亞臨界CO2 系統(tǒng)壓縮機(jī)性能試驗研究

程建路，胡開永，汪倍倍，朱婷婷

（天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津 300134）

0 引言

近年來由于環(huán)保問題，各國開始尋找傳統(tǒng)制冷劑的替代品，人造制冷劑對于環(huán)境的長期影響又無法預(yù)測［1］，因此天然制冷劑是唯一的解決方案，CO2滿足了制冷劑的各種標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的傳熱和可壓縮性，無毒，不燃，廉價，與制冷系統(tǒng)中使用的大多數(shù)常見材料和油都兼容［2-3］。研究表明，CO2循環(huán)的COP 要高于使用傳統(tǒng)制冷劑循環(huán)，這說明COP 很大程度上依賴于組件和系統(tǒng)設(shè)計［4］，因此，須優(yōu)化系統(tǒng)以獲得最佳性能。

BAEK 等［5-6］從理論上和試驗上研究了一種CO2循環(huán)活塞缸功回收方法。申江等［7］通過建立CO2亞臨界制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型，對中間溫度及冷凝溫度對系統(tǒng)性能和壓縮機(jī)排氣溫度等參數(shù)進(jìn)行了?損分析，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)和冷凝器?損占比最大，具備較大的提升空間。楊俊蘭等［8］通過使用當(dāng)量溫度法對CO2和傳統(tǒng)制冷劑工質(zhì)在單級壓縮制冷循環(huán)中的性能進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)溫度為0 ℃，冷凝溫度為40 ℃時，回?zé)崞鲗O2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)的性能提升有很大幫助。申江等［9］通過對以CO2為低溫級R449a 為高溫級的復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)建立了容量調(diào)節(jié)模型及渦旋壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制低溫容量調(diào)節(jié)比在一定范圍時，存在最佳低溫級冷凝溫度。壓縮機(jī)在為制冷系統(tǒng)提供動力的同時也是制冷系統(tǒng)最大的能耗部件，提高壓縮機(jī)效率是系統(tǒng)優(yōu)化的重點工作之一，韓毅等［10］對單級CO2制冷系統(tǒng)中活塞壓縮機(jī)進(jìn)行了試驗測試，壓縮機(jī)容積效率、油循環(huán)率等與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和壓縮比的關(guān)系，并給出了效率最優(yōu)時的參數(shù)范圍，BUDINIS 等研究了超臨界CO2離心式壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的計算機(jī)分析和設(shè)計方法，并指出壓縮機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到流體的狀態(tài)［11-13］。

為探究不同參數(shù)對壓縮機(jī)容積效率及系統(tǒng)性能的影響，本文通過搭建亞臨界CO2制冷系統(tǒng)試驗臺，分析了頻率，吸氣壓力及過熱度對容積效率、系統(tǒng)COP 及制冷量的影響。

1 試驗系統(tǒng)

1.1 亞臨界CO2 制冷系統(tǒng)理論模型

亞臨界CO2制冷系統(tǒng)的原理及溫熵曲線如圖1，2 所示。

圖1 亞臨界CO2 制冷系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of subcritical CO2 refrigeration system

圖2 亞臨界CO2 制冷系統(tǒng)T-s 曲線Fig.2 T-s diagram of subcritical CO2 refrigeration system

亞臨界CO2制冷系統(tǒng)有2 組電子膨脹閥，一組位于儲液器氣相制冷劑出口，可將制冷劑蒸汽節(jié)流至低壓低溫狀態(tài)，另一組位于蒸發(fā)器進(jìn)口前。2 組電子膨脹閥會根據(jù)蒸發(fā)器出口過熱度與預(yù)置過熱度對比自動調(diào)節(jié)開度，也可進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。

1.2 試驗臺

亞臨界CO2制冷系統(tǒng)選用博客活塞式壓縮機(jī)，型號為HGX2/70-4 CO2T，壓縮機(jī)適用于CO2制冷劑，本試驗臺采用CO2直接膨脹供冷，冷凝器為地下埋管，冷庫冷凝負(fù)荷為12 kW，亞臨界CO2制冷系統(tǒng)選用派克電子膨脹閥，型號為SER-B，驅(qū)動器為IB2Q，由4-20 mA 的模擬信號進(jìn)行控制，適用于CO2亞臨界。制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)功耗的測量使用WT500 功率分析儀，電流量程為0.5～40 A，電壓量程為15～1 000 V，功率精度為±0.1%。試驗系統(tǒng)原理如圖1 所示。

制冷機(jī)組流量測量采用Emerson 的CMFS 質(zhì)量流量計，該流量計測量氣體時精度為±0.25%，測量液體時精度為±0.05%，其工作環(huán)境為-50～204 ℃，最大工作壓力為41.4 MPa。亞臨界CO2制冷機(jī)組溫度測量分為2 部分：一部分是制冷機(jī)組系統(tǒng)溫度，該部分溫度采用AKS21M 溫度傳感器進(jìn)行測量，其測溫范圍為-70～180 ℃，精度為±0.1%。亞臨界CO2制冷機(jī)組的壓力采用AKS2050 壓力傳感器進(jìn)行測量，其測壓范圍為-0.1～6.9 MPa，精度為±0.5%，工作環(huán)境為-40～155 ℃。地下埋管溫度采用PT100 熱電阻（測溫范圍為-70～500 ℃，精度為±0.1 ℃）和T 型銅-康銅熱電偶（測溫范圍為-73～200 ℃，精度為±0.1 ℃），管壁溫度的采集用Yokogawa 生產(chǎn)的GP20 數(shù)據(jù)采集儀。

試驗分為以下幾種工況進(jìn)行：

（1）為了分析頻率對壓縮機(jī)性能的影響，在保持壓縮機(jī)吸氣壓力為1.63 MPa，排氣壓力為5.13 MPa，吸氣過熱度為13 ℃，對壓縮機(jī)頻率為30，35，40，45，50，55，60，65，70 Hz 的工況進(jìn)行測試。

（2）為了分析吸氣壓力對壓縮機(jī)性能的影響，在保持壓縮機(jī)排氣壓力為5.13 MPa，吸氣過熱度為15 ℃，對6 種不同吸氣壓力的工況進(jìn)行測試。

（3）為了分析吸氣過熱度對壓縮機(jī)性能的影響，在保持壓縮機(jī)壓縮機(jī)頻率為分別為30，40，50 Hz，吸氣壓力為1.38 MPa，排氣壓力5.13 MPa，對6 種不同吸氣過熱度的工況進(jìn)行測試。

1.3 數(shù)據(jù)分析

容積效率ηv定義為壓縮機(jī)工作時的實際容積流量與壓縮機(jī)理論輸氣量之比，其計算式如下：

式中 ηv——壓縮機(jī)的容積效率；

qa——壓縮機(jī)吸氣口處實際容積流量，m3/h；

qVt——壓縮機(jī)理論輸氣量，m3/h；

m ——壓縮機(jī)吸氣口處質(zhì)量流量，kg/h ；

ρ ——壓縮機(jī)吸氣口處制冷劑密度，kg/m3；

i ——壓縮機(jī)的氣缸數(shù)；

n ——壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

Vp——壓縮機(jī)一級氣缸工作容積，cm3。

容積效率的影響因素可表示為：

式中λV——容積系數(shù)；

λP——壓力系數(shù)；

λT——溫度系數(shù)；

λl——泄漏系數(shù)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 頻率對壓縮機(jī)性能的影響

圖3 示出不同頻率下壓縮機(jī)理論輸氣量和實際輸氣量的變化曲線，由圖可知，壓縮機(jī)理論輸氣量與實際輸氣量均隨著壓縮機(jī)的頻率增加而近似直線增加。壓縮機(jī)在380 V、50 Hz 電源下，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，理論輸氣量為6.19 m3/h，實際輸氣量為4.74 m3/h，容積效率為0.76。壓縮機(jī)頻率由30 Hz 增加到70 Hz，實際輸氣量由2.66 m3/h 增加到7.02 m3/h，在該頻率范圍內(nèi)，壓縮機(jī)頻率每增加1 Hz，壓縮機(jī)實際輸氣量平均升高0.11 m3/h。

圖3 頻率對壓縮機(jī)輸氣量的影響Fig.3 Effect of frequency on the gas volume of the compressor

圖4 示出壓縮機(jī)頻率對系統(tǒng)COP 和制冷量的影響，從圖中可看出，系統(tǒng)COP 隨著壓縮機(jī)頻率增加逐漸減小，這是因為壓縮機(jī)頻率增加時，導(dǎo)致輸氣量增大，制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)內(nèi)部各部件的流速增大，流動阻力增大，壓降增加，壓縮機(jī)吸氣壓力降低，排氣壓力升高，壓比增大，壓縮機(jī)功耗增大，COP 降低。因此在部分負(fù)荷時，壓縮機(jī)低頻運行可節(jié)能。壓縮機(jī)運行頻率為30 Hz 時，系統(tǒng)COP 為2.19，壓縮機(jī)運行頻率增加到70 Hz 時，系統(tǒng)COP 為1.70，系統(tǒng)COP 下降22.37%。隨著系統(tǒng)壓縮機(jī)頻率的增加，壓縮機(jī)吸氣量增加，加快了制冷劑流速，制冷量也隨之增加，當(dāng)壓縮機(jī)頻率增加到一定值后，系統(tǒng)壓縮機(jī)吸排氣點，系統(tǒng)換熱器性能，均達(dá)到了飽和狀態(tài)，系統(tǒng)此時處于滿負(fù)荷運行，制冷量也達(dá)到最大值。

圖4 頻率對系統(tǒng)COP 和制冷量的影響Fig.4 Effect of frequency on system COP and cooling capacity

2.2 吸氣壓力對壓縮機(jī)性能的影響

圖5 示出壓縮機(jī)吸氣壓力對系統(tǒng)COP 的影響，當(dāng)吸氣壓力增大時，系統(tǒng)COP 呈上升趨勢，且當(dāng)吸氣壓力達(dá)到1.5 MPa 后，COP 增加速率逐漸減小。以壓縮機(jī)頻率30 Hz 為例，當(dāng)吸氣壓力從1.07 MPa 增加到1.21 MPa，COP 增長率為11.64%，當(dāng)吸氣壓力從1.63 MPa 增加到1.74 MPa，COP 增長率為2.58%。當(dāng)壓縮機(jī)吸氣壓力相同時，COP隨著壓縮機(jī)頻率增加減小。

圖5 吸氣壓力對系統(tǒng)COP 的影響Fig.5 Effect of suction pressure on system COP

由圖6 可知，系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機(jī)吸氣壓力的升高而增加。壓縮機(jī)運行頻率為50 Hz 時，壓縮機(jī)吸氣壓力由1.04 MPa 升高到1.75 MPa，系統(tǒng)制冷量由5.89 kW 增加到9.82 kW。因此可通過提高蒸發(fā)器換熱效率，減小蒸發(fā)器內(nèi)制冷工質(zhì)與被冷卻物的換熱溫差，提高蒸發(fā)壓力可以提高系統(tǒng)COP 和制冷量。

圖6 吸氣壓力對壓縮機(jī)制冷量的影響Fig.6 Effect of suction pressure on compressor cooling capacity

從圖7 中可看出，當(dāng)壓縮機(jī)吸氣壓力升高時，壓縮機(jī)容積效率呈增加趨勢。在低壓工況（1.04～1.78 MPa），容積效率與吸氣壓力近似呈線性關(guān)系。

圖7 吸氣壓力對壓縮機(jī)容積效率的影響Fig.7 Effect of suction pressure on compressor volumetric efficiency

壓縮機(jī)容積效率受吸氣壓力影響有以下幾點原因：（1）壓縮機(jī)吸氣壓力較低時，壓縮機(jī)壓比增大，泄漏量增大，泄漏系數(shù)減??；（2）壓縮機(jī)再次吸氣時余隙容積處殘留氣體膨脹導(dǎo)致容積系數(shù)降低；（3）隨著吸氣壓力的降低，排氣壓力不變時，壓縮比增加，壓縮機(jī)排氣溫度升高，壓縮機(jī)氣缸壁溫度上升，使得吸氣口制冷工質(zhì)密度急劇下降，導(dǎo)致溫度系數(shù)下降。由于以上3 點因素導(dǎo)致了壓縮機(jī)容積效率降低。

2.3 吸氣過熱度對壓縮機(jī)性能的影響

壓縮機(jī)吸氣過熱度對系統(tǒng)COP 的影響結(jié)果如圖8 所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)COP 隨著壓縮機(jī)吸氣過熱度的增加而減小。當(dāng)吸氣過熱度從5.8 ℃增加到24 ℃時，30 Hz 頻率下系統(tǒng)COP 從2.0降低到1.92，下降4.0%；50 Hz 頻率下系統(tǒng)COP 從1.78 降低到1.68，下降5.62%?？梢妷嚎s機(jī)吸氣口過熱度對系統(tǒng)COP 影響程度較小。

圖8 過熱度對系統(tǒng)COP 的影響Fig.8 Effect of superheat on system COP

壓縮機(jī)吸氣過熱度對系統(tǒng)制冷量的影響如圖9 所示，從圖可知，系統(tǒng)制冷量隨著過熱度增加在逐漸降低，在冷庫負(fù)荷不變的前提下，通過閥門調(diào)節(jié)減少通過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量使得壓縮機(jī)吸氣口過熱度增加。相同工況時，系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機(jī)吸氣過熱度的增加而增加且增加幅度較大。過熱度為6 ℃時，30 Hz 頻率下系統(tǒng)制冷量為4.61 kW，50 Hz 頻率下系統(tǒng)制冷量為8.59 kW，制冷量增加為86.3%。

圖9 過熱度對系統(tǒng)制冷量的影響Fig.9 Effect of superheat on system cooling capacity

壓縮機(jī)吸氣過熱度對壓縮機(jī)容積效率的影響結(jié)果如圖10 所示，從圖中可以看出，在不同吸氣過熱度工況下，壓縮機(jī)容積效率變化較小，這是因為當(dāng)吸氣口制冷劑處于過熱態(tài)時，潤滑油幾乎與氣態(tài)制冷劑不相容，溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)基本不變，因此過熱度對容積效率影響較小。吸氣過熱度一定時，壓縮機(jī)容積效率隨著頻率升高而增大，這是因為壓縮機(jī)高頻率運行時，制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)的流速增加，減少壓縮機(jī)吸氣口的換熱時間，使得溫度系數(shù)提高；同時，制冷劑流速增加后，更多的潤滑油將被從壓縮機(jī)油池中帶出，提高壓縮機(jī)的密封性能，泄漏系數(shù)得到提高。因此，容積效率隨著壓縮機(jī)頻率的增加而增大。

圖10 過熱度對容積效率的影響Fig.10 Effect of superheat on compressor volumetric efficiency

3 結(jié)論

（1）制冷系統(tǒng)COP 隨壓縮機(jī)頻率的增加而不斷減小，在冷庫熱負(fù)荷降低時，壓縮機(jī)低頻率運行可以起到節(jié)能效果。

（2）壓縮機(jī)吸氣壓力升高時，壓縮機(jī)容積效率及制冷系統(tǒng)COP 呈上升趨勢，且壓縮機(jī)吸氣壓力高于1.6 MPa 時，二者增加速率減小。

（3）壓縮機(jī)吸氣過熱度增加時，系統(tǒng)COP 逐漸減小，當(dāng)吸氣過熱度從0 ℃增加到24 ℃時，30 Hz 頻率下系統(tǒng)COP 從1.86 降低到1.68，下降9.68%，吸氣過熱度對容積效率影響較小。