非对称容积控制技术应用于单螺杆制冷压缩机的试验研究

陈清

（麦克维尔空调制冷（苏州）有限公司，江苏苏州215126）

非对称容积控制技术应用于单螺杆制冷压缩机的试验研究

陈清*

（麦克维尔空调制冷（苏州）有限公司，江苏苏州215126）

单螺杆式压缩机由一个主转子及两侧与其相啮合的星轮片组成。这种结构布置形成了两个独立的压缩过程，各提供50%的排气量。目前设计的单螺杆式压缩机大多采用两个星轮对称容积调节控制，可以实现负载25%～100%无级调节。本文对非对称式容积控制技术在单螺杆压缩机的运用进行阐述,通过采用两个星轮独立控制的方法可以实现更高的部分负荷能效。

单螺杆压缩机；容积控制；滑阀

0 引言

单螺杆式压缩机由一个主转子及两侧与其相啮合的星轮片组成[1]。这种结构布置形成了两个独立的压缩过程[2-3]，各提供50%的排气量。目前设计的单螺杆式压缩机大都采用两个星轮对称容积调节控制[4]，可以实现负载25%～100%无级调节。本文对非对称式容积控制技术在单螺杆压缩机的运用进行阐述，实现在两个星轮独立控制以实现更高的部分负荷能效。

1 简介

近几年来，在制冷空调应用领域，螺杆式压缩机已日渐普及[5]。由于可靠性高、体型小、重量轻，在同等制冷能力下，螺杆压缩机成为制冷机组的理想配备。现如今，环境问题已是当今社会的主要问题，开发更加高效节能的制冷机组也变得尤为重要。

本文将具体阐述的螺杆压缩机为单螺杆式压缩机，由一个主转子及两个与其相啮合的星轮片组成（图1）[6]。

图1 单螺杆压缩机结构

对称式容积控制技术：容积控制滑阀由一个连接支撑连接，压缩机由增减载电磁阀控制高压供油及泄油，油路通过活塞及连接支撑同时控制两个滑阀的运动（见图2、图3）。

图2 传统单螺杆制冷压缩机对称式容积控制结构图

图3 对称式容积控制原理图

非对称容积控制技术：压缩机两个星轮由两个不同的滑阀控制，一侧为无级调节侧滑阀控制（图4、图5），由无级调节侧滑阀（图6）实现；一侧为有级调节侧滑阀控制（图7），由有级调节滑阀（图8）实现。

图4 单螺杆制冷压缩机非对称式容积控制结构图

图5 无级调节侧滑阀控制方式

图6 无级调节侧滑阀

图7 有级调节侧滑阀控制方式

图8 有级调节侧滑阀

当压缩机处于15%～50%负荷时，无级调节侧滑阀处于工作位置，运动实现负荷调节，有级调节侧滑阀处于0位；但压缩机处于50%～100%负荷时，无级调节侧滑阀处于工作位置，运动实现负荷调节，有级调节侧滑阀处于满负荷位。压缩机增减载滑阀运动示意图见图9。

图9 压缩机增减载滑阀调节示意图

对于此单螺杆式压缩机，两个星轮片同时扫过主转子凹槽即两个压缩过程同时发生，而每个压缩过程使用独立的增减载滑阀。正是这一特殊设计使得以高部分负荷效率为需求的新一代单螺杆式压缩机得到发展[7]。

如前所述，制冷机组的更高效率运行变得愈加重要。在过去，不断有满载时能高效运行的机组被生产出来，但绝大部分时间里，机组只运行在25%～75%负荷状态下[8]。

目前更多的用户将综合部分负荷性能系数（IPLV）作为产品能效衡量依据，其依据不同部分负荷下的运行效率进行加权计算从而得出总体的运行效率。在IPLV考量依据中，50%及75%负荷被赋予更高的权重[9]。这就使压缩机在设计过程中去追求更高的部分符合能效。非对称容积控制技术能够很好的提高目前单螺杆式压缩机的部分负荷能效[10]。

2 试验研究

2.1 对称式容积控制及非对称式容积控制压缩机实测效率对比

2.1.1 测试方法

取内容积比为3.0的对称式容积控制压缩机，在蒸发温度1.7 ℃；冷凝温度51.7 ℃；过冷度5 ℃；过热度5 ℃的工况下，测试在100%、75%、50%及25%负荷时的性能参数。

取内容积比为3.0的非对称式容积控制压缩机，在相同工况下测试在100%、75%、62.5%、50%、25%及12.5%负荷时的性能参数。

2.1.2 试验实施

取两台压缩机样机在经国家压缩机制冷设备质量监督检验中心认可的测试站台进行测试，取得实验数据并进行分析。实测结果见表1。

表1 实测结果

2.1.3 试验数据分析对比

非对称式容积控制与对称式容积控制对比，满负荷COP相同；50%负荷时非对称式容积控制比对称式容积控制效率高24%；75%负荷时非对称式容积控制比对称式容积控制效率高4%（见图8）。

图8 对称式容积控制与非对称式容积控制的效率对比

2.1.4 经济效益预测

以200RT分冷机组为例，采用对称式容积控制技术的IPLV为3.3；采用对称式容积控制技术的IPLV可达3.7。以全年运行245天，每天8h计算，则全年可省电：200×3.517/3.3×8×245-200× 3.517/3.7×8×245=55,146 kW·h。年经济效益在5万元以上。

3 结论

1) 采用非对称容积控制技术可提高压缩机COP：在50%负荷时提高24%；在75%负荷时提高4%。

2) 采用非对称容积控制技术压缩机的机组IPLV可有效提高12%，以200RT机组为例，年节约电费5万元以上。

3) 目前设计排气量范围为(400～1,200) m3/h (50 Hz)的单螺杆式压缩机已广泛运用于中国市场风冷机组并已得到很大的认可。

[1] Zimmern B. Rotary injection worm and worm wheel with specific tooth type：USA, 3932077[P]. 1976-01-13.

[2] 孙光三. 单螺杆压缩机主要几何关系的研究[J]. 西安交通大学学报, 1981, 15(5): 21-31.

[3] 邓祖荣. 单级螺杆压缩机在低温制冷系统中的应用[J].制冷技术, 2001, 21(2): 27-29.

[4] 郁永章. 容积式压缩机技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000: 661-684.

[5] 荆华乾, 高恩元, 于志慧, 等. 2014 年度中国制冷行业发展分析报告[J]. 制冷技术, 2015, 35(S1): 1-82.

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[7] 查世梁, 查谦, 方宜荣. 单螺杆压缩机的现状[J]. 压缩机技术, 1994, 126(4): 47-48.

[8] 邓祖荣. 单级螺杆压缩机在低温制冷系统中的应用[J].制冷技术, 2001, 21(2): 27-29.

[9] AHRI 550/590-2001 Performance rating of waterchilling and heat pump water-heating packages using the vapor compression cycle[S].

[10] 丁国良, 吴静怡, 连之伟, 等. 提高冷水机组能效的技术措施[J]. 制冷技术, 2005, 25(2): 21-25, 33.

Experimental Investigation on Application of Asymmetric Volume Control Technology in Single Screw Refrigeration Compressor

CHEN Qing*
(McQuay Air Conditioning & Refrigeration (Suzhou) Co. Ltd., Suzhou, Jiangsu 215126, China)

Single screw compressor is composed of one screw rotor and two gate rotors which are joggled on the two sides of the screw rotor. This structure has two separate compression processes, and each one provides 50% of the volume. Currently most of the designed single screw compressors adopt two gate rotors for the symmetric volume adjustment, which realizing the stepless adjustment of the load from 25% to 100%. The asymmetric volume control technology used for the single screw compressor was introduced, and the higher part load efficiency can be obtained by adopting the method of separately controlling the two gate rotors.

Single screw refrigeration compressor; Capacity control; Slide valve

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.104

*陈清（1966-），男，高级工程师，学士。研究方向：单螺杆制冷压缩机、离心式制冷制冷压缩机。联系地址：江苏省苏州市长阳街116号麦克维尔。邮编：215126。联系电话：18013539039。E-mail：13913120748@139.com。