变频滚动转子式压缩制冷系统的㶲分析

沈冰洁，陶乐仁，王超，虞中旸

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

变频滚动转子式压缩制冷系统的㶲分析

沈冰洁，陶乐仁，王超，虞中旸

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

针对吸气带液状态下变频压缩机组㶲分析对优化热力系统的运行有着很明确的指导价值，研究和分析了不同吸气状态和不同压缩机频率下㶲损失、㶲效率、㶲损率、㶲损系数、制冷量、制冷系数（COP）、总㶲损失、总㶲效率以及总㶲损系数的变化趋势，并比较得出了吸气带液时哪个设备是系统最薄弱环节。结果表明：①当压缩机少量吸气带液时，冷凝器和蒸发器㶲效率的提升大于压缩机㶲效率的下降，也就是说少量吸气带液对蒸发器和冷凝器的有利影响大于对压缩机的不利影响；②系统的总㶲损失和总㶲损系数在x=0.95左右达到最小，而总㶲效率在x=0.95左右达到峰值；③当压缩机在较高频率下工作时，冷凝器和蒸发器的㶲损失将会明显增加；④当压缩机频率为50Hz且吸气带液时，蒸发器的㶲损失、㶲损率和㶲损系数最大，㶲效率最小，此时蒸发器为系统最薄弱环节。指出以上结论也适用于同型号的滚动转子式压缩机。

㶲损失；㶲效率；吸气带液；压缩机频率；热力学

通常采用制冷系数COP来衡量制冷系统性能的优劣，这是基于热力学第一定律，从能量的“量”上来分析系统性能，而未考虑能量“质”方面的不同，也不能判明循环中哪个过程是最薄弱环节[1]。而㶲分析方法在热力学第一定律和热力学第二定律的基础上，从能量的“量”和“质”两方面综合地对制冷系统的性能进行考察，并可对系统内不同设备和整个系统进行㶲损失和㶲效率的计算，因此更为全面[2]。

制冷系统㶲分析的研究已经有了不少[3-7]。马娟丽等[8]研究了电子膨胀阀开度变化对跨临界CO2制冷系统各个组件相对㶲损失的影响，结果表明膨胀阀开度在最佳值时，压缩机和气体冷却器的相对㶲损失分别为总㶲损失的49.4%和18.9%，设备㶲效率分别为60.7%和37.6%，压缩机和气体冷却器性能有较大的提升空间。王建强等[9]采用㶲分析方法,揭示了蒸气压缩式制冷系统中主要部件能量损失的程度，结果表明冷凝器和蒸发器是制冷系统中㶲损失最大的设备。马来西亚的AHAMED等[10]所写的蒸气压缩制冷系统的㶲分析综述中表明㶲取决于蒸发温度、冷凝温度、过冷度、压缩机压力和环境温度，且大部分的㶲损失发生在压缩机部分。

本文利用滚动转子式变频冷水机组实验台，分别在不同吸气状态和不同压缩机频率下，对制冷系统的性能进行研究。以往对于变频滚动转子式制冷系统性能的研究往往是以制冷量和COP为评价标准[11-12]，而本文对制冷系统的各组成部分（压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、蒸发器）分别进行了㶲分析计算，在分析制冷量和COP的基础上，还研究分析了各组成部分的㶲损失、㶲效率、㶲损率、㶲损系数以及总㶲损失、总㶲效率、总㶲损系数等参数，旨在得到更为全面的制冷系统性能分析和制冷循环中的薄弱环节。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，制冷循环由变频滚动转子式压缩机1（自带气液分离器）、冷凝器2、高压储液器3、过冷器4、科氏力质量流量计5、电子膨胀阀6、可视管7、蒸发器8、可视管9等组成回路。冷凝器冷却水循环、蒸发器冷冻水循环和过冷器水循环均为逆流设计。

图1 实验装置图

压缩机1选用上海日立电器公司生产的GSD0102UKQA6JH6G滚动转子式压缩机，自带气液分离器，额定频率50Hz，排气量10.2mL/rev，制冷剂为R32，压缩机频率可通过变频器手动调节。选用智能数字功率表HY194P-5K1-D（上海鸿引电子科技有限公司）测量压缩机耗功，精度等级为0.5级。电子膨胀阀6选用Sporlan SER-B，总步数为2500步，可通过步进电机控制器来调节电子膨胀阀开度，从而调节制冷剂流量。蒸发器8选用 BL26-26紧凑型的板式换热器。温度和压力传感器的布置如图1所示。温度传感器采用上海仪表自动化公司WZP系列铂电阻，精度等级为A级，温度允许偏差±0.15℃+0.002|T|（T为测量温度，单位为℃）。压力传感器选用Danfoss的MBS 3000压力变送器，精度为0.5%。采用科氏力流量计测量制冷剂质量流量，测量精度±0.1%，采用浮子流量计测量水体积流量，测量精度±2.5%。由西门子S7-300可编程控制器采集系统运行参数，并在人机界面上对冷却水和冷冻水温度进行PID控制。PLC所采集数据经过数据线传输到PC 计算机，在人机界面上进行实时监控并输出数据报告。

1.2 实验方法

为了使系统工况与ARI标准空调工况[13]（冷冻水进出水温度为6.7℃/12.3℃，冷却水进出水温度29.4℃/35℃）相接近，设定实验工况为：冷冻水出水温度Tweo为7℃，冷却水出水温度Twco为35℃，过冷度为6℃。实验时先设定压缩机运转频率50Hz，调节电子膨胀阀开度使其吸气处于不同状态（吸气过热/吸气带液），待系统稳定后记录5min内的数据，计算时取平均值。然后按上述方法依次记录压缩机频率为55Hz、60Hz、65Hz、70Hz时的数据。

2 主要计算公式

由图1中仪表仪器可测得下列参数：冷冻水进水温度Twei，冷冻水体积流量Vwe，冷却水体积流量Vwc，制冷剂质量流量mr，压缩机耗功W，环境温度T0，大气压P0，压缩机吸气压力P1和吸气温度T1，压缩机排气压力P2和排气温度T2，冷凝器出口压力P3和出口温度T3，蒸发压力Peva。

根据测量值通过Refprop9.0物性软件可得：压缩机进口焓值h1，压缩机进口熵值s1，压缩机出口焓值h2，压缩机出口熵值s2，冷凝器出口焓值h3，冷凝器出口熵值s3，蒸发器进口熵值s4，冷冻水进出口焓值hwei和hweo，冷冻水进出口熵值swei和sweo，冷却水进出口焓值hwci和hwco，冷却水进出口熵值swci和swco，环境温度下的焓值h0和熵值s0。

其他所需参数可通过下面式(1)～式(19)计算得到。

制冷量

COP

冷冻水质量流量

冷却水质量流量

冷却水进水温度

式中，c为水的比热容。

对于稳定流动的纯工质，忽略动能和位能时在某一状态下的比㶲可表示为式(6)。

不同设备的㶲损失计算如式(7)～式(11)。

压缩机的㶲损失

冷凝器的㶲损失

电子膨胀阀的㶲损失

蒸发器的㶲损失

系统总㶲损失

不同设备的㶲效率计算如式(12)～式(16)。

压缩机的㶲效率

冷凝器的㶲效率

电子膨胀阀的㶲效率

蒸发器的㶲效率

系统总㶲效率

㶲损失的大小，表明实际过程的不可逆程度，它是一个绝对量，仅可以比较相同条件下的热工设备。㶲效率表示㶲的利用率，可以比较不同工作条件下各类热工设备中㶲的利用程度，但它并不能直接表示整个系统中㶲损失的分布情况以及每个环节㶲损失所占的比重，因此不能直接揭示薄弱环节[14]。而㶲损失所占的比例，能揭示过程中㶲退化的部位和程度，因此引入㶲损率和㶲损系数来更深入地探讨制冷系统的性能。

不同设备的㶲损率

式中，下角标j为com、con、val或eva。

不同设备的㶲损系数

系统总㶲损系数

3 实验结果与分析

3.1 不同吸气状态时系统的㶲分析

图2～图4为55Hz的压缩机频率下不同吸气状态时系统各设备㶲损失、㶲效率、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势。从图2和图4中可以看出，不同吸气状态时系统各设备㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势大致相似。随着吸气过热度/吸气干度的下降，蒸发器的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数大幅下降，这是由于蒸发器内两相换热区增长，从而提高了蒸发器的换热系数，蒸发器的传热温差大幅下降的结果。压缩机的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数在过热区变化不大，而在两相区大幅上升是由于当压缩机吸入大量液体制冷剂后，液体制冷剂会稀释润滑油，降低润滑油膜的黏度和厚度，造成压缩机的泄露损失和机械损失增加，更严重还会造成压缩机磨损，而且增大膨胀阀开度使压缩机吸气带液也会使得压缩机内液体流速增加，从而增加流动损失。但少量吸气带液时，压缩机㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的增加不是很大，当x＜0.95时，压缩机的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数才开始大幅上升，因此将压缩机控制在少量吸气带液的范围内不会产生大的压缩机㶲损失。电子膨胀阀的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数呈极为缓慢的上升趋势，这与随着电子膨胀开度的增加，流量不断增加而压差不断下降有关。冷凝器的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数在数值上有略微的波动，这与冷凝器的传热温差有关。从图3中可以看出，各个设备㶲的利用情况，随着吸气过热度/吸气干度的下降，电子膨胀阀的㶲效率几乎不变，而且其㶲效率最高。压缩机的㶲效率位居第二，在过热区和少量吸气带液区变化不大，大量吸气带液后㶲效率有明显下降，这与压缩机的㶲损失、㶲损率以及㶲损系数在两相区大幅上升相对应。冷凝器的㶲效率呈稳步上升的趋势，蒸发器㶲效率的上升幅度不如冷凝器明显。在四大设备中，蒸发器的㶲效率最低，主要是制冷工质在蒸发器中的换热温差和压降所引起的。若使系统处于少量吸气带液状态，可以发现此时电子膨胀阀的㶲效率没有影响，而冷凝器和蒸发器㶲效率的提升大于压缩机㶲效率的下降，因此少量吸气带液对蒸发器和冷凝器的有利影响大于对压缩机的不利影响。

图2 不同吸气状态下各设备㶲损失的变化趋势

图3 不同吸气状态下各设备㶲效率的变化趋势

图4 不同吸气状态下各设备㶲损率及㶲损系数的变化趋势

图5和图6为55Hz的压缩机频率下，不同吸气状态时制冷量、COP、总㶲损失、总㶲效率和总㶲损系数的变化趋势。从图5可以看出，系统的制冷量在x=0.98左右达到峰值，系统的COP在x=0.95左右达到最大值，验证了文献[11]中所写的在x=0.95～1时，系统性能优于常规的5～10K过热度时的性能。从图6可以看出，总㶲损失和总㶲损系数在x=0.95左右达到最小，而总㶲效率在x=0.95左右达到峰值。总㶲效率和总㶲损系数之和为1，在图上沿着y=0.5呈轴对称图形。在制冷量和COP的基础上，对于总㶲损失、总㶲效率和总㶲损系数的分析再次为最佳吸气干度点的确定提供有力的依据。

图5 不同吸气状态下制冷量和COP的变化趋势

图6 不同吸气状态下总㶲损失、总㶲效率和总㶲损系数的变化趋势

3.2 不同频率时系统的㶲分析

图7 不同频率时各设备㶲损失的变化趋势

图8 不同频率时各设备㶲效率的变化趋势

图9 不同频率时各设备㶲损率及㶲损系数的变化趋势

图7～图9为吸气干度x=0.98时，不同的压缩机运转频率时系统各设备㶲损失、㶲效率、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势。从图7和图9中可以看出，与不同吸气状态时的情况不同，不同频率时的系统各设备㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势不再相似，这是由于压缩机频率越高，压缩机的功耗也越大，压缩机的排气温度也会升高，这些因素都会影响㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的数值大小。从图7可以看出，随着压缩机频率的增加，系统各设备的㶲损失都有所增加，不过增加幅度各有不同。冷凝器的增加幅度最大，因为压缩机频率越大，换热量也越大，排气温度也越高导致其传热温差越大，而换热器的㶲损失与换热量和传热温差有关，所以在这两方面的影响下冷凝器的㶲损失增加最多。蒸发器的㶲损失增加幅度次之，因为压缩机的频率增加只影响了其换热量。压缩机的㶲损失增加幅度第三，其损失与压比、内部摩擦阻力有关，压缩机频率越大，压比也越大。电子膨胀阀的㶲损失增加幅度最小。图7也表明当压缩机在较高频率下工作时，冷凝器和蒸发器的㶲损失将会明显增加，所以应首要关注这两个换热器㶲损失的控制，应在合适换热面积的条件下尽量减小传热温差。图8表明随着压缩机频率的增加，电子膨胀阀和压缩机的㶲效率几乎保持不变，且㶲效率较高。冷凝器的㶲效率在65Hz时达到最低值，而蒸发器的㶲效率在60Hz时达到峰值。与电子膨胀阀和压缩机相比，冷凝器和蒸发器的㶲效率较低，提升空间较大。图9揭示了整个系统中㶲损失的分布情况和㶲退化的程度。随着压缩机频率的增加，四大设备的㶲损失都有所增加，但是蒸发器和膨胀阀的㶲损率却下降了，这表明当频率增加后，它们在总㶲损失中所占的比例有所下降，蒸发器虽然一直是系统中最薄弱的环节，但是其薄弱的程度有所下降。图9中显示的㶲损系数也都有所增加，但其增加斜率没有㶲损失的大，主要原因是随着压缩机频率的增大，压缩机耗功也有所增加。

图10和图11为吸气干度x=0.98时，不同的压缩机运转频率时制冷量、COP、总㶲损失、总㶲效率和总㶲损系数的变化趋势。从图10可以看出，随着压缩机频率的增加，制冷量不断增加，当压缩机频率到达65Hz之后，制冷量几乎不再增加，而COP随着压缩机频率的增加不断减小，65Hz后下降幅度还有所增加。从图11可以看出，随着压缩机频率的增加，总㶲损失和总㶲损系数不断增加，而总㶲效率不断下降，因此当压缩机在50Hz运行时的系统㶲效率比在70Hz运行时高得多，可在满足需要的情况下尽可能保持压缩机在50Hz左右运行。若必须在70Hz左右运行，可适当采取相关措施尽量减小㶲损失，提高㶲效率，如减小换热器传热温差，采取过冷，减小压缩机摩擦阻力减小压比等。另外，总㶲损失随压缩机频率的增加几乎呈线性增加，而总㶲效率和总㶲损系数在60～65Hz之间变化幅度最大，所以如果将压缩机运行在60Hz即可满足要求，尽量不要运行在65Hz。

图10 不同频率时制冷量和COP的变化趋势

图11 不同频率时总㶲损失、总㶲效率和总㶲损系数的变化趋势

3.3 不同设备的㶲分析

表1列出了压缩机频率为50Hz、吸气干度为0.98时系统中不同设备的㶲损失、㶲效率、㶲损率和㶲损系数。可以看出，当压缩机吸气带液时，蒸发器的㶲损失、㶲损率和㶲损系数最大，而压缩机的㶲损失、㶲损率和㶲损系数最小；电子膨胀阀的㶲效率最大，约为99%，与其他设备相比，电子膨胀阀的提升空间较小，而蒸发器的㶲效率最小，约为63%，蒸发器主要的不可逆损失来自于制冷剂在换热器内的传热温差，可通过增加换热面积或采取微通道换热来降低传热温差，在实际运行中也应做好设备的维护和保养工作以提高其㶲效率。吸气带液也可以减小蒸发器的传热温差，但大量吸气带液也会对系统产生不好的影响，所以应把吸气带液量控制在一个合适的范围内。

表1 50Hz/x=0.98时系统的㶲分析

4 结论

本文通过滚动转子式变频冷水机组实验台，研究了不同吸气状态下和不同压缩机频率下系统不同设备的㶲损失和㶲效率等参数，分析数据得到以下结论。

（1）不同吸气状态时系统各设备㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势大致相似；不同频率时的系统各设备㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的变化趋势不再相似。这是由于压缩机频率变化，压缩机的功耗和排气温度也会变化，这些因素都会影响㶲损失、㶲损率以及㶲损系数的数值大小。

（2）当压缩机少量吸气带液时，电子膨胀阀的㶲效率几乎不变，冷凝器和蒸发器㶲效率的提升大于压缩机㶲效率的下降，因此少量吸气带液对蒸发器和冷凝器的有利影响大于对压缩机的不利影响。系统的总㶲损失和总㶲损系数在x=0.95左右达到最小，而总㶲效率在x=0.95左右达到峰值。

（3）当压缩机需在较高频率下工作时，冷凝器和蒸发器的㶲损失将会明显增加，所以应首要关注这两个换热器㶲损失的控制。

（4）当压缩机频率为50Hz且压缩机吸气带液时，蒸发器的㶲损失、㶲损率和㶲损系数最大，而压缩机的㶲损失、㶲损率和㶲损系数最小；电子膨胀阀的㶲效率最大，而蒸发器的㶲效率最小。因此当压缩机频率为50Hz且吸气带液时，蒸发器为系统最薄弱环节。

符号说明

c—— 水的比热容，kJ/(kg·℃)

d—— 㶲损率，量纲为1

e—— 比㶲，kJ/kg

h—— 焓值，kJ/kg

I—— 㶲损失，W

m—— 质量流量，g/s

P——压力，kPa

Q——制冷量，kW

s——熵值，kJ/(kg·K)

T——温度，℃

V——体积流量，L/min

W——压缩机耗功，W

ρ——水的密度，kg/m3

η——㶲效率，量纲为1

Ω——㶲损系数，量纲为1

下角标

com——压缩机

con——冷凝器

eva——蒸发器

i——进口

j——不同设备

o——出口

r——制冷剂

val——电子膨胀阀

we——冷冻水

wc——冷却水

0——环境

1——压缩机进口

2——压缩机出口

3——冷凝器出口

4——蒸发器进口

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The exergy analysis of variable frequency rolling rotor compression refrigeration system

SHEN Bingjie，TAO Leren，WANG Chao，YU Zhongyang
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Since the exergy analysis of variable frequency compressors has clear guidance values about optimizing the thermodynamic system operation under liquid-vapor mixture refrigerant suction，the changing trends of the exergy loss，exergy efficiency，exergy loss rate，exergy loss coefficient，refrigerating capacity，COP，total exergy loss，total exergy efficiency and total exergy loss coefficient under different suction states and compressor efficiencies have been analyzed and which equipment is the weakest link in the system under liquid-vapor mixture refrigerant suction has also been obtained. Results showed that：①when rolling rotor compressors suck vapor refrigerant mixed a little liquid refrigerant，the increase of exergy efficiency of condenser and evaporator is greater than the decrease of exergy efficiency of compressor；that is to say，the beneficial effects of liquid-vapor mixture refrigerant suction on condensers and evaporators are greater than the adverse impacts on compressors. ②The total exergy loss and total exergy loss coefficient are minimum atx=0.95，while the total exergy efficiency is maximun atx=0.95. ③When compressors are operated under high efficiencies，the exergy losses of condenser and evaporator will be increased significantly. ④When the compressor efficiency is 50Hz and compressor sucks vapor refrigerant mixed a little liquid refrigerant，the exergy loss，exergy loss rate and exergy loss coefficient of evaporator are maximun and the exergy efficiency of evaporatoris minimum. Thus，the evaporator is the weakest link in the system at this moment. The conclusions mentioned above are the same with the same type of rolling rotor compressors.

exergy loss；exergy efficiency；liquid-vapor mixture refrigerant suction；compressor efficiency；thermodynamic

TK123

：A

：1000–6613（2017）02–0457–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.008

2016-06-27；修改稿日期：2016-08-07。

上海市动力工程多相流动与传热重点实验室资助项目（1N-15-301-101）。

沈冰洁（1993—），女，硕士研究生。E-mail：bingbingjenny@163.com。联系人：陶乐仁，教授，博士生导师，研究方向为制冷及低温技术。E-mail：cryo307@usst.edu.cn。