楊僑明，張?zhí)煲?，李日華，劉　華，夏光輝

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

制冷螺桿壓縮機(jī)工況匹配研究

楊僑明，張?zhí)煲?，李日華，劉華，夏光輝

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]在滿(mǎn)負(fù)荷及部分負(fù)荷，螺桿制冷壓縮機(jī)具有相應(yīng)的設(shè)計(jì)工況。壓縮機(jī)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況的匹配程度，直接影響制冷系統(tǒng)的COP。對(duì)工況匹配進(jìn)行研究，可使螺桿壓縮機(jī)獲得最佳的綜合性能。

[關(guān)鍵詞]螺桿制冷壓縮機(jī)；匹配程度；內(nèi)容積比；設(shè)計(jì)工況；IPLV

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者簡(jiǎn)介：楊僑明(1989-)，男，工程師，從事制冷螺桿壓縮機(jī)研發(fā)。Email：yangqiaom@126.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)04-011-07

[中圖分類(lèi)號(hào)]TB652；TH45[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.003

Abstract：When working in full load or part load，twin screw refrigerating compressors have corresponding design condition.The matching level of practical and design conditions，affect COP of refrigerating systems directly.Research on the matching level of working conditions，could lead to optimal integrative efficiency for twin screw compressors.

Research on Condition Matching of Twin-screw

Refrigerating Compressors

YANG Qiaoming，ZHANG Tianyi，LI Rihua，LIU Hua，XIA Guanghui

( Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China )

Key words:Twin screw refrigerating compressors；Matching level；Internal volume ratio；Design condition；IPLV

1引言

螺桿壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在制冷及低溫冷凍領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。螺桿壓縮機(jī)具有一對(duì)相互嚙合的轉(zhuǎn)子，兩個(gè)轉(zhuǎn)子與機(jī)體通過(guò)間隙密封，形成封閉的齒間容積。隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，該齒間容積周期性的連通吸氣口與排氣口，從而完成吸氣、壓縮、排氣的過(guò)程。

由于用戶(hù)的冷量需求經(jīng)常發(fā)生變化，制冷系統(tǒng)經(jīng)常在不同工況及負(fù)荷運(yùn)行。螺桿壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心部件，能夠適應(yīng)不同的工況，并能通過(guò)容量調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)不同的負(fù)荷。然而，當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況較多時(shí)，往往表現(xiàn)為耗功增大、能效偏低。

半封閉式的螺桿壓縮機(jī)，常常具有容量調(diào)節(jié)滑閥?；y上具有徑向排氣孔口，該孔口直接決定了壓縮機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的內(nèi)容積比，進(jìn)而確定壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工況。而當(dāng)滑閥隨油活塞進(jìn)行軸向移動(dòng)時(shí)，不僅壓縮機(jī)的負(fù)荷變化，其內(nèi)容積比也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)工況的變化。

由于機(jī)組工況及負(fù)荷多變，壓縮機(jī)往往無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工況的運(yùn)行。壓縮機(jī)長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，不僅“不經(jīng)濟(jì)”，也會(huì)在一定程度上降低壓縮機(jī)的使用壽命。進(jìn)行螺桿壓縮機(jī)工況匹配研究，旨在通過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，使壓縮機(jī)的最佳運(yùn)行工況與實(shí)際工況充分接近，提高壓縮機(jī)運(yùn)行效率。

針對(duì)某系列螺桿壓縮機(jī)，設(shè)計(jì)加工了四個(gè)具有不同內(nèi)容積比的滑閥，取相同蒸發(fā)溫度5℃，滑閥在滿(mǎn)負(fù)荷所對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)工況如表1所示。以這些滑閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，本文將從不同工況、不同負(fù)荷、不同工況及負(fù)荷(IPLV)三方面來(lái)研究螺桿壓縮機(jī)的工況匹配。

表1不同滑閥所對(duì)應(yīng)滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況

Sheet 1Design condition corresponding to different Vi

Vi設(shè)計(jì)工況1.75/222.25/322.65/383.25/47

2螺桿壓縮機(jī)對(duì)不同工況的匹配

前文提到，壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)滑閥的徑向排氣口，直接決定了壓縮機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的內(nèi)容積比。在工況一定時(shí)，內(nèi)容積比確定了壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比。而壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況則確定了壓縮機(jī)的外壓力比。內(nèi)外壓比不相等，表現(xiàn)為過(guò)壓縮或欠壓縮，兩者均會(huì)造成壓縮機(jī)的額外功耗而降低制冷系統(tǒng)的COP。

對(duì)于不同內(nèi)容積比的滑閥，分別在如表1所示四個(gè)工況滿(mǎn)負(fù)荷進(jìn)行性能測(cè)試。圖1所示為不同工況下，壓縮機(jī)制冷量隨滑閥內(nèi)容積比的變化。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑閥內(nèi)容積比變化時(shí)，制冷量的變化幅度很小，并且制冷量大小的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律可循。這主要是因?yàn)閴嚎s機(jī)制冷量主要由工況及排氣量決定，而滑閥內(nèi)容積比的變化對(duì)二者都沒(méi)有明顯的影響。

圖1　不同工況制冷量Figure.1　Q0 in different conditions

圖2(a)所示為不同工況下，壓縮機(jī)輸入功率隨滑閥內(nèi)容積比的變化。圖2(b)所示為各個(gè)工況，不同滑閥輸入功率相對(duì)于設(shè)計(jì)工況輸入功率的變動(dòng)率?？砂l(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)工況與滑閥對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)工況相匹配時(shí)，輸入功率最小。隨著實(shí)驗(yàn)工況與滑閥設(shè)計(jì)工況偏離的加大，輸入功率也增大，這是由于過(guò)壓縮或欠壓縮的功率損失造成的。對(duì)于5/22℃工況，Vi=1.7處于設(shè)計(jì)工況，其余均處于過(guò)壓縮狀態(tài)，偏離設(shè)計(jì)工況所造成最大輸入功率損失為8.22kW，占設(shè)計(jì)工況輸入功率的30.21%。對(duì)于5/47℃工況，Vi=3.2處于設(shè)計(jì)工況，其余均處于欠壓縮狀態(tài)，偏離設(shè)計(jì)工況所造成最大輸入功率損失為7.97kW，占設(shè)計(jì)工況輸入功率的13.86%。當(dāng)Vi=2.2及2.6時(shí)，運(yùn)行在低冷凝溫度工況的功率損失比高冷凝溫度功率損失大?？梢?jiàn)，過(guò)壓縮所造成的輸入功率損失比率更大。從整體來(lái)看，Vi=2.2及2.6的情況，功率損失相對(duì)較小。

圖3(a)所示為不同工況及Vi下，壓縮機(jī)COP的變化。可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)處于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，COP最高，偏離設(shè)計(jì)工況越遠(yuǎn)，COP越低。圖3(b)所示為不同工況下，COP的變動(dòng)?？梢?jiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行在5/22℃工況時(shí)，COP變化幅度最大，此工況下，除Vi=1.7外，其余均處于過(guò)壓縮狀態(tài)。Vi=1.7要比Vi=3.2的COP高2.33，過(guò)壓縮可造成COP變動(dòng)率達(dá)23.34%。在其余工況下，盡管COP變化幅度都不大，但COP變動(dòng)率仍然有不低于8.5%的數(shù)值?？梢?jiàn)，工況的不匹配，對(duì)滿(mǎn)負(fù)荷COP的影響極為明顯。同時(shí)，隨著冷凝溫度的升高，存在最佳運(yùn)行工況，該工況下COP變動(dòng)率最小，對(duì)Vi的變化最不敏感。

圖2　不同工況輸入功率及其損失比率Figure.2　Pe and its lose proportion in different conditions

圖3　不同工況COP及其變動(dòng)Figure.3　COP in different conditions

3螺桿壓縮機(jī)對(duì)不同負(fù)荷的匹配

螺桿壓縮機(jī)采用滑閥進(jìn)行容量調(diào)節(jié)，以便適應(yīng)負(fù)荷的變化。當(dāng)滑閥進(jìn)行軸向移動(dòng)時(shí)，不僅轉(zhuǎn)子有效工作段發(fā)生變化，壓縮機(jī)的排氣口也隨之發(fā)生變化。如圖4所示，隨著滑閥行程的變化，部分負(fù)荷內(nèi)容積比也發(fā)生變化。內(nèi)容積比曲線可分為三段，第一段是滑閥開(kāi)始移動(dòng)直至內(nèi)容積比達(dá)到最高，第二段內(nèi)容積比呈線性下降，第三段內(nèi)容積比恒為1。一般情況下，75%、50%、25%負(fù)荷分別位于第一、第二、第三段內(nèi)?？砂l(fā)現(xiàn)，部分負(fù)荷內(nèi)容積比均低于滿(mǎn)負(fù)荷。當(dāng)壓縮機(jī)處于滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，部分負(fù)荷處于欠壓縮狀態(tài)。

圖4　壓縮機(jī)理論內(nèi)容積比變化曲線Figure.4　Vi diagram in theory

當(dāng)滑閥內(nèi)容積比不同時(shí)，部分負(fù)荷內(nèi)容積比變化如圖5所示?？砂l(fā)現(xiàn)，隨著滑閥Vi的降低，75%負(fù)荷內(nèi)容積比逐漸降低?；yVi=3.2、2.6、2.2時(shí)，50%負(fù)荷內(nèi)容積比相同，均位于內(nèi)容積比曲線的第二段內(nèi)，而滑閥Vi=1.7時(shí)，50%負(fù)荷仍處于曲線第一段，內(nèi)容積比較低。25%負(fù)荷，各滑閥所對(duì)應(yīng)得內(nèi)容積比相同，此負(fù)荷吸排氣腔連通，壓縮機(jī)無(wú)內(nèi)壓縮過(guò)程。

圖5　壓縮機(jī)采用不同滑閥時(shí)內(nèi)容積比曲線Figure.5　Vi diagrams of different slide valves

圖6　不同工況75%負(fù)荷制冷量Figure.6　Q0 of 75% load in different conditions

圖6所示為不同工況75%負(fù)荷制冷量的變化。可發(fā)現(xiàn)，制冷量在5/32℃、5/38℃無(wú)明顯變化規(guī)律。在5/47℃工況，制冷量呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，這是由于電機(jī)功率逐漸降低，吸氣過(guò)熱減小所致。

圖7　不同工況75%負(fù)荷輸入功率及其變動(dòng)率Figure.7　Pe and its lose proportion of 75% load in different conditions

圖7(a)所示為不同工況75%負(fù)荷輸入功率的變化。與滿(mǎn)負(fù)荷變化規(guī)律相似，壓縮機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況與運(yùn)行工況相同時(shí)，輸入功率最小。由此可見(jiàn)75%負(fù)荷內(nèi)容積比與滿(mǎn)負(fù)荷最為接近，這與理論計(jì)算容積曲線有所偏差，這是由于75%負(fù)荷，滑閥移動(dòng)距離很短，旁通口很小所致。隨著壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)工況與滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況的偏離，輸入功率變大。圖7(b)所示為輸入功率變動(dòng)率，在5/47℃工況，最大功率損失達(dá)23.20%，而在5/32℃工況，最大功率損失為8.53%。采用低內(nèi)容積比的壓縮機(jī)運(yùn)行在高壓差工況時(shí)，功率損失更大。Vi=2.6時(shí)，整體功率損失最低。

圖8(a)所示為不同工況COP變化。與滿(mǎn)負(fù)荷相似，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行工況與滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況相同時(shí)，壓縮機(jī)COP最高。圖8(b)所示為各個(gè)工況COP變動(dòng)。隨著冷凝溫度的升高，不同內(nèi)容積比滑閥的COP變動(dòng)量逐漸加大，COP變動(dòng)率更是有顯著增長(zhǎng)。5/47℃工況下，COP變動(dòng)率達(dá)到23.66%。由此可見(jiàn)，當(dāng)冷凝溫度較高時(shí)，采用Vi更大的滑閥運(yùn)行更為經(jīng)濟(jì)，工況匹配性更好。

圖9、10、11所示為不同工況50%負(fù)荷的制冷量、功率、COP的變化。由前文知，滑閥Vi=3.2、2.6、2.2時(shí)，50%負(fù)荷壓縮機(jī)內(nèi)容積比相等。因此，這三種情況壓縮機(jī)的制冷量、功率、COP相差不大。而當(dāng)滑閥Vi=1.7時(shí)，50%負(fù)荷壓縮機(jī)內(nèi)容積比偏小。此種情況，壓縮機(jī)在各個(gè)運(yùn)行工況壓縮機(jī)輸入功率損失更大，因此輸入功率偏高、COP偏低，此時(shí)工況匹配性較差。因此，在滑閥設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免50%負(fù)荷落入內(nèi)容積比曲線的第一段內(nèi)。

圖8　不同工況75%負(fù)荷COP及其變動(dòng)Figure.8　COP and its changing proportion of 75% load in different conditions

圖9　不同工況50%負(fù)荷制冷量Figure.9　Q0 of 50% load in different conditions

圖10　不同工況50%負(fù)荷輸入功率Figure.10　Pe of 50% load in different conditions

圖11　不同工況50%負(fù)荷COPFigure.11　COP of 50% load in different conditions

圖12　不同工況制冷量Figure.12　Q0 in different conditions

4螺桿壓縮機(jī)對(duì)IPLV工況的匹配

綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)，即IPLV，是評(píng)價(jià)螺桿機(jī)組及螺桿壓縮機(jī)的重要性能指標(biāo)。該指標(biāo)主要考核螺桿機(jī)組在部分負(fù)荷時(shí)的性能。國(guó)標(biāo)GB/T18430規(guī)定了水冷螺桿機(jī)組IPLV的測(cè)試工況，如表2所示。為了在試驗(yàn)階段預(yù)測(cè)螺桿壓縮機(jī)的IPLV性能，根據(jù)機(jī)組IPLV工況，確定壓縮機(jī)的IPLV測(cè)試工況，詳見(jiàn)表2。

針對(duì)不同內(nèi)容積比滑閥，分別測(cè)試壓縮機(jī)的IPLV工況。圖12所示為不同工況制冷量的變化，在各個(gè)工況，制冷量變化不大。圖13所示為不同工況輸入功率的變化。Vi=2.6在各個(gè)工況輸入功率整體最低，功率損失最小，Vi=2.2次之。Vi=1.7及3.2的輸入功率相對(duì)較高，功率損失較大。COP變化具有同輸入功率相似的變化規(guī)律，如圖14所示。圖15所示為根據(jù)螺桿機(jī)組國(guó)標(biāo)IPLV加權(quán)因素求得的壓縮機(jī)IPLV數(shù)值。Vi=2.6兼顧了四個(gè)不同工況，其IPLV數(shù)值較高。IPLV變化曲線存在最高點(diǎn)，在Vi=2.2～3.2之間。在最高點(diǎn)，壓縮機(jī)對(duì)IPLV工況的匹配性最佳。

表2螺桿機(jī)組IPLV工況及壓縮機(jī)IPLV測(cè)試工況

Sheet 2IPLV conditions of twin-screw unit and compressor

Load蒸發(fā)器出水溫度冷凝器進(jìn)水溫度壓縮機(jī)蒸發(fā)溫度壓縮機(jī)冷凝溫度100%73053775%72653250%72352725%719522

圖13　不同工況輸入功率Figure.13　Pe in different conditions

圖14　不同工況COPFigure.8　COP in different conditions

圖15　采用不同Vi時(shí)的IPLVFigure.15　IPLV of different Vi

5總結(jié)

通過(guò)前文的數(shù)據(jù)分析，可得到如下結(jié)果：

(1)壓縮機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，滑閥內(nèi)容積比變化，壓縮機(jī)的制冷量基本不變。部分負(fù)荷制冷量也基本保持不變，僅在高冷凝溫度工況，由于電機(jī)功率偏差較大，制冷量有小幅變化。

(2)壓縮機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，滿(mǎn)負(fù)荷輸入功率最低。采用低內(nèi)容積比滑閥運(yùn)行高冷凝溫度工況，功率損失最大可達(dá)30.21%。采用高內(nèi)容積比滑閥運(yùn)行低冷凝溫度工況，功率損失最大可達(dá)13.86%。75%負(fù)荷輸入功率變化情況與滿(mǎn)負(fù)荷類(lèi)似。在100%及75%負(fù)荷，工況的不匹配，對(duì)輸入功率的影響極為顯著。在50%負(fù)荷，壓縮機(jī)理論內(nèi)容積比是影響制冷量、輸入功率、COP的主要因素。

(3)在滿(mǎn)負(fù)荷及75%負(fù)荷，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行于滿(mǎn)負(fù)荷設(shè)計(jì)工況時(shí)，COP最高。運(yùn)行工況與壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工況偏離時(shí)，COP顯著降低，最高降幅達(dá)23%。

(4)對(duì)IPLV工況，采用中等內(nèi)容積的滑閥時(shí)，輸入功率更低、COP更高。根據(jù)螺桿機(jī)組國(guó)標(biāo)的加權(quán)因素進(jìn)行計(jì)算，得到最佳的IPLV值處于Vi=2.2～3.2之間。

螺桿壓縮機(jī)的工況匹配，要求壓縮機(jī)盡量在接近設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。當(dāng)壓縮機(jī)在機(jī)組中具有較為恒定的運(yùn)行工況及負(fù)荷時(shí)，可以針對(duì)該工況及負(fù)荷，設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的滑閥，使壓縮機(jī)處于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。而實(shí)際情況中，由于壓縮機(jī)制造成本高，同一臺(tái)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)往往要適應(yīng)多種工況的高效運(yùn)行。此時(shí)，滑閥的設(shè)計(jì)就應(yīng)當(dāng)兼顧各個(gè)工況。根據(jù)前文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)處于降低損失、提高能效的考慮，壓縮機(jī)在高冷凝溫度運(yùn)行較多時(shí)，滑閥Vi必須取大，壓縮機(jī)在低冷凝溫度工況運(yùn)行較多時(shí)，滑閥Vi必須取小。

2)壓縮機(jī)在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行較多。如果壓縮機(jī)要同時(shí)滿(mǎn)足低冷凝溫度和高冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是1.7

3)壓縮機(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行較多。如果壓縮機(jī)要同時(shí)滿(mǎn)足低冷凝溫度和高冷凝溫度工況，或者同時(shí)滿(mǎn)足中高冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是Vi≥2.2。如果壓縮機(jī)要同時(shí)滿(mǎn)足中低冷凝溫度工況，滑閥Vi取值范圍是2.2≤Vi≤2.6。滑閥Vi的選取，還應(yīng)保證50%負(fù)荷內(nèi)容積比落在內(nèi)容積比曲線的第二段內(nèi)。

4)壓縮機(jī)在滑閥2.2≤Vi≤2.6的范圍內(nèi)，可取得較高的螺桿機(jī)組IPLV性能。當(dāng)滑閥的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足前述Vi范圍時(shí)，應(yīng)盡量靠近2.2≤Vi≤2.6，以使其綜合性能更高。

參考文獻(xiàn)6

[1] 邢子文.螺桿壓縮機(jī)——理論、設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

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