过热度对压缩机关键性能的影响研究

仇富强 农秉茂 吴 立 杨伟兵

(1. 铜陵职业技术学院 电气工程系， 安徽 铜陵 244061；2. 漯河职业技术学院 电气工程系， 河南 漯河 462000；3. 铜陵学院 机电工程学院， 安徽 铜陵 244061)

压缩机作为制冷系统的心脏，它对制冷系统的整体性能具有决定性的作用。压缩机运转频率、吸气过热度等变量对制冷量、吸排气压比、容积效率、制冷剂比容等性能参数都具有一定的影响。定量分析有关变量对压缩机性能参数的影响，有助于不断改善制冷系统性能。

有关研究已经取得了许多成果。黄忠等人推导出了螺杆式压缩机容积效率的计算方法，可用于工程设计[1]。文航等人针对滚动转子式压缩机建立了一系列数学模型，可描述变工况下压缩机的容积效率等性能参数[2]。傅烈虎等人分析了容积系数、压力系数、温度系数和泄漏系数对汽车空调压缩机容积效率的影响[3]。李庆刚等人基于实验结果，针对一种螺杆式压缩机而建立了预测误差较小的容积效率计算模型[4]。范立娜等人分析了压缩机吸气状态对容积效率的影响[5]。商萍君在分析变频螺杆式压缩机性能时提出的非线性拟合数学模型，也具有较高的精度和实用性[6]。王枫等人通过实验研究了蒸发温度和冷凝温度对活塞式制冷压缩机容积效率的影响，结果表明蒸发温度越低、冷凝温度越高，则压缩机的容积效率就越低，蒸发温度低于-35 ℃时，压缩机的容积效率会降至50%以下[7]。

现利用水冷式压缩机实验台开展实验，主要分析过热度对滚动转子式压缩机热力性能的影响，为实现设备的高效运行提供实验依据。

1 实验设备及有关参数

水冷式压缩机实验台的系统循环主要包括压缩机性能测试循环和水源(冷凝用水和蒸发用水)循环。压缩机性能测试循环涉及压缩机、冷凝器、储液器、过冷器、质量流量计、膨胀阀(EXV)、蒸发器、油分离器等部件。所用压缩机为上海日立电器公司生产的FG720CG1UY型滚动转子式压缩机，其适用制冷剂为R22，允许变频范围为25～130 Hz，压缩机的额定频率为72 Hz。选用PUN-601EH 型增压泵为换热器水循环提供动力，其测试范围为115 Lmin，最大扬程为25 m。

采用Rosement压力变送器测量压缩机的吸排气压力，其量程为0～3 MPa，精度为±0.5 MPa。采用PT100铂电阻测量水温，其测试精度为A级。对系统制冷剂循环流量，采用科氏力流量计进行测量，其测量范围为0～10 kgmin，测量精度为±0.1 kgmin。运用数据采集仪对系统参数进行监控、测量。

实验过程中，通过改变蒸发器侧的进水温度和流量，实现对蒸发器换热量的调节，进而实现对压缩机吸气过热度的控制。制冷剂过冷度设定值为5 ℃；压缩机吸气过热度设定值分别为5、10、15、20、25、30、35 ℃。实验分析以满足换热量需要为前提，保持蒸发器换热量恒定。

通过实验台提供的仪器仪表，可得测量参数：制冷剂循环流量(mr)，压缩机吸气压力(pr,in)与温度(Tr,in)，压缩机排气压力(pr,out)与温度(Tr,out)，冷凝器水源流量(mcw)及进出口温度(Tcw,in、Tcw,out)，蒸发器水源流量(mew)及进出口温度(Tew,in、Tew,out)。依据这些测量参数，应用refprop物性软件可得压缩机吸排气口制冷剂比焓，进而计算得到压缩机的吸排气口制冷剂比容。

压缩机吸气口制冷剂比焓：

hr，in=f(pr，in，Tr，in)

(1)

压缩机排气口制冷剂比焓：

hr，out=f(pr，out，Tr，out)

(2)

压缩机吸气口制冷剂比容：

vr，in=f(pr，in，hr，in)

(3)

压缩机排气口制冷剂比容：

vr，out=f(pr，out，hr，out)

(4)

根据压缩机吸气口制冷剂比容，计算得到压缩机的容积效率(ηv)[8]，即：

ηv=(mr·vr，in)(V·N)

(5)

式中：V为压缩机单位压缩体积，m3；N为压缩机额定运转速度，rmin。

2 实验结果分析

当系统蒸发压力、冷凝压力为定值时，压缩机不同运转频率下过热度对压缩机制冷量的影响如图1所示。压缩机的运转频率为90 Hz时，相比70 Hz时，其制冷量要高出0.28～0.77 kW；压缩机的运转频率为70 Hz时，相比50 Hz时，其制冷量要高出0.3～0.79 kW。这是由于随着压缩机运转频率的增加，系统制冷剂流量随之增大而引起的。

在压缩机的运转频率为定值时，压缩机的制冷量是随着吸气过热度的增大而下降的。这是由于压缩机容积系数与吸气过热度成反比，过热度增加后容积系数减小，于是导致制冷剂流量减小。

蒸发温度、冷凝温度、吸气过热度、过冷度等实验变量，主要是通过压缩机吸排气压比影响压缩机容积系数、压力系数，进而影响压缩机容积效率。压缩机以不同频率运转时，其吸排气压比与吸气过热度成正比(见图2)。

吸气过热度的降低，表征蒸发器内两相换热区延长。在满足相同换热量的前提下，蒸发器换热温差减小、蒸发温度升高，则蒸发压力升高。尽管此时冷凝压力也有所升高，但冷凝压力升高比重小于蒸发压力升高比重，因而吸排气压比减小。

图1 过热度对压缩机制冷量的影响

图2 过热度对吸排气压比的影响

当压缩机的运转频率升高，吸排气压比是随之增加的。压缩机运转频率为90 Hz时的吸排气压比，一直大于运转频率为70、50 Hz时的气压比，运转频率为50 Hz时的气压比相对最小。

实验通过调节膨胀阀的开度来确保压缩机吸气过热度的恒定，即将膨胀阀在不同运转频率下对制冷剂的节流效果视为相似。但在同一管路内，制冷剂的流动阻力随着流量的增加而增大，即制冷剂在管路内的压降随着压缩机运转频率的升高而增大，因此压缩机的吸排气压差是随压缩机运转频率的升高而增大，致使吸排气压比同样增大。

压缩机的容积效率表示压缩机内部压缩腔的有效利用程度，它主要与容积系数、压力系数、温度系数和泄漏系数有关。其中，容积系数是指压缩机实际输气量与理论输气量的比值，它反映了容积式压缩机气缸工作容积的有效利用程度。图3所示为过热度对压缩机容积效率的影响曲线。由图3可知，在相同蒸发温度、冷凝温度工况下，当压缩机运转频率为定值时，吸气过热度越大，压缩机容积效率就越小。这是因为系统吸排气压比是与吸气过热度成正比的(见图2)，故压缩机容积效率与吸排气压比成反比，王枫等人的研究[7]也表明了这一结果。

图3 过热度对容积效率的影响

压缩机的运转频率较高，则其容积效率也较高。这是由于系统内工质循环流量的增加引起的，当工质在换热器内的流速增加后，换热器的总换热系数增加，蒸发器换热温差减小、蒸发温度和蒸发压力升高，最终引起吸排气压比进一步减小、容积效率进一步提高。

在保持蒸发器换热量恒定的情况下，随着吸气过热度的升高，系统蒸发压力降低，蒸发温度也降低。与吸气过热度的升高幅度相比，蒸发温度的降低可忽略不计。实验以5 ℃的蒸发温度为基准，测量吸气过热度对工质比容的影响，结果如图4所示。

图4 过热度对制冷剂比容的影响

由图4可看出，制冷剂比容(vr，in)随着吸气过热度的升高而增加，吸气过热度每升高5 ℃，制冷剂比容的增大幅度约为2.14%～2.62%。制冷剂比容的降低，表征制冷剂循环流量的降低，结果会削弱系统制冷量。

3 结 论

基于实验结果，得出以下结论：

(1) 在蒸发温度、冷凝温度为定值时，随着压缩机运转频率的增加，制冷剂循环流量将增加，从而使得系统制冷量增大；当过热度增大时，系统制冷量会减小。

(2) 在保持蒸发器换热量恒定的情况下，压缩机以不同频率运转时，吸排气压比与过热度和压缩机运转频率成正比；在相同蒸发温度、冷凝温度工况下，压缩机容积效率随着吸气过热度的增加而减小，随着吸排气压比的减小而增大。此外，工质比容是随着吸气过热度的升高而增加，吸气过热度每升高5 ℃，工质比容增大的幅度约为2.14%～2.62%。