趙 洋，李 欣，李志強(qiáng)，鄧雨婷

(中家院(北京)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，北京 100176)

1 引言

當(dāng)前，直流變頻壓縮機(jī)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空調(diào)、熱泵熱水器、冰箱及冷柜等小型制冷家電。直流變頻壓縮機(jī)的核心技術(shù)在于采用稀土永磁材料制作而成的轉(zhuǎn)子，在運(yùn)行過(guò)程中，定子可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)直接作用，在實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，避免了轉(zhuǎn)子上的銅損鐵損。據(jù)估計(jì)，直流變頻壓縮機(jī)的工作效率比交流壓縮機(jī)高5%～10%，采用直流變頻技術(shù)的制冷家電與交流相比約節(jié)省電費(fèi)15%[1]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者就如何提高直流變頻壓縮機(jī)效率方面已做了大量研究。鄭曉峰等針對(duì)R410A變頻壓縮機(jī)建立了全新測(cè)試工況，縮小了壓機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)的偏差度[2]；張華俊等研究了直流變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的排氣通道上斜切口角度對(duì)其制冷量、輸入功率、性能系數(shù)、排氣溫度等的影響[3]；劉興旺等從理論上分析了轉(zhuǎn)速對(duì)直流變頻渦旋壓縮機(jī)單位曲柄轉(zhuǎn)角下的排氣量、壓縮結(jié)束時(shí)內(nèi)壓力及單位質(zhì)量有效氣體獲得的多變壓縮能量頭的影響規(guī)律[4]。然而，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者并未給出直流變頻壓縮機(jī)的制冷量、耗電量和COP等性能參數(shù)與轉(zhuǎn)速的直接關(guān)系，也并未使用理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的手段對(duì)差異原因進(jìn)行分析。因此，有必要進(jìn)一步探討直流變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)性能參數(shù)的影響，以求對(duì)壓縮機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)提供指引作用。

2 實(shí)驗(yàn)布置與方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773-2016中的要求，壓縮機(jī)檢測(cè)方法主要分為制冷劑流量法、第二制冷劑量熱器法、滿液式制冷劑量熱器法和干式制冷劑量熱器法。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)選擇X法和Y法組合的方式進(jìn)行壓縮機(jī)性能測(cè)試，本次試驗(yàn)遵循GB/T 5773-2016的要求，采用制冷劑流量法和第二制冷劑量熱器法對(duì)壓縮機(jī)性能進(jìn)行綜合測(cè)定。

圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖，在上述測(cè)試方法中，同時(shí)通過(guò)流量計(jì)和量熱罐對(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)定和計(jì)算，進(jìn)而通過(guò)溫度計(jì)、壓力表對(duì)各點(diǎn)制冷劑焓值進(jìn)行測(cè)量，并以焓差法進(jìn)行壓縮機(jī)制冷量的計(jì)算。第二方面，壓縮機(jī)供電端設(shè)置有電壓、電流實(shí)時(shí)采集裝置，可進(jìn)行壓縮機(jī)供電功率的采集，進(jìn)而通過(guò)供電量和制冷量對(duì)壓縮機(jī)COP進(jìn)行計(jì)算。最后，壓縮機(jī)控制端還設(shè)有調(diào)速模塊，用以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速的設(shè)置。

1.被測(cè)壓縮機(jī) 2.冷凝器 3.集液器 4.過(guò)冷器15.干燥過(guò)濾器 6.觀察鏡 7.流量計(jì) 8.過(guò)冷器29.過(guò)熱器 10.油分 11.量熱罐圖1 壓縮機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)布置

本次試驗(yàn)對(duì)象為冰箱用直流變頻壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速分別取950 r/min、1300 r/min、1600 r/min、2000 r/min、3000 r/min和4000 r/min，冷卻方式為自然冷卻。具體試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 壓縮機(jī)試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 制冷量與耗電量

如圖2所示，冰箱用直流變頻壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的制冷量成線性遞增的關(guān)系；耗電量大部分成線性遞增，在2000～3000 r/min范圍內(nèi)增長(zhǎng)率有小幅變化。

根據(jù)壓縮機(jī)制冷量計(jì)算公式

Q1=60nυ

Q0=3.6[(h2-h1)/v]Q1

υ——壓縮機(jī)吸氣容積，m3/h

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

h1、h2——壓縮機(jī)吸氣口氣體焓值、蒸發(fā)器進(jìn)口氣液混合物焓值，kJ/kg

v——壓縮機(jī)吸氣口氣體比容，m3/kg

Q1——壓縮機(jī)排氣量，m3/r

Q0——壓縮機(jī)制冷量，W

從理論公式可以看出，在工況穩(wěn)定后，蒸發(fā)溫度、冷凝溫度及過(guò)冷溫度不變，即壓縮機(jī)吸氣口氣體焓值h1、蒸發(fā)器進(jìn)口氣液混合物焓值h2和壓縮機(jī)吸氣口氣體比容v為定值；另一方面，壓縮機(jī)吸氣容積υ為壓縮機(jī)自身屬性參數(shù)，因此公式中的變量?jī)H為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n和制冷量Q0，且二者呈正比關(guān)系。圖2所示實(shí)測(cè)結(jié)果基本驗(yàn)證了理論公式中的結(jié)論，即制冷量隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提升呈線性增長(zhǎng)。

在耗電量方面，由于該壓縮機(jī)采用的是直流變頻電機(jī)，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與耗電量關(guān)系式

P=nT/9550

P——電機(jī)的輸入功率，即壓縮機(jī)耗電量，kW

n——電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

T——電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m

由公式看出，壓縮機(jī)或電機(jī)的耗電量P與電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)矩T成正比關(guān)系，然而實(shí)測(cè)所得壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與耗電量基本成線性關(guān)系，由此可以推測(cè)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化并穩(wěn)定運(yùn)行之后，其轉(zhuǎn)矩基本維持不變，即變頻壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的控制方法為定轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)速越大耗電量越高；另一方面，圖2所示變頻壓縮機(jī)運(yùn)行在2000～3000 r/min之間時(shí)耗電量略低于理論公式所得的耗電量，其原因推測(cè)為：低轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)電機(jī)維持穩(wěn)定運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)矩較大，而高轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)電機(jī)所消耗的摩擦損失較大。因此可以判斷，該變頻壓縮機(jī)在2000～3000 r/min時(shí)所需扭矩和摩擦損失為最有利狀態(tài)，即2000～3000 r/min為最有利運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

3.2 性能系數(shù)

根據(jù)圖3所顯示的實(shí)測(cè)COP結(jié)果可知，直流變頻壓縮機(jī)在1500～3000 r/min時(shí)達(dá)到COP最大值，在1500 r/min之前隨著轉(zhuǎn)速的減小COP逐漸減小，直至轉(zhuǎn)速小于最低轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)停機(jī)；在3000 r/min之后隨著轉(zhuǎn)速的增大COP逐漸減小，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到壓縮機(jī)最大轉(zhuǎn)速。

根據(jù)COP計(jì)算公式

COP=Q0/P

Q0——壓縮機(jī)制冷量，W

P——壓縮機(jī)耗電量，W

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可以得知，由于制冷量隨轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，而耗電量隨轉(zhuǎn)速成波動(dòng)線性關(guān)系，造成COP產(chǎn)生浮動(dòng)的原因主要在于耗電量的非完全線性變化。根據(jù)3.1小節(jié)的結(jié)論，2000～3000 r/min為壓縮機(jī)能耗最有利運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因此在此段轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)所得的COP值最大。另外，從COP的試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，直流變頻壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速時(shí)的性能系數(shù)較之在低轉(zhuǎn)速時(shí)更有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5773-2016中的試驗(yàn)方法對(duì)國(guó)內(nèi)某知名廠家的直流變頻冰箱壓縮機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)合理論公式的推導(dǎo)，可得出以下結(jié)論：

(1)直流變頻壓縮機(jī)的制冷量隨轉(zhuǎn)速的增加呈線性增加，且線性關(guān)系可保持穩(wěn)定。

(2)直流變頻壓縮機(jī)的耗電量隨轉(zhuǎn)速的增加呈基本線性增長(zhǎng)，在2000～3000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間，達(dá)到最優(yōu)電利用效率，且壓縮機(jī)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的控制方式為定轉(zhuǎn)矩控制。

(3)直流變頻壓縮機(jī)的性能系數(shù)(COP)，僅受到耗電量波動(dòng)的影響，在2000～3000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間達(dá)到最大值，與最優(yōu)電利用效率區(qū)間一致。