CO2制冷压缩机性能检测装置与试验研究

周俊海，贾磊，刘期聂，周洪林，范欢欢，刘杰，胡爱民

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230088）

CO2制冷压缩机性能检测装置与试验研究

周俊海*，贾磊，刘期聂，周洪林，范欢欢，刘杰，胡爱民

（合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥 230088）

根据 CO2制冷压缩机的运行特点，设计了一套适用于跨临界循环的压缩机性能检测装置，该装置适用于制冷量为14 kW ～70 kW的冷冻冷藏及热泵系统用CO2压缩机的测试，试验方法为制冷剂气体流量计法和跨临界气体冷却器法；在此基础上开展了CO2制冷压缩机的性能测试，结果表明，该压缩机的主侧制冷量、辅侧制冷量及主辅侧平均值的测量结果重复性偏差均在±1%以内。

CO2制冷压缩机；性能检测装置；试验

0 引言

CO2是一种优良的天然制冷剂，具有良好的安全性和化学稳定性，安全无毒和无腐蚀性，不可燃；价格低廉，适应多种润滑油及常用材料；具有较高的单位容积制冷量、较好的传热性能和流动性能。虽然CO2具有很高的系统运行压力，导致可靠性和安全性问题令人担忧，但从长远角度看，CO2制冷系统具有一定的开发潜力[1]。

近年来，随着CO2制冷（热泵）系统的逐步推广，CO2制冷压缩机的需求也逐年增长。日本大金、三洋、松下和电装等公司均生产CO2制冷压缩机，每年产量达数十万台，比泽尔和都凌等欧洲知名企业也纷纷推出各自的 CO2制冷压缩机产品，主要用于热泵热水机和冷冻冷藏领域。以上企业推出的产品均为容积式CO2制冷压缩机，涉及往复式、涡旋式、转子式和螺杆式等型式，国内烟台冰轮集团有限公司与西安交通大学合作，已推出冷冻冷藏用CO2压缩机，并将CO2制冷系统与NH3系统组合构成复叠式制冷系统[2]。随着CO2热泵热水器、CO2汽车空调和CO2冷冻冷藏设备在国内外市场的不断深入发展，CO2压缩机的市场也正在逐渐扩大和发展。

然而，与CO2压缩机研究密不可分的压缩机性能检测技术的研究才刚刚开始，专门针对CO2制冷压缩机的试验设备较少。因此，开展CO2制冷压缩机检测技术的研究和开发相应试验装置，将对CO2制冷压缩机的研究、生产、制造以及技术进步都有极其重要的意义。

自2010年起，笔者所在的项目组针对使用CO2压缩机制冷系统跨临界和亚临界循环的特点，通过对CO2压缩机性能测试技术和实验方法的研究，开发适合其特点的试验方法和测试技术，研制出能满足CO2压缩机性能测试的试验装置，为CO2压缩机的设计、改进提供理论依据，并为国家标准《容积式 CO2制冷压缩机（组）》[3]的制定提供了重要的技术支持。

1 CO2制冷压缩机性能检测装置

1.1 系统流程

对于亚临界循环的 CO2压缩机，可完全采用GB/T 5773的试验方法[4]。所有的试验均包括两种试验方法，即X法和Y法，两种方法应同时进行测量，并以X法和Y法测量计算结果的平均值为准。

对于跨临界循环的CO2压缩机，其循环具有一定的特殊性：首先，跨临界循环高压侧的压力很高；其次，跨临界循环无冷凝过程，在高压侧是CO2气体单相换热，也无过冷的情况；第三，其节流过程也不是从液相节流至气液两相区，而是从超临界区节流至气液两相区。正因为这种特殊性，所以GB/T 5773中的制冷剂液体流量计法和水冷冷凝器量热器法就不适用于跨临界循环的CO2压缩机。

本文设计的CO2制冷压缩机性能检测装置，其主要试验方法为排气管制冷剂气体流量计法。该方法采用一个流量测量节流装置或质量流量计来测量气体制冷剂体积流量或质量流量，如图 1所示。为减少和消除制冷剂气体流量的脉动，在相应管道上应装设脉动缓冲器。为减少流量计的测量误差，应设置有效的油分离装置，使流经流量计的制冷剂气体中含油量不超过1.5%（以质量计）。

图1 排气管制冷剂气体流量计法示意图

校核试验方法采用跨临界气体冷却器法，如图2所示：高压侧制冷剂气体经节流后一部分进入冷凝支路冷却成液体，并测量其流量，然后使其在一个气体混合冷却器中于低压侧压力下再蒸发，用以冷却经另一支路降压后进入气体混合冷却器的剩余循环蒸气，从气体混合冷却器出来的制冷剂混合蒸气应不含制冷剂液滴，之后制冷剂蒸气进入压缩机吸气口，形成一个闭式循环系统。在对气体混合冷却器进行漏热量修正后，已冷凝的制冷剂质量和未冷凝的制冷剂质量之比等于进入气体混合冷却器的两股制冷剂蒸气比焓变化之比的倒数，据此计算出循环系统的制冷剂总流量。

图2 跨临界气体冷却器法示意图

经理论分析，跨临界气体冷却器法的流量、制冷量计算公式与GB/T 5773相同。由于从压缩机排气通过压力流量调节阀将压力降至临界压力以下，因此对于试验系统，其绝大部分管路和部件以及测试仪表需要承受的压力均在临界压力以下，可以大大降低成本，系统可靠性也能显著增加。

测试系统的主回路包括CO2主循环系统、油冷却系统、经济器系统、热气旁通系统、喷液系统、冷媒充排系统和测量调节系统。

在测试过程中，CO2冷媒和冷冻油的混合物从被测压缩机的排气口排出，通过管路输送到油分离器；经过油分离器后（分离出的冷冻油被输送到油冷却系统管路中），CO2气体经过气体流量计到达一级节流阀，而后进入冷却器冷却；冷却后的气体进入储液罐；再进入再冷却器被冷凝为过冷的CO2液体；CO2液体经过液体流量计后被二次节流降压输送到混合器，在这里与热气旁通管路输送的热气进行混合；CO2过热气体从混合器的顶部出口进入到吸气管路，然后被压缩机吸气口吸入进行压缩。

整套系统的示意图和实物图如图3和图4所示。

图3 CO2制冷压缩机性能检测装置示意图

图4 CO2制冷压缩机性能检测装置实物图

1.2 辅助系统

除了上述主回路系统外以外，试验装置还包括以下辅助系统。

恒温水箱：采用304钢材制作，外有橡塑保温层，配不锈钢外包。外接管包括：补水管、排污管、溢流管、冷却水进出水管、冷媒水进出水管、电加热安装孔、液位浮球开关安装孔、补水浮球安装孔和铂电阻安装孔等。通过一定的控制方法，保证水箱里的水达到设定温度并维持恒温。

风冷冷水机组：为水箱提供冷源，降低水箱的温度。主要保护信号有：断流、高低压和排温过高等。为了适应本地夏季温度高的特点，散热方面采用了冷凝压力风扇调速器（无级调速），使冷凝温度受外界环境温度的影响较小，从而保证为恒温水箱提供冷源温度的相对稳定性。

电加热：安装在恒温水箱上，与水箱的水直接接触，为水箱提供热源。该热源采用了调功器控制，输出的热量由PID调节表无级控制，根据压缩机的负荷和冷源的状态，自动调节输出能力，保证水温恒定在设定值。

水泵：冷却水和冷媒水输送的动力部件。该系统包含5只均为变频控制的水泵：冷媒水水泵——将需要降温的水输送到风冷冷水机组；冷却器水泵——将恒温水箱的水输送到冷却器中带走被测CO2压缩机产生的部分热量；再冷器水泵——将恒温水箱的水输送到在冷却器中，再次冷却处于循环的CO2冷媒；经济器换热器水泵——将恒温水箱的水输送到经济器管路的换热器中，降低经济器进入压缩机经济器接口的冷媒的温度；油冷却器水泵——将恒温水箱的水输送到油冷却器换热器中，降低冷媒中被分离出来的冷冻油的温度。

三通调节阀：对不同温度的水采用混合的方式，二次调节进入换热器的水温。

阀件和管路：管路采用耐温PPR管材制作，阀件为PPR材质，安装方便，并能保证冷却水金属离子的污染。

1.3 测量范围

通过与AHRI和ASERCOM等机构的技术交流，并参考国内相关压缩机标准的测试工况，本文开发的 CO2压缩机性能试验装置设计最低蒸发温度为-50℃，最高蒸发温度为28℃，结合流量计的量程，计算出试验装置的测量范围为14 kW～70 kW。

试验装置采用科氏力气体流量计，测量精度为±0.5%；温度传感器采用高精度铂电阻温度计，测量精度为±0.1℃；压力测量采用最大量程为8 MPa和17 MPa的两类压力传感器，测量精度为±1%。通过主辅系统的综合设计，可以获得装置的温度范围和压力范围，见表1。

表1 CO2制冷压缩机试验装置温度和压力运行范围

该试验装置可以准确测定冷冻冷藏和热泵系统用CO2制冷压缩机的技术数据，实现跨临界和亚临界循环的测试，系统可由计算机进行采集测量数据，同时计算机对测量数据进行处理并存档，自动打印试验报告。同时装置的操作简单，维护量少，耗能较低。

图5 CO2制冷压缩机运行过程的典型测试曲线

2 CO2制冷压缩机性能试验

2.1 运行稳定性

通过冷热源系统的组合，可以保障CO2压缩机测试过程中的工况控制和参数测量。图5是CO2制冷压缩机运行过程的典型测试曲线，从图中可以看出，系统运行平稳，满足试验要求。

2.2 样机性能试验

笔者对某型号的CO2制冷压缩机进行了两次性能测试，目的是初步了解该压缩机的运行特性，并验证试验系统多次测量的稳定性。

两次试验的设定工况如下：压缩机吸气温度20℃，压缩机吸气压力4.5 MPa，蒸发温度10℃，过热度10℃，气体冷却器出口温度20℃。

制冷量测试结果如表2所示。

表2 CO2制冷压缩机性能试验测量结果

从上述结果可以看出，无论是主侧制冷量、辅侧制冷量还是制冷量（即主辅侧平均值），重复性偏差均在±1.5%以内（该数值为常规试验装置的重复性偏差要求）。

3 结束语

本文通过对CO2压缩机性能试验方法和试验技术的分析，研究符合其特点的合理可靠的试验方法，并研制出能满足试验方法的试验装置，该装置的特征参数如下：

1） 试验系统适用的制冷剂：CO2。

2） 主要试验方法：制冷剂气体流量计法；校核试验方法：跨临界气体冷却器法。

3） 测量范围：冷冻冷藏及热泵系统用CO2压缩机制冷量14 kW～70 kW。

4） 重复性精度：一次安装的重复性精度为±1.5%。

本文还通过对CO2压缩机样机的试验来验证试验方法和试验装置的合理性和科学性，并为相关国家标准的制定提供技术支撑，以促进CO2制冷压缩机产品的技术进步。

[1]史敏, 贾磊. 二氧化碳制冷技术[J]. 制冷与空调, 2007,7（6）∶ 1-5.

[2]王炳明, 李建风, 吴华根, 等. NH3/CO2复叠制冷系统中CO2螺杆压缩机的研发[J]. 流体机械, 2009, 37（3）∶ 16-18.

[3]GB/T 29030-2012, 容积式 CO2制冷压缩机（组）[S].

[4]GB/T 5773-2004, 容积式制冷剂压缩机性能试验方法[S].

Performance Test Equipment and Experimental investigation of CO2Refrigeration Compressors

ZHOU Jun-hai*, JIA Lei, LIU Qi-nie, ZHOU Hong-lin, FAN Huan-huan, LIU Jie, HU Ai-min
（National Key Laboratory for Compressor Technology, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei, Anhui 230088, China）

According to the operation features, a performance test equipment for transcritical CO2Refrigeration compressors is designed. The equipment is suitable for performance test of the refrigeration and heat pump CO2compressors which cooling capacity within 14 kW～70 kW, and the testing methods are gas Refrigerant flowmeter method and transcritical gas-cooler method. A CO2Refrigeration compressor model is tested on this equipment and the results indicate that the repeatability deviations of primary cooling capacity, auxiliary cooling capacity and average cooling capacity are within ±1%.

CO2refrigeration compressor; Performance test equipment; Experiment

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.108

*周俊海（1981-），男，工程师，学士。研究方向：制冷空调检测技术。联系地址：合肥市高新区天湖路29号，邮编：230088。联系电话：0551-65335429。E-mail：13856007764@163.com。