制冷螺杆压缩机工况匹配研究

杨侨明，张天翼，李日华，刘　华，夏光辉

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

制冷螺杆压缩机工况匹配研究

杨侨明，张天翼，李日华，刘华，夏光辉

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]在满负荷及部分负荷，螺杆制冷压缩机具有相应的设计工况。压缩机运行工况与设计工况的匹配程度，直接影响制冷系统的COP。对工况匹配进行研究，可使螺杆压缩机获得最佳的综合性能。

[关键词]螺杆制冷压缩机；匹配程度；内容积比；设计工况；IPLV

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者简介：杨侨明(1989-)，男，工程师，从事制冷螺杆压缩机研发。Email：yangqiaom@126.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-011-07

[中图分类号]TB652；TH45[文献标示码]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

螺杆压缩机是一种容积式压缩机，具有可靠性高、适应性强等特点，在制冷及低温冷冻领域获得广泛应用。螺杆压缩机具有一对相互啮合的转子，两个转子与机体通过间隙密封，形成封闭的齿间容积。随着转子的旋转，该齿间容积周期性的连通吸气口与排气口，从而完成吸气、压缩、排气的过程。

由于用户的冷量需求经常发生变化，制冷系统经常在不同工况及负荷运行。螺杆压缩机是制冷系统的核心部件，能够适应不同的工况，并能通过容量调节来适应不同的负荷。然而，当压缩机的运行工况偏离设计工况较多时，往往表现为耗功增大、能效偏低。

半封闭式的螺杆压缩机，常常具有容量调节滑阀。滑阀上具有径向排气孔口，该孔口直接决定了压缩机满负荷时的内容积比，进而确定压缩机的设计工况。而当滑阀随油活塞进行轴向移动时，不仅压缩机的负荷变化，其内容积比也随之发生变化，从而导致设计工况的变化。

由于机组工况及负荷多变，压缩机往往无法满足设计工况的运行。压缩机长期偏离设计工况运行，不仅“不经济”，也会在一定程度上降低压缩机的使用寿命。进行螺杆压缩机工况匹配研究，旨在通过适当的参数调整，使压缩机的最佳运行工况与实际工况充分接近，提高压缩机运行效率。

针对某系列螺杆压缩机，设计加工了四个具有不同内容积比的滑阀，取相同蒸发温度5℃，滑阀在满负荷所对应设计工况如表1所示。以这些滑阀的实验数据为基础，本文将从不同工况、不同负荷、不同工况及负荷(IPLV)三方面来研究螺杆压缩机的工况匹配。

表1不同滑阀所对应满负荷设计工况

Sheet 1Design condition corresponding to different Vi

Vi设计工况1.75/222.25/322.65/383.25/47

2螺杆压缩机对不同工况的匹配

前文提到，压缩机容量调节滑阀的径向排气口，直接决定了压缩机满负荷时的内容积比。在工况一定时，内容积比确定了压缩机的内压力比。而压缩机实际运行工况则确定了压缩机的外压力比。内外压比不相等，表现为过压缩或欠压缩，两者均会造成压缩机的额外功耗而降低制冷系统的COP。

对于不同内容积比的滑阀，分别在如表1所示四个工况满负荷进行性能测试。图1所示为不同工况下，压缩机制冷量随滑阀内容积比的变化。可以发现，当滑阀内容积比变化时，制冷量的变化幅度很小，并且制冷量大小的变化没有明显的规律可循。这主要是因为压缩机制冷量主要由工况及排气量决定，而滑阀内容积比的变化对二者都没有明显的影响。

图1　不同工况制冷量Figure.1　Q0 in different conditions

图2(a)所示为不同工况下，压缩机输入功率随滑阀内容积比的变化。图2(b)所示为各个工况，不同滑阀输入功率相对于设计工况输入功率的变动率。可发现，当实验工况与滑阀对应设计工况相匹配时，输入功率最小。随着实验工况与滑阀设计工况偏离的加大，输入功率也增大，这是由于过压缩或欠压缩的功率损失造成的。对于5/22℃工况，Vi=1.7处于设计工况，其余均处于过压缩状态，偏离设计工况所造成最大输入功率损失为8.22kW，占设计工况输入功率的30.21%。对于5/47℃工况，Vi=3.2处于设计工况，其余均处于欠压缩状态，偏离设计工况所造成最大输入功率损失为7.97kW，占设计工况输入功率的13.86%。当Vi=2.2及2.6时，运行在低冷凝温度工况的功率损失比高冷凝温度功率损失大。可见，过压缩所造成的输入功率损失比率更大。从整体来看，Vi=2.2及2.6的情况，功率损失相对较小。

图3(a)所示为不同工况及Vi下，压缩机COP的变化。可发现，当压缩机处于设计工况运行时，COP最高，偏离设计工况越远，COP越低。图3(b)所示为不同工况下，COP的变动。可见，当压缩机运行在5/22℃工况时，COP变化幅度最大，此工况下，除Vi=1.7外，其余均处于过压缩状态。Vi=1.7要比Vi=3.2的COP高2.33，过压缩可造成COP变动率达23.34%。在其余工况下，尽管COP变化幅度都不大，但COP变动率仍然有不低于8.5%的数值。可见，工况的不匹配，对满负荷COP的影响极为明显。同时，随着冷凝温度的升高，存在最佳运行工况，该工况下COP变动率最小，对Vi的变化最不敏感。

图2　不同工况输入功率及其损失比率Figure.2　Pe and its lose proportion in different conditions

图3　不同工况COP及其变动Figure.3　COP in different conditions

3螺杆压缩机对不同负荷的匹配

螺杆压缩机采用滑阀进行容量调节，以便适应负荷的变化。当滑阀进行轴向移动时，不仅转子有效工作段发生变化，压缩机的排气口也随之发生变化。如图4所示，随着滑阀行程的变化，部分负荷内容积比也发生变化。内容积比曲线可分为三段，第一段是滑阀开始移动直至内容积比达到最高，第二段内容积比呈线性下降，第三段内容积比恒为1。一般情况下，75%、50%、25%负荷分别位于第一、第二、第三段内。可发现，部分负荷内容积比均低于满负荷。当压缩机处于满负荷设计工况运行时，部分负荷处于欠压缩状态。

图4　压缩机理论内容积比变化曲线Figure.4　Vi diagram in theory

当滑阀内容积比不同时，部分负荷内容积比变化如图5所示。可发现，随着滑阀Vi的降低，75%负荷内容积比逐渐降低。滑阀Vi=3.2、2.6、2.2时，50%负荷内容积比相同，均位于内容积比曲线的第二段内，而滑阀Vi=1.7时，50%负荷仍处于曲线第一段，内容积比较低。25%负荷，各滑阀所对应得内容积比相同，此负荷吸排气腔连通，压缩机无内压缩过程。

图5　压缩机采用不同滑阀时内容积比曲线Figure.5　Vi diagrams of different slide valves

图6　不同工况75%负荷制冷量Figure.6　Q0 of 75% load in different conditions

图6所示为不同工况75%负荷制冷量的变化。可发现，制冷量在5/32℃、5/38℃无明显变化规律。在5/47℃工况，制冷量呈现逐渐增大趋势，这是由于电机功率逐渐降低，吸气过热减小所致。

图7　不同工况75%负荷输入功率及其变动率Figure.7　Pe and its lose proportion of 75% load in different conditions

图7(a)所示为不同工况75%负荷输入功率的变化。与满负荷变化规律相似，压缩机在满负荷设计工况与运行工况相同时，输入功率最小。由此可见75%负荷内容积比与满负荷最为接近，这与理论计算容积曲线有所偏差，这是由于75%负荷，滑阀移动距离很短，旁通口很小所致。随着压缩机实验工况与满负荷设计工况的偏离，输入功率变大。图7(b)所示为输入功率变动率，在5/47℃工况，最大功率损失达23.20%，而在5/32℃工况，最大功率损失为8.53%。采用低内容积比的压缩机运行在高压差工况时，功率损失更大。Vi=2.6时，整体功率损失最低。

图8(a)所示为不同工况COP变化。与满负荷相似，当压缩机运行工况与满负荷设计工况相同时，压缩机COP最高。图8(b)所示为各个工况COP变动。随着冷凝温度的升高，不同内容积比滑阀的COP变动量逐渐加大，COP变动率更是有显著增长。5/47℃工况下，COP变动率达到23.66%。由此可见，当冷凝温度较高时，采用Vi更大的滑阀运行更为经济，工况匹配性更好。

图9、10、11所示为不同工况50%负荷的制冷量、功率、COP的变化。由前文知，滑阀Vi=3.2、2.6、2.2时，50%负荷压缩机内容积比相等。因此，这三种情况压缩机的制冷量、功率、COP相差不大。而当滑阀Vi=1.7时，50%负荷压缩机内容积比偏小。此种情况，压缩机在各个运行工况压缩机输入功率损失更大，因此输入功率偏高、COP偏低，此时工况匹配性较差。因此，在滑阀设计中，应避免50%负荷落入内容积比曲线的第一段内。

图8　不同工况75%负荷COP及其变动Figure.8　COP and its changing proportion of 75% load in different conditions

图9　不同工况50%负荷制冷量Figure.9　Q0 of 50% load in different conditions

图10　不同工况50%负荷输入功率Figure.10　Pe of 50% load in different conditions

图11　不同工况50%负荷COPFigure.11　COP of 50% load in different conditions

图12　不同工况制冷量Figure.12　Q0 in different conditions

4螺杆压缩机对IPLV工况的匹配

综合部分负荷性能系数，即IPLV，是评价螺杆机组及螺杆压缩机的重要性能指标。该指标主要考核螺杆机组在部分负荷时的性能。国标GB/T18430规定了水冷螺杆机组IPLV的测试工况，如表2所示。为了在试验阶段预测螺杆压缩机的IPLV性能，根据机组IPLV工况，确定压缩机的IPLV测试工况，详见表2。

针对不同内容积比滑阀，分别测试压缩机的IPLV工况。图12所示为不同工况制冷量的变化，在各个工况，制冷量变化不大。图13所示为不同工况输入功率的变化。Vi=2.6在各个工况输入功率整体最低，功率损失最小，Vi=2.2次之。Vi=1.7及3.2的输入功率相对较高，功率损失较大。COP变化具有同输入功率相似的变化规律，如图14所示。图15所示为根据螺杆机组国标IPLV加权因素求得的压缩机IPLV数值。Vi=2.6兼顾了四个不同工况，其IPLV数值较高。IPLV变化曲线存在最高点，在Vi=2.2～3.2之间。在最高点，压缩机对IPLV工况的匹配性最佳。

表2螺杆机组IPLV工况及压缩机IPLV测试工况

Sheet 2IPLV conditions of twin-screw unit and compressor

Load蒸发器出水温度冷凝器进水温度压缩机蒸发温度压缩机冷凝温度100%73053775%72653250%72352725%719522

图13　不同工况输入功率Figure.13　Pe in different conditions

图14　不同工况COPFigure.8　COP in different conditions

图15　采用不同Vi时的IPLVFigure.15　IPLV of different Vi

5总结

通过前文的数据分析，可得到如下结果：

(1)压缩机在满负荷运行时，滑阀内容积比变化，压缩机的制冷量基本不变。部分负荷制冷量也基本保持不变，仅在高冷凝温度工况，由于电机功率偏差较大，制冷量有小幅变化。

(2)压缩机在满负荷设计工况运行时，满负荷输入功率最低。采用低内容积比滑阀运行高冷凝温度工况，功率损失最大可达30.21%。采用高内容积比滑阀运行低冷凝温度工况，功率损失最大可达13.86%。75%负荷输入功率变化情况与满负荷类似。在100%及75%负荷，工况的不匹配，对输入功率的影响极为显著。在50%负荷，压缩机理论内容积比是影响制冷量、输入功率、COP的主要因素。

(3)在满负荷及75%负荷，当压缩机运行于满负荷设计工况时，COP最高。运行工况与压缩机设计工况偏离时，COP显著降低，最高降幅达23%。

(4)对IPLV工况，采用中等内容积的滑阀时，输入功率更低、COP更高。根据螺杆机组国标的加权因素进行计算，得到最佳的IPLV值处于Vi=2.2～3.2之间。

螺杆压缩机的工况匹配，要求压缩机尽量在接近设计工况运行。当压缩机在机组中具有较为恒定的运行工况及负荷时，可以针对该工况及负荷，设计压缩机的滑阀，使压缩机处于设计工况运行。而实际情况中，由于压缩机制造成本高，同一台压缩机的设计往往要适应多种工况的高效运行。此时，滑阀的设计就应当兼顾各个工况。根据前文实验数据分析的结果，可以得出如下几点结论：

1)处于降低损失、提高能效的考虑，压缩机在高冷凝温度运行较多时，滑阀Vi必须取大，压缩机在低冷凝温度工况运行较多时，滑阀Vi必须取小。

2)压缩机在满负荷运行较多。如果压缩机要同时满足低冷凝温度和高冷凝温度工况，滑阀Vi取值范围是1.7

3)压缩机在部分负荷运行较多。如果压缩机要同时满足低冷凝温度和高冷凝温度工况，或者同时满足中高冷凝温度工况，滑阀Vi取值范围是Vi≥2.2。如果压缩机要同时满足中低冷凝温度工况，滑阀Vi取值范围是2.2≤Vi≤2.6。滑阀Vi的选取，还应保证50%负荷内容积比落在内容积比曲线的第二段内。

4)压缩机在滑阀2.2≤Vi≤2.6的范围内，可取得较高的螺杆机组IPLV性能。当滑阀的设计满足前述Vi范围时，应尽量靠近2.2≤Vi≤2.6，以使其综合性能更高。

参考文献6

[1] 邢子文.螺杆压缩机——理论、设计及应用[M].北京：机械工业出版社，2003

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