王繼鴻,陳曦
(1-上海理工大學(xué),上海 200093;2-南京佳力圖空調(diào)機(jī)電有限公司,江蘇南京 211100)
經(jīng)濟(jì)器對(duì)磁懸浮離心壓縮機(jī)性能影響的研究
王繼鴻*1,2,陳曦1
(1-上海理工大學(xué),上海 200093;2-南京佳力圖空調(diào)機(jī)電有限公司,江蘇南京 211100)
制冷系統(tǒng)中使用經(jīng)濟(jì)器可以提高系統(tǒng)制冷量,但是中間補(bǔ)氣使壓縮機(jī)耗功增加,制冷循環(huán)中有效制冷劑流量降低,制冷系統(tǒng)的能效比并不會(huì)隨著制冷量成正比增長(zhǎng),因此存在一個(gè)理論最優(yōu)補(bǔ)氣壓力。本文通過(guò)實(shí)測(cè)一臺(tái)帶經(jīng)濟(jì)器制冷循環(huán)的水冷磁懸浮離心式機(jī)組在不同負(fù)荷運(yùn)行情況,研究了經(jīng)濟(jì)器和補(bǔ)氣壓力對(duì)于水冷磁懸浮離心式壓縮機(jī)性能及 COP的影響。研究結(jié)果表明:磁懸浮壓縮機(jī)的效率隨著補(bǔ)氣壓力的升高出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì);在所有工況下,調(diào)節(jié)補(bǔ)氣壓力都會(huì)提高效率,且存在一個(gè)最佳的補(bǔ)氣壓力使制冷系統(tǒng)的COP最優(yōu)。
實(shí)驗(yàn)研究;經(jīng)濟(jì)器;磁懸浮離心式壓縮機(jī);補(bǔ)氣壓力
高效和節(jié)能技術(shù)是空調(diào)用冷水機(jī)組的主要發(fā)展方向。本文論述了近年來(lái)變頻技術(shù)在離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組中的應(yīng)用,包括大型變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組和磁懸浮變頻離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組。這兩種技術(shù)是當(dāng)今世界上離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組領(lǐng)域里最先進(jìn)的技術(shù)[1]。本文針對(duì)壓縮機(jī)本身特點(diǎn),借鑒在工業(yè)冷凍系統(tǒng)和螺桿式壓縮機(jī)應(yīng)用比較成熟的經(jīng)濟(jì)器制冷循環(huán)[2-4],充分發(fā)掘磁懸浮變頻離心式壓縮機(jī)的節(jié)能潛力。
文獻(xiàn)[2]分析了不同類(lèi)型制冷壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)過(guò)程,結(jié)果表明,根據(jù)工作情況選擇合適的補(bǔ)氣參數(shù)可以明顯改善性能。文獻(xiàn)[3]表明工業(yè)冷凍系統(tǒng)采用不同類(lèi)型經(jīng)濟(jì)器都可以達(dá)到節(jié)能目的,在冷凍工況(低蒸發(fā)溫度)節(jié)能效果更為明顯。文獻(xiàn)[4]分析補(bǔ)氣壓力對(duì)于螺桿制冷壓縮機(jī)的影響,存在最優(yōu)的補(bǔ)氣壓力使得壓縮機(jī)性能和 COP最優(yōu)。以上研究成果在理論和實(shí)驗(yàn)上都驗(yàn)證了經(jīng)濟(jì)器對(duì)于制冷機(jī)組能效改善具有積極效果。針對(duì)近年來(lái)出現(xiàn)的磁懸浮變頻離心式壓縮機(jī)目前無(wú)專(zhuān)門(mén)的研究成果,鑒于此,本文對(duì)經(jīng)濟(jì)器和補(bǔ)氣壓力對(duì)于水冷磁懸浮離心式壓縮機(jī)性能及 COP的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
本實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)采用一臺(tái)水冷磁懸浮離心式機(jī)組,如圖1所示。系統(tǒng)中壓縮機(jī)為一臺(tái)磁懸浮變頻離心式壓縮機(jī),制冷劑為R134a,型號(hào)為T(mén)T400,適合水冷工況(最大壓比3.5),設(shè)計(jì)最大轉(zhuǎn)速為30,000 r/min,名義制冷量150冷噸,雙級(jí)閉式葉輪。經(jīng)濟(jì)器為過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器(板式換熱器)。從冷凝后制冷劑回路引出部分液體,經(jīng)ECO電子膨脹閥節(jié)流后,進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器蒸發(fā)吸熱,冷卻主回路制冷劑液體并提高其過(guò)冷度;經(jīng)濟(jì)器中蒸發(fā)的制冷劑氣體對(duì)磁懸浮離心式壓縮機(jī)進(jìn)行補(bǔ)氣。壓縮機(jī)的補(bǔ)氣孔口直徑為28 mm,補(bǔ)氣位置在一級(jí)與二級(jí)葉輪中間位置。經(jīng)濟(jì)器蒸發(fā)側(cè)和主回路均采用電子膨脹閥精確控制冷媒循環(huán)量。
圖1 帶經(jīng)濟(jì)器的制冷系統(tǒng)
測(cè)試裝置使用水冷測(cè)試實(shí)驗(yàn)室,可以實(shí)時(shí)記錄工況參數(shù)、機(jī)組運(yùn)行參數(shù),并能滿足測(cè)試部分負(fù)荷運(yùn)行能力。
制冷系統(tǒng)中主電子膨脹閥通過(guò)殼管式冷凝器上安裝的液位傳感器進(jìn)行控制;ECO電子膨脹閥通過(guò)過(guò)熱度進(jìn)行控制,電子膨脹閥可以通過(guò)程序進(jìn)行控制開(kāi)啟步數(shù),這樣就可以控制經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟,并通過(guò)控制 ECO電子膨脹閥的開(kāi)啟步數(shù)以控制補(bǔ)氣壓力,從而滿足實(shí)驗(yàn)要求。以下為三個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)一:測(cè)試名義工況下經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣壓力對(duì)于制冷量、輸入功率和能效比的影響,通過(guò)調(diào)節(jié)ECO電子膨脹閥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)二:測(cè)試名義工況下經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟/關(guān)閉對(duì)于機(jī)組性能影響,通過(guò)調(diào)節(jié)ECO電子膨脹閥開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)三:測(cè)試75%、50%、25%負(fù)荷工況下,經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟/關(guān)閉對(duì)于機(jī)組性能影響,通過(guò)壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)一按照如下工況進(jìn)行測(cè)試:機(jī)組負(fù)荷按照100%設(shè)定,冷卻進(jìn)水溫度為30 ℃,冷凍出水溫度為7 ℃,流量按照GB/T 18430.1-2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,使用過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器,補(bǔ)氣壓力分別為 442 kPa、450 kPa、465 kPa、480 kPa時(shí),對(duì)機(jī)組性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄。
從圖2可以看出隨著補(bǔ)氣壓力逐漸升高,機(jī)組制冷量在逐步提高。根據(jù)表1數(shù)據(jù)看出補(bǔ)氣壓力升高會(huì)導(dǎo)致制冷量增加幅度降低。
圖2 補(bǔ)氣壓力與制冷量關(guān)系
表1 補(bǔ)氣壓力對(duì)制冷量影響
從圖3可以看出隨著補(bǔ)氣壓力逐漸升高,機(jī)組輸入功率在逐步提高。從表2數(shù)據(jù)可以看出隨著補(bǔ)氣壓力升高,輸入功率逐漸升高且幅度逐漸增大。由此可以推斷COP存在拐點(diǎn),利用測(cè)試的COP曲線進(jìn)行驗(yàn)證。
圖3 補(bǔ)氣壓力與輸入功率關(guān)系
表2 補(bǔ)氣壓力對(duì)輸入功率影響
從圖4可以看出隨著補(bǔ)氣壓力逐漸升高,機(jī)組制冷能效比 COP出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)工況下,使機(jī)組制冷能效比 COP最優(yōu)的補(bǔ)氣壓力范圍為455 kPa ~460 kPa。
圖4 補(bǔ)氣壓力與COP關(guān)系
通過(guò)實(shí)驗(yàn)一可以說(shuō)明隨著補(bǔ)氣壓力升高,進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣側(cè)制冷劑質(zhì)量流量在不斷增加,這樣可以將過(guò)冷側(cè)制冷劑過(guò)冷度提高,同時(shí)也造成整個(gè)制冷劑循環(huán)過(guò)程中進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行有效制冷的制冷劑質(zhì)量流量降低,導(dǎo)致制冷能力雖然在提高,但是增加幅度卻明顯降低,造成輸入功率不斷增大,COP出現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。
文獻(xiàn)[4]中對(duì)于螺桿壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣壓力與輸入功率、中間補(bǔ)氣壓力與 COP關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與實(shí)驗(yàn)一獲得相同的趨勢(shì),共同驗(yàn)證了對(duì)于壓縮機(jī)性能和COP而言存在最優(yōu)中間補(bǔ)氣壓力的結(jié)論。
實(shí)驗(yàn)二按照如下工況進(jìn)行測(cè)試:機(jī)組負(fù)荷按照100%設(shè)定,冷卻進(jìn)水溫度為30 ℃,冷凍出水溫度為7 ℃,流量按照GB/T 18430.1-2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,分別開(kāi)啟過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器與關(guān)閉過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器,對(duì)機(jī)組性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄。
從表3可以看出在滿載名義制冷工況下,經(jīng)濟(jì)器可以有效提高制冷量(提高 10%),同時(shí)輸入功率略有增大(增大1.54%),幅度遠(yuǎn)低于制冷量的提升,因此機(jī)組制冷能效比 COP出現(xiàn)明顯改善(提高8.4%),結(jié)合文獻(xiàn)[3]中對(duì)于蒸發(fā)溫度由-45 ℃升至5 ℃過(guò)程中,帶有經(jīng)濟(jì)器的制冷機(jī)組制冷量和能效比始終大于不帶經(jīng)濟(jì)器的機(jī)組,說(shuō)明經(jīng)濟(jì)器在空調(diào)工況同樣可以改善性能,提高能效。
表3 經(jīng)濟(jì)器開(kāi)/關(guān)對(duì)性能的影響
實(shí)驗(yàn)三按照如下工況進(jìn)行測(cè)試:機(jī)組負(fù)荷按照100%、75%、50%、25%設(shè)定,冷卻進(jìn)水溫度分別為30 ℃、26 ℃、23 ℃、19 ℃,冷凍出水溫度為7 ℃,流量按照 GB/T 18430.1-2007標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定,分別開(kāi)啟過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器與關(guān)閉過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器,對(duì)機(jī)組性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量記錄。
從圖5可以看到,磁懸浮離心式壓縮機(jī)在部分負(fù)荷下能效比隨著負(fù)荷降低始終處于上升狀態(tài),因此在部分負(fù)荷情況下磁懸浮離心式壓縮機(jī)具有良好性能;通過(guò)對(duì)比不同負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)器開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)于能效比的影響,經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟對(duì)于機(jī)組運(yùn)行始終有利,因此經(jīng)濟(jì)器在空調(diào)工況范圍都具有改善性能的效果。
圖5 不同負(fù)荷下經(jīng)濟(jì)器開(kāi)/關(guān)對(duì)能效的影響
為了更進(jìn)一步提高磁懸浮離心式冷水機(jī)組能效比和性能,可以從以下幾個(gè)方面提高。
1)充分發(fā)揮二級(jí)壓縮優(yōu)勢(shì),在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用經(jīng)濟(jì)器,根據(jù)目前測(cè)試過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器情況,可以有效提高制冷量和能效比;閃蒸式經(jīng)濟(jì)器會(huì)在理論上優(yōu)于過(guò)冷式經(jīng)濟(jì)器,因此更優(yōu)的方案可以采用閃蒸式經(jīng)濟(jì)器,在冷凝器增加單獨(dú)過(guò)冷段,經(jīng)濟(jì)器采用液位傳感器進(jìn)行控制。
2)考慮到經(jīng)濟(jì)器在空調(diào)工況運(yùn)行都具有節(jié)能效果,可以在控制邏輯上進(jìn)行優(yōu)化經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟控制方式,將經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣壓力控制在最優(yōu)區(qū)域。
3)在經(jīng)濟(jì)器選型時(shí),須綜合考慮機(jī)組布置、制造成本、制冷量范圍和壓降損失等情況,經(jīng)濟(jì)器節(jié)流部件采用電子膨脹閥控制更有利于選擇合適的補(bǔ)氣壓力,以達(dá)到收益的最大化。
對(duì)帶經(jīng)濟(jì)器的水冷磁懸浮離心式壓縮機(jī)冷水機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析,得到以下結(jié)論。
1)機(jī)組配備經(jīng)濟(jì)器后,系統(tǒng)制冷量和能效比均有所增加,可以達(dá)到節(jié)能的目的,并且存在最優(yōu)的補(bǔ)氣壓力。
2)經(jīng)濟(jì)器對(duì)于空調(diào)工況節(jié)能效果依然明顯。
3)經(jīng)濟(jì)器對(duì)于不同工況條件同樣具有節(jié)能效果,可以?xún)?yōu)化控制邏輯增加經(jīng)濟(jì)器開(kāi)啟范圍。
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Study on Effects of Economizer on the Performance of Magnetic Bearing Centrifugal Compressor
WANG Ji-hong*1,2,CHEN Xi1
(1- University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2-Nanjing Canatal Air-Conditioning Electrical and Mechanical Co.,Ltd,Nanjing,Jiangsu 211100,China)
The cooling capacity could be increased by using the economizer in the refrigeration system,but the COP would not be improved in direct proportion because the compressor power would increase while compensating vapor in the process of compression,which would reduce mass flow rate in the cycle.Theoretically,there is an optimum superfeed pressure in the refrigeration system.In this paper,the performance of magnetic bearing centrifugal compressor was investigated by analyzing the operation of the water-cooled magnetic bearing centrifugal chiller with sub-cooler circuit economizer in different loads,and the influence of the superfeed pressure on the compressor efficiency and system COP was obtained.The results show that the compressor efficiency and COP will rise first and then will drop with the increasing superfeed pressure increasing.Under all conditions,the efficiency will be improved by adjusting superfeed pressure.There is an optimum superfeed pressure to obtain the best COP.
Experimental study;Economizer;Magnetic bearing centrifugal compressor;Superfeed pressure
10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.105
*王繼鴻(1982-),男,工程師,學(xué)士。研究方向:制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址:南京市江寧經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)蘇源大道88號(hào)南京佳力圖空調(diào)機(jī)電有限公司研發(fā)中心,郵編:211111。聯(lián)系電話:025-84916622。Email:wang516423@126.com。