變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機降低吸氣干度對容積效率的影響

范立娜， 陶樂仁， 楊麗輝

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機降低吸氣干度對容積效率的影響

范立娜， 陶樂仁， 楊麗輝

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

利用變頻滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機實驗臺測量了吸氣干度x＞0.9時壓縮機的容積效率.結(jié)果表明，當0.9＜x＜1時，容積效率隨系統(tǒng)壓比的增大和干度的降低而減小.在相同的頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率隨干度下降的趨勢相似.高背壓低吸氣壓損的滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機在少量吸氣帶液時容積效率下降較小，在干度較大（x＞0.95）和額定轉(zhuǎn)速時，容積效率僅下降1%，因此，此類壓縮機適合用于少量吸氣帶液的運行.

變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機；吸氣干度；容積效率；濕壓縮；實驗研究

轉(zhuǎn)子式壓縮機具有結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲及高效率 等優(yōu)點，被廣泛應用于房間空調(diào)器，壓縮機在整個空調(diào)器的能耗中占有很大的比重.傳統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)都是將壓縮機吸氣控制在過熱狀態(tài).近幾年的研究表明，越來越多的研究關注于將壓縮機運行控制在少量吸氣帶液的狀態(tài)［1-4］.滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機同時又是抗液擊性能良好的壓縮機.文獻［3-4］的研究表明，在少量吸氣帶液時，系統(tǒng)的制冷量和性能系數(shù)COP都有所提高.

壓縮機容積效率與系統(tǒng)制冷量密切相關，關于吸氣過熱時壓縮機容積效率的研究已經(jīng)相當成熟［5-8］，但目前關于吸氣帶液時的容積效率的研究仍然需要更多的實驗數(shù)據(jù)［9］.陶宏等進行了負過熱度時滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機性能的實驗研究［10］，并提供了過熱度修正的建議.源生一太郎分析了在吸氣帶液時壓縮機容積效率的變化，指出由于濕蒸氣的密度較大，吸氣壓阻也較大，因而造成壓縮機容積效率下降［11］.

壓縮機容積效率下降過大，將造成制冷系統(tǒng)性能的大幅下降.源生一太郎的研究數(shù)據(jù)是基于老式的活塞壓縮機，然而壓縮機技術(shù)日新月異，新的機型和更優(yōu)化的設計大幅度提高了壓縮機的容積效率，也改變了濕壓縮時容積效率的變化趨勢.因此，本文針對房間空調(diào)器常用的滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機進行了少量吸氣帶液時壓縮容積效率的研究，揭示了在少量吸氣帶液下容積效率隨吸氣干度變化的趨勢，并分析了變化趨勢及原因.

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.設定冷卻水和冷凍水溫度，使系統(tǒng)運行在特定的工況，設定壓縮機頻率.每個工況從系統(tǒng)壓比PR=5的過熱狀態(tài)開始，手動增大膨脹閥開度，系統(tǒng)壓比和排氣溫度將不斷降低.為了避免壓縮機液擊損壞，本實驗將壓縮機排氣溫度控制到接近冷凝溫度，所對應的吸氣干度基本為0.9.觀察蒸發(fā)器出口處可視管2內(nèi)的制冷劑狀態(tài)，確定吸氣狀態(tài)改變時膨脹閥的開度.

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Experimental apparatus

2 容積效率計算

由實驗儀表可測得冷凍水體積流量qVW，進口、出口水溫Tw，l和Tw，e，制冷劑過冷壓力Psc和過冷溫度Tsc，蒸發(fā)器出口壓力Pe，壓縮機排氣壓力Pd，制冷劑質(zhì)量流量m和壓縮機耗功W.利用Refprop物性軟件和以下公式可得到蒸發(fā)器出口的干度x和壓縮機的容積效率ηV.

制冷量

式中，ρw和Cpw分別為水的密度和比熱容.

制冷劑過冷比焓

蒸發(fā)器出口的焓

蒸發(fā)器出口的干度

根據(jù)Refprop物性軟件的定義，當制冷劑蒸汽為過熱時，x＞1.

蒸發(fā)器出口的比容

壓縮機的容積效率

系統(tǒng)壓比

壓縮機采用上海日立電氣的FG720CG1UY滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，每轉(zhuǎn)理論排氣量Vd=10.9 L／r，N為壓縮機轉(zhuǎn)速.

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 12℃和42℃工況的容積效率

文獻［5］分析了影響滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機容積效率的因素主要有：排氣頂隙體積再膨脹；吸氣、排氣口的壓力損失；內(nèi)部氣體泄漏；吸氣溫升.內(nèi)部壓力損失越大，壓縮機排氣溫度越高，將引起更大的容積膨脹，從而降低了容積效率.

通常研究容積效率時固定壓縮機的系統(tǒng)壓比，對固定工況下壓縮機容積效率的研究可以為更好地控制系統(tǒng)流量提供重要參考.設定冷凍水和冷卻水出水溫度為12℃和42℃，分別測得壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率為35，50，72和90 Hz時的制冷量、系統(tǒng)壓比和壓縮機容積效率.測量的制冷量隨過熱度和干度的變化趨勢如圖2所示，可以看出，在少量吸氣帶液時，系統(tǒng)制冷量達到最大值，而且在0.9～1的干度區(qū)間系統(tǒng)制冷量下降不大.通常的制冷系統(tǒng)是將吸氣過熱度控制在5～10 K之間，由圖2可知，通過少量吸氣帶液可以提高系統(tǒng)的制冷量.

圖3為同樣工況下，系統(tǒng)壓比隨過熱度和干度變化的趨勢，可以看出，隨著吸氣過熱度的降低，系統(tǒng)壓比不斷降低，原因是蒸發(fā)器的兩相區(qū)增長，蒸發(fā)壓力上升.當少量吸氣帶液（0.9＜x＜1）時，蒸發(fā)器出口的制冷劑含有少量液滴，其換熱系數(shù)在此區(qū)間基本不變，因此，蒸發(fā)器壓力也基本不變，系統(tǒng)壓比基本恒定.

圖2 制冷量變化Fig.2 Change of cooling capacity

圖3 系統(tǒng)壓比變化Fig.3 Pressure ratio

圖4 容積效率變化Fig.4 Volumetric efficiency

圖4反應了容積效率隨吸氣狀態(tài)的變化趨勢.吸氣過熱度越大，系統(tǒng)壓比也越大，所以，容積效率則越低.由圖4可知，壓縮機吸氣帶液引起了容積效率的降低，分析原因如下：a.由于液體制冷劑具有更大的密度，在吸氣口將產(chǎn)生更大的壓降，且吸氣溫升將使小液滴閃發(fā)引起的容積膨脹更大，因此，由于吸氣壓降和溫升引起的容積效率下降更大；b.在壓縮腔內(nèi)起潤滑密封作用的油膜將更容易吸收液體制冷大（x＞0.95）時，72 Hz和35 Hz下降分別為1.0%和3.0%，這是因為少量吸氣帶液帶來的吸氣壓降和溫升對容積效率的影響并不大.少量吸氣帶液在高溫壓縮腔內(nèi)完全閃發(fā)，不會改變密封油膜的特性，不會引起內(nèi)部泄露的增加.而且吸氣帶液降低了系統(tǒng)壓比，降低了壓縮腔壁溫，對容積效率有利.從圖5和表1中還可以看出，在72 Hz的運轉(zhuǎn)頻率時，容積效率隨干度下降的比率最?。?0 Hz和90 Hz時，下降速率較小；35 Hz時，容積效率下降的比率最大.這說明運轉(zhuǎn)頻率距離額定轉(zhuǎn)速越遠，其由于吸入濕蒸汽而引起的容積效率下降越多，原因可能是非額定轉(zhuǎn)速時，吸氣壓降較大或油膜密封性能變差，這2個因素在濕壓縮時對容積效率的影響更大.劑，從而降低了油膜的黏度，增加了內(nèi)部泄露.

圖4和表1同時表明了在少量吸氣帶液時（x＞0.9），容積效率下降很小，72 Hz下降最少，為2.6%，35Hz下降最多，為8.1%.尤其是在干度較

表1 容積效率隨吸氣干度下降的對比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparison of volumetric efficiency under different suction vapor dryness

以上分析說明了吸氣帶液確實會降低壓縮機容積效率，但是，降低的程度卻不盡相同，這取決于壓縮機的類型和吸氣帶液的量.像滾動轉(zhuǎn)子式這類高背壓低吸氣壓損的壓縮機在少量吸氣帶液（x＞0.95）時，容積效率下降僅在3%以內(nèi).

3.2 不同工況下容積效率變化

本實驗進行更低系統(tǒng)壓比工況的研究，進一步了解壓縮機容積效率的變化普遍性.分別進行了冷凍水溫度／冷卻水溫度為12℃／32℃和12℃／42℃這2個不同工況下的對比實驗，這2個工況所對應的冷凍水水溫相同，而冷卻水水溫不同.所以，在吸氣帶液時，兩者的吸氣壓力相差不大，系統(tǒng)壓比的不同主要是冷凝壓力引起的.

圖5 容積效率變化Fig.5 Change of volumetric efficiency

圖5給出了3個運轉(zhuǎn)頻率和2種工況下，壓縮機容積效率和系統(tǒng)壓比隨吸氣干度的變化趨勢.從圖5中可以看出，當吸氣飽和后，隨著吸氣干度的降低，同一運行工況的系統(tǒng)壓比基本保持不變，工況2的系統(tǒng)壓比要比工況1的低.圖5中反映出當吸氣帶液時：a.與吸氣過熱的情況相同，系統(tǒng)壓比越大，容積效率越低；b.與吸氣過熱時不同的是，吸氣過熱度與壓縮機的容積效率無關［4-5］，但吸氣干度（即負過熱度）是容積效率的一個重要影響因素；c.在所有的運轉(zhuǎn)頻率和工況下，少量吸氣帶液時容積效率下降并不大.在相同的運轉(zhuǎn)頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率隨干度變化的趨勢相似.在額定運轉(zhuǎn)頻率下，容積效率隨吸氣干度的下降而下降的速度最慢.運轉(zhuǎn)頻率距離額定頻率越遠，則容積效率隨干度的下降而下降的速度越快.

4 結(jié) 論

通過對滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機吸氣干度x＞0.9的容積效率的實驗研究，得到以下結(jié)論：

a.當吸氣干度為0.9～1時，壓縮機的容積效率不僅與系統(tǒng)壓比（即系統(tǒng)工況）有關，而且隨吸氣干度的下降而下降.

b.在相同頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率變化趨勢相似.在額定運轉(zhuǎn)頻率下，容積效率下降速率最慢.壓縮機運轉(zhuǎn)頻率距離額定運轉(zhuǎn)頻率越遠，則容積效率隨干度下降的速率越快.

c.高背壓低吸氣壓損的滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機在少量吸氣帶液時容積效率下降較小.在干度較大時（x＞0.95）和額定轉(zhuǎn)速時，容積效率僅下降1%.此類壓縮機比較適合用于少量吸氣帶液的運行狀態(tài).

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（編輯：石 瑛）

Influence of Decreasing Suction Vapor Quality on Volumetric Efficiency of Variable Speed Rotary Compressor

FANLi-na， TAOLe-ren， YANGLi-hui
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

The volumetric efficiency of rolling piston compressor was studied on a variable refrigerant flow system under the condition of suction vapor quality greater than 0.9.The experimental results show that when 0.9＜x＜1，volumetric efficiency decreases with the increase of pressure ratio and the decrease of vapor quality.Under the same frequency，volumetric efficiency under different compression ratio shows a similar change trend.The volumetric efficiency of rolling piston compressors with high backpressure and low suction pressure drop decreases slightly under a little liquid entrainment.The decreasing ratio is only 1%under a relatively large quality（x＞0.95）and at the rated operating speed.Therefore these compressors are suitable to operate with a little liquid entrainment.

variable speed rotary compressor；suction vapor quality；volumetric efficiency；wet compression；experimental study

TK 121

A

2013-10-13

教育部博導類聯(lián)合基金資助項目（3312301001）

范立娜（1988-），女，碩士研究生.研究方向：變頻制冷.E-mail：fanlina1018＠163.com

陶樂仁（1962-），男，教授.研究方向：制冷及低溫工程.E-mail：cryo307＠usst.edu.cn

1007-6735（2014）04-0312-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.002