经济器对磁悬浮离心压缩机性能影响的研究

王继鸿，陈曦

（1-上海理工大学，上海 200093；2-南京佳力图空调机电有限公司，江苏南京 211100）

经济器对磁悬浮离心压缩机性能影响的研究

王继鸿*1,2，陈曦1

（1-上海理工大学，上海 200093；2-南京佳力图空调机电有限公司，江苏南京 211100）

制冷系统中使用经济器可以提高系统制冷量，但是中间补气使压缩机耗功增加，制冷循环中有效制冷剂流量降低，制冷系统的能效比并不会随着制冷量成正比增长，因此存在一个理论最优补气压力。本文通过实测一台带经济器制冷循环的水冷磁悬浮离心式机组在不同负荷运行情况，研究了经济器和补气压力对于水冷磁悬浮离心式压缩机性能及 COP的影响。研究结果表明：磁悬浮压缩机的效率随着补气压力的升高出现先升后降的趋势；在所有工况下，调节补气压力都会提高效率，且存在一个最佳的补气压力使制冷系统的COP最优。

实验研究；经济器；磁悬浮离心式压缩机；补气压力

0 引言

高效和节能技术是空调用冷水机组的主要发展方向。本文论述了近年来变频技术在离心式压缩机冷水机组中的应用，包括大型变频离心式压缩机冷水机组和磁悬浮变频离心式压缩机冷水机组。这两种技术是当今世界上离心式压缩机冷水机组领域里最先进的技术[1]。本文针对压缩机本身特点，借鉴在工业冷冻系统和螺杆式压缩机应用比较成熟的经济器制冷循环[2-4]，充分发掘磁悬浮变频离心式压缩机的节能潜力。

文献[2]分析了不同类型制冷压缩机的准二级压缩循环过程，结果表明，根据工作情况选择合适的补气参数可以明显改善性能。文献[3]表明工业冷冻系统采用不同类型经济器都可以达到节能目的，在冷冻工况（低蒸发温度）节能效果更为明显。文献[4]分析补气压力对于螺杆制冷压缩机的影响，存在最优的补气压力使得压缩机性能和 COP最优。以上研究成果在理论和实验上都验证了经济器对于制冷机组能效改善具有积极效果。针对近年来出现的磁悬浮变频离心式压缩机目前无专门的研究成果，鉴于此，本文对经济器和补气压力对于水冷磁悬浮离心式压缩机性能及 COP的影响进行了实验研究。

1 实验系统介绍

本实验装置系统采用一台水冷磁悬浮离心式机组，如图1所示。系统中压缩机为一台磁悬浮变频离心式压缩机，制冷剂为R134a，型号为TT400，适合水冷工况（最大压比3.5），设计最大转速为30,000 r/min，名义制冷量150冷吨，双级闭式叶轮。经济器为过冷式经济器（板式换热器）。从冷凝后制冷剂回路引出部分液体，经ECO电子膨胀阀节流后，进入经济器蒸发吸热，冷却主回路制冷剂液体并提高其过冷度；经济器中蒸发的制冷剂气体对磁悬浮离心式压缩机进行补气。压缩机的补气孔口直径为28 mm，补气位置在一级与二级叶轮中间位置。经济器蒸发侧和主回路均采用电子膨胀阀精确控制冷媒循环量。

图1 带经济器的制冷系统

测试装置使用水冷测试实验室，可以实时记录工况参数、机组运行参数，并能满足测试部分负荷运行能力。

制冷系统中主电子膨胀阀通过壳管式冷凝器上安装的液位传感器进行控制；ECO电子膨胀阀通过过热度进行控制，电子膨胀阀可以通过程序进行控制开启步数，这样就可以控制经济器开启，并通过控制 ECO电子膨胀阀的开启步数以控制补气压力，从而满足实验要求。以下为三个测试实验。

实验一：测试名义工况下经济器补气压力对于制冷量、输入功率和能效比的影响，通过调节ECO电子膨胀阀开关实现。

实验二：测试名义工况下经济器开启/关闭对于机组性能影响，通过调节ECO电子膨胀阀开关实现。

实验三：测试75%、50%、25%负荷工况下，经济器开启/关闭对于机组性能影响，通过压缩机变频调节实现。

2 实验结果与分析

实验一按照如下工况进行测试：机组负荷按照100%设定，冷却进水温度为30 ℃，冷冻出水温度为7 ℃，流量按照GB/T 18430.1-2007标准设定，使用过冷式经济器，补气压力分别为 442 kPa、450 kPa、465 kPa、480 kPa时，对机组性能参数进行测量记录。

从图2可以看出随着补气压力逐渐升高，机组制冷量在逐步提高。根据表1数据看出补气压力升高会导致制冷量增加幅度降低。

图2 补气压力与制冷量关系

表1 补气压力对制冷量影响

从图3可以看出随着补气压力逐渐升高，机组输入功率在逐步提高。从表2数据可以看出随着补气压力升高，输入功率逐渐升高且幅度逐渐增大。由此可以推断COP存在拐点，利用测试的COP曲线进行验证。

图3 补气压力与输入功率关系

表2 补气压力对输入功率影响

从图4可以看出随着补气压力逐渐升高，机组制冷能效比 COP出现先升高后降低的趋势。实验工况下，使机组制冷能效比 COP最优的补气压力范围为455 kPa ～460 kPa。

图4 补气压力与COP关系

通过实验一可以说明随着补气压力升高，进入经济器补气侧制冷剂质量流量在不断增加，这样可以将过冷侧制冷剂过冷度提高，同时也造成整个制冷剂循环过程中进入蒸发器进行有效制冷的制冷剂质量流量降低，导致制冷能力虽然在提高，但是增加幅度却明显降低，造成输入功率不断增大，COP出现先升后降趋势。

文献[4]中对于螺杆压缩机中间补气压力与输入功率、中间补气压力与 COP关系的实验结论与实验一获得相同的趋势，共同验证了对于压缩机性能和COP而言存在最优中间补气压力的结论。

实验二按照如下工况进行测试：机组负荷按照100%设定，冷却进水温度为30 ℃，冷冻出水温度为7 ℃，流量按照GB/T 18430.1-2007标准设定，分别开启过冷式经济器与关闭过冷式经济器，对机组性能参数进行测量记录。

从表3可以看出在满载名义制冷工况下，经济器可以有效提高制冷量（提高 10%），同时输入功率略有增大（增大1.54%），幅度远低于制冷量的提升，因此机组制冷能效比 COP出现明显改善（提高8.4%），结合文献[3]中对于蒸发温度由-45 ℃升至5 ℃过程中，带有经济器的制冷机组制冷量和能效比始终大于不带经济器的机组，说明经济器在空调工况同样可以改善性能，提高能效。

表3 经济器开/关对性能的影响

实验三按照如下工况进行测试：机组负荷按照100%、75%、50%、25%设定，冷却进水温度分别为30 ℃、26 ℃、23 ℃、19 ℃，冷冻出水温度为7 ℃，流量按照 GB/T 18430.1-2007标准设定，分别开启过冷式经济器与关闭过冷式经济器，对机组性能参数进行测量记录。

从图5可以看到，磁悬浮离心式压缩机在部分负荷下能效比随着负荷降低始终处于上升状态，因此在部分负荷情况下磁悬浮离心式压缩机具有良好性能；通过对比不同负荷下经济器开关状态对于能效比的影响，经济器开启对于机组运行始终有利，因此经济器在空调工况范围都具有改善性能的效果。

图5 不同负荷下经济器开/关对能效的影响

为了更进一步提高磁悬浮离心式冷水机组能效比和性能，可以从以下几个方面提高。

1）充分发挥二级压缩优势，在制冷系统设计中使用经济器，根据目前测试过冷式经济器情况，可以有效提高制冷量和能效比；闪蒸式经济器会在理论上优于过冷式经济器，因此更优的方案可以采用闪蒸式经济器，在冷凝器增加单独过冷段，经济器采用液位传感器进行控制。

2）考虑到经济器在空调工况运行都具有节能效果，可以在控制逻辑上进行优化经济器开启控制方式，将经济器补气压力控制在最优区域。

3）在经济器选型时，须综合考虑机组布置、制造成本、制冷量范围和压降损失等情况，经济器节流部件采用电子膨胀阀控制更有利于选择合适的补气压力，以达到收益的最大化。

3 结论

对带经济器的水冷磁悬浮离心式压缩机冷水机组进行实验测试和分析，得到以下结论。

1）机组配备经济器后，系统制冷量和能效比均有所增加，可以达到节能的目的，并且存在最优的补气压力。

2）经济器对于空调工况节能效果依然明显。

3）经济器对于不同工况条件同样具有节能效果，可以优化控制逻辑增加经济器开启范围。

[1]周子成.变频离心式压缩机冷水机组[J].制冷,2010,29(1): 51-56.

[2]许树学,马国远,彭珑.常用制冷压缩机的准二级压缩循环特性分析[J].石油化工设备,2009,38(4): 1-4.

[3]崔立祺.经济器在工业冷冻系统中的应用[J].氯碱工业,2012,48(2): 36-39.

[4]吴华根,彭学院,邢子文,等.经济器补气压力对双螺杆制冷压缩机性能影响的试验研究[J].制冷学报,2003,24(4): 10-13.

Study on Effects of Economizer on the Performance of Magnetic Bearing Centrifugal Compressor

WANG Ji-hong*1,2,CHEN Xi1
(1- University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2-Nanjing Canatal Air-Conditioning Electrical and Mechanical Co.,Ltd,Nanjing,Jiangsu 211100,China)

The cooling capacity could be increased by using the economizer in the refrigeration system,but the COP would not be improved in direct proportion because the compressor power would increase while compensating vapor in the process of compression,which would reduce mass flow rate in the cycle.Theoretically,there is an optimum superfeed pressure in the refrigeration system.In this paper,the performance of magnetic bearing centrifugal compressor was investigated by analyzing the operation of the water-cooled magnetic bearing centrifugal chiller with sub-cooler circuit economizer in different loads，and the influence of the superfeed pressure on the compressor efficiency and system COP was obtained.The results show that the compressor efficiency and COP will rise first and then will drop with the increasing superfeed pressure increasing.Under all conditions,the efficiency will be improved by adjusting superfeed pressure.There is an optimum superfeed pressure to obtain the best COP.

Experimental study;Economizer;Magnetic bearing centrifugal compressor;Superfeed pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.105

*王继鸿（1982-），男，工程师，学士。研究方向：制冷系统优化设计。联系地址：南京市江宁经济技术开发区苏源大道88号南京佳力图空调机电有限公司研发中心，邮编：211111。联系电话：025-84916622。Email：wang516423@126.com。