蔡 寧 趙 洋 李志強 徐華保

（中家院（北京）檢測認證有限公司 北京 102600）

0 引言

眾所周知，排氣溫度過高是造成壓縮機故障的主要因素之一，長期處于高排氣溫度下運行容易大幅縮減壓縮機性能和壽命，另外還增大了系統(tǒng)運行的安全風險。當前降低壓縮機排氣溫度的主要技術手段包括外部冷卻和內部冷卻兩種，其中外部冷卻指的是通過增設壓縮機外部冷卻循環(huán)，利用冷凍機油、水等介質帶走壓縮機本體的熱量，從而實現(xiàn)降低排氣溫度的目的。外部冷卻具備冷卻速度快、降溫幅度大等優(yōu)勢，然而也會由于增設輔助設備造成壓縮機體積過大、制造成本增加等弊端[1-3]。另一方面，內部冷卻則是通過直接向壓縮機工作腔噴入比焓較低制冷劑實現(xiàn)降低排氣溫度的目的，其具體方法包括吸氣噴液、中間噴液、氣體噴射和兩相噴射等等。內部冷卻的優(yōu)勢在于無需改變壓縮機的基礎結構或增設其他裝置，與外部冷卻相比，其制造成本相對較低，通過合理的設計也能達到較高的冷卻效率[1]。

當前，國內外學者對于壓縮機的噴液冷卻技術已有一定研究成果，張謙等針對螺桿壓縮機采用中間噴液冷卻后的排氣溫度、效率和轉速進行理論計算和試驗研究，結果顯示中間噴液在使壓縮機排氣溫度降低的同時，達到清潔工藝氣體的作用[4]；陳培生等對螺桿壓縮機的吸氣噴液和中間噴液進行理論分析和試驗對比并通過電控閥調節(jié)噴液量的大小，得出了吸氣噴液的效果優(yōu)于中間噴液，二者均能達到降低排氣溫度的目的，同時可以起到降低壓縮機功率的作用[5]；殷翔等針對渦旋壓縮機的吸氣噴液系統(tǒng)搭建試驗臺，研究了吸氣噴液對壓縮機以及制冷系統(tǒng)的影響，結果顯示系統(tǒng)COP隨著噴液量的增加先有微小提升后降低[6]；Minghong Yang等對R32渦旋壓縮機使用兩相噴射和液體噴射后的系統(tǒng)進行了性能對比試驗研究，研究表明使用兩相噴射更有助于提高系統(tǒng)COP，其COP試驗結果比使用液體噴射高約11.8%[7]。大量查閱現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)當前對于噴液冷卻技術的研究大多都是基于螺桿壓縮機和渦旋壓縮機，另外，試驗方向均偏向于對整機或整體制冷系統(tǒng)而非壓縮機本身。本次研究抓住這一盲點，針對轉子壓縮機使用中間噴液冷卻后的本機性能進行試驗探討，這對轉子壓縮機技術的進一步開發(fā)有著指導意義。

1 試驗系統(tǒng)及工況要求

1.1 試驗系統(tǒng)搭建

本次研究主要針對轉子壓縮機本身性能進行試驗研究，因此選擇標準GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》作為試驗依據(jù)，按照標準選擇第二制冷劑量熱器法及制冷劑流量對轉子壓縮機的制冷量、輸入功率（耗電量）、COP、質量流量、殼體溫度以及排氣溫度等參數(shù)進行測量。試驗系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of test system

按標準要求在圖1試驗系統(tǒng)中各點布置溫度傳感器、壓力傳感器以及質量流量傳感器，通過各點制冷劑的溫度、壓力值查表可以獲得系統(tǒng)各點制冷劑的比容和比焓值，即可根據(jù)公式（1）使用流量法對制冷量進行計算[8]。

式中，Φ0a為壓縮機實測制冷量，W；qmf為質量流量，kg/s；vga為基本試驗工況下，進入壓縮機的制冷劑蒸氣實測比容，m /kg；vg1為基本試驗工況下，進入壓縮機的制冷劑蒸氣理論比容，m /kg；hg1為基本試驗工況下，進入壓縮機的制冷劑理論比焓，m /kg；hf1為基本試驗工況下，蒸發(fā)器膨脹前制冷劑理論比焓，m /kg。

另外，上述試驗臺可從壓縮機端以及第二制冷劑量熱器端直接獲取輸入的電功率，從而可直接得到壓縮機的耗電量以及第二制冷劑量熱法所測量的制冷量結果，按照以上試驗原理搭建的試驗艙實物如圖2所示。

圖2 試驗裝置Fig.2 Test device

1.2 試驗工況

本次為壓縮機基礎性能研究，因此選擇工況為GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》中規(guī)定的標準工況，以逐步調節(jié)中間噴液量的方式測試中間噴液對壓縮機性能的影響，具體試驗組別如表1所示。

表1 試驗工況設計Table 1 Test condition design

按表1所示布置試驗，中間噴液量從7.0L/h逐步降低至1.0L/h，最終采用無噴液進行試驗，試驗過程中對壓縮機各項參數(shù)進行記錄，值得注意的是，本次所選用的試驗壓縮機為標稱使用中間噴液冷卻的機型，因此再逐步減小噴液量對性能參數(shù)進行監(jiān)測的同時，也對過程中可能發(fā)生的安全風險（如過熱、短路或斷電）進行目擊，另外本次各組試驗均鎖定壓縮機轉速在3000r/min，冷卻方式均為自然冷卻。

2 試驗結果及分析

2.1 制冷量、耗電量及COP

按第1 章所述的試驗設備、工況進行壓縮機的行性能試驗，對制冷量和耗電量（壓縮機消耗功率）進行采集，其結果如圖3所示。

圖3 制冷量與耗電量Fig.3 Cooling capacity and power consumption

圖3所示為14 組試驗結果，其中可以看出當中間噴液量不斷增大的時候，轉子壓縮機的無論是制冷量還是耗電量都是處于不斷增加的趨勢，由于每組試驗噴液量的變化僅為0.5L/h，因此從總體看壓縮機的制冷量和耗電量變化不大，對比最小噴液量（無噴液）和最大噴液量（7.0L/h）發(fā)現(xiàn)當系統(tǒng)處于最大噴液量時，壓縮機的制冷量和耗電量分別比最小噴液量大3.14%和3.35%，由此可以看出中間噴液對轉子壓縮機本身的制冷能力起到了一定的積極效果，然而帶來的不利影響則是引起壓縮機消耗功率的增加，進一步對比不同噴液量下的壓縮機本體COP，其結果如表2所示。

表2 COP 對比Table 2 COP comparison

表2所示為根據(jù)不同噴液量下的壓縮機制冷量和耗電量計算所得COP 情況，不難發(fā)現(xiàn)在按照標準GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》中的方法對轉子壓縮機本體進行性能檢測的條件下，噴液量的大小對壓機本身的COP 幾乎沒有影響。對比以往的研究發(fā)現(xiàn)，使用噴液冷卻技術的活塞壓縮機通常在不同蒸發(fā)溫度下呈現(xiàn)出COP 下降的趨勢，其降幅大多處于3.04%～6.37%之間，而渦旋壓縮機則呈現(xiàn)出圍繞COP 基準值上下小幅浮動[6,9]，在這一方面轉子壓縮機呈現(xiàn)出的COP 變化趨勢與既往渦旋壓縮機的研究成果類似，由于結構與運行機理的不同，使用噴液冷卻的方式降低排氣溫度對于轉子壓縮機的COP 影響將比活塞和-渦旋壓縮機更小。另一方面，針對制冷系統(tǒng)的而言，通常噴液冷卻大多對整體系統(tǒng)的運行效率是有利的[10,11]，由此可以推斷：依靠合理的控制，噴液冷卻技術將在系統(tǒng)的換熱端或整體運行端等方面發(fā)揮更大優(yōu)勢作用。

2.2 排氣溫度及殼體溫度

噴液冷卻旨在降低壓縮機的排氣溫度和運行溫度以保證壓縮機的安全運行，因此按第1 章的試驗設備、工況進行壓縮機的行性能試驗，對排氣溫度和殼體溫度進行采集，其結果如圖4所示。

圖4 排氣溫度與殼體溫度Fig.4 Discharge temperature and surface temperature

從圖4中可以明顯看出，隨著中間噴液量的不斷增加，轉子壓縮機的排氣溫度和殼體溫度都有比較明顯下降，對比無噴液和最大噴液量的情況發(fā)現(xiàn)，壓縮機排氣溫度從131.4℃降低至119.6℃，降幅比例達到8.98%；殼體溫度從118.5℃降低至105.7℃，降幅比例達到10.8%。由此可見，對于轉子壓縮機而言使用噴液冷卻技術同樣能達到活塞、渦旋以及螺桿壓縮機的冷卻效果，這對于提高轉子壓縮機的安全性和穩(wěn)定性有著顯著積極作用。第二方面，從圖4曲線還可以看出，從壓縮機標定噴液量（7.0L/h）到無噴液的過程中，其排氣溫度和殼體溫度變化幾乎為線性，該結論也對壓縮機的噴液量設計和排氣溫度控制有著一定指導意義。

2.3 質量流量及容積效率

針對2.1 節(jié)制冷量和耗電量的檢測結果進行深層次的原因剖析，發(fā)現(xiàn)造成制冷量和耗電量差異的原因主要在于中間噴液冷卻對于質量流量和壓縮機的容積效率的影響，根據(jù)第1 章的試驗設備和方法對質量流量和容積效率進行檢測，其結果如圖5所示。

圖5 質量流量與容積效率Fig.5 Mass flow and volumetric efficiency

從圖5中可以看出，隨著中間噴液量的不斷增大，轉子壓縮機所提供的制冷劑質量流量和壓縮機本身的容積效率均呈現(xiàn)線性增加的趨勢，同樣對比無噴液和最大噴液量的數(shù)據(jù)特征可知，制冷劑質量流量從72.6kg/h 增加到74.8kg/h，增幅為3.03%；容積效率從82.30%增加到85.04%，增幅達到3.22%。結合公式（1）可知由于工況穩(wěn)定下制冷劑比容和比焓在溫度小幅波動時變化不大，從而可以獲知壓縮機本身的制冷量與質量流量呈正比關系，從2.1 節(jié)的數(shù)據(jù)得知壓縮機制冷量的增幅為3.14%，結合制冷劑質量流量的檢測結果可以得出的結論是：噴液系統(tǒng)首先促進了轉子壓縮機所提供的制冷劑質量流量的增加，進而引起了壓縮機本體的制冷量增加。另一方面，當處于最大噴液量7L/h，結合R404A 的制冷劑在相應溫度下的密度可以計算得此時噴液質量流量約為3.38kg/h，而參考此時壓縮機提供的質量流量僅增加2.2kg/h，因此可以推斷，噴液量對于壓縮機質量流量的提升有著直接影響，同時噴液量并不完全與質量流量的提升相等，前者數(shù)值略大。第三方面，對轉子壓縮機進行噴液冷卻也會直接引起壓縮機容積效率增大。

3 結論

本次根據(jù)GB/T 5773-2016《容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法》對空調用轉子壓縮機進行不同中間噴液量下的性能試驗研究，得出以下結論：

（1）轉子壓縮機中間噴液量從無噴液增加到7.0L/h 的過程中，制冷量從3123.9W 增加到3225.3W，增幅達到3.14%；耗電量從2354.7W 增加到2436.5W，增幅達到3.35%，但在此期間壓縮機的COP 基本維持不變。

（2）轉子壓縮機中間噴液量從無噴液增加到7.0L/h 的過程中，壓縮機的排氣溫度和殼體溫度分別降幅達8.98%和10.8%，且過程中與噴液量的變化基本成線性關系。

（3）中間噴液可以直接促進壓縮機所提供的系統(tǒng)質量流量和自身容積效率的提升，從無噴液到最大噴液量的過程中系統(tǒng)質量流量和壓機容積效率分別提升3.03%和3.22%，這也是導致制冷量提升的直接原因。