壓縮機(jī)少量吸氣帶液對制冷系統(tǒng)性能的影響

楊麗輝陶樂仁李芳芹王樂民范立娜

(1上海理工大學(xué) 上海 200093；2上海電力學(xué)院 上海 200090)

壓縮機(jī)少量吸氣帶液對制冷系統(tǒng)性能的影響

楊麗輝1陶樂仁1李芳芹2王樂民1范立娜1

(1上海理工大學(xué) 上海 200093；2上海電力學(xué)院 上海 200090)

利用滾動活塞式壓縮制冷實驗臺測量了壓縮機(jī)少量吸氣帶液時的系統(tǒng)性能。結(jié)果表明，在少量吸氣帶液時，壓縮機(jī)容積效率和等熵壓縮電效率僅略有下降，但系統(tǒng)壓比降低，R22工質(zhì)的理論壓縮效率提高，因此系統(tǒng)性能提高。在一定的空調(diào)工況下，與7 K吸氣過熱度相比，0.98吸氣干度時的系統(tǒng)制冷量和COP平均可提高約4%和2%。

壓縮式制冷系統(tǒng)；滾動活塞式制冷壓縮機(jī)；吸氣帶液；排氣溫度

干式蒸發(fā)器存在最小穩(wěn)定過熱度現(xiàn)象，當(dāng)過熱度低于這個值(5 K左右)后會突然下降并發(fā)生振蕩[1]，為防止未蒸發(fā)完全的制冷劑液體造成壓縮機(jī)液擊損壞，一般將蒸發(fā)器出口的制冷劑狀態(tài)控制到5～10 K的過熱度[2]。蒸發(fā)器出口過熱度的增大降低了蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，同時也降低了制冷量和COP，目前仍有很多文獻(xiàn)在研究過熱度的優(yōu)化控制方法[2－4]。

高背壓的滾動轉(zhuǎn)子和渦旋壓縮機(jī)具有一定的抗?jié)駢嚎s能力，近幾年的研究表明了越來越多的學(xué)者關(guān)注于將壓縮機(jī)運(yùn)行在少量吸氣帶液的狀態(tài)[5－7]。大金公司的矢島龍三郎[8]進(jìn)行了高壓腔渦旋壓縮機(jī)的吸氣帶液實驗，提出了在R32系統(tǒng)內(nèi)根據(jù)壓縮機(jī)和潤滑油特性，掌握降低吸氣干度的極限，將壓縮機(jī)排氣溫度降低到適用的范圍，并且不降低系統(tǒng)的可靠性和性能。韓磊[6]的研究都表明了在少量吸氣帶液時，系統(tǒng)的制冷量和COP都有所提高。陶宏等[9]進(jìn)行負(fù)吸氣過熱度時壓縮機(jī)性能的研究，表明了吸氣帶液將降低壓縮機(jī)性能。

壓縮機(jī)吸氣帶液對制冷系統(tǒng)帶來的影響是多方面的，目前關(guān)于壓縮機(jī)吸氣帶液的研究仍很少，因此有必要做進(jìn)一步的研究，以期更深入地了解壓縮機(jī)少量吸氣帶液時系統(tǒng)性能的變化和利用壓縮機(jī)排氣溫度控制吸氣干度的方法。

1 實驗裝置及工況

實驗裝置及部件如圖1所示，結(jié)構(gòu)類同于一臺小型變頻冷水機(jī)組。壓縮機(jī)采用上海日立電氣的FG720CG1UY滾動活塞式壓縮機(jī)，自帶氣液分離器。溫度和壓力傳感器布置如圖。采用科氏力流量計測量制冷劑質(zhì)量流量，采用浮子流量計測量水體積流量。采用京都(KEM)HFM-215N熱流計測量壓縮機(jī)機(jī)殼的表面對流換熱系數(shù)。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experiment apparatus

設(shè)定冷卻水和冷凍水出口溫度，設(shè)定壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，手動調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度直至壓縮機(jī)排氣溫度接近冷凝溫度，觀察蒸發(fā)器出口處可視管2的制冷劑流動狀態(tài)，判斷壓縮機(jī)是否吸氣帶液。

根據(jù)R22的物性和壓縮機(jī)的效率，排氣溫度飽和時吸氣干度約為0.9，而且由于壓縮機(jī)自帶氣液分離器，此時吸入的氣液混合物中的液態(tài)比例和粒徑小，液體將在高溫的壓縮腔內(nèi)迅速閃發(fā)而不會產(chǎn)生液擊[5]。由于壓縮機(jī)排氣為過熱或干飽和狀態(tài)，也不會使得大量潤滑油伴隨液態(tài)制冷劑排出壓縮機(jī)。但為避免制冷劑液滴對排氣閥的沖擊以及未完全蒸發(fā)的制冷劑液滴滴落油池[6]，應(yīng)避免壓縮機(jī)在負(fù)排氣過熱度狀態(tài)(即排氣溫度等于冷凝溫度時)長時間運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 數(shù)據(jù)處理及計算公式

由圖1中的儀器儀表可測得以下參數(shù):冷凍水體積流量qvw；冷凍水進(jìn)出口水溫Tw，e和Tw，l；制冷劑過冷壓力psc和過冷溫度Tsc；蒸發(fā)器出口壓力pe；壓縮機(jī)排氣壓力pd；制冷劑質(zhì)量流量m；壓縮機(jī)耗功W；壓縮機(jī)壁溫Tshell和環(huán)境溫度Tambient。

式中:Vd和N分別為壓縮機(jī)的理論排氣量和轉(zhuǎn)速；ve為壓縮機(jī)吸氣比容。

等熵壓縮電效率定義:

式中:he為吸氣比焓；等熵壓縮排氣比焓hd，is＝f (pd，Se)；Se為吸氣狀態(tài)的熵。

根據(jù)能量守恒，得到排氣比焓:

為了解吸氣干度下降時排氣比焓變化規(guī)律，將排氣比焓分為耗功因子PD1，外殼散熱因子PD2和吸氣比焓因子PD3三個部分:

壓縮機(jī)外殼散熱量Φ可通過以下公式計算得出:

式中:K為壓縮機(jī)機(jī)殼表面對流換熱系數(shù)，本實驗中壓縮機(jī)外殼采用強(qiáng)制對流散熱；A為壓縮機(jī)外殼表面積。用熱流計測量不同機(jī)殼溫度下的表面對流換熱系數(shù)，同時測量環(huán)境溫度 Tambient和壓縮機(jī)壁溫Tshell，可通過曲線擬合得到機(jī)殼對流換熱系數(shù)K與空氣定性溫度Tm的關(guān)系:

3 實驗結(jié)果與分析

基于空調(diào)的運(yùn)行工況，進(jìn)行了冷水/冷卻水出水溫度為15℃/42℃的系統(tǒng)實驗，膨脹閥前過冷度控制為5 K。

圖2換熱器傳熱溫差Fig.2 Temperature approach of heat-exchangers

圖2 給出了蒸發(fā)器傳熱溫差TD1和冷凝器傳熱溫差TD2隨吸氣過熱度/干度的變化趨勢。隨著膨脹閥開度的增加，吸氣過熱度(兩相區(qū)為干度)降低，蒸發(fā)器傳熱溫差大幅下降，這是因為蒸發(fā)器內(nèi)兩相換熱區(qū)增長提高了蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)。但同時由于熱負(fù)荷的增加，冷凝器的傳熱溫差卻逐漸增大，但增大的趨勢比較緩和。總的來說相比于常規(guī)的蒸發(fā)器出口過熱度(5～10 K)控制，少量吸氣帶液(x＞0.9)將降低系統(tǒng)壓比pr(pr＝pd/pe)，見圖3，這將給系統(tǒng)性能帶來潛在好處。

圖3系統(tǒng)壓比Fig.3 System pressure ratio

圖4 給出了壓縮機(jī)容積效率和等熵壓縮電效率隨吸氣過熱度/干度的變化趨勢。因為系統(tǒng)壓比隨吸氣過熱度的降低而降低，根據(jù)傳統(tǒng)的壓縮機(jī)效率與壓比的關(guān)系，壓縮機(jī)容積效率和電效率都隨吸氣過熱度的降低而升高。吸氣帶液時壓縮機(jī)效率的相關(guān)研究很少，陶宏[8]測試了負(fù)過熱度的壓縮機(jī)效率的部分?jǐn)?shù)據(jù)，源生一太郎[10]給出了低背壓設(shè)計的活塞壓縮機(jī)在吸氣帶液時的容積效率變化趨勢，并指出吸氣干度的降低將降低壓縮機(jī)的容積效率。而實驗中采用的高背壓滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)由于沒有吸氣閥，故吸氣壓降損失較小，且其吸氣口直接進(jìn)入壓縮腔，吸氣過熱也較小。在運(yùn)行工況不變時，吸氣帶液還降低了系統(tǒng)壓比，因此在少量吸氣帶液時，壓縮機(jī)的容積效率比吸氣飽和時僅略有下降，在額定運(yùn)行頻率72 Hz時，在x＞0.95時，容積效率的下降小于1%，如圖4。

圖4 壓縮機(jī)效率Fig.4 Compressor performance

壓縮機(jī)的等熵壓縮電效率也是隨壓比的降低而升高。在少量吸氣帶液時由于壓縮機(jī)內(nèi)部不可逆損失的增大，并且運(yùn)行點(diǎn)與設(shè)計點(diǎn)偏離，使得電效率也在少量吸氣帶液時也略有下降。但總的來說，壓縮機(jī)性能下降比例小，而且吸氣干度越接近1，下降比例越小。

根據(jù)Itard對純制冷劑濕壓縮的純理論研究，發(fā)現(xiàn)有些在T-S圖上飽和線為鐘形的制冷劑在濕壓縮時COP有所提高，因為濕壓縮使得朗肯制冷循環(huán)更接近卡諾循環(huán)[11]。濕壓縮時理論循環(huán)COP的變化與制冷劑的物性和運(yùn)行工況有關(guān)[12]。表1給出了15 ℃/42℃工況下實驗所測得的吸氣飽和時所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，并計算了等熵壓縮過程的COP在不同吸氣狀態(tài)時相對于吸氣飽和時的變化率。表1的數(shù)據(jù)表明了x＝0.95時，R22的理論循環(huán)效率與吸氣飽和時相比提高約0.5%，與5 K過熱度時相比提高約1%。

表1 R22理論COP變化Tab.1 R22 theoretic COP change

圖5排氣比焓組分Fig.5 Discharge enthalpy composition

圖5 表明了壓縮機(jī)排氣比焓的三組分隨吸氣過熱度/干度的變化趨勢。從圖中可以看出，在吸氣過熱區(qū)，壓縮機(jī)機(jī)殼散熱因子和耗功因子的絕對值隨過熱度下降而迅速下降；到吸氣干度在0.9～1之間時，兩者下降趨勢變緩且逐漸趨于定值。機(jī)殼散熱對于降低壓縮機(jī)排氣溫度和提高壓縮機(jī)效率有利，壓縮機(jī)吸氣帶液顯然降低了機(jī)殼散熱對系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)。由圖5還可以看到隨著吸氣過熱度/干度的降低，吸氣比焓因子逐漸增加，說明排氣比焓降低的可能性已越來越小。在一定的工況下，在吸氣干度為0.9～1.0的較大范圍內(nèi)，壓縮機(jī)排氣比焓的三個組成因子的比例是恒定的，排氣比焓又反映了排氣溫度的高低，這為預(yù)測壓縮機(jī)排氣溫度與吸氣干度的函數(shù)關(guān)系提供了便利。

圖6 制冷量和COPFig.6 Capacity and COP

綜上所述，在壓縮機(jī)少量吸氣帶液時，雖然壓縮機(jī)效率有小幅下降，壓縮機(jī)機(jī)殼散熱的有利因素也有下降，但對于R22制冷劑來說濕壓縮的理論COP更高，尤其是壓比降低對系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)更大，因此制冷量和COP都有所提高。由圖6的實驗數(shù)據(jù)可以看出，在不同的運(yùn)行工況和運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，在x＝0.95～1時，系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)的5～10 K過熱度時的性能。以空調(diào)工況1為例，x＝0.98處的制冷量和COP比 TSH＝7 K時平均提高越4%和2%。但同時應(yīng)看到盲目地降低吸氣干度，將會惡化壓縮機(jī)效率并降低循環(huán)性能，因此在制冷系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)具體部件的特性和選擇的工質(zhì)，確定一個最佳的吸氣干度控制范圍。

雖然實驗是關(guān)于R22制冷系統(tǒng)的研究，其實驗結(jié)果對于其他制冷劑系統(tǒng)也有借鑒意義。R32的排氣溫度更高[8]，利用少量吸氣帶液可以將壓縮機(jī)排氣溫度降低到安全限度內(nèi)且不增加系統(tǒng)成本。根據(jù)Voster的研究可知，對于小分子量和小比熱容的R32制冷劑，濕壓縮的理論壓縮效率比R22更高[12]，因此少量吸氣帶液的控制方案對低GWP值的R32系統(tǒng)有更大的研究意義。

4 結(jié)論

在一定的運(yùn)行工況下，對于高背壓設(shè)計的滾動活塞式壓縮機(jī)來說，運(yùn)行在少量吸氣帶液狀態(tài)時，壓縮機(jī)性能比吸氣飽和時僅略有下降。對于小比熱容的制冷劑R22，濕壓縮的理論COP更好，且少量吸氣帶液時蒸發(fā)器不可逆?zhèn)鳠釗p失減小，因此制冷量和COP均優(yōu)于常規(guī)的5～10 K過熱度時的性能。在一定的空調(diào)工況下，x＝0.98處的制冷量和COP比TSH ＝7 K時平均提高約4%和2%。

吸氣帶液對系統(tǒng)性能的改善與部件特性和制冷工質(zhì)有關(guān)。對于高排氣溫度的R32制冷系統(tǒng)，其物性參數(shù)決定了其濕壓縮的理論效率更高，利用少量吸氣帶液降低壓縮機(jī)排氣溫度的方案有更大的研究意義。

本文受上海市研究生創(chuàng)新基金項目(JWCXSL1201)資助。(The project was supported by the Innovation Fund Project For Graduate Student of Shanghai(No.JWCXSL1201).)

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Influence of a Little Liquid Entrainment into Compressors on Refrigerating System Performance

Yang Lihui1Tao Leren1Li Fangqin2Wang Lemin1Fan Lina1

(1.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China；2.Shanghai University of Electric Power，Shanghai，200090，China)

System performance was measured for rolling piston compression refrigerating system.The results show that when rolling piston compressors suck vapor refrigerant mixed a little liquid refrigerant，compressor efficiencies will be decreased just a little，but pressure ratio will be decreased much and the theoretic COP for R22 will be improved，which benefit system performance more.From the overall results，capacity and COP will be better at a little liquid suction.Under the specific air-conditioning condition，capacity and COP at x＝0. 98 will be improved up to 4%and 2%，comparing to 7 K suction superheat.

compression refrigerating system；rolling piston refrigerating compressor；liquid entrainment；discharge temperature

TB61＋1；TK121

A

0253－4339(2014)05－0083－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.083

楊麗輝，女(1977－ )，博士研究生，上海理工大學(xué)，021-38603317，E-mail:Merry.yang＠carrier.utc.com。研究方向:制冷與低溫工程。

博導(dǎo)類聯(lián)合基金(3312301001)資助項目。(The project was supported by The Joint Fund For Tutors of Ph.D.Candidates(No. 3312301001).)

2013年12月18日

About the author

Yang Lihui(1977－)，female，Ph.D.Candidates，University of Shanghai for Science and Technology，021-38603317，E-mail: Merry.yang＠carrier.utc.com.Research fields:Refrigeration and cryogenic engineering.