制冷螺桿壓縮機工況匹配研究

楊僑明，張?zhí)煲?，李日華，劉　華，夏光輝

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

制冷螺桿壓縮機工況匹配研究

楊僑明，張?zhí)煲恚钊杖A，劉華，夏光輝

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]在滿負荷及部分負荷，螺桿制冷壓縮機具有相應的設計工況。壓縮機運行工況與設計工況的匹配程度，直接影響制冷系統(tǒng)的COP。對工況匹配進行研究，可使螺桿壓縮機獲得最佳的綜合性能。

[關鍵詞]螺桿制冷壓縮機；匹配程度；內容積比；設計工況；IPLV

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者簡介：楊僑明(1989-)，男，工程師，從事制冷螺桿壓縮機研發(fā)。Email：yangqiaom@126.com

文章編號：ISSN1005-9180(2015)04-011-07

[中圖分類號]TB652；TH45[文獻標示碼]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.003

Abstract：When working in full load or part load，twin screw refrigerating compressors have corresponding design condition.The matching level of practical and design conditions，affect COP of refrigerating systems directly.Research on the matching level of working conditions，could lead to optimal integrative efficiency for twin screw compressors.

Research on Condition Matching of Twin-screw

Refrigerating Compressors

YANG Qiaoming，ZHANG Tianyi，LI Rihua，LIU Hua，XIA Guanghui

( Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China )

Key words:Twin screw refrigerating compressors；Matching level；Internal volume ratio；Design condition；IPLV

1引言

螺桿壓縮機是一種容積式壓縮機，具有可靠性高、適應性強等特點，在制冷及低溫冷凍領域獲得廣泛應用。螺桿壓縮機具有一對相互嚙合的轉子，兩個轉子與機體通過間隙密封，形成封閉的齒間容積。隨著轉子的旋轉，該齒間容積周期性的連通吸氣口與排氣口，從而完成吸氣、壓縮、排氣的過程。

由于用戶的冷量需求經常發(fā)生變化，制冷系統(tǒng)經常在不同工況及負荷運行。螺桿壓縮機是制冷系統(tǒng)的核心部件，能夠適應不同的工況，并能通過容量調節(jié)來適應不同的負荷。然而，當壓縮機的運行工況偏離設計工況較多時，往往表現為耗功增大、能效偏低。

半封閉式的螺桿壓縮機，常常具有容量調節(jié)滑閥?；y上具有徑向排氣孔口，該孔口直接決定了壓縮機滿負荷時的內容積比，進而確定壓縮機的設計工況。而當滑閥隨油活塞進行軸向移動時，不僅壓縮機的負荷變化，其內容積比也隨之發(fā)生變化，從而導致設計工況的變化。

由于機組工況及負荷多變，壓縮機往往無法滿足設計工況的運行。壓縮機長期偏離設計工況運行，不僅“不經濟”，也會在一定程度上降低壓縮機的使用壽命。進行螺桿壓縮機工況匹配研究，旨在通過適當的參數調整，使壓縮機的最佳運行工況與實際工況充分接近，提高壓縮機運行效率。

針對某系列螺桿壓縮機，設計加工了四個具有不同內容積比的滑閥，取相同蒸發(fā)溫度5℃，滑閥在滿負荷所對應設計工況如表1所示。以這些滑閥的實驗數據為基礎，本文將從不同工況、不同負荷、不同工況及負荷(IPLV)三方面來研究螺桿壓縮機的工況匹配。

表1不同滑閥所對應滿負荷設計工況

Sheet 1Design condition corresponding to different Vi

Vi設計工況1.75/222.25/322.65/383.25/47

2螺桿壓縮機對不同工況的匹配

前文提到，壓縮機容量調節(jié)滑閥的徑向排氣口，直接決定了壓縮機滿負荷時的內容積比。在工況一定時，內容積比確定了壓縮機的內壓力比。而壓縮機實際運行工況則確定了壓縮機的外壓力比。內外壓比不相等，表現為過壓縮或欠壓縮，兩者均會造成壓縮機的額外功耗而降低制冷系統(tǒng)的COP。

對于不同內容積比的滑閥，分別在如表1所示四個工況滿負荷進行性能測試。圖1所示為不同工況下，壓縮機制冷量隨滑閥內容積比的變化。可以發(fā)現，當滑閥內容積比變化時，制冷量的變化幅度很小，并且制冷量大小的變化沒有明顯的規(guī)律可循。這主要是因為壓縮機制冷量主要由工況及排氣量決定，而滑閥內容積比的變化對二者都沒有明顯的影響。

圖1　不同工況制冷量Figure.1　Q0 in different conditions

圖2(a)所示為不同工況下，壓縮機輸入功率隨滑閥內容積比的變化。圖2(b)所示為各個工況，不同滑閥輸入功率相對于設計工況輸入功率的變動率?？砂l(fā)現，當實驗工況與滑閥對應設計工況相匹配時，輸入功率最小。隨著實驗工況與滑閥設計工況偏離的加大，輸入功率也增大，這是由于過壓縮或欠壓縮的功率損失造成的。對于5/22℃工況，Vi=1.7處于設計工況，其余均處于過壓縮狀態(tài)，偏離設計工況所造成最大輸入功率損失為8.22kW，占設計工況輸入功率的30.21%。對于5/47℃工況，Vi=3.2處于設計工況，其余均處于欠壓縮狀態(tài)，偏離設計工況所造成最大輸入功率損失為7.97kW，占設計工況輸入功率的13.86%。當Vi=2.2及2.6時，運行在低冷凝溫度工況的功率損失比高冷凝溫度功率損失大。可見，過壓縮所造成的輸入功率損失比率更大。從整體來看，Vi=2.2及2.6的情況，功率損失相對較小。

圖3(a)所示為不同工況及Vi下，壓縮機COP的變化?？砂l(fā)現，當壓縮機處于設計工況運行時，COP最高，偏離設計工況越遠，COP越低。圖3(b)所示為不同工況下，COP的變動?？梢姡攭嚎s機運行在5/22℃工況時，COP變化幅度最大，此工況下，除Vi=1.7外，其余均處于過壓縮狀態(tài)。Vi=1.7要比Vi=3.2的COP高2.33，過壓縮可造成COP變動率達23.34%。在其余工況下，盡管COP變化幅度都不大，但COP變動率仍然有不低于8.5%的數值?？梢?，工況的不匹配，對滿負荷COP的影響極為明顯。同時，隨著冷凝溫度的升高，存在最佳運行工況，該工況下COP變動率最小，對Vi的變化最不敏感。

圖2　不同工況輸入功率及其損失比率Figure.2　Pe and its lose proportion in different conditions

圖3　不同工況COP及其變動Figure.3　COP in different conditions

3螺桿壓縮機對不同負荷的匹配

螺桿壓縮機采用滑閥進行容量調節(jié)，以便適應負荷的變化。當滑閥進行軸向移動時，不僅轉子有效工作段發(fā)生變化，壓縮機的排氣口也隨之發(fā)生變化。如圖4所示，隨著滑閥行程的變化，部分負荷內容積比也發(fā)生變化。內容積比曲線可分為三段，第一段是滑閥開始移動直至內容積比達到最高，第二段內容積比呈線性下降，第三段內容積比恒為1。一般情況下，75%、50%、25%負荷分別位于第一、第二、第三段內?？砂l(fā)現，部分負荷內容積比均低于滿負荷。當壓縮機處于滿負荷設計工況運行時，部分負荷處于欠壓縮狀態(tài)。

圖4　壓縮機理論內容積比變化曲線Figure.4　Vi diagram in theory

當滑閥內容積比不同時，部分負荷內容積比變化如圖5所示?？砂l(fā)現，隨著滑閥Vi的降低，75%負荷內容積比逐漸降低?；yVi=3.2、2.6、2.2時，50%負荷內容積比相同，均位于內容積比曲線的第二段內，而滑閥Vi=1.7時，50%負荷仍處于曲線第一段，內容積比較低。25%負荷，各滑閥所對應得內容積比相同，此負荷吸排氣腔連通，壓縮機無內壓縮過程。

圖5　壓縮機采用不同滑閥時內容積比曲線Figure.5　Vi diagrams of different slide valves

圖6　不同工況75%負荷制冷量Figure.6　Q0 of 75% load in different conditions

圖6所示為不同工況75%負荷制冷量的變化?？砂l(fā)現，制冷量在5/32℃、5/38℃無明顯變化規(guī)律。在5/47℃工況，制冷量呈現逐漸增大趨勢，這是由于電機功率逐漸降低，吸氣過熱減小所致。

圖7　不同工況75%負荷輸入功率及其變動率Figure.7　Pe and its lose proportion of 75% load in different conditions

圖7(a)所示為不同工況75%負荷輸入功率的變化。與滿負荷變化規(guī)律相似，壓縮機在滿負荷設計工況與運行工況相同時，輸入功率最小。由此可見75%負荷內容積比與滿負荷最為接近，這與理論計算容積曲線有所偏差，這是由于75%負荷，滑閥移動距離很短，旁通口很小所致。隨著壓縮機實驗工況與滿負荷設計工況的偏離，輸入功率變大。圖7(b)所示為輸入功率變動率，在5/47℃工況，最大功率損失達23.20%，而在5/32℃工況，最大功率損失為8.53%。采用低內容積比的壓縮機運行在高壓差工況時，功率損失更大。Vi=2.6時，整體功率損失最低。

圖8(a)所示為不同工況COP變化。與滿負荷相似，當壓縮機運行工況與滿負荷設計工況相同時，壓縮機COP最高。圖8(b)所示為各個工況COP變動。隨著冷凝溫度的升高，不同內容積比滑閥的COP變動量逐漸加大，COP變動率更是有顯著增長。5/47℃工況下，COP變動率達到23.66%。由此可見，當冷凝溫度較高時，采用Vi更大的滑閥運行更為經濟，工況匹配性更好。

圖9、10、11所示為不同工況50%負荷的制冷量、功率、COP的變化。由前文知，滑閥Vi=3.2、2.6、2.2時，50%負荷壓縮機內容積比相等。因此，這三種情況壓縮機的制冷量、功率、COP相差不大。而當滑閥Vi=1.7時，50%負荷壓縮機內容積比偏小。此種情況，壓縮機在各個運行工況壓縮機輸入功率損失更大，因此輸入功率偏高、COP偏低，此時工況匹配性較差。因此，在滑閥設計中，應避免50%負荷落入內容積比曲線的第一段內。

圖8　不同工況75%負荷COP及其變動Figure.8　COP and its changing proportion of 75% load in different conditions

圖9　不同工況50%負荷制冷量Figure.9　Q0 of 50% load in different conditions

圖10　不同工況50%負荷輸入功率Figure.10　Pe of 50% load in different conditions

圖11　不同工況50%負荷COPFigure.11　COP of 50% load in different conditions

圖12　不同工況制冷量Figure.12　Q0 in different conditions

4螺桿壓縮機對IPLV工況的匹配

綜合部分負荷性能系數，即IPLV，是評價螺桿機組及螺桿壓縮機的重要性能指標。該指標主要考核螺桿機組在部分負荷時的性能。國標GB/T18430規(guī)定了水冷螺桿機組IPLV的測試工況，如表2所示。為了在試驗階段預測螺桿壓縮機的IPLV性能，根據機組IPLV工況，確定壓縮機的IPLV測試工況，詳見表2。

針對不同內容積比滑閥，分別測試壓縮機的IPLV工況。圖12所示為不同工況制冷量的變化，在各個工況，制冷量變化不大。圖13所示為不同工況輸入功率的變化。Vi=2.6在各個工況輸入功率整體最低，功率損失最小，Vi=2.2次之。Vi=1.7及3.2的輸入功率相對較高，功率損失較大。COP變化具有同輸入功率相似的變化規(guī)律，如圖14所示。圖15所示為根據螺桿機組國標IPLV加權因素求得的壓縮機IPLV數值。Vi=2.6兼顧了四個不同工況，其IPLV數值較高。IPLV變化曲線存在最高點，在Vi=2.2～3.2之間。在最高點，壓縮機對IPLV工況的匹配性最佳。

表2螺桿機組IPLV工況及壓縮機IPLV測試工況

Sheet 2IPLV conditions of twin-screw unit and compressor

Load蒸發(fā)器出水溫度冷凝器進水溫度壓縮機蒸發(fā)溫度壓縮機冷凝溫度100%73053775%72653250%72352725%719522

圖13　不同工況輸入功率Figure.13　Pe in different conditions

圖14　不同工況COPFigure.8　COP in different conditions

圖15　采用不同Vi時的IPLVFigure.15　IPLV of different Vi

5總結

通過前文的數據分析，可得到如下結果：

(1)壓縮機在滿負荷運行時，滑閥內容積比變化，壓縮機的制冷量基本不變。部分負荷制冷量也基本保持不變，僅在高冷凝溫度工況，由于電機功率偏差較大，制冷量有小幅變化。

(2)壓縮機在滿負荷設計工況運行時，滿負荷輸入功率最低。采用低內容積比滑閥運行高冷凝溫度工況，功率損失最大可達30.21%。采用高內容積比滑閥運行低冷凝溫度工況，功率損失最大可達13.86%。75%負荷輸入功率變化情況與滿負荷類似。在100%及75%負荷，工況的不匹配，對輸入功率的影響極為顯著。在50%負荷，壓縮機理論內容積比是影響制冷量、輸入功率、COP的主要因素。

(3)在滿負荷及75%負荷，當壓縮機運行于滿負荷設計工況時，COP最高。運行工況與壓縮機設計工況偏離時，COP顯著降低，最高降幅達23%。

(4)對IPLV工況，采用中等內容積的滑閥時，輸入功率更低、COP更高。根據螺桿機組國標的加權因素進行計算，得到最佳的IPLV值處于Vi=2.2～3.2之間。

螺桿壓縮機的工況匹配，要求壓縮機盡量在接近設計工況運行。當壓縮機在機組中具有較為恒定的運行工況及負荷時，可以針對該工況及負荷，設計壓縮機的滑閥，使壓縮機處于設計工況運行。而實際情況中，由于壓縮機制造成本高，同一臺壓縮機的設計往往要適應多種工況的高效運行。此時，滑閥的設計就應當兼顧各個工況。根據前文實驗數據分析的結果，可以得出如下幾點結論：

1)處于降低損失、提高能效的考慮，壓縮機在高冷凝溫度運行較多時，滑閥Vi必須取大，壓縮機在低冷凝溫度工況運行較多時，滑閥Vi必須取小。

2)壓縮機在滿負荷運行較多。如果壓縮機要同時滿足低冷凝溫度和高冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是1.7

3)壓縮機在部分負荷運行較多。如果壓縮機要同時滿足低冷凝溫度和高冷凝溫度工況，或者同時滿足中高冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是Vi≥2.2。如果壓縮機要同時滿足中低冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是2.2≤Vi≤2.6。滑閥Vi的選取，還應保證50%負荷內容積比落在內容積比曲線的第二段內。

4)壓縮機在滑閥2.2≤Vi≤2.6的范圍內，可取得較高的螺桿機組IPLV性能。當滑閥的設計滿足前述Vi范圍時，應盡量靠近2.2≤Vi≤2.6，以使其綜合性能更高。

參考文獻6

[1] 邢子文.螺桿壓縮機——理論、設計及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003

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