fù)荷和冷源的狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)輸出能力，保證水溫恒定在設(shè)定值。

水泵：冷卻水和冷媒水輸送的動力部件。該系統(tǒng)包含5只均為變頻控制的水泵：冷媒水水泵——將需要降溫的水輸送到風(fēng)冷冷水機(jī)組；冷卻器水泵——將恒溫水箱的水輸送到冷卻器中帶走被測CO2壓縮機(jī)產(chǎn)生的部分熱量；再冷器水泵——將恒溫水箱的水輸送到在冷卻器中，再次冷卻處于循環(huán)的CO2冷媒；經(jīng)濟(jì)器換熱器水泵——將恒溫水箱的水輸送到經(jīng)濟(jì)器管路的換熱器中，降低經(jīng)濟(jì)器進(jìn)入壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)器接口的冷媒的溫度；油冷卻器水泵——將恒溫水箱的水輸送到油冷卻器換熱器中，降低冷媒中被分離出來的冷凍油的溫度。

三通調(diào)節(jié)閥：對不同溫度的水采用混合的方式，二次調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱器的水溫。

閥件和管路：管路采用耐溫PPR管材制作，閥件為PPR材質(zhì)，安裝方便，并能保證冷卻水金屬離子的污染。

1.3 測量范圍

通過與AHRI和ASERCOM等機(jī)構(gòu)的技術(shù)交流，并參考國內(nèi)相關(guān)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的測試工況，本文開發(fā)的 CO2壓縮機(jī)性能試驗裝置設(shè)計最低蒸發(fā)溫度為-50℃，最高蒸發(fā)溫度為28℃，結(jié)合流量計的量程，計算出試驗裝置的測量范圍為14 kW～70 kW。

試驗裝置采用科氏力氣體流量計，測量精度為±0.5%；溫度傳感器采用高精度鉑電阻溫度計，測量精度為±0.1℃；壓力測量采用最大量程為8 MPa和17 MPa的兩類壓力傳感器，測量精度為±1%。通過主輔系統(tǒng)的綜合設(shè)計，可以獲得裝置的溫度范圍和壓力范圍，見表1。

表1 CO2制冷壓縮機(jī)試驗裝置溫度和壓力運(yùn)行范圍

該試驗裝置可以準(zhǔn)確測定冷凍冷藏和熱泵系統(tǒng)用CO2制冷壓縮機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)跨臨界和亞臨界循環(huán)的測試，系統(tǒng)可由計算機(jī)進(jìn)行采集測量數(shù)據(jù)，同時計算機(jī)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存檔，自動打印試驗報告。同時裝置的操作簡單，維護(hù)量少，耗能較低。

圖5 CO2制冷壓縮機(jī)運(yùn)行過程的典型測試曲線

2 CO2制冷壓縮機(jī)性能試驗

2.1 運(yùn)行穩(wěn)定性

通過冷熱源系統(tǒng)的組合，可以保障CO2壓縮機(jī)測試過程中的工況控制和參數(shù)測量。圖5是CO2制冷壓縮機(jī)運(yùn)行過程的典型測試曲線，從圖中可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足試驗要求。

2.2 樣機(jī)性能試驗

筆者對某型號的CO2制冷壓縮機(jī)進(jìn)行了兩次性能測試，目的是初步了解該壓縮機(jī)的運(yùn)行特性，并驗證試驗系統(tǒng)多次測量的穩(wěn)定性。

兩次試驗的設(shè)定工況如下：壓縮機(jī)吸氣溫度20℃，壓縮機(jī)吸氣壓力4.5 MPa，蒸發(fā)溫度10℃，過熱度10℃，氣體冷卻器出口溫度20℃。

制冷量測試結(jié)果如表2所示。

表2 CO2制冷壓縮機(jī)性能試驗測量結(jié)果

從上述結(jié)果可以看出，無論是主側(cè)制冷量、輔側(cè)制冷量還是制冷量（即主輔側(cè)平均值），重復(fù)性偏差均在±1.5%以內(nèi)（該數(shù)值為常規(guī)試驗裝置的重復(fù)性偏差要求）。

3 結(jié)束語

本文通過對CO2壓縮機(jī)性能試驗方法和試驗技術(shù)的分析，研究符合其特點的合理可靠的試驗方法，并研制出能滿足試驗方法的試驗裝置，該裝置的特征參數(shù)如下：

1） 試驗系統(tǒng)適用的制冷劑：CO2。

2） 主要試驗方法：制冷劑氣體流量計法；校核試驗方法：跨臨界氣體冷卻器法。

3） 測量范圍：冷凍冷藏及熱泵系統(tǒng)用CO2壓縮機(jī)制冷量14 kW～70 kW。

4） 重復(fù)性精度：一次安裝的重復(fù)性精度為±1.5%。

本文還通過對CO2壓縮機(jī)樣機(jī)的試驗來驗證試驗方法和試驗裝置的合理性和科學(xué)性，并為相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支撐，以促進(jìn)CO2制冷壓縮機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。

[1]史敏, 賈磊. 二氧化碳制冷技術(shù)[J]. 制冷與空調(diào), 2007,7（6）∶ 1-5.

[2]王炳明, 李建風(fēng), 吳華根, 等. NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)中CO2螺桿壓縮機(jī)的研發(fā)[J]. 流體機(jī)械, 2009, 37（3）∶ 16-18.

[3]GB/T 29030-2012, 容積式 CO2制冷壓縮機(jī)（組）[S].

[4]GB/T 5773-2004, 容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法[S].

Performance Test Equipment and Experimental investigation of CO2Refrigeration Compressors

ZHOU Jun-hai*, JIA Lei, LIU Qi-nie, ZHOU Hong-lin, FAN Huan-huan, LIU Jie, HU Ai-min
（National Key Laboratory for Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China）

According to the operation features, a performance test equipment for transcritical CO2Refrigeration compressors is designed. The equipment is suitable for performance test of the refrigeration and heat pump CO2compressors which cooling capacity within 14 kW～70 kW, and the testing methods are gas Refrigerant flowmeter method and transcritical gas-cooler method. A CO2Refrigeration compressor model is tested on this equipment and the results indicate that the repeatability deviations of primary cooling capacity, auxiliary cooling capacity and average cooling capacity are within ±1%.

CO2refrigeration compressor; Performance test equipment; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.108

*周俊海（1981-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：制冷空調(diào)檢測技術(shù)。聯(lián)系地址：合肥市高新區(qū)天湖路29號，郵編：230088。聯(lián)系電話：0551-65335429。E-mail：13856007764@163.com。