經濟器對磁懸浮離心壓縮機性能影響的研究

王繼鴻，陳曦

（1-上海理工大學，上海 200093；2-南京佳力圖空調機電有限公司，江蘇南京 211100）

經濟器對磁懸浮離心壓縮機性能影響的研究

王繼鴻*1,2，陳曦1

（1-上海理工大學，上海 200093；2-南京佳力圖空調機電有限公司，江蘇南京 211100）

制冷系統中使用經濟器可以提高系統制冷量，但是中間補氣使壓縮機耗功增加，制冷循環中有效制冷劑流量降低，制冷系統的能效比并不會隨著制冷量成正比增長，因此存在一個理論最優補氣壓力。本文通過實測一臺帶經濟器制冷循環的水冷磁懸浮離心式機組在不同負荷運行情況，研究了經濟器和補氣壓力對于水冷磁懸浮離心式壓縮機性能及 COP的影響。研究結果表明：磁懸浮壓縮機的效率隨著補氣壓力的升高出現先升后降的趨勢；在所有工況下，調節補氣壓力都會提高效率，且存在一個最佳的補氣壓力使制冷系統的COP最優。

實驗研究；經濟器；磁懸浮離心式壓縮機；補氣壓力

0 引言

高效和節能技術是空調用冷水機組的主要發展方向。本文論述了近年來變頻技術在離心式壓縮機冷水機組中的應用，包括大型變頻離心式壓縮機冷水機組和磁懸浮變頻離心式壓縮機冷水機組。這兩種技術是當今世界上離心式壓縮機冷水機組領域里最先進的技術[1]。本文針對壓縮機本身特點，借鑒在工業冷凍系統和螺桿式壓縮機應用比較成熟的經濟器制冷循環[2-4]，充分發掘磁懸浮變頻離心式壓縮機的節能潛力。

文獻[2]分析了不同類型制冷壓縮機的準二級壓縮循環過程，結果表明，根據工作情況選擇合適的補氣參數可以明顯改善性能。文獻[3]表明工業冷凍系統采用不同類型經濟器都可以達到節能目的，在冷凍工況（低蒸發溫度）節能效果更為明顯。文獻[4]分析補氣壓力對于螺桿制冷壓縮機的影響，存在最優的補氣壓力使得壓縮機性能和 COP最優。以上研究成果在理論和實驗上都驗證了經濟器對于制冷機組能效改善具有積極效果。針對近年來出現的磁懸浮變頻離心式壓縮機目前無專門的研究成果，鑒于此，本文對經濟器和補氣壓力對于水冷磁懸浮離心式壓縮機性能及 COP的影響進行了實驗研究。

1 實驗系統介紹

本實驗裝置系統采用一臺水冷磁懸浮離心式機組，如圖1所示。系統中壓縮機為一臺磁懸浮變頻離心式壓縮機，制冷劑為R134a，型號為TT400，適合水冷工況（最大壓比3.5），設計最大轉速為30,000 r/min，名義制冷量150冷噸，雙級閉式葉輪。經濟器為過冷式經濟器（板式換熱器）。從冷凝后制冷劑回路引出部分液體，經ECO電子膨脹閥節流后，進入經濟器蒸發吸熱，冷卻主回路制冷劑液體并提高其過冷度；經濟器中蒸發的制冷劑氣體對磁懸浮離心式壓縮機進行補氣。壓縮機的補氣孔口直徑為28 mm，補氣位置在一級與二級葉輪中間位置。經濟器蒸發側和主回路均采用電子膨脹閥精確控制冷媒循環量。

圖1 帶經濟器的制冷系統

測試裝置使用水冷測試實驗室，可以實時記錄工況參數、機組運行參數，并能滿足測試部分負荷運行能力。

制冷系統中主電子膨脹閥通過殼管式冷凝器上安裝的液位傳感器進行控制；ECO電子膨脹閥通過過熱度進行控制，電子膨脹閥可以通過程序進行控制開啟步數，這樣就可以控制經濟器開啟，并通過控制 ECO電子膨脹閥的開啟步數以控制補氣壓力，從而滿足實驗要求。以下為三個測試實驗。

實驗一：測試名義工況下經濟器補氣壓力對于制冷量、輸入功率和能效比的影響，通過調節ECO電子膨脹閥開關實現。

實驗二：測試名義工況下經濟器開啟/關閉對于機組性能影響，通過調節ECO電子膨脹閥開關實現。

實驗三：測試75%、50%、25%負荷工況下，經濟器開啟/關閉對于機組性能影響，通過壓縮機變頻調節實現。

2 實驗結果與分析

實驗一按照如下工況進行測試：機組負荷按照100%設定，冷卻進水溫度為30 ℃，冷凍出水溫度為7 ℃，流量按照GB/T 18430.1-2007標準設定，使用過冷式經濟器，補氣壓力分別為 442 kPa、450 kPa、465 kPa、480 kPa時，對機組性能參數進行測量記錄。

從圖2可以看出隨著補氣壓力逐漸升高，機組制冷量在逐步提高。根據表1數據看出補氣壓力升高會導致制冷量增加幅度降低。

圖2 補氣壓力與制冷量關系

表1 補氣壓力對制冷量影響

從圖3可以看出隨著補氣壓力逐漸升高，機組輸入功率在逐步提高。從表2數據可以看出隨著補氣壓力升高，輸入功率逐漸升高且幅度逐漸增大。由此可以推斷COP存在拐點，利用測試的COP曲線進行驗證。

圖3 補氣壓力與輸入功率關系

表2 補氣壓力對輸入功率影響

從圖4可以看出隨著補氣壓力逐漸升高，機組制冷能效比 COP出現先升高后降低的趨勢。實驗工況下，使機組制冷能效比 COP最優的補氣壓力范圍為455 kPa ～460 kPa。

圖4 補氣壓力與COP關系

通過實驗一可以說明隨著補氣壓力升高，進入經濟器補氣側制冷劑質量流量在不斷增加，這樣可以將過冷側制冷劑過冷度提高，同時也造成整個制冷劑循環過程中進入蒸發器進行有效制冷的制冷劑質量流量降低，導致制冷能力雖然在提高，但是增加幅度卻明顯降低，造成輸入功率不斷增大，COP出現先升后降趨勢。

文獻[4]中對于螺桿壓縮機中間補氣壓力與輸入功率、中間補氣壓力與 COP關系的實驗結論與實驗一獲得相同的趨勢，共同驗證了對于壓縮機性能和COP而言存在最優中間補氣壓力的結論。

實驗二按照如下工況進行測試：機組負荷按照100%設定，冷卻進水溫度為30 ℃，冷凍出水溫度為7 ℃，流量按照GB/T 18430.1-2007標準設定，分別開啟過冷式經濟器與關閉過冷式經濟器，對機組性能參數進行測量記錄。

從表3可以看出在滿載名義制冷工況下，經濟器可以有效提高制冷量（提高 10%），同時輸入功率略有增大（增大1.54%），幅度遠低于制冷量的提升，因此機組制冷能效比 COP出現明顯改善（提高8.4%），結合文獻[3]中對于蒸發溫度由-45 ℃升至5 ℃過程中，帶有經濟器的制冷機組制冷量和能效比始終大于不帶經濟器的機組，說明經濟器在空調工況同樣可以改善性能，提高能效。

表3 經濟器開/關對性能的影響

實驗三按照如下工況進行測試：機組負荷按照100%、75%、50%、25%設定，冷卻進水溫度分別為30 ℃、26 ℃、23 ℃、19 ℃，冷凍出水溫度為7 ℃，流量按照 GB/T 18430.1-2007標準設定，分別開啟過冷式經濟器與關閉過冷式經濟器，對機組性能參數進行測量記錄。

從圖5可以看到，磁懸浮離心式壓縮機在部分負荷下能效比隨著負荷降低始終處于上升狀態，因此在部分負荷情況下磁懸浮離心式壓縮機具有良好性能；通過對比不同負荷下經濟器開關狀態對于能效比的影響，經濟器開啟對于機組運行始終有利，因此經濟器在空調工況范圍都具有改善性能的效果。

圖5 不同負荷下經濟器開/關對能效的影響

為了更進一步提高磁懸浮離心式冷水機組能效比和性能，可以從以下幾個方面提高。

1）充分發揮二級壓縮優勢，在制冷系統設計中使用經濟器，根據目前測試過冷式經濟器情況，可以有效提高制冷量和能效比；閃蒸式經濟器會在理論上優于過冷式經濟器，因此更優的方案可以采用閃蒸式經濟器，在冷凝器增加單獨過冷段，經濟器采用液位傳感器進行控制。

2）考慮到經濟器在空調工況運行都具有節能效果，可以在控制邏輯上進行優化經濟器開啟控制方式，將經濟器補氣壓力控制在最優區域。

3）在經濟器選型時，須綜合考慮機組布置、制造成本、制冷量范圍和壓降損失等情況，經濟器節流部件采用電子膨脹閥控制更有利于選擇合適的補氣壓力，以達到收益的最大化。

3 結論

對帶經濟器的水冷磁懸浮離心式壓縮機冷水機組進行實驗測試和分析，得到以下結論。

1）機組配備經濟器后，系統制冷量和能效比均有所增加，可以達到節能的目的，并且存在最優的補氣壓力。

2）經濟器對于空調工況節能效果依然明顯。

3）經濟器對于不同工況條件同樣具有節能效果，可以優化控制邏輯增加經濟器開啟范圍。

[1]周子成.變頻離心式壓縮機冷水機組[J].制冷,2010,29(1): 51-56.

[2]許樹學,馬國遠,彭瓏.常用制冷壓縮機的準二級壓縮循環特性分析[J].石油化工設備,2009,38(4): 1-4.

[3]崔立祺.經濟器在工業冷凍系統中的應用[J].氯堿工業,2012,48(2): 36-39.

[4]吳華根,彭學院,邢子文,等.經濟器補氣壓力對雙螺桿制冷壓縮機性能影響的試驗研究[J].制冷學報,2003,24(4): 10-13.

Study on Effects of Economizer on the Performance of Magnetic Bearing Centrifugal Compressor

WANG Ji-hong*1,2,CHEN Xi1
(1- University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2-Nanjing Canatal Air-Conditioning Electrical and Mechanical Co.,Ltd,Nanjing,Jiangsu 211100,China)

The cooling capacity could be increased by using the economizer in the refrigeration system,but the COP would not be improved in direct proportion because the compressor power would increase while compensating vapor in the process of compression,which would reduce mass flow rate in the cycle.Theoretically,there is an optimum superfeed pressure in the refrigeration system.In this paper,the performance of magnetic bearing centrifugal compressor was investigated by analyzing the operation of the water-cooled magnetic bearing centrifugal chiller with sub-cooler circuit economizer in different loads，and the influence of the superfeed pressure on the compressor efficiency and system COP was obtained.The results show that the compressor efficiency and COP will rise first and then will drop with the increasing superfeed pressure increasing.Under all conditions,the efficiency will be improved by adjusting superfeed pressure.There is an optimum superfeed pressure to obtain the best COP.

Experimental study;Economizer;Magnetic bearing centrifugal compressor;Superfeed pressure

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.105

*王繼鴻（1982-），男，工程師，學士。研究方向：制冷系統優化設計。聯系地址：南京市江寧經濟技術開發區蘇源大道88號南京佳力圖空調機電有限公司研發中心，郵編：211111。聯系電話：025-84916622。Email：wang516423@126.com。