實(shí)驗(yàn)變量對(duì)制冷系統(tǒng)熱力性能影響研究

賀篤貴，仇富強(qiáng)

（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽銅陵 244061）

制冷空調(diào)設(shè)備已得到普及并應(yīng)用于各種民用及工業(yè)場(chǎng)合，而制冷空調(diào)設(shè)備在使用過(guò)程中要在各種惡劣的工作環(huán)境中運(yùn)行，而各種實(shí)驗(yàn)變量對(duì)系統(tǒng)性能有著重要的影響。為明確各種實(shí)驗(yàn)條件對(duì)系統(tǒng)性能的影響，當(dāng)前，各不確定因素對(duì)不同類(lèi)型制冷空調(diào)裝置性能的影響逐漸成為大家研究的熱點(diǎn)。

如施靈等[1]以直接膨脹式冷庫(kù)制冷系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)制冷系統(tǒng)性能受風(fēng)機(jī)頻率、庫(kù)溫等工況的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：庫(kù)溫相等時(shí)，冷凝器風(fēng)機(jī)頻率越低，系統(tǒng)制冷量就越小，壓縮機(jī)功率越大。孔帥等[2]對(duì)R134a/R410A復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度條件下的熱力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了模擬，研究表明：蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均升高20℃時(shí)，級(jí)間容量比分別增大106.1%和24.3%。趙瑞昌等[3]基于系統(tǒng)中間溫度、壓縮比、性能系數(shù)COP隨不同高(低)溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的變化，對(duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)受壓縮機(jī)頻率的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著壓縮機(jī)頻率的增加，系統(tǒng)中間溫度和COP是升高的，而壓縮比是降低的。湯新敏等[4]模擬了雙級(jí)空氣源熱泵熱水器的運(yùn)行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。唐景春等[5]對(duì)提出的電動(dòng)汽車(chē)準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)的排氣溫度受環(huán)境溫度的影響情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。該系統(tǒng)采用補(bǔ)氣增焓技術(shù),它的提出可解決冬季采暖問(wèn)題和降低冬季低溫條件下壓縮機(jī)排氣溫度。實(shí)驗(yàn)表明：與單級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的排氣溫度得到了有效降低，且環(huán)境溫度越高，排氣溫度就越低。從以上研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)者主要對(duì)冷凝風(fēng)機(jī)頻率、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)頻率等對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究。

本文以單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)工況(吸氣過(guò)熱度、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率)對(duì)系統(tǒng)制冷量、蒸發(fā)器換熱溫差和COP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以充實(shí)壓縮式制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖

制冷系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)類(lèi)似于一水冷式冷水機(jī)組，其具體系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。系統(tǒng)循環(huán)主要包括制冷系統(tǒng)測(cè)試循環(huán)、換熱器水源循環(huán)(包括冷凝用水和蒸發(fā)用水兩種)。制冷系統(tǒng)測(cè)試循環(huán)主要包括壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、過(guò)冷器、質(zhì)量流量計(jì)、膨脹閥EXV、蒸發(fā)器、油分離器等主要部件，系統(tǒng)制冷量主要根據(jù)蒸發(fā)器水源換熱量進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)COP計(jì)算中需對(duì)壓縮機(jī)、水泵功耗進(jìn)行計(jì)算。

壓縮機(jī)選用上海日立電器公司生產(chǎn)的FG720CG1UY型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)提供動(dòng)力，其適用制冷劑為R22，允許變頻范圍為25～130Hz，壓縮機(jī)的額定頻率為72Hz。選用PUN-601EH型增壓泵為換熱器水循環(huán)提供動(dòng)力，其測(cè)試范圍為115I/min，最大揚(yáng)程為25m。此外，實(shí)驗(yàn)使用SIN-P300型壓力變送器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)壓力進(jìn)行測(cè)量，其量程為-0.1～6MPa，測(cè)試精度為±0.5%，選用PT100鉑電阻系統(tǒng)溫度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)試精度為A級(jí)；選用KLB-CMF型科氏力流量計(jì)對(duì)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)流量進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量范圍為0.09～320(m3/h)，測(cè)量精度為 0.2 級(jí)，選用 DN10-DN50電磁流量計(jì)對(duì)水源流量進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量范圍為0-10000(m3/h)，測(cè)量精度為0.5級(jí)。為確保實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行，使用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，主要通過(guò)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器水源溫度、流量對(duì)壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度、吸氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器水源溫度、流量確保壓縮機(jī)排氣壓力的穩(wěn)定；膨脹閥EXV開(kāi)度可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以響應(yīng)壓差變化；膨脹閥前制冷劑過(guò)冷度設(shè)定為5℃，壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度分別設(shè)定為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃。

2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)提供的儀器儀表，可得以下主要參數(shù)：制冷劑循環(huán)流量mr，壓縮機(jī)吸氣壓力/溫度Pr,in/Tr,in，壓縮機(jī)排氣壓力/溫度Pr,out/Tr,out;膨脹閥EXV前溫度Tr,EXV；冷凝器水源流量及進(jìn)出口溫度mcw,Tcw,in/Tcw,out;蒸發(fā)器水源流量及進(jìn)出口溫度mew,Tew,in/Tew,out。

利用refprop物性軟件及以上測(cè)量參數(shù)可得壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比焓、膨脹閥EXV前制冷劑比焓，即：

壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比焓：

膨脹閥EXV前制冷劑比焓：

膨脹閥EXV節(jié)流過(guò)程可視為等焓過(guò)程，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑蒸發(fā)器換熱量可得系統(tǒng)制冷量為

根據(jù)蒸發(fā)器水源換熱量可得系統(tǒng)制冷量為：

式中Cp為水定壓比熱容，J/(kg·K)。

為確保實(shí)驗(yàn)參數(shù)的精確性，選用蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑換熱量、水換熱量的平均值作為系統(tǒng)制冷量，并設(shè)定參數(shù)u，規(guī)定當(dāng)u＜5%時(shí)可認(rèn)定實(shí)驗(yàn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，即：

選用COP對(duì)制冷系統(tǒng)綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，即

式中：Pcom為壓縮機(jī)耗功，kW;Pew,p為蒸發(fā)器水源水泵耗功，kW;Pcw,p為冷凝器水源水泵耗功，kW。

3 結(jié)果與分析

由式(3)可得：影響系統(tǒng)制冷量的主要因素包括制冷劑循環(huán)流量、蒸發(fā)器進(jìn)口焓值(膨脹閥前制冷劑狀態(tài))、蒸發(fā)器出口焓值(壓縮機(jī)吸氣口制冷劑狀態(tài))，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中確保冷凝溫度、閥前過(guò)冷度恒定，即可認(rèn)定蒸發(fā)器出口焓值保持不變，因此，本文主要在相同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下，對(duì)系統(tǒng)制冷量、COP受制冷劑循環(huán)流量(壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率)、吸氣過(guò)熱度的影響進(jìn)行分析。

不同于壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率僅通過(guò)制冷劑循環(huán)流量影響系統(tǒng)性能，蒸發(fā)溫度保持恒定時(shí)，制冷劑比體積隨著吸氣過(guò)熱度的升高而增大，即壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率保持恒定時(shí)，制冷劑循環(huán)流量隨著吸氣過(guò)熱度的升高而減小；蒸發(fā)器出口焓值隨著吸氣過(guò)熱度的升高而增加，即制冷劑單位質(zhì)量制冷量隨著吸氣過(guò)熱度的升高而增大。由于兩種效果相互抵消，因此吸氣過(guò)熱度對(duì)制冷量的影響取決于何者占據(jù)主導(dǎo)地位。

如圖2所示，相同實(shí)驗(yàn)工況下，系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加而增大，其中90Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制冷量比70Hz運(yùn)轉(zhuǎn)制冷量高約0.28kW～0.77kW，70Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制冷量比50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)制冷量高約0.3kW～0.79kW，這就是因?yàn)椋褐评鋭﹩挝毁|(zhì)量制冷量保持不變時(shí)，制冷劑循環(huán)流量與壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率呈正比，致使制冷量隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的升高而增大。

圖2 實(shí)驗(yàn)工況對(duì)系統(tǒng)制冷量的影響

圖3 實(shí)驗(yàn)工況對(duì)蒸發(fā)器換熱溫差的影響

此外，制冷量隨著吸氣過(guò)熱度的升高而減小，且隨著吸氣過(guò)熱度的升高，壓縮機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率間制冷量差值逐漸減小。這是因?yàn)椋?)雖然吸氣過(guò)熱度的升高使制冷劑單位質(zhì)量制冷量增大，但制冷劑比體積的增大致使壓縮機(jī)相同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下制冷劑循環(huán)流量減小，最終導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量的降低；2)不同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，制冷劑循環(huán)流量均隨吸氣過(guò)熱度的升高而減小，使得各頻率間制冷劑循環(huán)流量的差值減小。

系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)器選用板式換熱器，隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加，板式換熱器內(nèi)制冷劑流速增大，即蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑側(cè)換熱系數(shù)升高、總換熱性能增強(qiáng)。此外，壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度的升高表征換熱器內(nèi)兩相換熱區(qū)的縮短，換熱器換熱效果變差，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率保持不變的工況下，換熱器換熱特性隨吸氣過(guò)熱度的升高而減小。換熱器換熱特性越好，流體間換熱溫差越小，因此換熱溫差可間接表征換熱器的換熱特性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：蒸發(fā)器內(nèi)換熱溫差隨著吸氣過(guò)熱度的增加、壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的升高而增大，如圖3所示。

吸氣過(guò)熱度的升高表征換熱器內(nèi)兩相換熱區(qū)縮短，為彌補(bǔ)制冷劑側(cè)換熱特性變差效果，需增加水泵轉(zhuǎn)速來(lái)維持換熱器總換效果的穩(wěn)定。由式(7)可得：除壓縮機(jī)功耗外，水泵功耗同樣對(duì)系統(tǒng)性能COP造成較大影響，因此，在滿(mǎn)足蒸發(fā)器換熱量需求的前提下，可通過(guò)增加換熱溫差來(lái)降低水泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，進(jìn)而降低系統(tǒng)整體功耗。

圖4 實(shí)驗(yàn)工況對(duì)系統(tǒng)COP的影響

雖然制冷量和壓縮機(jī)功耗均隨其運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的升高而增大，但兩者受壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的影響程度不同，即兩者受實(shí)驗(yàn)變量的影響程度不同。當(dāng)COP隨著制冷劑循環(huán)流量的增加而升高時(shí)，可說(shuō)明制冷劑循環(huán)流量增加造成的蒸發(fā)器換熱量的增加比重大于其對(duì)壓縮機(jī)功耗的額外輸入比重。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在相同實(shí)驗(yàn)工況下，系統(tǒng)COP隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加而減小，其中90Hz運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)COP比70Hz運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)COP高約0.03～0.57，70Hz運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)COP比50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)COP高約-0.08～0.37，且隨著吸氣過(guò)熱度的升高，不同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下系統(tǒng)COP的差值逐漸減?。淮送?，壓縮機(jī)吸排氣壓比對(duì)其等熵效率影響較大，壓縮機(jī)等熵效率隨著吸排氣壓比的增大而減小，即壓縮機(jī)耗功越大，而實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中保持壓縮機(jī)吸排氣壓力恒定，因此當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率保持不變時(shí)，壓縮機(jī)功耗受吸氣過(guò)熱度的影響并不大，但制冷量隨著吸氣過(guò)熱度的升高而減小，致使COP同樣隨著吸氣過(guò)熱度升高而減小，如圖4所示。

4 結(jié)論

根據(jù)測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行所得數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論：

(1)相同工況下，系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加而增大，且當(dāng)吸氣過(guò)熱度增加時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)頻率對(duì)壓縮機(jī)制冷量影響逐漸變小。此外，由于制冷劑比體積的增大使制冷劑循環(huán)流量減小，因此在相同運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，壓縮機(jī)制冷量隨著吸氣過(guò)熱度的升高而降低。

(2)換熱溫差可間接表征換熱器的換熱特性，蒸發(fā)器內(nèi)換熱溫差隨著吸氣過(guò)熱度的增加、壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的升高而增大。

(3)實(shí)驗(yàn)變量對(duì)系統(tǒng)COP的影響規(guī)律與其對(duì)系統(tǒng)制冷量的影響趨勢(shì)相近，即：系統(tǒng)COP隨著壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的增加而增大，且隨著吸氣過(guò)熱度的升高，不同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下系統(tǒng)COP的差值逐漸減??；在相同壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，系統(tǒng)COP隨著吸氣過(guò)熱度的升高而降低。