变频螺杆压缩机经济器的变工况实验研究

(南通航运职业技术学院 南通 226010)

带经济器螺杆压缩机的制冷循环是一个“准二级”系统[1]，螺杆压缩机工作包括吸气、压缩、排气3个过程，在吸气结束后螺杆方向上的某一位置，增开一个补气口，吸入来自经济器的制冷剂蒸气，从而增加压缩制冷剂的循环量，降低制冷系统工质的供液温度，因此带经济器的机组制冷量显著增大，性能系数COP[2-3]明显提高。

双螺杆制冷压缩机工作时，阴阳转子相互啮合，吸气口和排气口在转子轴线方向上，经济器补气口设置在压缩机吸气结束、压缩未开始的位置。国内外学者对经济器的性能进行了大量的研究。S. Jonsson[4]构建了带经济器螺杆压缩机的数学模型并编制了相应的计算程序，但计算结果没有进行实验验证。吴华根等[5]通过实测给出了补气工况下带经济器双螺杆压缩机的p-v图，研究了在不同的经济器补气压力下，双螺杆压缩机的功率、效率等性能变化。由于室外气象条件和室内负荷时刻变化，空调冷水机组满负荷运行时间小于总运行时间的1%，大部分时间在部分负荷下运行[6]，因此研究不同工况下部分负荷的螺杆压缩机经济器补气口的特性，分析经济器补气口瞬时压力的影响因素，更具有现实意义和实用价值。

1 理论分析

带闪发式经济器的螺杆压缩机制冷系统原理及压焓图如图1所示，全部冷凝器内高温高压液体经过一级节流后变成中压气液混合物进入经济器，闪发制冷剂蒸气经补气口进入压缩机，与系统吸气混合后进行压缩；制冷剂液体经二级节流进入蒸发器中吸热蒸发，蒸发后的制冷剂气体进入压缩机吸气腔[12]。这种系统相对简单，制冷性能较好[13]，但由于经济器内制冷剂处于中间压力的饱和液体，二级节流时供液压力较低，可能造成节流阀不在额定工况下工作，供液量偏少，制冷量较少。换热器经济器制冷循环一小部分的中温高压液体经过辅助节流阀进入经济器，节流后的两相制冷剂工质与中温高压液体在经济器内换热，吸收热量后汽化经补气口进入压缩机。中温高压液体在经济器中过冷后，经二级节流阀进入蒸发器。这种系统相对复杂，制冷性能较闪发式的差，但中温高压液体在经济器中压损较小，系统供液制冷剂具有一定的过冷温度，克服了闪发式经济器制冷循环供液不足的缺点[9]。

图1 带闪发式经济器的螺杆压缩机制冷系统Fig.1 Screw compressor refrigeration system with flash economizer

1.1 补气压力的确定

带补气口的螺杆压缩机工作过程为：当压缩机吸气时，制冷系统低温低压的制冷剂(点1)与吸气腔相通，吸气结束时螺杆齿槽与吸气口脱离，形成基元容积，随着双螺杆不断啮合工作，制冷工质与中间补气口连通。理论上，闪发式经济器的压力为pm，稍大于压缩机补气压力pE，或近似相等，螺杆压缩机在转子长度方向上开补气口，其位置决定一级内容积比，一级压缩结束时的压力和温度通过式(1)、式(2)[14]得到。

pE=pS(ηv1εv1)n

(1)

式中：pE为压缩机吸气压力，kPa；pS为一级压缩结束时的压力，kPa；TS为压缩机吸气温度，K；TE为一级压缩结束时的温度，K；ηv1为一级内压缩容积效率；εv1为一级内压缩容积比；n为多变过程指数。

1.2 经济器压力对补气量的影响

带经济器制冷系统补气量由两个参数决定：压缩机补气过程中所需的单位补气量α1和经济器内气液热平衡所能提供的单位补气量α2。当α1=α2时，制冷系统补气过程平衡。在补气过程中，压缩机所需的补气量α1由补气压力pm和经济器补气口处的基元容积内的压力pE决定。单位补气量α1的计算式为[15]：

式中：pm为经济器中间补气压力，kPa；pE为经济器补气口处的瞬时压力，kPa；vE为经济器补气口处的瞬时比容，m3/kg；R为摩尔气体常数，kJ/(kg·K)；

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中间补气过程能量守恒，应用热力学第一定律，能量方程为式(4)，由于旋转是连续的，混合过程是瞬时的，可假设其过程绝热等容，故比容积方程[16]如式(5)所示。

h2+α2h5″=(1+α2)hE

(4)

vE=v2/(1+α1)

(5)

式中：h2为第一级压缩结束制冷剂气体比焓，kJ/kg；h5″为闪发式经济器内的饱和制冷剂气体比焓，kJ/kg；v2为第一级压缩终了压力下的制冷剂气体比容，m3/kg。

由式(3)可知，α1随经济器补气压力pE的增大而减小，随经济器中间压力pm的减小而减小。当补气量减小时制冷系统制冷量变小，制冷效率降低。

1.3 补气量的控制

当经济器中间压力大于补气压力时，经济器内气液热平衡所能提供的补气量大于压缩机补气过程中所需的补气量，导致压缩机非正常工作。相反，当经济器中间压力远小于补气压力时，会使制冷剂倒流，严重时会产生剧烈的振动和管路温度急剧变化，导致管路断裂。在经济器与补气口之间需安装一个压力控制阀，工作过程中，作为节流启闭件的主阀瓣开度是变化的。阀瓣开度的变化，不但可以通过节流改变介质的压力，而且可以保证系统所需的流量稳定地通过压力控制阀。通常选定的压力控制阀允许通过的最大流量应大于系统所需的最大流量，在压力控制阀后安装止回阀。

经济器补气要求有稳定的流量，在介质流经压力控制阀时，压力降低，而流量不变。如果流经某压力控制阀的流量相同，那么该压力控制阀的开度与压力控制阀的进出口压差成反比。压力控制阀的进出口压差越大，开度越小，介质经过压力控制阀的流速越大。压力控制阀的进出口压差越小，开度越大，介质经过压力控制阀的流速越小。如果流经压力控制阀的流量发生变化，那么压力控制阀的开度将与流量的变化成正比。

压力控制阀的出口压力由经济器补气压力pE决定，进口压力直接受到压力控制阀调节装置的控制。如果一个压力控制阀的调节装置设定了某一数值的阀后压力，那么该压力控制阀的进口压力将在此设定值附近小范围(Δpc)波动，此时出口压力的变化ΔpE对进口压力的变化Δpc的影响，以及压力控制阀的流量的变化ΔQ对Δpc的影响，是反映该压力控制阀性能的重要指标。在一定的范围内，ΔpE对Δpc的影响越小越好，同样ΔQ对Δpc的影响也是越小越好。

2 实验研究

2.1 实验装置

实验所用压缩机为半封闭双螺杆压缩机，阳转子直径为151.08 mm，转子长径比为1.6，设计最高转速为6 884 r/min，电机采用变频驱动，阳转子每转一圈理论输气量为0.002 456 m3。压缩机内容积比Vi按三级设计，分别为2.2、 3.5、 5.0，经济器补气口处的设计Vi 值为1.05。实验工质为丙烷(R290)。整个测试在压缩机性能测试台完成，实验环境和接管方式如图2所示。为了测试经济器补气口处的压力变化，实验采用压差传感器测量压缩机吸气口处的压力与经济器补气口处的压力差。测试仪器的技术参数和精度如表1所示。

图2 变频螺杆压缩机测试装置Fig.2 Testing device for variable frequency screw compressor

3.2 实验方法及结果分析

为了验证驱动压缩机的电机频率和排气压力对补气压力的影响，实验中保持压缩机吸气压力不变，通过分别改变压缩机排气压力和压缩机频率来测量经济器补气口处的压力。

实验1：压缩机测试台在冷凝温度40 ℃，蒸发温度5 ℃时测试双螺杆压缩机，保持压缩机吸气压力稳定，改变压缩机运行频率来测量经济器补气口处的压力。根据式(1)，取pS=450，ηv1=0.92,εv1=1.15,n=1.21, 在不考虑任何泄漏影响的情况下，经济器补气压力为 481.8 kPa。在此标准工况下不同频率的经济器补气口压力变化如图3所示。

表1 测试仪器Tab.1 Testing instruments

图3 不同频率下的经济器补气口压力Fig.3 Superfeed pressure under different frequency

由图3可知，满负荷200 Hz 时的经济器补气压力与设计值一致为487.1 kPa，误差约为1.1%。所以经济器补气压力实验值与理论值基本一致。随着频率的下降经济器补气口的压力不断上升，电机频率从200 Hz降至50 Hz，经济器补气压力上升了88.3 kPa。

实验2：双螺杆压缩机在标准工况下满负荷运行，电机频率保持200 Hz，压缩机吸气压力450 kPa保持稳定，在压缩机不同的排气压力下经济器补气压力变化如图4所示。由图4可知，经济器补气压力随着排气压力的增大而不断上升，排气压力从1 292 kPa 升至1 685 kPa 时，经济器补气口压力上升约4.9 kPa，增幅较小，明显小于压缩机频率变化带来的影响。这一结论与压缩机容积效率有关。

图4 排气压力与经济器补气压力Fig.4 Superfeed pressure with exhaust pressure

1)双螺杆转子在啮合过程中，制冷剂气体通过转子间隙泄漏，可分为外泄漏和内泄漏。外泄漏指基元容积中压力升高的气体向吸气通道或正在吸气的基元容积中泄漏；内泄漏指高压力区内基元容积之间的泄漏。因此外泄漏直接影响螺杆式冷水机制冷压缩机的容积效率，内泄漏则仅影响压缩机的功耗。

2)螺杆式制冷压缩机的转子和机壳因受到压缩气体的加热而温度升高。在吸气过程中，气体受到转子、机壳以及吸气管道的加热而膨胀，故相应的减少了气体的吸入量，导致螺杆式制冷压缩机的容积效率降低。

因此，在转速较高、全负荷运行、压比小、喷油量适宜、油温低的情况下螺杆式制冷压缩机的容积效率较高。

在压缩机测试过程中，同一工况下压缩机运行频率从200 Hz 降至50 Hz，容积效率从92%降至80%左右；同一运行频率下，排气压力从1 292 kPa 升至1 685 kPa,容积效率从92%降至90%。由此可见，随着频率的降低或排气压力的上升，压缩机的内泄漏必然增加，相应的容积效率下降，这部分从高压处泄漏的流体使经济器补气口处的压力提高。

3 结论

在不同工况下，通过对带经济器的变频螺杆压缩机性能的研究，压缩机排气压力或电机频率对经济器补气压力和容积效率等参数的影响，得到如下结论:

1) 在额定工况下，制冷螺杆压缩机频率越低，经济器补气压力越高，电机频率从200 Hz降至50 Hz，经济器补气压力上升了88.3 kPa。说明压缩机转子转速越低，从压缩机排气侧通过转子齿间泄漏量越多。

2) 压缩机高低压差越大，经济器补气压力越高，当吸气压力保持不变时，排气压力提高30%，经济器补气压力只上升了4.9 kPa，压缩机的容积效率降低2%左右。说明压缩机压比越大，从压缩机排气侧通过转子齿间泄漏量越多。

3) 与压缩机排气压力相比，电机频率对补气压力和容积效率的影响较大。压缩机的运行频率越高或吸排气压差越小，转子齿槽间的内泄漏越小，低压制冷剂气体吸收热量越小，压缩机容积效率越高，经济器补气压力越低，补气量越大。

传统螺杆压缩机经济器补气口是按照满负荷、额定工况设计的，不会考虑部分负荷或非标准工况对经济器补气孔口的影响。而制冷系统一般都在非标准、部分负荷下工作，经济器补气压力随着负荷和工况而变化，选用合适的压力控制阀，调节经济器补气量能够确保压缩机可靠稳定工作，提高经济器的效率。随着IPLV 的推广，对经济器压力控制技术得到广泛的应用。

本文受江苏省交通运输厅科技项目(2013Y27-05)资助。(The project was supported by Science and Technology Project of Jiangsu Provincial Transportation Department (No.2013Y27-05).)