可變內(nèi)容積比的變頻單螺桿壓縮機(jī)性能試驗(yàn)研究

陳清，沈鵬飛

（麥克維爾空調(diào)制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215126）

可變內(nèi)容積比的變頻單螺桿壓縮機(jī)性能試驗(yàn)研究

陳清*，沈鵬飛**

（麥克維爾空調(diào)制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215126）

單螺桿制冷壓縮機(jī)的欠壓縮和過壓縮損失將降低其在不同工況下的能效比。根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行工況調(diào)節(jié)其內(nèi)容積比，得到合適的壓縮終止壓力，可減少甚至避免欠壓縮或過壓縮損失。將可變內(nèi)容積比技術(shù)應(yīng)用于變頻單螺桿壓縮機(jī)，可提高壓縮機(jī)在不同工況下的滿負(fù)荷性能系數(shù)，同時(shí)還可以提高其綜合部分負(fù)荷能效比（IPLV）。

可變內(nèi)容積比；變頻單螺桿壓縮機(jī)；性能系數(shù)

0　引言

單螺桿式制冷壓縮機(jī)自20世紀(jì)70年代誕生以來，憑借其高效的性能和平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，正獲得越來越廣泛的市場應(yīng)用。除了傳統(tǒng)空調(diào)制冷領(lǐng)域，在雙螺桿壓縮機(jī)已獲得廣泛應(yīng)用的高溫?zé)岜煤湍芰炕厥障到y(tǒng)［1］以及低溫制冷系統(tǒng)中［2］，也越來越多地看到單螺桿制冷壓縮機(jī)的身影。近幾年，變頻產(chǎn)品成為節(jié)能減排的一個(gè)主要方向［3］，部分負(fù)荷能效比較高的變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)也已經(jīng)面世。變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)采用直流或交流變頻技術(shù)，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行制冷量的調(diào)節(jié)。因此，與常規(guī)壓縮機(jī)不同，變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)將不再需要能量調(diào)節(jié)滑閥，而可以將滑閥設(shè)計(jì)成專門用于調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)容積比的機(jī)構(gòu)。可變內(nèi)容積比技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)壓比與冷水機(jī)組外壓比達(dá)到一致或接近，從而避免不同工況運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)的過壓縮或欠壓縮損失；此外，根據(jù)螺桿壓縮機(jī)部分負(fù)荷下電機(jī)繞組溫度場［4］和電機(jī)換熱效率［5］的相關(guān)研究，變頻電機(jī)部分負(fù)荷下效率較高，利于電機(jī)散熱，從而有利于提升整機(jī)效率。

本文主要研究和討論可變內(nèi)容積比技術(shù)對(duì)于變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)性能的實(shí)際影響。

1　單螺桿壓縮機(jī)的過壓縮和欠壓縮損失

作為容積式壓縮機(jī)的一種［6］，單螺桿壓縮機(jī)是通過改變氣體體積來提高其壓力的，如圖1所示［7］。吸氣結(jié)束時(shí)，單螺桿壓縮機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)子、星輪片和機(jī)體外殼之間形成一個(gè)密閉的基元容積V1；隨著壓縮過程的進(jìn)行，這個(gè)密閉腔體的體積逐漸變小而氣體壓力逐漸升高；當(dāng)密閉腔體與滑閥的排氣孔聯(lián)通時(shí)，壓縮過程結(jié)束，排氣過程開始，此時(shí)容積為 V2［8］。因此，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，在理想狀態(tài)下，壓縮過程結(jié)束時(shí)，氣體壓力為P2=P1×（V1/V2）k，k為氣體絕熱指數(shù)。容積的比值V1/V2稱為內(nèi)容積比。單螺桿壓縮機(jī)的排氣口一般設(shè)置在滑閥上，普通單螺桿制冷壓縮機(jī)的滑閥主要用于調(diào)節(jié)制冷量，而無法根據(jù)不同運(yùn)行工況調(diào)節(jié)內(nèi)容積比。因此壓縮終止壓力無法隨外部背壓而改變。

圖1　單螺桿壓縮機(jī)工作過程

因此與雙螺桿壓縮機(jī)類似，內(nèi)容積比無法調(diào)節(jié)的單螺桿壓縮機(jī)也存在過壓縮和欠壓縮現(xiàn)象。不管是過壓縮還是欠壓縮，都將造成壓縮機(jī)額外的做功損失。如圖2所示，當(dāng)壓縮結(jié)束時(shí)，壓縮腔內(nèi)部壓力小于外部排氣壓力，將造成欠壓縮，此時(shí)腔內(nèi)氣體將產(chǎn)生定容壓縮，升高腔內(nèi)壓力，再排出壓縮腔，造成的額外功率見（a）圖陰影部分。而當(dāng)壓縮終止時(shí)，壓縮腔內(nèi)部壓力高于外部壓力則稱為過壓縮。此時(shí)腔內(nèi)氣體將發(fā)生定容膨脹，額外消耗的無用功見（b）圖陰影部分。理想的壓縮過程為（c）圖，壓縮終止壓力與外部背壓相同，無額外做功損失，壓縮機(jī)耗功最小，能效比最高。

圖2　容積式壓縮機(jī)過壓縮和欠壓縮損失

2　變頻單螺桿壓縮機(jī)可變內(nèi)容積比技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和作用

傳統(tǒng)的單螺桿式制冷壓縮機(jī)，針對(duì)水冷機(jī)組應(yīng)用，一般設(shè)置內(nèi)容積比為2.2的滑閥；針對(duì)風(fēng)冷或熱泵機(jī)組應(yīng)用，一般設(shè)置內(nèi)容積比為3.0的滑閥［9］。而當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況改變時(shí)，壓縮機(jī)外部壓比將發(fā)生變化，此時(shí)由于內(nèi)容積比不可變，壓縮機(jī)將產(chǎn)生過壓縮或欠壓縮，使運(yùn)行的效率降低。因此，將可變內(nèi)容積比技術(shù)應(yīng)用于單螺桿式制冷壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)內(nèi)容積比隨冷水機(jī)組運(yùn)行工況而改變，可以減少甚至消除過壓縮和欠壓縮造成的損失。對(duì)于普通單螺桿制冷壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)可變內(nèi)容積比，將增加滑閥數(shù)量，在傳統(tǒng)兩個(gè)能量調(diào)節(jié)滑閥的基礎(chǔ)上再增加兩個(gè)用于調(diào)節(jié)內(nèi)容積比的滑閥。由于活動(dòng)部件的增加，必然將造成內(nèi)部泄露量增加；同時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，造成整機(jī)可靠性的降低。

然而，對(duì)于變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)，制冷量的調(diào)節(jié)通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，不再需要能量調(diào)節(jié)滑閥。因此，通過重新設(shè)計(jì)滑閥結(jié)構(gòu)，可較為容易將滑閥設(shè)計(jì)成專門用于調(diào)節(jié)內(nèi)容積比。通過內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑閥的移動(dòng)，可以提前或延遲排氣開始的時(shí)間，從而改變壓縮終止時(shí)的容積，獲得合適的壓縮終止壓力。如圖3所示，當(dāng)內(nèi)容積比滑閥向左移動(dòng)時(shí)，壓縮時(shí)間增加，排氣時(shí)間延后，壓縮終止體積V2'小于V2，相應(yīng)獲得的壓縮終止壓力升高，適用于冷凝壓力與蒸發(fā)壓力比值變高的工況。滑閥的驅(qū)動(dòng)方式與常規(guī)定頻單螺桿壓縮機(jī)相同，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，具備較高的可靠性。

圖3　內(nèi)容積比調(diào)節(jié)原理

3　可變內(nèi)容積比技術(shù)對(duì)變頻單螺桿壓縮機(jī)影響的測試分析

由于可變內(nèi)容積比技術(shù)可以減少壓縮過程中的過壓縮或欠壓縮損失，因此，預(yù)測將此技術(shù)應(yīng)用于變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)時(shí)，將提高壓縮機(jī)在不同工況下滿負(fù)荷等熵效率。同時(shí)，冷水機(jī)組工況的改變往往伴隨著負(fù)荷的變化，因此，在不同負(fù)荷下內(nèi)容積比實(shí)現(xiàn)可調(diào)，可以提高單螺桿式制冷壓縮機(jī)的部分負(fù)荷能效比。

為了實(shí)際驗(yàn)證這一技術(shù)對(duì)于變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)的影響，將可變內(nèi)容積比技術(shù)應(yīng)用于某型號(hào)的水冷變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)。內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示，使用油壓驅(qū)動(dòng)活塞移動(dòng)，從而改變與之相連的內(nèi)容積比調(diào)節(jié)滑閥的位置。根據(jù)壓縮機(jī)較長時(shí)間運(yùn)行的部分負(fù)荷工況，設(shè)置了4個(gè)內(nèi)容積比（VR）位置，使用電磁閥進(jìn)行控制。當(dāng)1.4 VR電磁閥得電時(shí)，壓縮機(jī)可獲得內(nèi)容積比為1.4；同樣，1.8 VR或2.2 VR電磁閥得電時(shí)可獲得相應(yīng)的內(nèi)容積比；而當(dāng)3個(gè)電磁閥全關(guān)時(shí)，可獲得內(nèi)容積比為2.8。

圖4　內(nèi)容積比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及控制方式

在壓縮機(jī)的測試過程中，根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)不同工況壓縮比，即冷凝壓力和蒸發(fā)壓力比值，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的內(nèi)容積比，各內(nèi)容積比的調(diào)節(jié)范圍見圖5所示。為了進(jìn)行對(duì)比，在壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍內(nèi)，測試了不同壓比工況的滿負(fù)荷性能，并將壓縮機(jī)的等熵效率制成與壓比相關(guān)的曲線，與固定內(nèi)容積比壓縮機(jī)的等熵效率進(jìn)行對(duì)比，見圖6。根據(jù)圖6中的曲線，應(yīng)用可變內(nèi)容積比技術(shù)后，與固定內(nèi)容積比為2.2的壓縮機(jī)相比，在額定工況的等熵效率提升并不明顯，這是因?yàn)閮?nèi)容積比為2.2是水冷應(yīng)用較為合理的內(nèi)容積比。但是當(dāng)壓縮機(jī)偏離額定工況運(yùn)行時(shí)，可變內(nèi)容積比的壓縮機(jī)等熵效率整體提升明顯。即可變內(nèi)容積比變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)對(duì)工況改變的適應(yīng)性更好，運(yùn)行范圍內(nèi)等熵效率普遍高于定內(nèi)容積比壓縮機(jī)。

圖5　內(nèi)容積比調(diào)節(jié)范圍

圖6　壓縮機(jī)等熵效率對(duì)比圖

另一方面，可變內(nèi)容積比技術(shù)的應(yīng)用，還將提高變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)的部分負(fù)荷能效比。部分負(fù)荷能效比（IPLV）作為衡量冷水機(jī)組效率較為科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)，正受到市場的廣泛關(guān)注。冷水機(jī)組的負(fù)荷降低，通常是由于環(huán)境溫度降低引起的，這通常將導(dǎo)致機(jī)組冷凝壓力下降；或者相同環(huán)境下，末端用戶減少造成熱負(fù)荷降低，也將導(dǎo)致冷凝溫度降低。這兩種情況機(jī)組的運(yùn)行工況都將發(fā)生改變，即壓縮機(jī)運(yùn)行的外壓比發(fā)生了變化。根據(jù)AHRI標(biāo)準(zhǔn)［10］中冷水機(jī)組的部分負(fù)荷工況，等效轉(zhuǎn)換為壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，見表1。

表1　部分負(fù)荷能效比工況

從表1可見，部分負(fù)荷工況壓比小于100%負(fù)荷工況。常規(guī)單螺桿壓縮機(jī)的滑閥內(nèi)容積比設(shè)計(jì)僅能考慮滿負(fù)荷額定工況，因此在部分負(fù)荷下，將產(chǎn)生過壓縮損失。應(yīng)用可變內(nèi)容積比技術(shù)后，根據(jù)圖5的內(nèi)容積比調(diào)節(jié)范圍，可以在100%負(fù)荷工況使用2.2 VR滑閥，75%工況使用1.8 VR滑閥，50%和25%工況使用1.4VR滑閥。因此根據(jù)圖7所示的不同內(nèi)容積比等熵效率曲線，忽略電機(jī)效率的變化，可以預(yù)測相對(duì)于固定內(nèi)容積比為2.2的單螺桿變頻制冷壓縮機(jī)，75%工況性能系數(shù)（COP）將提高3.5%左右，50%工況COP將提高5.5%左右，25%工況COP將提高9.5%左右。根據(jù)每個(gè)工況的權(quán)重，預(yù)測整體IPLV將提升5%左右。

圖7　不同內(nèi)容積比等熵效率曲線

為了驗(yàn)證實(shí)際部分負(fù)荷能效比的提高狀況，我們使用同一臺(tái)可變內(nèi)容積比變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)進(jìn)行測試。首先，將內(nèi)容積比固定在 2.2，測試各負(fù)荷下的壓縮機(jī)性能；然后，根據(jù)各負(fù)荷的工況壓比調(diào)節(jié)內(nèi)容積比，再次測試。兩次測試結(jié)果對(duì)比見表2。

表2　固定與可變內(nèi)容積比測試結(jié)果對(duì)比（AHRI標(biāo)準(zhǔn)工況）

兩次測試結(jié)果對(duì)比顯示，根據(jù)部分負(fù)荷工況的壓比合理調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的內(nèi)容積比，可有有效降低功率損失，提高壓縮機(jī)能效比。壓縮機(jī)在75%、50%和25%負(fù)荷下的COP提升明顯，對(duì)比見圖8。根據(jù)各負(fù)荷工況所占的權(quán)重，計(jì)算壓縮機(jī)的IPLV，可變內(nèi)容積比的變頻單螺桿制冷壓縮機(jī) IPLV可達(dá)到10.05，相比固定內(nèi)容積比的變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)提高了5.6%，節(jié)能效果明顯。

圖8　固定和可變內(nèi)容積比壓縮機(jī)COP對(duì)比

同時(shí)，為了與市場上的變頻雙螺桿壓縮機(jī)對(duì)比，我們根據(jù)某品牌雙螺桿壓縮機(jī)的選型軟件（版本為RC2-1.1.1），按照表1的工況計(jì)算壓縮機(jī)性能，與可變內(nèi)容積比變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)對(duì)比見表3。表3中的壓縮機(jī)性能包含了變頻器的功率損耗。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)對(duì)比，在100%負(fù)荷和75%負(fù)荷工況下，可變內(nèi)容積比的變頻單螺桿壓縮機(jī)比雙螺桿壓縮機(jī)COP分別高3.4%和11%，固定內(nèi)容積比的變頻單螺桿壓縮機(jī)比雙螺桿壓縮機(jī) COP分別高8.1%和17%。而50%和25%的工況，冷凝溫度超出了雙螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍，因此無法對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)。

表3　變頻單螺桿與雙螺桿壓縮機(jī)性能對(duì)比

4　結(jié)論

通過對(duì)可變內(nèi)容積比技術(shù)應(yīng)用于變頻單螺桿式制冷壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，得出主要結(jié)論如下：

1）可變內(nèi)容積比技術(shù)可以降低單螺桿制冷壓縮機(jī)的過壓縮或欠壓縮損失，從而提高單螺桿制冷壓縮機(jī)不同工況下的滿負(fù)荷能效比；

2）在部分負(fù)荷工況下合理調(diào)節(jié)內(nèi)容積比，可有效提高變頻單螺桿制冷壓縮機(jī)的部分負(fù)荷能效比；相對(duì)于固定內(nèi)容積比為2.2的壓縮機(jī)，部分負(fù)荷能效比提高約5.6%。

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Experimental Investigation on Performance of Inverter Single Screw Compressor with Variable Volume Ratio

CHEN Qing*, SHEN Peng-fei**
（McQuay Air Conditioning & Refrigeration（Suzhou）Co., Ltd, Suzhou, Jiangsu 215126, China）

The over-compression and under-compression loss during the compression process of the single screw compressor will reduce its coefficient of performance（COP）at different operation conditions. Based on the operation conditions to regulate the built-in volume ratio of the compressor, the suitable pressure at the end of the compression process was obtained, which decreases or avoids the over-compression or under-compression loss. Applying the variable volume ratio technology into the invertor single screw compressor, the full load COP at different operation conditions could be improved, and the integrative part load value（IPLV）of the compressor could also be increased.

Variable volume ratio； Inverter single screw compressor； Coefficient of performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.206

*陳清（1966-），男，高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：單螺桿制冷壓縮機(jī)、離心式制冷制冷壓縮機(jī)。聯(lián)系地址：江蘇省蘇州市長陽街116號(hào)麥克維爾。郵編：215126。聯(lián)系電話：18013539039。E-mail：13913120748@139.com。

**沈鵬飛（1986-），男，工程師, 學(xué)士。研究方向：單螺桿制冷壓縮機(jī)。聯(lián)系地址：江蘇省蘇州市長陽街116號(hào)麥克維爾。郵編：215126。聯(lián)系電話：15262423986。E-mail：realshenpf@126.com。