R32与R410A在滚动转子式压缩机中变工况仿真研究

2020-07-14

流体机械 2020年6期

（上海理工大学制冷技术研究所，上海 200093）

0 引言

压缩机作为制冷系统中的核心部件，为制冷剂循环流动提供动力。滚动转子式压缩机具有体积小，结构简单，摩擦损失小，噪声低，变工况性能好等优点，被广泛运用于家用空调制冷系统中［1］。

针对R32与R410A在滚动转子式压缩机中的应用，袁旭东等［2］通过建立热力学仿真模型，研究不同制冷剂在滚动转子式压缩机中的热力性能；王林［3］建立了滚动转子式压缩机的热力学仿真模型，并借助热力学第二定律对压缩机的不可逆性进行了分析；韩茹［4］采用按热力学第一定律建立的数学模型对压缩机进行了模拟，并对以R410A为工质的压缩机进行了优化。然而在实际应用中，由于外部工况复杂多变，压缩机并非一直位于标准设计工况下运行［5］。目前对于压缩机变工况下，热力性能的研究尚不充分。

本文以滚动转子式压缩机为研究对象，针对代替制冷剂R32与R410A，建立稳态下压缩机的热力学仿真模型，通过改变吸气过热度、液体过冷度以及吸排气压力比，来研究不同制冷剂在变工况情况下压缩机输入电功率、制冷量以及性能系数COP变化规律。

1 滚动转子式压缩机仿真模型

1.1 压缩机数学模型

压缩机模型的建立基于以下假设：（1）压缩机的运行过程为稳态过程；（2）忽略压缩机与周围环境及高低压之间的换热；（3）仅计算压缩机每一转的平均流量［6］。

压缩机理论输气量Vh为：

式中n——压缩机转速，r/min；

Vcc——压缩机气缸的排量，m3。

实际输气量Vr为：

式中λ——压缩机容积效率。

容积系数λv为：

式中c——相对余隙容积，转子式压缩机取1.5%；

pd——压缩机排气压力，Pa；

pd——排气压力损失，Pa，很小可忽略不计；

ps——压缩机吸气压力，Pa；

k——等熵过程指数，取k=1.194。

压力系数λp：由于滚动转子式压缩机没有吸气阀，吸气压力损失∆Ps很小，∆Ps/Ps大约为0.005，故通常认为λp近似等于1［7］。

温度系数λT：

式中A——经验工质系数，A=0.002 57；

Tc——压缩机冷凝温度，K；

B——经验工质系数，B=0.001 06；

Ts——压缩机气缸吸气温度，K；

Te——压缩机蒸发温度，K。

泄漏系数λl：对于滚动转子式压缩机，当转速为3 000 r/min时，取λl=0.82～0.92；当转速为1 500 r/min时，取λl=0.75～0.88。

回流系数λh：由于容积变化很小，所以回流系数λh可近似取1。

压缩机容积效率λ：指示效率ηi［8］：

式中 ΔPdm——排气阀平均压降，Pa；

ε——压缩机吸排气压力比；

hs，hd——压缩机吸、排气比焓，kJ/kg；

vs——压缩机吸气比容，kJ/kg。

机械效率ηm：考虑到滚动转子式压缩机机械效率的高低与制冷剂的粘度有关，对于黏度较小的制冷剂R32，其机械效率一般取0.84～0.87，而对于黏度较大的制冷剂R410A，其机械效率取0.76～0.8。

电动机效率ηmo：对于全封闭滚动转子式压缩机通常取ηmo＜0.87。

电效率ηel：

压缩机的绝热指示功率Pts为：

压缩机输入电功率Pel为：

压缩机的排气温度Ts为：

式中m——多变膨胀指数，由于滚动转子式压缩机膨胀过程时间较短，可认为该过程为绝热膨胀，取m=k。

压缩机制冷量Φ0：

式中qcom——质量输气量，m3/h；

hd，l——蒸发器入口液体的焓值，kJ/kg。

质量输气量qcom：

压缩机COP值：

1.2 压缩机仿真算法

滚动转子式压缩机的热力学仿真模型具体计算步骤如下所示：

（1）输入压缩机的结构参数与运行参数。主要包括压缩机气缸排量Vcc、转速n、冷凝温度Tc、蒸发温度Te、吸气温度Ts、液体过冷度。

（2）用制冷剂热物性计算软件计算吸气压力ps、排气压力pd、吸气比容vs、吸气比焓hs、排气比焓hd。

（3）利用式（1）～（8），根据输入参数计算压缩机的实际输气量Vr、容积效率λ、电效率λel。

（4）利用式（9）～（11），计算压缩机的绝热指示功率Pts、输入电功率Pel、排气温度Ts。

（5）利用式（12）～（14），根据压缩机的输入电功率与制冷量，计算压缩机的性能系数COP值。

1.3 压缩机仿真模型验证

为了确保模型的准确性，根据某品牌压缩机的技术规格书选取了3台直流变频空调压缩机，具体型号及参数见表1。模型验证前先利用技术规格书中提供的全性能曲线对仿真模型进行进一步的修正。最后比较仿真结果与实测结果在标准测试工况下的差值来判断模型的正确性。

表1 空调压缩机型号及参数

压缩机的标准测试工况采取了SEER60标准，利用专用变频器控制转速在60 r/min，其冷凝温度为42.3 ℃，蒸发温度2.7 ℃，吸气温度为12.8 ℃，过冷液温度为34.3 ℃，环境温度取35 ℃。

模型的验证是通过比较制冷量与输入电功率实测值与仿真值的差值来实现的，3台样机的具体比较结果见表2。

表2 仿真值与实测值比较

2 变工况性能分析

针对上述3台压缩机样机，采用其排气量与转速数据，分别改变吸气过热度、液体过冷度、吸排气压力比，来研究变工况下压缩机的热力性能。其中 1，2，3 号表明其使用制冷剂 R32，4，5，6 号表明其使用制冷剂R410A。

2.1 吸气过热度对压缩机性能的影响

保持冷凝温度42.3 ℃，蒸发温度为2.7 ℃，液体过冷度为8 ℃，压缩机转速为60 r/min不变，改变吸气过热度。

图1表明输入电功率随着吸气过热度的上升而降低，根据式（10），主要是由于制冷剂比容随过热度的增加而增加，导致排气阀平均压降下降，压缩机的电效率上升。在相同气缸排量条件下使用R32的输入电功率比使用R410A的平均大5.9%，且R32的变化幅度要比R410A小65.7%，说明吸气过热度对应用R32的影响比应用R410A的要小。

图1 输入电功率随过热度变化趋势

图2示出制冷量随吸气过热度增大的而减小的趋势。虽然蒸发器进出口焓差有较小增幅，但质量输气量显著减小，制冷量总体上呈现下降趋势。在压缩机相同气缸排量下，R32的制冷量要比R410A大，增幅在1 631～1 816 W之间，且随着过热度的上升，两者间的差异逐渐变小。

图2 制冷量随吸气过热度变化趋势

图3示出性能系数COP随吸气过热度变化的趋势。对于R32，随着吸气过热度的上升，COP呈下降趋势。根据式（14），制冷量与输入电功率都随着吸气过热度的上升而呈下降趋势，但制冷量下降的幅度更大。对于R410A存在着最佳吸气过热度，为4.2 ℃。

图3 COP随过热度变化趋势

2.2 液体过冷度对压缩机性能的影响

保持冷凝温度为42.3 ℃，蒸发温度2.7 ℃，吸气过热度为10 ℃，压缩机转速为60 r/min不变，改变液体过冷度。

仿真结果表明改变液体过冷度，对输入电功率基本不造成影响，根据式（10），其电效率与绝热指示功率基本不随液体过冷度改变。

从图4可知，制冷量随着液体过冷度的增大而增大，主要是其蒸发器入口处比焓随着液体过冷度的增加而降低，单位制冷量上升。在压缩机气缸排量相同时，使用R32的压缩近制冷量要比R410A大4.1%～2.9%。

图4 制冷量随过冷度变化趋势

图5表明，压缩机性能系数COP随着过冷度的上升而增大。气缸排量相同时，在过冷度较低时，R32的COP高于R410A，但随着液体过冷度的上升，R32的制冷量上升幅度小于R410A，导致R410A的COP逐渐超过R32。

图5 COP随过冷度变化趋势

2.3 吸排气压力比对压缩机性能的影响

保持冷凝温度为42.3 ℃，液体过冷度为8 ℃，吸气过热度为10 ℃，压缩机转速为60 r/min不变，通过改变蒸发温度来改变吸排气压力比。

图6表明，输入电功率随着吸排气压比的增大而呈下降趋势，根据式（10），随着吸排气压比的增大，电效率呈上升趋势，且压缩机绝热指示功率也由于质量输气量的减小而下降。气缸排量相同时，吸排气压比较低时，R410A的输入电功率大于R32，随着吸排气压比的上升，两者间差距逐渐缩小，当压比超过4时，R32的输入电功率反而大于R410A。