压缩机转速与回油率对空调性能影响的试验研究

崔 嵩 孟亚鹏 张 明

压缩机转速与回油率对空调性能影响的试验研究

崔 嵩 孟亚鹏 张 明

（泛亚汽车技术中心有限公司 上海 200120）

以焓差法原理为基础，利用焓差室搭建汽车空调压缩机试验台架，通过控制系统制冷剂侧、水侧和空气侧相应参数，对相应工况下某型压缩机转速及回油率对系统性能的影响进行研究。结果表明：该型压缩机在800rpm～1100rpm转速下，回油率为5.5%时即可保证压缩机排气温度低于90℃，且在此区间内增大压缩机转速能够提高系统制冷量，并能增大系统的制冷效率；回油率对压缩机功耗和制冷量均有影响，将回油率由3.5%提升至5.5%可有效降低压缩机功耗，不同转速下取得最大制冷量的回油率则有所不同；相同回油率条件下增大压缩机转速可以提高系统制冷效率，而在相同转速下系统制冷效率会随回油率增大呈现先增后减的趋势。

压缩机；转速；回油率；制冷效率；试验研究

0 引言

压缩机转速与回油率对压缩机自身及整个汽车空调系统性能具有较大影响。通过搭建具有油循环回路的压缩机试验系统台架，利用焓差室及环境箱给予各主要部件环境参数，通过充注制冷剂，调节膨胀阀等方式调节系统参数，换热器主要工作部件制冷剂侧相关参数可完成对相应条件下压缩机不同转速及回油率的试验[1-5]。本试验选用定排量斜盘压缩机；使用的制冷剂为R134a，排量为133cc；适用的润滑油为ZXL-100PG润滑油。对此压缩机进行试验，基于试验数据可有效对压缩机转速及回油率对系统性能的综合影响进行评估。

1 试验原理及台架说明

1.1 焓差试验室试验原理

焓差室通过焓差法实现对换热器换热能力的测量。焓差法是一种测定空调制冷制热能力的试验方法，基于能量守恒，当空气流经换热器的时候，空气侧焓值变化与换热器内制冷剂侧焓值变化相同，且换热器进出风两侧的空气状态均为气态，方便进行焓值测量[6]。因此，通过在换热器进出风侧布置干湿球温度计，并控制流经换热器的空气流量即可算得空气流经换热器时的换热量，从而实现对蒸发器或冷凝器换热能力的测量。

1.2 试验台架说明

压缩机性能试验台架基于空调系统循环进行搭建，试验系统循环图如图1所示：试验台架在焓差室中进行搭建，系统台架包括压缩机试验台架，蒸发器辅助台架，模拟冷凝器的水冷换热器辅助台架，此外包括节流阀和管路等部件；系统中需要在压缩机吸气和排气侧布置温度传感器和压力传感器，在膨胀阀进口侧和出口侧布置温度传感器和压力传感器，以便监测系统中制冷剂在制冷循环中各主要部件进出口状态点的物性参数；同时，制冷剂循环回路和油循环回路中应分别布置质量流量计，系统中还布置有液视镜以观察制冷剂是否存在不足。需要特别说明的是：本系统压缩机两侧连接有油循环回路，通过控制油循环回路中流量调节阀开度实现调节压缩机回油率的目的；此外，不同于常规空调试验台架，本系统冷凝器采用水冷式冷凝器以达到更大的制热量调节范围从而满足不同型号及功率的压缩机在不同工况下的试验需求[7]。

图1 压缩机试验台系统循环示意图

2 参数测量及调节方法

2.1 主要参数的测量和计算

系统运行时，大部分参数通过布置于系统中得传感器直接测得，此类参数主要包括：各状态点得制冷剂温度，压力；制冷剂循环流量；油循环流量；空气干球温度和湿球温度等。基于以上传感器所测参数，通过相关计算，可得如下参数：

（1）制冷剂各状态点焓值：通过该状态点制冷剂的温度和压力，通过系统中嵌入的程序调用制冷剂物性参数表查表获得。

（2）空气湿度：通过干湿球温度计所测干湿球温度进行空气-图查表获得。

（3）蒸发器的制热量计算：蒸发器制热量根据空气侧参数进行计算，蒸发器进出风温度可由指蒸发器前后的温度传感器测得，流经蒸发器的风量可通过布置在风道内的流量传感器得到｡因此，蒸发器的制冷量可根据如下公式进行计算[8,9]｡

Q=m·（h,out－h） （1）

式中，Q为系统制冷量，m为空气质量流量，h,out为蒸发器出口空气焓值，h为蒸发器进口空气焓值。

（4）压缩机功耗及效率计算：压缩机功耗通过压缩机电流和电压进行计算｡压缩机制冷效率COP（coefficient of performance）可通过如下公式进行计算[10]｡

式中，COP为系统制冷COP，W为压缩机功耗｡

（5）过冷度过热度计算：空调系统中，过热度是指蒸发器出口制冷剂温度与蒸发器出口处制冷剂压力下的气态饱和温度的差值，可通过布置于蒸发器出口处的温度传感器和压力传感器测得的数据计算得到｡过冷度是指冷凝器出口处的制冷剂温度与冷凝器出口处的制冷剂压力下的液态饱和温度之间的差值｡计算公式如下[11]｡

T=T－T(P) （3）

superheated=T－T(P) （4）

式中，T为系统过冷度，T为冷凝器出口制冷剂温度，T(P)为冷凝器出口制冷剂压力对应饱和温度｡superheated为过热度， T为蒸发器出口制冷剂温度，T(P)为蒸发器出口制冷剂压力对应的饱和温度｡

2.2 参数调节方法

表1 试验工况参数及其调节方式

试验在给定膨胀阀前制冷剂温度，压缩机吸排气压力，压缩机吸气温度，蒸发器进风干湿球温度的条件下，改变压缩机转速和回油率进行多组试验。在确定液视镜无气泡从而保证制冷剂充足的前提下，试验工况各参数及其调整方式如表1所示。

3 试验结果分析

对某型空调压缩机按表2所示工况下进行试验，其他状态参数相同情况下，取压缩机转速为800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm四个转速工况，并在每个转速工况下分别进行回油率为1.5%、3.5%、5.5%和7.5%的四组试验，以研究定压缩机转速以及回油率对系统性能的综合影响｡各工况参数中，温度点测量值与设定值最大允许偏差为±0.50℃，压力点测量值与设定值最大允许偏差为±1.0%。

表2 压缩机转速及回油率试验工况条件

上述条件下分别进行共16组试验，分别得到各工况下排气温度，制冷剂质量流量（油分离器将油分离后），系统制冷量，压缩机功耗和制冷COP，试验结果如表3所示。试验过程中系统内制冷剂最低温度在0℃以上，最高温度100℃以下，此温度范围内对表3试验数据进行分析可得到压缩机转速和回油率对系统和压缩机性能的综合影响。

表3 试验结果数据

续表3 试验结果数据

3.1 转速及回油率对压缩机排气温度影响分析

图2 定转速条件下压缩机排气温度随回油率变化曲线

压缩机排气温度在给定压缩机转速条件下随回油率变化曲线如图3所示｡结果表明：在上述工况下，对此压缩机，低转速将会导致高的排气温度，在回油率为1.5%时，与压缩机转速为1100rpm的工况相比，压缩机转速为800rpm的工况下排气温度要高出5.34℃，达到96.64℃。此时压缩机存在过热的风险；回油率对空调系统性能的影响主要体现在对排气温度的降低上，试验温度条件下，R134a制冷剂与ZXL-100PG润滑油始终具有良好的相溶性，增大压缩机回油率能够有效增加压缩机工作过程中的润滑油流量，从而有效降低压缩机的排气温度。以转速为800rpm的工况为例，与回油率为1.5%时相比，回油率为7.5%条件下压缩机排气温度下降了12.38℃，有效降低了排气温度，避免了过热风险；虽然增加回油率可以有效避免压缩机因过热损坏，但是可以发现，随回油率不断增大，其对排气温度降低的效果越来越不明显，且对此压缩机，在回油率为5.5%条件下转速为800rpm～1100rpm时排气温度均低于90℃，可以避免过热，继续增加回油率会导致存在过设计从而增加成本｡

3.2 转速及回油率对系统制冷性能影响分析

定回油率条件下系统制冷剂质量流量及系统制冷性能随压缩机转速变化曲线如图4所示，结果表明：上述工况下，对此压缩机，制冷剂质量流量和制冷量随压缩机转速变化趋势接近，可以表明：转速在800rpm～1100rpm范围内，增大压缩机转速是增大制冷量最直接的方式，其效果是通过增大制冷剂质量流量达成的；回油率主要通过影响压缩机排气温度影响制冷剂质量流量，在压缩机转速为800rpm和900rpm条件下，增大回油率可以提升系统制冷量，将回油率由1.5%增至7.5%，制冷量分别提7.9%和5.6%，而对于压缩机转速为1000rpm的工况，回油率为3.5%时系统制冷量大于回油率为5.5%时的制冷量，在转速为1100rpm的工况下，则在回油率为3.5%时具有最大的系统制冷量｡

图3　定回油率条件下制冷剂质量流量和系统制冷量随转速变化曲线

3.3 转速及回油率对压缩机功耗影响分析

定回油率条件下压缩机功耗随压缩机转速变化曲线如图5所示，结果表明：在上述工况下，对此压缩机而言，除回油率为3.5%时转速从1000rpm变为1100rpm的工况外，压缩机功耗与转速近似呈正比关系；在转速为800rpm～1100rpm范围内，相同转速下，回油率为1.5%和回油率为3.5%时压缩机功耗接近，回油率为3.5%和回油率为5.5%时压缩机功耗接近，但是将回油率由3.5%提升至5.5%，对于除1100rpm的转速外，压缩机功耗均有一定程度的下降，在800rpm，900rpm和1000rpm条件下下降比例分别为3.77%，3.9%和3.44%，可以看出：对于压缩机节能而言，选择5.5%的回油率效果较好｡

图4 定回油率条件下压缩机功耗随转速变化曲线

3.4 转速及回油率对系统制冷COP影响分析

定转速条件下系统制冷COP随回油率变化的曲线如图6所示，结果表明：在上述工况下，对此压缩机而言，在转速为800rpm-1100rpm范围内，相同回油率条件下，系统制冷COP随压缩机转速的升高而增大，此时较大的转速能使系统具有更高的效率；在回油率为1.5%，3.5%，5.5%和7.5%条件下，将压缩机转速由800rpm提升至1100rpm，系统制冷COP分别提升了18.9%，24.6%，12.2和9.1%；适当提高回油率能够起到增大制冷COP的目的，但是过大的回油率会导致系统COP出现下降，在压缩机转速为900rpm和1000rpm时，系统制冷COP在回油率由5.5%增至7.5%时出现下降，在压缩机转速为1100rpm时，系统制冷COP在压缩机回油率由3.5%增至5.5%时出现下降｡

图5 定转速条件下制冷COP随回油率变化曲线

4 结束语

利用基于焓差试验室的试验台对压缩机在不同转速及回油率工况下进行了试验，分析了试验中各参数的调节方法及原理，并得出转速及回油率综合情况下对于系统计压缩机性能的影响，结论如下：

（1）此压缩机在转速800rpm～1100rpm时，增大压缩机转速能降低排气温度；增大回油率可降低排气温度，对此压缩机，回油率为5.5%可保证压缩机排气温度低90℃，无需继续增大回油率来避免压缩机过热。

（2）此压缩机在转速800rpm～1100rpm范围内制冷剂质量流量均与转速存在较好的线性关系，可通过提升转速起到增大制冷量的目的；回油率也对制冷量有影响，但不同转速下取得最大制冷量时的回油率不相同｡

（3）此压缩机在转速800rpm～1100rpm范围内压缩机功耗与转速存在较好的线性关系，且将回油率从3.5%提升至5.5%时可以起到一定降低压缩机功耗的作用，除1100rpm转速时外能耗下降均在3.5%-4%之间｡

（4）此压缩机在转速800rpm～1100rpm范围内时制冷COP随压缩机转速增大明显增大，在回油率为1.5%，3.5%，5.5%和7.5%条件下，将转速由800rpm提升至1100rpm，系统制冷COP分别提升了18.9%，24.6%，12.2和9.1%；适量的回油率可以增大制冷COP，但是过大回油率会导致制冷COP下降，对于不同转速，取得最大制冷COP的回油率不同｡

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Experimental Study on Influenceof Compressor Speed and Oil Recycle Content on Air Conditioning System

Cui Song Meng Yapeng Zhang Ming

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd, Shanghai, 200120 )

By setting up vehicle compressor platform in the enthalpy chamber, based on enthalpy difference method and used the satisfied way to control the parameters of air, water and refrigerant, then the influence of compressor speed and oil recycle rate can be experimented and the results can be used to evaluate the performance of compressor. The results show that when compressor speed between 800-1100rpm, 5.5% oil recycle content can make compressor exhaust temperature below 90℃ and increasing compressor speed can increase cooling capacity and cooling coefficient of performance in this range; oil recycle content can influence compressor consumption and system cooling capacity, increasing oil recycle content from 3.5% to 5.5% has advantages to decrease compressor consumption but the oil recycle content when system has the best cooling capacity in different speed is different; increasing compressor speed can increase cooling coefficient of performance and the cooling coefficient of performance will increase first then decrease with oil recycle content increase in the same compressor speed.

Compressor; Speed; Oil Recycle Rate; Coefficient of Performance; Experimental Research

1671-6612（2021）03-328-06

TK05

A

崔 嵩（1994.9-），男，硕士，工程师，E-mail：Song1_Cui@PATAC.com.cn

2020-12-02