范立娜， 陶樂仁， 楊麗輝

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)降低吸氣干度對容積效率的影響

范立娜， 陶樂仁， 楊麗輝

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

利用變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺測量了吸氣干度x＞0.9時(shí)壓縮機(jī)的容積效率.結(jié)果表明，當(dāng)0.9＜x＜1時(shí)，容積效率隨系統(tǒng)壓比的增大和干度的降低而減小.在相同的頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率隨干度下降的趨勢相似.高背壓低吸氣壓損的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在少量吸氣帶液時(shí)容積效率下降較小，在干度較大（x＞0.95）和額定轉(zhuǎn)速時(shí)，容積效率僅下降1%，因此，此類壓縮機(jī)適合用于少量吸氣帶液的運(yùn)行.

變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)；吸氣干度；容積效率；濕壓縮；實(shí)驗(yàn)研究

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲及高效率 等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于房間空調(diào)器，壓縮機(jī)在整個(gè)空調(diào)器的能耗中占有很大的比重.傳統(tǒng)的蒸汽壓縮系統(tǒng)都是將壓縮機(jī)吸氣控制在過熱狀態(tài).近幾年的研究表明，越來越多的研究關(guān)注于將壓縮機(jī)運(yùn)行控制在少量吸氣帶液的狀態(tài)［1-4］.滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)同時(shí)又是抗液擊性能良好的壓縮機(jī).文獻(xiàn)［3-4］的研究表明，在少量吸氣帶液時(shí)，系統(tǒng)的制冷量和性能系數(shù)COP都有所提高.

壓縮機(jī)容積效率與系統(tǒng)制冷量密切相關(guān)，關(guān)于吸氣過熱時(shí)壓縮機(jī)容積效率的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟［5-8］，但目前關(guān)于吸氣帶液時(shí)的容積效率的研究仍然需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［9］.陶宏等進(jìn)行了負(fù)過熱度時(shí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究［10］，并提供了過熱度修正的建議.源生一太郎分析了在吸氣帶液時(shí)壓縮機(jī)容積效率的變化，指出由于濕蒸氣的密度較大，吸氣壓阻也較大，因而造成壓縮機(jī)容積效率下降［11］.

壓縮機(jī)容積效率下降過大，將造成制冷系統(tǒng)性能的大幅下降.源生一太郎的研究數(shù)據(jù)是基于老式的活塞壓縮機(jī)，然而壓縮機(jī)技術(shù)日新月異，新的機(jī)型和更優(yōu)化的設(shè)計(jì)大幅度提高了壓縮機(jī)的容積效率，也改變了濕壓縮時(shí)容積效率的變化趨勢.因此，本文針對房間空調(diào)器常用的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)進(jìn)行了少量吸氣帶液時(shí)壓縮容積效率的研究，揭示了在少量吸氣帶液下容積效率隨吸氣干度變化的趨勢，并分析了變化趨勢及原因.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.設(shè)定冷卻水和冷凍水溫度，使系統(tǒng)運(yùn)行在特定的工況，設(shè)定壓縮機(jī)頻率.每個(gè)工況從系統(tǒng)壓比PR=5的過熱狀態(tài)開始，手動(dòng)增大膨脹閥開度，系統(tǒng)壓比和排氣溫度將不斷降低.為了避免壓縮機(jī)液擊損壞，本實(shí)驗(yàn)將壓縮機(jī)排氣溫度控制到接近冷凝溫度，所對應(yīng)的吸氣干度基本為0.9.觀察蒸發(fā)器出口處可視管2內(nèi)的制冷劑狀態(tài)，確定吸氣狀態(tài)改變時(shí)膨脹閥的開度.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental apparatus

2 容積效率計(jì)算

由實(shí)驗(yàn)儀表可測得冷凍水體積流量qVW，進(jìn)口、出口水溫Tw，l和Tw，e，制冷劑過冷壓力Psc和過冷溫度Tsc，蒸發(fā)器出口壓力Pe，壓縮機(jī)排氣壓力Pd，制冷劑質(zhì)量流量m和壓縮機(jī)耗功W.利用Refprop物性軟件和以下公式可得到蒸發(fā)器出口的干度x和壓縮機(jī)的容積效率ηV.

制冷量

式中，ρw和Cpw分別為水的密度和比熱容.

制冷劑過冷比焓

蒸發(fā)器出口的焓

蒸發(fā)器出口的干度

根據(jù)Refprop物性軟件的定義，當(dāng)制冷劑蒸汽為過熱時(shí)，x＞1.

蒸發(fā)器出口的比容

壓縮機(jī)的容積效率

系統(tǒng)壓比

壓縮機(jī)采用上海日立電氣的FG720CG1UY滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，每轉(zhuǎn)理論排氣量Vd=10.9 L／r，N為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 12℃和42℃工況的容積效率

文獻(xiàn)［5］分析了影響滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)容積效率的因素主要有：排氣頂隙體積再膨脹；吸氣、排氣口的壓力損失；內(nèi)部氣體泄漏；吸氣溫升.內(nèi)部壓力損失越大，壓縮機(jī)排氣溫度越高，將引起更大的容積膨脹，從而降低了容積效率.

通常研究容積效率時(shí)固定壓縮機(jī)的系統(tǒng)壓比，對固定工況下壓縮機(jī)容積效率的研究可以為更好地控制系統(tǒng)流量提供重要參考.設(shè)定冷凍水和冷卻水出水溫度為12℃和42℃，分別測得壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率為35，50，72和90 Hz時(shí)的制冷量、系統(tǒng)壓比和壓縮機(jī)容積效率.測量的制冷量隨過熱度和干度的變化趨勢如圖2所示，可以看出，在少量吸氣帶液時(shí)，系統(tǒng)制冷量達(dá)到最大值，而且在0.9～1的干度區(qū)間系統(tǒng)制冷量下降不大.通常的制冷系統(tǒng)是將吸氣過熱度控制在5～10 K之間，由圖2可知，通過少量吸氣帶液可以提高系統(tǒng)的制冷量.

圖3為同樣工況下，系統(tǒng)壓比隨過熱度和干度變化的趨勢，可以看出，隨著吸氣過熱度的降低，系統(tǒng)壓比不斷降低，原因是蒸發(fā)器的兩相區(qū)增長，蒸發(fā)壓力上升.當(dāng)少量吸氣帶液（0.9＜x＜1）時(shí)，蒸發(fā)器出口的制冷劑含有少量液滴，其換熱系數(shù)在此區(qū)間基本不變，因此，蒸發(fā)器壓力也基本不變，系統(tǒng)壓比基本恒定.

圖2 制冷量變化Fig.2 Change of cooling capacity

圖3 系統(tǒng)壓比變化Fig.3 Pressure ratio

圖4 容積效率變化Fig.4 Volumetric efficiency

圖4反應(yīng)了容積效率隨吸氣狀態(tài)的變化趨勢.吸氣過熱度越大，系統(tǒng)壓比也越大，所以，容積效率則越低.由圖4可知，壓縮機(jī)吸氣帶液引起了容積效率的降低，分析原因如下：a.由于液體制冷劑具有更大的密度，在吸氣口將產(chǎn)生更大的壓降，且吸氣溫升將使小液滴閃發(fā)引起的容積膨脹更大，因此，由于吸氣壓降和溫升引起的容積效率下降更大；b.在壓縮腔內(nèi)起潤滑密封作用的油膜將更容易吸收液體制冷大（x＞0.95）時(shí)，72 Hz和35 Hz下降分別為1.0%和3.0%，這是因?yàn)樯倭课鼩鈳б簬淼奈鼩鈮航岛蜏厣龑θ莘e效率的影響并不大.少量吸氣帶液在高溫壓縮腔內(nèi)完全閃發(fā)，不會改變密封油膜的特性，不會引起內(nèi)部泄露的增加.而且吸氣帶液降低了系統(tǒng)壓比，降低了壓縮腔壁溫，對容積效率有利.從圖5和表1中還可以看出，在72 Hz的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率時(shí)，容積效率隨干度下降的比率最?。?0 Hz和90 Hz時(shí)，下降速率較小；35 Hz時(shí)，容積效率下降的比率最大.這說明運(yùn)轉(zhuǎn)頻率距離額定轉(zhuǎn)速越遠(yuǎn)，其由于吸入濕蒸汽而引起的容積效率下降越多，原因可能是非額定轉(zhuǎn)速時(shí)，吸氣壓降較大或油膜密封性能變差，這2個(gè)因素在濕壓縮時(shí)對容積效率的影響更大.劑，從而降低了油膜的黏度，增加了內(nèi)部泄露.

圖4和表1同時(shí)表明了在少量吸氣帶液時(shí)（x＞0.9），容積效率下降很小，72 Hz下降最少，為2.6%，35Hz下降最多，為8.1%.尤其是在干度較

表1 容積效率隨吸氣干度下降的對比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparison of volumetric efficiency under different suction vapor dryness

以上分析說明了吸氣帶液確實(shí)會降低壓縮機(jī)容積效率，但是，降低的程度卻不盡相同，這取決于壓縮機(jī)的類型和吸氣帶液的量.像滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式這類高背壓低吸氣壓損的壓縮機(jī)在少量吸氣帶液（x＞0.95）時(shí)，容積效率下降僅在3%以內(nèi).

3.2 不同工況下容積效率變化

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更低系統(tǒng)壓比工況的研究，進(jìn)一步了解壓縮機(jī)容積效率的變化普遍性.分別進(jìn)行了冷凍水溫度／冷卻水溫度為12℃／32℃和12℃／42℃這2個(gè)不同工況下的對比實(shí)驗(yàn)，這2個(gè)工況所對應(yīng)的冷凍水水溫相同，而冷卻水水溫不同.所以，在吸氣帶液時(shí)，兩者的吸氣壓力相差不大，系統(tǒng)壓比的不同主要是冷凝壓力引起的.

圖5 容積效率變化Fig.5 Change of volumetric efficiency

圖5給出了3個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和2種工況下，壓縮機(jī)容積效率和系統(tǒng)壓比隨吸氣干度的變化趨勢.從圖5中可以看出，當(dāng)吸氣飽和后，隨著吸氣干度的降低，同一運(yùn)行工況的系統(tǒng)壓比基本保持不變，工況2的系統(tǒng)壓比要比工況1的低.圖5中反映出當(dāng)吸氣帶液時(shí)：a.與吸氣過熱的情況相同，系統(tǒng)壓比越大，容積效率越低；b.與吸氣過熱時(shí)不同的是，吸氣過熱度與壓縮機(jī)的容積效率無關(guān)［4-5］，但吸氣干度（即負(fù)過熱度）是容積效率的一個(gè)重要影響因素；c.在所有的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和工況下，少量吸氣帶液時(shí)容積效率下降并不大.在相同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率隨干度變化的趨勢相似.在額定運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，容積效率隨吸氣干度的下降而下降的速度最慢.運(yùn)轉(zhuǎn)頻率距離額定頻率越遠(yuǎn)，則容積效率隨干度的下降而下降的速度越快.

4 結(jié) 論

通過對滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)吸氣干度x＞0.9的容積效率的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

a.當(dāng)吸氣干度為0.9～1時(shí)，壓縮機(jī)的容積效率不僅與系統(tǒng)壓比（即系統(tǒng)工況）有關(guān)，而且隨吸氣干度的下降而下降.

b.在相同頻率下，不同系統(tǒng)壓比的容積效率變化趨勢相似.在額定運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下，容積效率下降速率最慢.壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率距離額定運(yùn)轉(zhuǎn)頻率越遠(yuǎn)，則容積效率隨干度下降的速率越快.

c.高背壓低吸氣壓損的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)在少量吸氣帶液時(shí)容積效率下降較小.在干度較大時(shí)（x＞0.95）和額定轉(zhuǎn)速時(shí)，容積效率僅下降1%.此類壓縮機(jī)比較適合用于少量吸氣帶液的運(yùn)行狀態(tài).

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（編輯：石 瑛）

Influence of Decreasing Suction Vapor Quality on Volumetric Efficiency of Variable Speed Rotary Compressor

FANLi-na， TAOLe-ren， YANGLi-hui
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

The volumetric efficiency of rolling piston compressor was studied on a variable refrigerant flow system under the condition of suction vapor quality greater than 0.9.The experimental results show that when 0.9＜x＜1，volumetric efficiency decreases with the increase of pressure ratio and the decrease of vapor quality.Under the same frequency，volumetric efficiency under different compression ratio shows a similar change trend.The volumetric efficiency of rolling piston compressors with high backpressure and low suction pressure drop decreases slightly under a little liquid entrainment.The decreasing ratio is only 1%under a relatively large quality（x＞0.95）and at the rated operating speed.Therefore these compressors are suitable to operate with a little liquid entrainment.

variable speed rotary compressor；suction vapor quality；volumetric efficiency；wet compression；experimental study

TK 121

A

2013-10-13

教育部博導(dǎo)類聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（3312301001）

范立娜（1988-），女，碩士研究生.研究方向：變頻制冷.E-mail：fanlina1018＠163.com

陶樂仁（1962-），男，教授.研究方向：制冷及低溫工程.E-mail：cryo307＠usst.edu.cn

1007-6735（2014）04-0312-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.002