魏會(huì)軍 馮 海 趙旭敏 徐 敏 陳娟娟

(1 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070； 2 廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070； 3 珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

往復(fù)式活塞壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)及制造工藝原因，活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)時(shí)，氣缸中仍有一部分容積，該容積稱為余隙容積[1]。排氣過(guò)程結(jié)束，活塞向下止點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，余隙容積內(nèi)的高壓氣體具有膨脹過(guò)程。由于膨脹過(guò)程會(huì)使氣缸有效吸氣量減小，所以余隙容積增大將造成容積效率降低以及制冷量減小[2-4]。

基于余隙容積對(duì)制冷量的影響，壓縮機(jī)容積流量調(diào)節(jié)方式中有通過(guò)補(bǔ)助余隙調(diào)節(jié)制冷量的方法[5-6]。此外，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為余隙容積越小越好[7]。目前，關(guān)于余隙容積增大對(duì)降低制冷量的研究較多，但關(guān)于余隙容積對(duì)能效的影響卻鮮有研究。實(shí)驗(yàn)規(guī)律表明一定范圍內(nèi)增大余隙容積有助于能效提升。

從傳統(tǒng)角度考慮，相比能效提升，余隙容積對(duì)制冷量的影響可能更為突出。但在壓縮機(jī)進(jìn)行排氣量微調(diào)以提高系統(tǒng)匹配效率，或通過(guò)制冷劑旁通進(jìn)行容積流量調(diào)節(jié)時(shí)，關(guān)注重點(diǎn)不是滿負(fù)荷時(shí)的容積效率(制冷量)，而是部分負(fù)荷時(shí)的能效。因此，研究余隙容積對(duì)壓縮機(jī)性能的影響尤為重要[8-9]。因此，本文基于改變余隙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的思路，研究余隙容積對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以掌握不同余隙容積時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律。

1 壓縮機(jī)余隙調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

壓縮機(jī)固定頻率時(shí)，具有固定的氣缸排量，當(dāng)用于一定范圍的制冷量系統(tǒng)匹配時(shí)，壓縮機(jī)將不能滿足每個(gè)系統(tǒng)的最佳匹配效率?；谟嘞度莘e對(duì)制冷量的影響，往復(fù)式活塞壓縮機(jī)可利用余隙容積(如圖1所示，通過(guò)改變吸氣閥墊片厚度，調(diào)節(jié)余隙容積)進(jìn)行排氣量微調(diào)，目的是保持整機(jī)能效不變，優(yōu)化系統(tǒng)的匹配效果[10-11]。

圖1 壓縮機(jī)泵體及吸氣閥墊片

余隙容積儲(chǔ)存的氣體作用于膨脹過(guò)程時(shí)，具有推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因此大部分熱能將轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。圖2所示為中間余隙結(jié)構(gòu)，在氣缸距離上止點(diǎn)一定位置處設(shè)置一段中間余隙容積，中間余隙容積在本文定義為：活塞運(yùn)行過(guò)程中，儲(chǔ)存在中間空腔具有中間壓力的氣體容積。與余隙容積膨脹過(guò)程的區(qū)別是，中間余隙膨脹時(shí)，由于氣缸內(nèi)已有一定的低壓氣體，因此膨脹過(guò)程主要與低壓氣體進(jìn)行能量交換，其能量的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)余隙容積更高。因此可推測(cè)，利用中間余隙容積進(jìn)行排量的調(diào)節(jié)相比于余隙容積進(jìn)行排量的調(diào)節(jié)具有更高的效率。

圖2 中間余隙結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

實(shí)驗(yàn)根據(jù)第二制冷劑熱平衡法，對(duì)不同余隙容積的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷劑為R600a，實(shí)驗(yàn)指定工況：蒸發(fā)溫度-23.3 ℃，冷凝溫度54.4 ℃，環(huán)境溫度32.2 ℃，其中制冷劑過(guò)冷、過(guò)熱至環(huán)境溫度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程將被測(cè)機(jī)接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，待實(shí)驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定至設(shè)定工況后，量熱器內(nèi)電加熱器開(kāi)始加熱，以平衡蒸發(fā)器制冷量，待第二制冷劑(R134a)壓力達(dá)到平衡后，所測(cè)得的電加熱量即為熱平衡法測(cè)得被測(cè)機(jī)的制冷量。實(shí)驗(yàn)中使用功率計(jì)Zes-Zimmer LMG500測(cè)量壓縮機(jī)輸入功率，其全程示值誤差為0.01%。系統(tǒng)共布有Pt100溫度測(cè)點(diǎn)5個(gè)，Keller壓力測(cè)點(diǎn)3個(gè)，Emerson質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)1個(gè)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)一：試制定排量的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，通過(guò)百分表測(cè)得活塞突出量為0.2 mm，采用單一變量法，通過(guò)更換不同厚度的吸氣閥墊片，在壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為20、33 Hz時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，吸氣墊片分檔數(shù)據(jù)如表1所示。記錄并分析不同余隙時(shí)壓縮機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)二：試制定排量的往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，采用單一變量法，通過(guò)連接不同容積的中間余隙管長(zhǎng)，記錄并分析不同中間余隙時(shí)壓縮機(jī)性能參數(shù)的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)泵體結(jié)構(gòu)如圖4所示。工況1：氣缸中間旁通孔與上止點(diǎn)距離L=14.15 mm，外接中間余隙段內(nèi)徑R為Ф4.5 mm，管長(zhǎng)N為350、300、250、200、170、140、110、80、30、0 mm，對(duì)應(yīng)中間段余隙容積分別為46%、39%、33%、26%、22%、18%、14%、11%、3.9%、0；工況2：L=12.1 mm，管徑同上，管長(zhǎng)N為160、120、80、40、0 mm，對(duì)應(yīng)中間段余隙容積分別為21%、16%、11%、5.3%、0。

表1 吸氣閥墊片分檔

圖4 實(shí)驗(yàn)二泵體結(jié)構(gòu)

3 p-V理論分析

余隙容積Vc在膨脹過(guò)程中與所接觸壁面發(fā)生熱交換，產(chǎn)生多變過(guò)程的膨脹曲線3-4(圖5(a))。其中多變膨脹指數(shù)m主要由熱交換的方向及強(qiáng)度決定，初始階段膨脹制冷劑溫度高于氣缸壁面溫度，m大于絕熱指數(shù)k；隨膨脹過(guò)程的進(jìn)行，制冷劑溫度降低，m亦隨之減小，直至小于k。

如圖5(a)所示，壓縮機(jī)指示功可由1-2-3-4面積等量表示，即式(1)所示；制冷量可由4-1段等比表示，即式(2)所示。

(1)

(2)

式中：V為容積，m3；p為壓力，Pa；n和m為壓縮機(jī)膨脹過(guò)程的膨脹指數(shù)；i為頻率，Hz；q0m為吸氣質(zhì)量流量，kg/h；vs為吸氣比容，m3/kg；Wi為指示功，W；Q0為制冷量，W。

余隙容積Vc增大時(shí)，膨脹放熱時(shí)間變長(zhǎng)，即3-4曲線斜率增大，因此Vc在一定范圍增長(zhǎng)時(shí)，指示功的減小量大于V4-1(制冷量)的減小量，導(dǎo)致能效隨余隙容積的增加呈先增后減的趨勢(shì)。

圖5 理論循環(huán)p-V圖

相較余隙容積膨脹過(guò)程，中間余隙容積膨脹的能量轉(zhuǎn)化效率更高，示功圖更為復(fù)雜[12]。當(dāng)活塞向下經(jīng)過(guò)中間余隙段時(shí)，會(huì)有一段膨脹混合過(guò)程，因此工作循環(huán)可分為壓縮、排氣、膨脹、吸氣、膨脹混合、混合吸氣過(guò)程，其p-V圖如5(b)所示。

a-b-c-d為壓縮過(guò)程，在活塞經(jīng)過(guò)中間余隙段時(shí)，氣缸的有效容積將突變減小，減小容積為ΔV=Vb-Vc，即中間余隙容積。

g-h為f-h段吸入低壓制冷劑與中間余隙制冷劑的混合過(guò)程，忽略膨脹時(shí)間，混合過(guò)程視為等容過(guò)程，如式(3)所示。

phVh=pgVg+pcΔV

Vh=Vg

(3)

h-i-a為混合吸氣過(guò)程，在此階段氣缸內(nèi)制冷劑壓力擾動(dòng)增大ph>pg，由于吸氣過(guò)程pg

pcΔV<(pevap-pg)Vg

(4)

式中：pevap為蒸發(fā)吸氣端壓力，Pa。

在h點(diǎn)時(shí)，吸氣閥處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，制冷劑具有向氣缸內(nèi)的吸氣流量，因此ph

=V1234-Vlimn=Wi-Vlimn

(5)

式中：V為容積，此處表示示功功率，W。(其中下標(biāo)為圖5字母構(gòu)成區(qū)域面積)

當(dāng)pcΔV滿足式(4)時(shí)，指示功較無(wú)中間余隙情況減小Vlimn。因此，存在中間余隙在一定程度增大時(shí)，COP隨之增大的趨勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)一：圖6所示分別為壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為20、33 Hz下，壓縮機(jī)性能參數(shù)隨相對(duì)余隙的變化。

圖6 不同頻率下性能參數(shù)隨相對(duì)余隙的變化

圖7 性能隨不同中間余隙的變化

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為20 Hz時(shí)，制冷量和功耗隨余隙容積的增加而減少，COP呈先增加后減小的趨勢(shì)，并在相對(duì)余隙為0.73%時(shí)取得最大值，與相對(duì)余隙為0.50%時(shí)相比，COP增加0.62%。

當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為33 Hz時(shí)，制冷量和功耗均呈遞減的趨勢(shì)。COP呈先增加后減小的趨勢(shì)，并在相對(duì)余隙為0.56%時(shí)取得最大值，與相對(duì)余隙0.50%時(shí)相比，COP增加0.32%。

研究表明，一定范圍內(nèi)增大余隙容積，相對(duì)余隙在0.56%～0.73%時(shí)，有助于壓縮機(jī)性能的提升。

實(shí)驗(yàn)二：如圖7所示，制冷量隨中間余隙的增大而減小，COP隨中間余隙的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與余隙容積對(duì)性能的影響規(guī)律一致。可知余隙容積或中間余隙容積在一定范圍增大時(shí)，將有助于壓縮機(jī)性能的提升。

工況1泵體的中間余隙開(kāi)孔距離氣缸端面L=14.15 mm時(shí)，中間余隙管段長(zhǎng)度為14 cm(相對(duì)中間余隙18%)時(shí)COP最大，其相對(duì)于無(wú)中間余隙時(shí)的COP增量為1.31%，制冷量為無(wú)中間余隙時(shí)的90%。

工況2泵體的中間余隙開(kāi)孔距離氣缸端面L=12.1 mm時(shí)，中間余隙管段長(zhǎng)度為8 cm(相對(duì)中間余隙10%)COP最大，其相對(duì)于無(wú)中間余隙時(shí)的COP增量為0.82%，制冷量為無(wú)中間余隙時(shí)的92%。

工況1、2的對(duì)比結(jié)果表明，增加中間余隙容積對(duì)能效的提升相較于增加余隙容積對(duì)能效的提升有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖8所示為排氣、殼體溫度隨中間余隙的變化。由圖8可知，排氣溫度隨中間余隙的增大而減小，殼體溫度隨中間余隙的增大不具有明顯單調(diào)性。其中排氣溫度降低，一方面是因中間余隙管段增強(qiáng)了泵體氣缸的散熱，另一方面當(dāng)中間余隙制冷劑膨脹時(shí)，中間壓力制冷劑補(bǔ)入氣缸，對(duì)缸內(nèi)制冷劑具有一定補(bǔ)氣降溫作用。因此，排氣溫度隨中間余隙的增大呈降低趨勢(shì)。

圖8 排氣、殼體溫度隨中間余隙的變化

5 結(jié)論

為提升壓縮機(jī)部分負(fù)荷的匹配效率，本文基于改變余隙容積進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的思路，針對(duì)余隙容積對(duì)性能的影響進(jìn)行研究，得到不同余隙容積時(shí)系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)余隙容積增大，能效呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，相對(duì)余隙為0.56%～0.73%時(shí)，往復(fù)式活塞壓縮機(jī)能效具有最大值，COP提升0.62%。原因是膨脹過(guò)程傳熱變化導(dǎo)致膨脹曲線斜率值增大。

2)中間余隙增大，能效呈先增后減的趨勢(shì)，相對(duì)中間余隙為18%時(shí)，制冷量下降10%，同時(shí)COP提升1.31%。原因是中間余隙膨脹減小了氣缸吸氣比容，增大了吸氣結(jié)束階段氣體制冷劑壓力。

3)增加中間余隙容積對(duì)能效的提升相比增加余隙容積更優(yōu)。其差異原因是能量轉(zhuǎn)換方式不同，余隙容積膨脹是將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，中間余隙膨脹是與低壓氣體進(jìn)行能量交換。

4)基于中間余隙管段可增強(qiáng)散熱且中間余隙制冷劑具有補(bǔ)氣降溫作用。因此，增大相對(duì)中間余隙容積，有助于降低壓縮機(jī)的排氣溫度。