压缩机少量吸气带液对制冷系统性能的影响

杨丽辉陶乐仁李芳芹王乐民范立娜

(1上海理工大学 上海 200093；2上海电力学院 上海 200090)

压缩机少量吸气带液对制冷系统性能的影响

杨丽辉1陶乐仁1李芳芹2王乐民1范立娜1

(1上海理工大学 上海 200093；2上海电力学院 上海 200090)

利用滚动活塞式压缩制冷实验台测量了压缩机少量吸气带液时的系统性能。结果表明，在少量吸气带液时，压缩机容积效率和等熵压缩电效率仅略有下降，但系统压比降低，R22工质的理论压缩效率提高，因此系统性能提高。在一定的空调工况下，与7 K吸气过热度相比，0.98吸气干度时的系统制冷量和COP平均可提高约4%和2%。

压缩式制冷系统；滚动活塞式制冷压缩机；吸气带液；排气温度

干式蒸发器存在最小稳定过热度现象，当过热度低于这个值(5 K左右)后会突然下降并发生振荡[1]，为防止未蒸发完全的制冷剂液体造成压缩机液击损坏，一般将蒸发器出口的制冷剂状态控制到5～10 K的过热度[2]。蒸发器出口过热度的增大降低了蒸发器传热系数，同时也降低了制冷量和COP，目前仍有很多文献在研究过热度的优化控制方法[2－4]。

高背压的滚动转子和涡旋压缩机具有一定的抗湿压缩能力，近几年的研究表明了越来越多的学者关注于将压缩机运行在少量吸气带液的状态[5－7]。大金公司的矢岛龙三郎[8]进行了高压腔涡旋压缩机的吸气带液实验，提出了在R32系统内根据压缩机和润滑油特性，掌握降低吸气干度的极限，将压缩机排气温度降低到适用的范围，并且不降低系统的可靠性和性能。韩磊[6]的研究都表明了在少量吸气带液时，系统的制冷量和COP都有所提高。陶宏等[9]进行负吸气过热度时压缩机性能的研究，表明了吸气带液将降低压缩机性能。

压缩机吸气带液对制冷系统带来的影响是多方面的，目前关于压缩机吸气带液的研究仍很少，因此有必要做进一步的研究，以期更深入地了解压缩机少量吸气带液时系统性能的变化和利用压缩机排气温度控制吸气干度的方法。

1 实验装置及工况

实验装置及部件如图1所示，结构类同于一台小型变频冷水机组。压缩机采用上海日立电气的FG720CG1UY滚动活塞式压缩机，自带气液分离器。温度和压力传感器布置如图。采用科氏力流量计测量制冷剂质量流量，采用浮子流量计测量水体积流量。采用京都(KEM)HFM-215N热流计测量压缩机机壳的表面对流换热系数。

图1 实验装置图Fig.1 Experiment apparatus

设定冷却水和冷冻水出口温度，设定压缩机运转频率，手动调节电子膨胀阀开度直至压缩机排气温度接近冷凝温度，观察蒸发器出口处可视管2的制冷剂流动状态，判断压缩机是否吸气带液。

根据R22的物性和压缩机的效率，排气温度饱和时吸气干度约为0.9，而且由于压缩机自带气液分离器，此时吸入的气液混合物中的液态比例和粒径小，液体将在高温的压缩腔内迅速闪发而不会产生液击[5]。由于压缩机排气为过热或干饱和状态，也不会使得大量润滑油伴随液态制冷剂排出压缩机。但为避免制冷剂液滴对排气阀的冲击以及未完全蒸发的制冷剂液滴滴落油池[6]，应避免压缩机在负排气过热度状态(即排气温度等于冷凝温度时)长时间运转。

2 数据处理及计算公式

由图1中的仪器仪表可测得以下参数:冷冻水体积流量qvw；冷冻水进出口水温Tw，e和Tw，l；制冷剂过冷压力psc和过冷温度Tsc；蒸发器出口压力pe；压缩机排气压力pd；制冷剂质量流量m；压缩机耗功W；压缩机壁温Tshell和环境温度Tambient。

式中:Vd和N分别为压缩机的理论排气量和转速；ve为压缩机吸气比容。

等熵压缩电效率定义:

式中:he为吸气比焓；等熵压缩排气比焓hd，is＝f (pd，Se)；Se为吸气状态的熵。

根据能量守恒，得到排气比焓:

为了解吸气干度下降时排气比焓变化规律，将排气比焓分为耗功因子PD1，外壳散热因子PD2和吸气比焓因子PD3三个部分:

压缩机外壳散热量Φ可通过以下公式计算得出:

式中:K为压缩机机壳表面对流换热系数，本实验中压缩机外壳采用强制对流散热；A为压缩机外壳表面积。用热流计测量不同机壳温度下的表面对流换热系数，同时测量环境温度 Tambient和压缩机壁温Tshell，可通过曲线拟合得到机壳对流换热系数K与空气定性温度Tm的关系:

3 实验结果与分析

基于空调的运行工况，进行了冷水/冷却水出水温度为15℃/42℃的系统实验，膨胀阀前过冷度控制为5 K。

图2换热器传热温差Fig.2 Temperature approach of heat-exchangers

图2 给出了蒸发器传热温差TD1和冷凝器传热温差TD2随吸气过热度/干度的变化趋势。随着膨胀阀开度的增加，吸气过热度(两相区为干度)降低，蒸发器传热温差大幅下降，这是因为蒸发器内两相换热区增长提高了蒸发器的传热系数。但同时由于热负荷的增加，冷凝器的传热温差却逐渐增大，但增大的趋势比较缓和。总的来说相比于常规的蒸发器出口过热度(5～10 K)控制，少量吸气带液(x＞0.9)将降低系统压比pr(pr＝pd/pe)，见图3，这将给系统性能带来潜在好处。

图3系统压比Fig.3 System pressure ratio

图4 给出了压缩机容积效率和等熵压缩电效率随吸气过热度/干度的变化趋势。因为系统压比随吸气过热度的降低而降低，根据传统的压缩机效率与压比的关系，压缩机容积效率和电效率都随吸气过热度的降低而升高。吸气带液时压缩机效率的相关研究很少，陶宏[8]测试了负过热度的压缩机效率的部分数据，源生一太郎[10]给出了低背压设计的活塞压缩机在吸气带液时的容积效率变化趋势，并指出吸气干度的降低将降低压缩机的容积效率。而实验中采用的高背压滚动转子式压缩机由于没有吸气阀，故吸气压降损失较小，且其吸气口直接进入压缩腔，吸气过热也较小。在运行工况不变时，吸气带液还降低了系统压比，因此在少量吸气带液时，压缩机的容积效率比吸气饱和时仅略有下降，在额定运行频率72 Hz时，在x＞0.95时，容积效率的下降小于1%，如图4。

图4 压缩机效率Fig.4 Compressor performance

压缩机的等熵压缩电效率也是随压比的降低而升高。在少量吸气带液时由于压缩机内部不可逆损失的增大，并且运行点与设计点偏离，使得电效率也在少量吸气带液时也略有下降。但总的来说，压缩机性能下降比例小，而且吸气干度越接近1，下降比例越小。

根据Itard对纯制冷剂湿压缩的纯理论研究，发现有些在T-S图上饱和线为钟形的制冷剂在湿压缩时COP有所提高，因为湿压缩使得朗肯制冷循环更接近卡诺循环[11]。湿压缩时理论循环COP的变化与制冷剂的物性和运行工况有关[12]。表1给出了15 ℃/42℃工况下实验所测得的吸气饱和时所对应的蒸发温度和冷凝温度，并计算了等熵压缩过程的COP在不同吸气状态时相对于吸气饱和时的变化率。表1的数据表明了x＝0.95时，R22的理论循环效率与吸气饱和时相比提高约0.5%，与5 K过热度时相比提高约1%。

表1 R22理论COP变化Tab.1 R22 theoretic COP change

图5排气比焓组分Fig.5 Discharge enthalpy composition

图5 表明了压缩机排气比焓的三组分随吸气过热度/干度的变化趋势。从图中可以看出，在吸气过热区，压缩机机壳散热因子和耗功因子的绝对值随过热度下降而迅速下降；到吸气干度在0.9～1之间时，两者下降趋势变缓且逐渐趋于定值。机壳散热对于降低压缩机排气温度和提高压缩机效率有利，压缩机吸气带液显然降低了机壳散热对系统性能的贡献。由图5还可以看到随着吸气过热度/干度的降低，吸气比焓因子逐渐增加，说明排气比焓降低的可能性已越来越小。在一定的工况下，在吸气干度为0.9～1.0的较大范围内，压缩机排气比焓的三个组成因子的比例是恒定的，排气比焓又反映了排气温度的高低，这为预测压缩机排气温度与吸气干度的函数关系提供了便利。

图6 制冷量和COPFig.6 Capacity and COP

综上所述，在压缩机少量吸气带液时，虽然压缩机效率有小幅下降，压缩机机壳散热的有利因素也有下降，但对于R22制冷剂来说湿压缩的理论COP更高，尤其是压比降低对系统性能的贡献更大，因此制冷量和COP都有所提高。由图6的实验数据可以看出，在不同的运行工况和运转频率下，在x＝0.95～1时，系统性能优于常规的5～10 K过热度时的性能。以空调工况1为例，x＝0.98处的制冷量和COP比 TSH＝7 K时平均提高越4%和2%。但同时应看到盲目地降低吸气干度，将会恶化压缩机效率并降低循环性能，因此在制冷系统设计时，应根据具体部件的特性和选择的工质，确定一个最佳的吸气干度控制范围。

虽然实验是关于R22制冷系统的研究，其实验结果对于其他制冷剂系统也有借鉴意义。R32的排气温度更高[8]，利用少量吸气带液可以将压缩机排气温度降低到安全限度内且不增加系统成本。根据Voster的研究可知，对于小分子量和小比热容的R32制冷剂，湿压缩的理论压缩效率比R22更高[12]，因此少量吸气带液的控制方案对低GWP值的R32系统有更大的研究意义。

4 结论

在一定的运行工况下，对于高背压设计的滚动活塞式压缩机来说，运行在少量吸气带液状态时，压缩机性能比吸气饱和时仅略有下降。对于小比热容的制冷剂R22，湿压缩的理论COP更好，且少量吸气带液时蒸发器不可逆传热损失减小，因此制冷量和COP均优于常规的5～10 K过热度时的性能。在一定的空调工况下，x＝0.98处的制冷量和COP比TSH ＝7 K时平均提高约4%和2%。

吸气带液对系统性能的改善与部件特性和制冷工质有关。对于高排气温度的R32制冷系统，其物性参数决定了其湿压缩的理论效率更高，利用少量吸气带液降低压缩机排气温度的方案有更大的研究意义。

本文受上海市研究生创新基金项目(JWCXSL1201)资助。(The project was supported by the Innovation Fund Project For Graduate Student of Shanghai(No.JWCXSL1201).)

[1] W Chen，Chen Zhijiu，Zhu Ruiqi，et al.Experimental investigation of a minimum stable superheat control system of an evaporator[J].International Journal of Refrigeration，2002，25:1137-1142.

[2] Matthew S Elliott，Bryan P Rasmussen.On reducing evaporator superheat nonlinearity with control architecture[J]. International Journal of Refrigeration，2010，33:607-614.

[3] H Fallahsohi，C Changenet，S Place，et al.Predictive functional control of an expansion valve for minimizing the superheat of an evaporator[J].International Journal of Refrigeration，2010，33:409-418.

[4] K Vinther，H Rasmussen，R Izadi-Zamanabadi，et al.Single temperature sensor superheat control using a novel maximum slope-seeking method[J].International Journal of Refrigeration，2013，36:1118-1129.

[5] 杨亮.以压缩机排气温度为控制参数的电子膨胀阀流量控制系统的研究[D].西安:西安交通大学，2000.

[6] 韩磊，陶乐仁，郑志皋，等.回气带液对滚动转子压缩制冷系统性能影响实验研究[J].制冷学报，2010，31(4): 22-34.(Han Lei，Tao Leren，Zheng Zhigao，et al.Experiment on effect of liquid-refrigerant return on performance of refrigerant system with rolling rotor compressor[J]. Journal of Refrigeration，2010，31(4):22-34.)

[7] 陶宏.变制冷剂流量制冷循环“0过热度”问题的实验研究[D].上海:上海理工大学，2008.

[8] 矢岛龙三郎，吉见敦史，朴春成，等.降低R32压缩机排气温度的方法[J].制冷与空调，2011，11(2):60-64. (Ruzaburo Yajima，Atsushi Yoshimi，Chun-cheng Piao，et al.Measures to reduce the discharge temperature of R32 compressor[J].Refrigeration and Air-conditioning，2011，11(2):60-64.)

[9] 陶宏，杨军，刘春慧，等.吸气过热度对滚动转子压缩机性能影响的实验研究[J].制冷学报，2011，32(6): 25-29.(Tao Hong，Yang Jun，Liu Chunhui，et al.Experimental investigations on effect of suction gas superheat on rotary compressor performances[J].Journal of Refrigeration，2011，32(6):25-29.)

[10]源生一太郎.制冷机的理论和性能[M].北京:农业出版社，1981:63-69.

[11]LCM Itard.Wet compression versus dry compression in heat pumps working with pure refrigerants or non-azeotropic mixtures[J].International Journal of Refrigeration，1995，18:495-504.

[12]PPJ Vorster，JP Meyer.Wet compression versus dry compression in heat pumps working with pure refrigerants or non-azeotropic binary mixtures for different heating applications[J].International Journal of Refrigeration，2000，23: 292-311.

Influence of a Little Liquid Entrainment into Compressors on Refrigerating System Performance

Yang Lihui1Tao Leren1Li Fangqin2Wang Lemin1Fan Lina1

(1.University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China；2.Shanghai University of Electric Power，Shanghai，200090，China)

System performance was measured for rolling piston compression refrigerating system.The results show that when rolling piston compressors suck vapor refrigerant mixed a little liquid refrigerant，compressor efficiencies will be decreased just a little，but pressure ratio will be decreased much and the theoretic COP for R22 will be improved，which benefit system performance more.From the overall results，capacity and COP will be better at a little liquid suction.Under the specific air-conditioning condition，capacity and COP at x＝0. 98 will be improved up to 4%and 2%，comparing to 7 K suction superheat.

compression refrigerating system；rolling piston refrigerating compressor；liquid entrainment；discharge temperature

TB61＋1；TK121

A

0253－4339(2014)05－0083－05

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.083

杨丽辉，女(1977－ )，博士研究生，上海理工大学，021-38603317，E-mail:Merry.yang＠carrier.utc.com。研究方向:制冷与低温工程。

博导类联合基金(3312301001)资助项目。(The project was supported by The Joint Fund For Tutors of Ph.D.Candidates(No. 3312301001).)

2013年12月18日

About the author

Yang Lihui(1977－)，female，Ph.D.Candidates，University of Shanghai for Science and Technology，021-38603317，E-mail: Merry.yang＠carrier.utc.com.Research fields:Refrigeration and cryogenic engineering.