活塞式制冷压缩机变频对制冷系统性能的影响

黄海波

（厦门新洋达环境科技有限公司，厦门，361013）

活塞式制冷压缩机广泛应用于冷库制冷系统，通过改变制冷压缩机电机频率可以调节压缩机转速，改变制冷剂流量，使制冷系统制冷量与变化的负荷相适应，有利于制冷系统的节能与稳定。

近年来，提升冷库制冷系统运行性能受到关注：低压补气模式相较于不补气模式，可以有效降低冷库制冷系统的压缩机排气温度［1-2］；在传统的过热度控制策略中，将压缩机频率变化作为干扰量提前输入，可提高变容量调节制冷系统的过热度控制精度［3］；对于可变压比的变频螺杆式制冷压缩机，在不同工况下，均存在最佳运行转速使压缩机运行效率最高［4］；对风冷冷凝器风机进行变频调节，应考虑冷库库温设定值，库温较高时方有利于提高制冷系统运行性能［5］。

为了研究活塞式制冷压缩机变频对制冷系统性能的影响，本文将依托冷库制冷系统性能实验台，对该方向展开研究。

1 试验装置及测试方法

图1为冷库制冷装置示意图。活塞式制冷压缩机排出的高温高压制冷剂蒸气进入油分，经风冷冷凝器冷凝后进入贮液器、干燥过滤器和回热器，再经热力膨胀阀节流降压后进入安装于冷库内的冷风机，吸收库内热量后汽化为低温低压的制冷剂蒸气进入压缩机被压缩。

图1 冷库制冷装置示意图

系统中测点布置如图1所示，测试数据包括温度、压力、流量和压缩机功率，由微机测试系统进行数据采集。温度检测采用Pt100温度传感器，精度为±0.15 ℃；压力检测采用压力探头，精度为±0.25 %；流量检测采用液体涡轮流量计，精度为±0.5 %；功率检测采用数字功率计，精度为±0.1 %。每隔1分钟采集一次试验数据。

试验期间外界气温为15～19 ℃，为了模拟库房负荷，在冷库内放置3组电加热器，每组电加热器功率为1.2 kW。试验过程中为了比对不同冷凝压力对制冷系统运行性能的影响，通过冷凝器风机变频器将风机频率分别调至50 Hz和30 Hz两档，改变冷凝器换热性能，使制冷系统在不同的冷凝压力下运行。在冷凝器风机频率为50 Hz和30 Hz两种工况下，测试压缩机电机频率分别为50、45、40和35 Hz工况下的制冷系统运行参数，取库温-18±1 ℃的稳态数据进行分析。

制冷系统的体积流量通过安装在贮液器出口的液体涡轮流量计测得，与该处的制冷剂密度相乘，可求得制冷剂的质量流量。

将质量流量与蒸发器进出口焓差相乘，可得制冷系统制冷量：

性能系数：

式中qm—质量流量，kg•h-1；

qv—体积流量，m3•h-1；

ρ—密度，kg•m-3；

Q—制冷量，kW；

采用进口多相流泵和专有微气泡释放技术为核心的微气泡生成系统。微气泡采用大尺寸管道释放，可调节，不易结垢和堵塞;注气量小，仅为处理水量的2%～3%(体积比，标态气体)，不需要配套庞大的辅助制氮系统;微气泡粒径小(5～30μm)，均匀性好，可实现微气泡纯物理破乳，无需化学药剂，不产生含油污泥。

he—蒸发器出口焓值，kJ•kg-1；

hv—蒸发器进口焓值，kJ•kg-1；

cop—性能系数；

W—压缩机功率，kW。

计算过程所需的制冷剂物性参数密度和焓，均可通过EES软件，由测试点的温度和压力两个参数求得。

2 试验结果及分析

在冷凝器风机频率为50 Hz和30 Hz两种工况下，制冷系统冷凝压力和蒸发压力随压缩机电机频率变化曲线如图2和图3所示。

图2 冷凝压力随压缩机电机频率的变化

图3 蒸发压力随压缩机电机频率的变化

由图可知，在冷凝器风机频率为50 Hz和30 Hz两种工况下，冷凝压力均随压缩机电机频率的升高而增大，蒸发压力则减小。这是因为随着压缩机电机频率的升高，压缩机输气量增大导致冷凝压力上升，蒸发压力下降。当压缩机电机频率一定时，冷凝器风机频率若是降低，由于冷凝器换热性能减弱，将引起冷凝压力上升；蒸发压力除了受压缩机输气量影响，还与通过热力膨胀阀进入冷风机的制冷剂流量有关，是多因素综合调控的结果［6］，故蒸发压力变化规律较为复杂。

图4 质量流量随压缩机电机频率的变化

制冷量、压缩机功率和制冷系统COP随压缩机电机频率变化曲线如图5、图6和图7所示。

图5 制冷量随压缩机电机频率的变化

图6 压缩机功率随压缩机电机频率的变化

图7 制冷系统COP随压缩机电机频率的变化

由图可知，制冷量和制冷剂质量流量走势相近，均随压缩机电机频率的升高而增大，说明制冷量大小主要是受制冷剂流量的影响。压缩机功率受压缩机电机频率的影响较大，随压缩机电机频率的升高而线性递增，冷凝器换热性能变化对其影响较小。在制冷量与压缩机功率二者的综合影响下，制冷系统COP随压缩机电机频率的升高反而减小，说明增大压缩机电机频率，虽然提高了制冷量，但压缩机功率也随之增大，且功率对制冷系统COP的影响更大。

为了综合评判压缩机电机变频对运行能耗的影响，分别统计了不同压缩机电机频率下，冷库库温从-17 ℃降到-18 ℃的运行时间如图8所示。

图8 降温时间随压缩机电机频率的变化

可以看出，随着压缩机电机频率的降低，制冷量减小，降温速度变慢，降温时间延长。

压缩机运行能耗变化曲线如图9所示。

图9 压缩机运行能耗随压缩机电机频率的变化

受降温时间延长的影响，虽然压缩机电机频率降低可以减小压缩机功率，但综合起来还是增大了压缩机运行能耗。考虑到冷库制冷系统耗能设备除了压缩机，还有冷风机和冷凝器风机，如果把这二者的耗电量也加上，那么由于降温时间延长导致的冷库制冷系统运行总能耗将增加更多。

3 结论

通过研究活塞式制冷压缩机变频对冷库制冷系统性能的影响，可得如下结论：

（1）制冷压缩机变频对冷库制冷系统制冷量、压缩机功率和制冷系统COP均有显著影响，压缩机电机频率升高将增大制冷量和压缩机功率，但降低制冷系统COP。

（2）在库内负荷不变的情况下，降低压缩机电机频率将延长冷库降温时间，增大制冷系统运行能耗。