噴液冷卻對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)性能影響研究

蔡 寧 趙 洋 李志強(qiáng) 徐華保

（中家院（北京）檢測(cè)認(rèn)證有限公司 北京 102600）

0 引言

眾所周知，排氣溫度過高是造成壓縮機(jī)故障的主要因素之一，長期處于高排氣溫度下運(yùn)行容易大幅縮減壓縮機(jī)性能和壽命，另外還增大了系統(tǒng)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前降低壓縮機(jī)排氣溫度的主要技術(shù)手段包括外部冷卻和內(nèi)部冷卻兩種，其中外部冷卻指的是通過增設(shè)壓縮機(jī)外部冷卻循環(huán)，利用冷凍機(jī)油、水等介質(zhì)帶走壓縮機(jī)本體的熱量，從而實(shí)現(xiàn)降低排氣溫度的目的。外部冷卻具備冷卻速度快、降溫幅度大等優(yōu)勢(shì)，然而也會(huì)由于增設(shè)輔助設(shè)備造成壓縮機(jī)體積過大、制造成本增加等弊端[1-3]。另一方面，內(nèi)部冷卻則是通過直接向壓縮機(jī)工作腔噴入比焓較低制冷劑實(shí)現(xiàn)降低排氣溫度的目的，其具體方法包括吸氣噴液、中間噴液、氣體噴射和兩相噴射等等。內(nèi)部冷卻的優(yōu)勢(shì)在于無需改變壓縮機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或增設(shè)其他裝置，與外部冷卻相比，其制造成本相對(duì)較低，通過合理的設(shè)計(jì)也能達(dá)到較高的冷卻效率[1]。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于壓縮機(jī)的噴液冷卻技術(shù)已有一定研究成果，張謙等針對(duì)螺桿壓縮機(jī)采用中間噴液冷卻后的排氣溫度、效率和轉(zhuǎn)速進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示中間噴液在使壓縮機(jī)排氣溫度降低的同時(shí)，達(dá)到清潔工藝氣體的作用[4]；陳培生等對(duì)螺桿壓縮機(jī)的吸氣噴液和中間噴液進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)對(duì)比并通過電控閥調(diào)節(jié)噴液量的大小，得出了吸氣噴液的效果優(yōu)于中間噴液，二者均能達(dá)到降低排氣溫度的目的，同時(shí)可以起到降低壓縮機(jī)功率的作用[5]；殷翔等針對(duì)渦旋壓縮機(jī)的吸氣噴液系統(tǒng)搭建試驗(yàn)臺(tái)，研究了吸氣噴液對(duì)壓縮機(jī)以及制冷系統(tǒng)的影響，結(jié)果顯示系統(tǒng)COP隨著噴液量的增加先有微小提升后降低[6]；Minghong Yang等對(duì)R32渦旋壓縮機(jī)使用兩相噴射和液體噴射后的系統(tǒng)進(jìn)行了性能對(duì)比試驗(yàn)研究，研究表明使用兩相噴射更有助于提高系統(tǒng)COP，其COP試驗(yàn)結(jié)果比使用液體噴射高約11.8%[7]。大量查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對(duì)于噴液冷卻技術(shù)的研究大多都是基于螺桿壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)，另外，試驗(yàn)方向均偏向于對(duì)整機(jī)或整體制冷系統(tǒng)而非壓縮機(jī)本身。本次研究抓住這一盲點(diǎn)，針對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)使用中間噴液冷卻后的本機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)探討，這對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)有著指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及工況要求

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

本次研究主要針對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)本身性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此選擇標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》作為試驗(yàn)依據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)選擇第二制冷劑量熱器法及制冷劑流量對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的制冷量、輸入功率（耗電量）、COP、質(zhì)量流量、殼體溫度以及排氣溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of test system

按標(biāo)準(zhǔn)要求在圖1試驗(yàn)系統(tǒng)中各點(diǎn)布置溫度傳感器、壓力傳感器以及質(zhì)量流量傳感器，通過各點(diǎn)制冷劑的溫度、壓力值查表可以獲得系統(tǒng)各點(diǎn)制冷劑的比容和比焓值，即可根據(jù)公式（1）使用流量法對(duì)制冷量進(jìn)行計(jì)算[8]。

式中，Φ0a為壓縮機(jī)實(shí)測(cè)制冷量，W；qmf為質(zhì)量流量，kg/s；vga為基本試驗(yàn)工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣實(shí)測(cè)比容，m /kg；vg1為基本試驗(yàn)工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸氣理論比容，m /kg；hg1為基本試驗(yàn)工況下，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑理論比焓，m /kg；hf1為基本試驗(yàn)工況下，蒸發(fā)器膨脹前制冷劑理論比焓，m /kg。

另外，上述試驗(yàn)臺(tái)可從壓縮機(jī)端以及第二制冷劑量熱器端直接獲取輸入的電功率，從而可直接得到壓縮機(jī)的耗電量以及第二制冷劑量熱法所測(cè)量的制冷量結(jié)果，按照以上試驗(yàn)原理搭建的試驗(yàn)艙實(shí)物如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device

1.2 試驗(yàn)工況

本次為壓縮機(jī)基礎(chǔ)性能研究，因此選擇工況為GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況，以逐步調(diào)節(jié)中間噴液量的方式測(cè)試中間噴液對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，具體試驗(yàn)組別如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)Table 1 Test condition design

按表1所示布置試驗(yàn)，中間噴液量從7.0L/h逐步降低至1.0L/h，最終采用無噴液進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中對(duì)壓縮機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行記錄，值得注意的是，本次所選用的試驗(yàn)壓縮機(jī)為標(biāo)稱使用中間噴液冷卻的機(jī)型，因此再逐步減小噴液量對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也對(duì)過程中可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)（如過熱、短路或斷電）進(jìn)行目擊，另外本次各組試驗(yàn)均鎖定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min，冷卻方式均為自然冷卻。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 制冷量、耗電量及COP

按第1 章所述的試驗(yàn)設(shè)備、工況進(jìn)行壓縮機(jī)的行性能試驗(yàn)，對(duì)制冷量和耗電量（壓縮機(jī)消耗功率）進(jìn)行采集，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 制冷量與耗電量Fig.3 Cooling capacity and power consumption

圖3所示為14 組試驗(yàn)結(jié)果，其中可以看出當(dāng)中間噴液量不斷增大的時(shí)候，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的無論是制冷量還是耗電量都是處于不斷增加的趨勢(shì)，由于每組試驗(yàn)噴液量的變化僅為0.5L/h，因此從總體看壓縮機(jī)的制冷量和耗電量變化不大，對(duì)比最小噴液量（無噴液）和最大噴液量（7.0L/h）發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)處于最大噴液量時(shí)，壓縮機(jī)的制冷量和耗電量分別比最小噴液量大3.14%和3.35%，由此可以看出中間噴液對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)本身的制冷能力起到了一定的積極效果，然而帶來的不利影響則是引起壓縮機(jī)消耗功率的增加，進(jìn)一步對(duì)比不同噴液量下的壓縮機(jī)本體COP，其結(jié)果如表2所示。

表2 COP 對(duì)比Table 2 COP comparison

表2所示為根據(jù)不同噴液量下的壓縮機(jī)制冷量和耗電量計(jì)算所得COP 情況，不難發(fā)現(xiàn)在按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》中的方法對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)本體進(jìn)行性能檢測(cè)的條件下，噴液量的大小對(duì)壓機(jī)本身的COP 幾乎沒有影響。對(duì)比以往的研究發(fā)現(xiàn)，使用噴液冷卻技術(shù)的活塞壓縮機(jī)通常在不同蒸發(fā)溫度下呈現(xiàn)出COP 下降的趨勢(shì)，其降幅大多處于3.04%～6.37%之間，而渦旋壓縮機(jī)則呈現(xiàn)出圍繞COP 基準(zhǔn)值上下小幅浮動(dòng)[6,9]，在這一方面轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)呈現(xiàn)出的COP 變化趨勢(shì)與既往渦旋壓縮機(jī)的研究成果類似，由于結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)理的不同，使用噴液冷卻的方式降低排氣溫度對(duì)于轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的COP 影響將比活塞和-渦旋壓縮機(jī)更小。另一方面，針對(duì)制冷系統(tǒng)的而言，通常噴液冷卻大多對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行效率是有利的[10,11]，由此可以推斷：依靠合理的控制，噴液冷卻技術(shù)將在系統(tǒng)的換熱端或整體運(yùn)行端等方面發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)作用。

2.2 排氣溫度及殼體溫度

噴液冷卻旨在降低壓縮機(jī)的排氣溫度和運(yùn)行溫度以保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，因此按第1 章的試驗(yàn)設(shè)備、工況進(jìn)行壓縮機(jī)的行性能試驗(yàn)，對(duì)排氣溫度和殼體溫度進(jìn)行采集，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 排氣溫度與殼體溫度Fig.4 Discharge temperature and surface temperature

從圖4中可以明顯看出，隨著中間噴液量的不斷增加，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的排氣溫度和殼體溫度都有比較明顯下降，對(duì)比無噴液和最大噴液量的情況發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)排氣溫度從131.4℃降低至119.6℃，降幅比例達(dá)到8.98%；殼體溫度從118.5℃降低至105.7℃，降幅比例達(dá)到10.8%。由此可見，對(duì)于轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)而言使用噴液冷卻技術(shù)同樣能達(dá)到活塞、渦旋以及螺桿壓縮機(jī)的冷卻效果，這對(duì)于提高轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的安全性和穩(wěn)定性有著顯著積極作用。第二方面，從圖4曲線還可以看出，從壓縮機(jī)標(biāo)定噴液量（7.0L/h）到無噴液的過程中，其排氣溫度和殼體溫度變化幾乎為線性，該結(jié)論也對(duì)壓縮機(jī)的噴液量設(shè)計(jì)和排氣溫度控制有著一定指導(dǎo)意義。

2.3 質(zhì)量流量及容積效率

針對(duì)2.1 節(jié)制冷量和耗電量的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行深層次的原因剖析，發(fā)現(xiàn)造成制冷量和耗電量差異的原因主要在于中間噴液冷卻對(duì)于質(zhì)量流量和壓縮機(jī)的容積效率的影響，根據(jù)第1 章的試驗(yàn)設(shè)備和方法對(duì)質(zhì)量流量和容積效率進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 質(zhì)量流量與容積效率Fig.5 Mass flow and volumetric efficiency

從圖5中可以看出，隨著中間噴液量的不斷增大，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)所提供的制冷劑質(zhì)量流量和壓縮機(jī)本身的容積效率均呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，同樣對(duì)比無噴液和最大噴液量的數(shù)據(jù)特征可知，制冷劑質(zhì)量流量從72.6kg/h 增加到74.8kg/h，增幅為3.03%；容積效率從82.30%增加到85.04%，增幅達(dá)到3.22%。結(jié)合公式（1）可知由于工況穩(wěn)定下制冷劑比容和比焓在溫度小幅波動(dòng)時(shí)變化不大，從而可以獲知壓縮機(jī)本身的制冷量與質(zhì)量流量呈正比關(guān)系，從2.1 節(jié)的數(shù)據(jù)得知壓縮機(jī)制冷量的增幅為3.14%，結(jié)合制冷劑質(zhì)量流量的檢測(cè)結(jié)果可以得出的結(jié)論是：噴液系統(tǒng)首先促進(jìn)了轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)所提供的制冷劑質(zhì)量流量的增加，進(jìn)而引起了壓縮機(jī)本體的制冷量增加。另一方面，當(dāng)處于最大噴液量7L/h，結(jié)合R404A 的制冷劑在相應(yīng)溫度下的密度可以計(jì)算得此時(shí)噴液質(zhì)量流量約為3.38kg/h，而參考此時(shí)壓縮機(jī)提供的質(zhì)量流量僅增加2.2kg/h，因此可以推斷，噴液量對(duì)于壓縮機(jī)質(zhì)量流量的提升有著直接影響，同時(shí)噴液量并不完全與質(zhì)量流量的提升相等，前者數(shù)值略大。第三方面，對(duì)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行噴液冷卻也會(huì)直接引起壓縮機(jī)容積效率增大。

3 結(jié)論

本次根據(jù)GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》對(duì)空調(diào)用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行不同中間噴液量下的性能試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)中間噴液量從無噴液增加到7.0L/h 的過程中，制冷量從3123.9W 增加到3225.3W，增幅達(dá)到3.14%；耗電量從2354.7W 增加到2436.5W，增幅達(dá)到3.35%，但在此期間壓縮機(jī)的COP 基本維持不變。

（2）轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)中間噴液量從無噴液增加到7.0L/h 的過程中，壓縮機(jī)的排氣溫度和殼體溫度分別降幅達(dá)8.98%和10.8%，且過程中與噴液量的變化基本成線性關(guān)系。

（3）中間噴液可以直接促進(jìn)壓縮機(jī)所提供的系統(tǒng)質(zhì)量流量和自身容積效率的提升，從無噴液到最大噴液量的過程中系統(tǒng)質(zhì)量流量和壓機(jī)容積效率分別提升3.03%和3.22%，這也是導(dǎo)致制冷量提升的直接原因。