小型往復(fù)式壓縮機(jī)的節(jié)能技術(shù)及試驗研究

田石強(qiáng) 鄭傳祥 李 蓉 魏 雙

（農(nóng)夫山泉股份有限公司) (浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所）

小型往復(fù)式壓縮機(jī)是冰箱、冷柜、空調(diào)的核心部件，其效率高低決定了整個制冷系統(tǒng)的效率。逆向卡諾循環(huán)是理想的制冷循環(huán)，在相同的溫度范圍內(nèi)，其制冷因素最高[1]。但從制冷的功耗角度考慮，絕熱壓縮所消耗的功率最大，而等溫壓縮所消耗的功率最小，因此等溫壓縮的實現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實意義[2]。本文對以R600a為制冷劑的WS75YV型壓縮機(jī)進(jìn)行了正常工況下的理論分析，計算了等溫壓縮可以節(jié)省的壓縮機(jī)輸入功耗[3]。由于等溫壓縮過程需要很高的熱流量，而且制冷劑的溫度容易受到外界溫度的影響，因此很難實現(xiàn)。但在達(dá)到冷凝溫度前進(jìn)行絕熱壓縮，之后進(jìn)行等溫壓縮是可行的[4-5]。通過合理的潤滑油系統(tǒng)對壓縮機(jī)各個結(jié)構(gòu)降溫可以實現(xiàn)近似等溫，為此設(shè)計了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤滑油通道，并通過變潤滑油注油量冷卻試驗，測定壓縮機(jī)系統(tǒng)性能，最后確定最優(yōu)的注油量。

1 理論分析

1.1 模擬分析

對于壓縮過程的模擬主要是基于多維瞬態(tài)控制方程，以此來計算溫度、速度、壓力的分布，同時忽略閥片的開合及其與制冷劑的互相作用。實際上，壓縮過程是一個流場和固場耦合的復(fù)雜的開放系統(tǒng)，閥片的響應(yīng)對制冷劑的流動和傳熱必然產(chǎn)生影響。本文分別在ADINA流場和結(jié)構(gòu)場模塊采用自帶native的自底向上建模，由點至線再至面完成氣缸和閥組及活塞的三維模型[6]。網(wǎng)格劃分采用ADINA軟件的有限元技術(shù)的算法 （FCBI，flow condition based interpolation）劃分三維八節(jié)點網(wǎng)格。計算有限元數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

流體模塊和固體模塊分別施加相應(yīng)的邊界條件，相互接觸的平面通過流固耦合面上掃射網(wǎng)格的擬合，實現(xiàn)流體和結(jié)構(gòu)的雙向耦合。吸氣壓力和溫度分別為62.4 kPa、32.2℃，排氣壓力和溫度分別為 761.3 kPa、102.4℃。 采用 FSI（fluid-solid interaction）方法進(jìn)行流固場耦合，對兩個場的求解文件進(jìn)行計算,模擬壓縮機(jī)氣缸內(nèi)部流場和結(jié)構(gòu)（閥片）變化過程。為了得到多組數(shù)據(jù)對比，改變閥片的厚度，根據(jù)現(xiàn)有的幾種厚度閥片，分別取0.152 mm、0.203 mm和0.254 mm。通過對絕熱壓縮過程的動態(tài)模擬，得到壓縮過程的示功圖如圖2所示。整體來看，絕熱壓縮指數(shù)主要影響了壓縮曲線，降低閥片厚度可以降低壓縮機(jī)功耗。

圖2 絕熱壓縮過程

1.2 理論計算

壓縮機(jī)消耗的功率理論計算公式如下[7]：

式中 ηm——機(jī)械效率，為0.95;

ηe——電機(jī)效率，為0.885;

Ns——功耗，W;

Δp——吸排氣壓降，MPa;

V——活塞容積，m3;

r——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min，為2900 r/min。

本研究采用的是WS75YV型壓縮機(jī)，理論功率計算值是90.3 W。通過表1的比較可以發(fā)現(xiàn)，近似等溫壓縮過程平均可以節(jié)省功率43%，這對壓縮機(jī)功耗降低具有重大意義。因此，如果能夠找到合適的方法在工程上實現(xiàn)近似等溫壓縮過程，就可以提高壓縮機(jī)的制冷系數(shù)COP值。

表1 電機(jī)功率計算值對比

1.3 近似等溫壓縮過程的工程實現(xiàn)方法

壓縮機(jī)各部件的冷卻對于實現(xiàn)等溫壓縮具有重要意義。氣缸內(nèi)噴油或加水的方式雖然能夠一定程度降低壓縮工作過程的功耗，但是第二介質(zhì)與制冷劑的分離以及第二介質(zhì)的引入使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且總體功耗并沒有減小，還有可能帶來壓縮機(jī)的液擊現(xiàn)象[8-9]。但通過合理的潤滑油系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓縮機(jī)的近似等溫過程，避免上述的不利影響。

如圖3所示，改進(jìn)壓縮機(jī)的供油系統(tǒng)，使吸油管的下端位于油面以下，壓縮機(jī)運行時，吸油管中的油就可被提升并沿著軸向油道向上流動。到達(dá)吸油孔1時，油從吸油孔1流出并進(jìn)入螺旋槽2，此位置的油潤滑主軸承3和端面4，其余的油通過曲軸的軸向流道上升分別從油孔5和油孔6流出，潤滑連桿的大頭孔。曲軸旋轉(zhuǎn)時，油孔6潤滑連桿大頭和曲柄，在上述各摩擦面被潤滑的同時，仍有一部分油沿著曲軸的軸向流道上升并從端部出油口5流出，在離心力的作用下向四周甩出，灑在活塞表面潤滑活塞和氣缸。油被甩在機(jī)殼的內(nèi)壁上，沿著內(nèi)壁向下流至機(jī)殼底部。油在機(jī)殼內(nèi)壁下流的過程中將熱量傳遞給機(jī)殼。由此可見，降低潤滑油的溫度不僅可以降低摩擦熱，使得摩擦零部件的溫度不會過高，同時對氣缸和活塞來說也是有效的降溫措施。

圖3 潤滑油冷卻系統(tǒng)

壓縮機(jī)曲軸上的潤滑油通道如圖4所示，螺璇線通道使得潤滑油能夠在離心力作用下隨著油槽上升，降低了潤滑油的流動壓降。油孔的大小基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)取得。

圖4 曲軸油道

2 性能試驗研究

2.1 測試原理與平臺

按照GB/T 5733—2004《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》，采用第二制冷劑量熱法設(shè)計試驗裝置。試驗臺主要由電量熱器、水冷卻系統(tǒng)、壓縮機(jī)組成[10-11]，如圖5～圖7所示。

2.2 測試參數(shù)

試驗中需要的測試工況參數(shù)如表2所示。

測量的參數(shù)包括下列各項：工況參數(shù)有吸氣壓力、排氣壓力、吸氣溫度、過冷溫度、環(huán)境溫度；電力參數(shù)有電壓、頻率、功率；量熱器參數(shù)有量熱器加熱功率、量熱器環(huán)境溫度、量熱器表面溫度、第二工質(zhì)壓力、第二工質(zhì)溫度；能效參數(shù)有制冷量、COP；其他參數(shù)有過冷器進(jìn)口溫度、膨脹閥閥前壓力、被測壓縮機(jī)排氣溫度、量熱器出口壓力、被測壓縮機(jī)表面溫度。

圖5 壓縮機(jī)性能測試臺原理

圖6 壓縮機(jī)性能測試臺

圖7 壓縮機(jī)性能測試臺參數(shù)面板

2.3 壓縮機(jī)性能測試結(jié)果及分析

對于非變頻的電機(jī)控制的壓縮過程，控制油槽高度，即吸油器深入油槽的高度，對于潤滑和降溫均具有重要意義。研究不同控制油槽高度下的壓縮機(jī)性能參數(shù)，如制冷量、功耗、制冷系數(shù) （COP）和排氣溫度等，可得到如圖8～圖11所示的曲線圖。

圖8 潤滑油注油量對制冷量的影響

圖9 潤滑油注油量對功耗的影響

圖10 潤滑油注油量對COP的影響

圖11 潤滑油注油量對排氣溫度的影響

由圖8～圖11可以看出，隨著吸油器深入油槽高度的增大制冷量增大，壓縮機(jī)的功耗先減小后增大，排氣溫度逐漸降低。顯然，隨著潤滑油高度的增大，曲軸一端潤滑油入口處的初始壓力增大，會使得潤滑油經(jīng)過各個接觸副的流量增大，從而加快了潤滑油的冷卻速度。這就使得壓縮機(jī)各部分的溫度降低，尤其是氣缸的溫度降低，減小了吸氣預(yù)熱量，從而使得制冷量增大。壓縮機(jī)的排氣溫度降低，使得壓縮機(jī)指示功也降低。另外，隨著油量增大、潤滑充分，壓縮機(jī)的機(jī)械功耗初時有所減小。隨著深入高度繼續(xù)增大，盡管能夠充分潤滑，但油槽中潤滑油對曲軸旋轉(zhuǎn)的阻力也增大，使得壓縮機(jī)機(jī)械功耗也增大。當(dāng)潤滑油量在一定范圍內(nèi)時，增大潤滑油量對于提高制冷量和降低功耗都具有積極作用，超出該范圍繼續(xù)增大潤滑油量，會使得機(jī)械效率降低，不利于提高壓縮機(jī)性能。

對于該型號的壓縮機(jī)，最優(yōu)的注油量為120 mL。此時既能滿足充分潤滑，又能有效地降低結(jié)構(gòu)溫度，得到高效的壓縮過程，而且不會使?jié)櫥蛯ηS旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生過大的阻力[12-13]。

3 結(jié)論

（1）本文基于實際小型壓縮機(jī)WS75YV的壓縮過程模擬，分析了不同排氣閥閥片厚度對壓縮功率消耗的影響，對比發(fā)現(xiàn)等溫過程理論上可以節(jié)約43%功耗。由于壓縮過程氣缸內(nèi)溫度在吸氣和壓縮過程都增大，所以采用了全程冷卻的方法以實現(xiàn)近似等溫過程。提出采用潤滑油降溫的方法實現(xiàn)工程上的近似等溫過程，設(shè)計了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤滑油通道。

（2）通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，增大注油量可以降低排氣溫度、提高制冷量，功耗則隨著注油量增大先減小后增大，制冷系數(shù)COP隨著注油量先增大后減小，最后得出WS75YV型壓縮機(jī)的最優(yōu)注油量為120 mL，此時壓縮機(jī)COP最大。本項目的研究結(jié)果可為提高壓縮機(jī)的性能提供依據(jù)。

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