可变内容积比的变频单螺杆压缩机性能试验研究

陈清，沈鹏飞

（麦克维尔空调制冷（苏州）有限公司，江苏苏州 215126）

可变内容积比的变频单螺杆压缩机性能试验研究

陈清*，沈鹏飞**

（麦克维尔空调制冷（苏州）有限公司，江苏苏州 215126）

单螺杆制冷压缩机的欠压缩和过压缩损失将降低其在不同工况下的能效比。根据压缩机运行工况调节其内容积比，得到合适的压缩终止压力，可减少甚至避免欠压缩或过压缩损失。将可变内容积比技术应用于变频单螺杆压缩机，可提高压缩机在不同工况下的满负荷性能系数，同时还可以提高其综合部分负荷能效比（IPLV）。

可变内容积比；变频单螺杆压缩机；性能系数

0　引言

单螺杆式制冷压缩机自20世纪70年代诞生以来，凭借其高效的性能和平稳的运转，正获得越来越广泛的市场应用。除了传统空调制冷领域，在双螺杆压缩机已获得广泛应用的高温热泵和能量回收系统［1］以及低温制冷系统中［2］，也越来越多地看到单螺杆制冷压缩机的身影。近几年，变频产品成为节能减排的一个主要方向［3］，部分负荷能效比较高的变频单螺杆式制冷压缩机也已经面世。变频单螺杆式制冷压缩机采用直流或交流变频技术，通过改变电机的转速来进行制冷量的调节。因此，与常规压缩机不同，变频单螺杆式制冷压缩机将不再需要能量调节滑阀，而可以将滑阀设计成专门用于调节压缩机内容积比的机构。可变内容积比技术可以实现压缩机内压比与冷水机组外压比达到一致或接近，从而避免不同工况运行时压缩机的过压缩或欠压缩损失；此外，根据螺杆压缩机部分负荷下电机绕组温度场［4］和电机换热效率［5］的相关研究，变频电机部分负荷下效率较高，利于电机散热，从而有利于提升整机效率。

本文主要研究和讨论可变内容积比技术对于变频单螺杆式制冷压缩机性能的实际影响。

1　单螺杆压缩机的过压缩和欠压缩损失

作为容积式压缩机的一种［6］，单螺杆压缩机是通过改变气体体积来提高其压力的，如图1所示［7］。吸气结束时，单螺杆压缩机的螺杆转子、星轮片和机体外壳之间形成一个密闭的基元容积V1；随着压缩过程的进行，这个密闭腔体的体积逐渐变小而气体压力逐渐升高；当密闭腔体与滑阀的排气孔联通时，压缩过程结束，排气过程开始，此时容积为 V2［8］。因此，根据气体状态方程，在理想状态下，压缩过程结束时，气体压力为P2=P1×（V1/V2）k，k为气体绝热指数。容积的比值V1/V2称为内容积比。单螺杆压缩机的排气口一般设置在滑阀上，普通单螺杆制冷压缩机的滑阀主要用于调节制冷量，而无法根据不同运行工况调节内容积比。因此压缩终止压力无法随外部背压而改变。

图1　单螺杆压缩机工作过程

因此与双螺杆压缩机类似，内容积比无法调节的单螺杆压缩机也存在过压缩和欠压缩现象。不管是过压缩还是欠压缩，都将造成压缩机额外的做功损失。如图2所示，当压缩结束时，压缩腔内部压力小于外部排气压力，将造成欠压缩，此时腔内气体将产生定容压缩，升高腔内压力，再排出压缩腔，造成的额外功率见（a）图阴影部分。而当压缩终止时，压缩腔内部压力高于外部压力则称为过压缩。此时腔内气体将发生定容膨胀，额外消耗的无用功见（b）图阴影部分。理想的压缩过程为（c）图，压缩终止压力与外部背压相同，无额外做功损失，压缩机耗功最小，能效比最高。

图2　容积式压缩机过压缩和欠压缩损失

2　变频单螺杆压缩机可变内容积比技术的实现和作用

传统的单螺杆式制冷压缩机，针对水冷机组应用，一般设置内容积比为2.2的滑阀；针对风冷或热泵机组应用，一般设置内容积比为3.0的滑阀［9］。而当机组运行工况改变时，压缩机外部压比将发生变化，此时由于内容积比不可变，压缩机将产生过压缩或欠压缩，使运行的效率降低。因此，将可变内容积比技术应用于单螺杆式制冷压缩机，实现压缩机内容积比随冷水机组运行工况而改变，可以减少甚至消除过压缩和欠压缩造成的损失。对于普通单螺杆制冷压缩机，实现可变内容积比，将增加滑阀数量，在传统两个能量调节滑阀的基础上再增加两个用于调节内容积比的滑阀。由于活动部件的增加，必然将造成内部泄露量增加；同时调节机构较为复杂，造成整机可靠性的降低。

然而，对于变频单螺杆制冷压缩机，制冷量的调节通过改变电机转速来实现，不再需要能量调节滑阀。因此，通过重新设计滑阀结构，可较为容易将滑阀设计成专门用于调节内容积比。通过内容积比调节滑阀的移动，可以提前或延迟排气开始的时间，从而改变压缩终止时的容积，获得合适的压缩终止压力。如图3所示，当内容积比滑阀向左移动时，压缩时间增加，排气时间延后，压缩终止体积V2'小于V2，相应获得的压缩终止压力升高，适用于冷凝压力与蒸发压力比值变高的工况。滑阀的驱动方式与常规定频单螺杆压缩机相同，结构简单，易于实现，具备较高的可靠性。

图3　内容积比调节原理

3　可变内容积比技术对变频单螺杆压缩机影响的测试分析

由于可变内容积比技术可以减少压缩过程中的过压缩或欠压缩损失，因此，预测将此技术应用于变频单螺杆制冷压缩机时，将提高压缩机在不同工况下满负荷等熵效率。同时，冷水机组工况的改变往往伴随着负荷的变化，因此，在不同负荷下内容积比实现可调，可以提高单螺杆式制冷压缩机的部分负荷能效比。

为了实际验证这一技术对于变频单螺杆式制冷压缩机的影响，将可变内容积比技术应用于某型号的水冷变频单螺杆式制冷压缩机。内容积比调节机构如图4所示，使用油压驱动活塞移动，从而改变与之相连的内容积比调节滑阀的位置。根据压缩机较长时间运行的部分负荷工况，设置了4个内容积比（VR）位置，使用电磁阀进行控制。当1.4 VR电磁阀得电时，压缩机可获得内容积比为1.4；同样，1.8 VR或2.2 VR电磁阀得电时可获得相应的内容积比；而当3个电磁阀全关时，可获得内容积比为2.8。

图4　内容积比调节机构及控制方式

在压缩机的测试过程中，根据压缩机运行范围内不同工况压缩比，即冷凝压力和蒸发压力比值，调节压缩机的内容积比，各内容积比的调节范围见图5所示。为了进行对比，在压缩机的运行范围内，测试了不同压比工况的满负荷性能，并将压缩机的等熵效率制成与压比相关的曲线，与固定内容积比压缩机的等熵效率进行对比，见图6。根据图6中的曲线，应用可变内容积比技术后，与固定内容积比为2.2的压缩机相比，在额定工况的等熵效率提升并不明显，这是因为内容积比为2.2是水冷应用较为合理的内容积比。但是当压缩机偏离额定工况运行时，可变内容积比的压缩机等熵效率整体提升明显。即可变内容积比变频单螺杆制冷压缩机对工况改变的适应性更好，运行范围内等熵效率普遍高于定内容积比压缩机。

图5　内容积比调节范围

图6　压缩机等熵效率对比图

另一方面，可变内容积比技术的应用，还将提高变频单螺杆制冷压缩机的部分负荷能效比。部分负荷能效比（IPLV）作为衡量冷水机组效率较为科学的标准，正受到市场的广泛关注。冷水机组的负荷降低，通常是由于环境温度降低引起的，这通常将导致机组冷凝压力下降；或者相同环境下，末端用户减少造成热负荷降低，也将导致冷凝温度降低。这两种情况机组的运行工况都将发生改变，即压缩机运行的外压比发生了变化。根据AHRI标准［10］中冷水机组的部分负荷工况，等效转换为压缩机的运行工况，见表1。

表1　部分负荷能效比工况

从表1可见，部分负荷工况压比小于100%负荷工况。常规单螺杆压缩机的滑阀内容积比设计仅能考虑满负荷额定工况，因此在部分负荷下，将产生过压缩损失。应用可变内容积比技术后，根据图5的内容积比调节范围，可以在100%负荷工况使用2.2 VR滑阀，75%工况使用1.8 VR滑阀，50%和25%工况使用1.4VR滑阀。因此根据图7所示的不同内容积比等熵效率曲线，忽略电机效率的变化，可以预测相对于固定内容积比为2.2的单螺杆变频制冷压缩机，75%工况性能系数（COP）将提高3.5%左右，50%工况COP将提高5.5%左右，25%工况COP将提高9.5%左右。根据每个工况的权重，预测整体IPLV将提升5%左右。

图7　不同内容积比等熵效率曲线

为了验证实际部分负荷能效比的提高状况，我们使用同一台可变内容积比变频单螺杆式制冷压缩机进行测试。首先，将内容积比固定在 2.2，测试各负荷下的压缩机性能；然后，根据各负荷的工况压比调节内容积比，再次测试。两次测试结果对比见表2。

表2　固定与可变内容积比测试结果对比（AHRI标准工况）

两次测试结果对比显示，根据部分负荷工况的压比合理调节压缩机的内容积比，可有有效降低功率损失，提高压缩机能效比。压缩机在75%、50%和25%负荷下的COP提升明显，对比见图8。根据各负荷工况所占的权重，计算压缩机的IPLV，可变内容积比的变频单螺杆制冷压缩机 IPLV可达到10.05，相比固定内容积比的变频单螺杆制冷压缩机提高了5.6%，节能效果明显。

图8　固定和可变内容积比压缩机COP对比

同时，为了与市场上的变频双螺杆压缩机对比，我们根据某品牌双螺杆压缩机的选型软件（版本为RC2-1.1.1），按照表1的工况计算压缩机性能，与可变内容积比变频单螺杆式制冷压缩机对比见表3。表3中的压缩机性能包含了变频器的功率损耗。

根据表3中的数据对比，在100%负荷和75%负荷工况下，可变内容积比的变频单螺杆压缩机比双螺杆压缩机COP分别高3.4%和11%，固定内容积比的变频单螺杆压缩机比双螺杆压缩机 COP分别高8.1%和17%。而50%和25%的工况，冷凝温度超出了双螺杆压缩机的运行范围，因此无法对比相关数据。

表3　变频单螺杆与双螺杆压缩机性能对比

4　结论

通过对可变内容积比技术应用于变频单螺杆式制冷压缩机的实验研究，得出主要结论如下：

1）可变内容积比技术可以降低单螺杆制冷压缩机的过压缩或欠压缩损失，从而提高单螺杆制冷压缩机不同工况下的满负荷能效比；

2）在部分负荷工况下合理调节内容积比，可有效提高变频单螺杆制冷压缩机的部分负荷能效比；相对于固定内容积比为2.2的压缩机，部分负荷能效比提高约5.6%。

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［10］ AHRI 550/590-2001 Performance rating of waterchilling and heat pump water-heating packages using the vapor compression cycle［S］.

Experimental Investigation on Performance of Inverter Single Screw Compressor with Variable Volume Ratio

CHEN Qing*, SHEN Peng-fei**
（McQuay Air Conditioning & Refrigeration（Suzhou）Co., Ltd, Suzhou, Jiangsu 215126, China）

The over-compression and under-compression loss during the compression process of the single screw compressor will reduce its coefficient of performance（COP）at different operation conditions. Based on the operation conditions to regulate the built-in volume ratio of the compressor, the suitable pressure at the end of the compression process was obtained, which decreases or avoids the over-compression or under-compression loss. Applying the variable volume ratio technology into the invertor single screw compressor, the full load COP at different operation conditions could be improved, and the integrative part load value（IPLV）of the compressor could also be increased.

Variable volume ratio； Inverter single screw compressor； Coefficient of performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.206

*陈清（1966-），男，高级工程师，学士。研究方向：单螺杆制冷压缩机、离心式制冷制冷压缩机。联系地址：江苏省苏州市长阳街116号麦克维尔。邮编：215126。联系电话：18013539039。E-mail：13913120748@139.com。

**沈鹏飞（1986-），男，工程师, 学士。研究方向：单螺杆制冷压缩机。联系地址：江苏省苏州市长阳街116号麦克维尔。邮编：215126。联系电话：15262423986。E-mail：realshenpf@126.com。