吸气过热度对滚动转子压缩机性能影响的实验研究

陶 宏 杨 军 刘春慧 叶柯嘉 胡长更

(上海日立电器有限公司技术中心 上海 201206)

滚动转子压缩机是目前最常见的一种房间空调器用压缩机，其在定吸气过热度情况下的变工况性能通常采用图、表法或AHRI540[1]建议的10系数多项式模型来表示，即：

式中，X11表示吸气过热度11.1K时压缩机的质量流量W、输入功率P等性能参数；Tc—排气压力对应的饱和温度或露点温度，Te—吸气压力对应的饱和温度或露点温度。

一般，基于压缩机变工况性能的图、表或10系数多项式模型基本上可以通过作图法初步计算制冷系统运行状态[2]；为了更加准确地计算机模拟制冷循环，需要吸气过热度修正的压缩机性能模型。AHRI540虽然建议了空调用压缩机吸气过热度修正范围(8.3K～16.7K)，可是并没有提供具体的修正方法。因此，在压缩机性能实验台上进行了吸气过热度对滚动转子压缩机性能影响的实验研究，特别是进行了负吸气过热度的实验研究来解决这个问题。

1 研究回顾

Dabiri和Rice[3]系统地提出一套压缩机性能模型变吸气过热度的修正方法，由压缩机质量流量计算式：

假设在一定蒸发温度、冷凝温度下，压缩机的转速n和容积效率ηV近似不变，那么在某吸气过热度时压缩机质量流量W与参考吸气过热度时压缩机质量流量Wref之间的关系式：

由压缩机输入功率定义式：

假设在一定蒸发温度、冷凝温度下，压缩机的电效率ηe基本不变，那么在某吸气过热度时压缩机输入功率P与参考吸气过热度时压缩机质量流量Pref之间的关系式：

Dabiri和Rice[3]特别指出，在负过热度区间仍然需要更多的实验数据来验证上述吸气过热度修正模型。

向献红[4]通过实验以吸气温度20℃为参考点修正了不同吸气温度时开启式活塞压缩机性能。

苏顺玉[5]通过实验以吸气过热度11.1K为参考点修正了不同吸气过热度时涡旋压缩机性能。

与活塞压缩机、涡旋压缩机一般采用低背压型式不同，滚动转子压缩机通常采用高背压型式(如图1右所示)，一般自带吸气储液器(气液分离器)；AHRI540提供的吸气过热度范围(8.3K～16.7K)并不能完全覆盖滚动转子压缩机的实际运行工况。陶宏[6]实验研究了变制冷剂流量制冷循环在“0吸气过热度”附近的性能，韩磊[7]实验研究了回气带液(负吸气过热度)对滚动转子压缩制冷系统性能的影响，源生一太郎[8]定性阐述了吸气过热度(包括负过热度)对压缩机质量流量、容积效率、排气温度等性能的影响。

2 滚动转子压缩机性能实验系统

2.1 实验方法

实验采用GB/T5773－2004[9]中定义的第二制冷剂量热器法(如图1左所示)，第二制冷剂量热器是一个隔热的密闭压力容器，充注有第二制冷剂，下部是液相区，电加热器浸没其中，上部是气相区，悬置一个蒸发器；第二制冷剂被电加热器加热沸腾蒸发为气体上升到气相区，在蒸发器表面又被冷凝为液体滴落回下部液相区。为了使量热器的漏热损失最小，调节量热器室温度等于量热器内第二制冷剂温度。

排气压力、吸气压力、阀前温度、吸气温度(吸气过热度大于5K)按照图 2调节；吸气过热度小于5K时，手工设定电加热器的功率，吸气温度(或干度)自动平衡；其中主要参数测量仪表参见表1。压缩机室温度可调节，同时有一风扇对着压缩机吹风。

图1 压缩机性能实验装置原理图Fig.1 Compressor performance test installation schematic diagram

图2 压缩机性能实验装置主要调节回路框图Fig.2 Key regulation loops block diagram of compressor performance test installation

表1 主要测量仪表Tab.1 List of principal measuring instruments

eo-s连管采用保温棉隔热，几乎无漏热，那么吸气口比焓近似等于量热器出口比焓。

为了消除压缩机自带吸气储液器漏热对压缩机性能的影响，设定压缩机室温度等于吸气温度Ts，吸气储液器几乎无漏热 Φacc≈ 0。

由公式(6)和(7)得

质量流量计在过冷段直接测量制冷剂的质量流量W；另外，也可以通过量热器法间接测量制冷剂的质量流量W′，即：

式中的Φe等于直接测量的电加热功率ΦH和量热器漏热量Φloss的代数和，

式中，量热器漏热量Φloss根据量热器室与量热器内部的温差大小修正[9]。

阀前的比焓hvi通过阀前的压力pvi和温度Tvi计算；当量热器出口制冷剂为过热蒸汽时，通过当地压力peo和温度Teo可计算当地比焓heo。

压缩机在一定吸气压力ps、吸气温度Ts、排气压力pd条件下，某膨胀阀前温度TVi时的制冷量为：

其中包括从量热器出口eo到压缩机吸气口s之间连接管路的损失。

当量热器出口制冷剂为气液两相时，当地压力peo和温度Teo不独立，无法计算当地比焓heo；另外，当量热器出口制冷剂过热度小于0.5K时，由于压力传感器和温度传感器的测量误差，也不能计算当地比焓Teo；W和W′之间差异很小，即W=W′，

由hs≈ heo和当地压力ps可以计算压缩机吸气口s处的制冷剂状态，

或

那么，吸气过热度定义为：

当吸气口过热时(正过热度)，

当吸气口两相时(负过热度)，

2.2 实验对象

海立(HIGHLY)压缩机SL211，制冷剂R22，冷冻油4GSI。

压缩机理论排量Vd=21.1mL。

2.3 实验工况

实验工况参照GB/T15765－2006[10]选定，为了比较压缩机室环境温度对压缩机性能的影响，一种工况设定压缩机室温度等于吸气温度Ts，另一种工况设定压缩机室温度为35℃。

表2 测试工况Tab.2 Test operating conditions

3 实验结果分析

3.1 质量流量、容积效率、制冷量

如图3所示，压缩机的质量流量随吸气过热度的增大而减小；曲线2低于曲线1，且在高吸气过热度区域，曲线2距离曲线1较近，而在低吸气过热度区域，曲线2距离曲线1较远；这是由于当压缩机室温度为35℃，吸气储液器被加热，泵体吸气口s′吸气过热度高于吸气口s过热度，温差越大吸气储液器被加热效果越强。如图 3所示，曲线2上A点质量流量比曲线1上低A-AU，曲线2上B点质量流量比曲线1上低B-BU，低吸气过热度时质量流量损失大于高吸气过热度时；曲线2上A点实际吸气过热度相当于曲线1上AR点，曲线2上B点实际吸气过热度相当于曲线1上BR点，低吸气过热度时过热度变化大于高吸气过热度时。另外，根据曲线1和曲线2实验数据，通过公式(12)和(13)可以标定吸气储液器漏热系数KFacc。

在吸气过热度区间[-20K,20K]，压缩机的质量流量与吸气过热度之间符合二次多项式拟合关系：

在正吸气过热度区间[0K,20K]，压缩机的质量流量与吸气过热度之间符合线性拟合关系：

图3 质量流量随吸气过热度的变化Fig.3 Mass fl owrate varie with degree of suction gas superheat

曲线1为压缩机室温度等于吸气温度时，曲线2为压缩机室温度等于35℃；

图4 容积效率随吸气过热度的变化Fig.4 Volume ef fi ciecy varies with degree of suction gas superheat

由实测压缩机转速n=(2855±5)r/min和实测质量流量，按照公式(2)计算压缩机容积效率(图4)，可见，正吸气过热度[0K,20K]时，压缩机容积效率处于0.86～0.87之间，按照公式(3)估算质量流量误差小于1.25%；但是负吸气过热度[-20K,0K]时，压缩机容积效率下降较快，按照公式(3)估算质量流量误差将达到3%。

图5 制冷量随吸气过热度的变化Fig.5 Refrigerating capacity varies with degree of suction gas superheat

如图5所示压缩机制冷量等于质量流量与单位质量制冷量的乘积；当过冷温度一定时，吸气过热度增大，单位质量制冷量增大；但随着吸气过热度的增大压缩机吸气密度减小，质量流量减小(如图 3所示) ；综合起来，在负吸气过热度区间[-20K,0K]，压缩机制冷量随着吸气过热度的增大而增大，而在正吸气过热度区间[0K,20K]，压缩机制冷量基本不变(如图5所示)。

3.2 功耗、电效率

如图6所示，压缩机的功耗随吸气过热度的变化幅度小于10W(1%)，考虑到功率测量的误差(参见表1)，认为压缩机的功耗基本不随吸气过热度的变化而变化。

按照公式(4)计算压缩机的电效率，在正吸气过热度区间[0K,20K]，压缩机电效率处于0.655～0.665之间，按照公式(5)估算压缩机功耗误差小于2%；在负吸气过热度区间[-20K,0K]，压缩机电效率下降较快，按照公式(5)估算压缩机功耗误差将达到6%。

图6 功耗随吸气过热度的变化Fig.6 Input power varies with degree of suction gas superheat

图7 电效率随吸气过热度的变化Fig.7 Electrical ef fi ciency varies with degree of suction gas superheat

3.3 排气温度

在吸气过热度区间[-20K,20K]，压缩机排气温度随吸气过热度近似线性变化。另外，根据压缩机排气状态实验数据，通过能量守恒方程

可以标定压缩机壳体的传热系数KFcomp。

图8 排气温度随吸气过热度的变化Fig.8 Discharge gas temperature varies with degree of suction gas superheat

4 结论

在一定吸气压力和排气压力下，当正吸气过热度时，滚动转子压缩机的转速n和容积效率ηV近似不变，其质量流量在公式(1)的基础上按照公式(3)修正吸气密度变化的影响即可；而当负吸气过热度(吸气带液)时，滚动转子压缩机的容积效率ηV有所减小，还应修正容积效率ηV减小的影响。

在一定吸气压力和排气压力下，滚动转子压缩机的输入功率几乎不随吸气过热度变化，按照公式(1)计算即可。

符号说明

符号 名称 单位 符号 名称 单位W 质量流量 kg/s h 比焓 J/kg P 功耗 W ρ 密度 kg/m3 p 压力 Pa n 压缩机转速 r/min T 温度 ℃ Vd压缩机理论排量m3 x 干度 —

下标 名称 下标 名称acc 吸气储液器 sat 饱和comp 压缩机

[1]AHRI. ANSI/AHRI Standard 540 (formerly ARI Standard 540) 2004 Standard For Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units[S]. USA: AHRI, 2004.

[2]缪道平, 吴业正.制冷压缩机[M].北京: 机械工业出版社,2001，37-39.

[3]Daribi A E, Rice C K. A compressor simulation model with correlations for the level of suction gas superheat[J].ASHRAE Transactions, 1981, 187(3): 771-782.

[4]向献红, 丁力行.制冷压缩机性能曲线拟合方程及应用[J].制冷与空调(四川), 1997, (1): 21-24.(Xiang Xianhong，Ding Lixing. Research on Simulation Model of FK4 Refrigerating Compressor[J]. Refrigeration & Aircondition, 1997, (1): 21-24. )

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[8]源生一太郎.制冷机的理论和性能[M]. 北京: 农业出版社, 1981, 66-69,84.

[9]中国国家标准化管理委员会全国冷冻设备标准化技术委员.GB/T5773-2004容积式制冷剂压缩机性能试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2004.

[10]中国国家标准化管理委员会全国家用电器标准化技术委员会. GB/T15765-2006房间空气调节器用全封闭型电动机-压缩机[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.