可變內容積比的變頻單螺桿壓縮機性能試驗研究

陳清，沈鵬飛

（麥克維爾空調制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215126）

可變內容積比的變頻單螺桿壓縮機性能試驗研究

陳清*，沈鵬飛**

（麥克維爾空調制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215126）

單螺桿制冷壓縮機的欠壓縮和過壓縮損失將降低其在不同工況下的能效比。根據壓縮機運行工況調節其內容積比，得到合適的壓縮終止壓力，可減少甚至避免欠壓縮或過壓縮損失。將可變內容積比技術應用于變頻單螺桿壓縮機，可提高壓縮機在不同工況下的滿負荷性能系數，同時還可以提高其綜合部分負荷能效比（IPLV）。

可變內容積比；變頻單螺桿壓縮機；性能系數

0　引言

單螺桿式制冷壓縮機自20世紀70年代誕生以來，憑借其高效的性能和平穩的運轉，正獲得越來越廣泛的市場應用。除了傳統空調制冷領域，在雙螺桿壓縮機已獲得廣泛應用的高溫熱泵和能量回收系統［1］以及低溫制冷系統中［2］，也越來越多地看到單螺桿制冷壓縮機的身影。近幾年，變頻產品成為節能減排的一個主要方向［3］，部分負荷能效比較高的變頻單螺桿式制冷壓縮機也已經面世。變頻單螺桿式制冷壓縮機采用直流或交流變頻技術，通過改變電機的轉速來進行制冷量的調節。因此，與常規壓縮機不同，變頻單螺桿式制冷壓縮機將不再需要能量調節滑閥，而可以將滑閥設計成專門用于調節壓縮機內容積比的機構。可變內容積比技術可以實現壓縮機內壓比與冷水機組外壓比達到一致或接近，從而避免不同工況運行時壓縮機的過壓縮或欠壓縮損失；此外，根據螺桿壓縮機部分負荷下電機繞組溫度場［4］和電機換熱效率［5］的相關研究，變頻電機部分負荷下效率較高，利于電機散熱，從而有利于提升整機效率。

本文主要研究和討論可變內容積比技術對于變頻單螺桿式制冷壓縮機性能的實際影響。

1　單螺桿壓縮機的過壓縮和欠壓縮損失

作為容積式壓縮機的一種［6］，單螺桿壓縮機是通過改變氣體體積來提高其壓力的，如圖1所示［7］。吸氣結束時，單螺桿壓縮機的螺桿轉子、星輪片和機體外殼之間形成一個密閉的基元容積V1；隨著壓縮過程的進行，這個密閉腔體的體積逐漸變小而氣體壓力逐漸升高；當密閉腔體與滑閥的排氣孔聯通時，壓縮過程結束，排氣過程開始，此時容積為 V2［8］。因此，根據氣體狀態方程，在理想狀態下，壓縮過程結束時，氣體壓力為P2=P1×（V1/V2）k，k為氣體絕熱指數。容積的比值V1/V2稱為內容積比。單螺桿壓縮機的排氣口一般設置在滑閥上，普通單螺桿制冷壓縮機的滑閥主要用于調節制冷量，而無法根據不同運行工況調節內容積比。因此壓縮終止壓力無法隨外部背壓而改變。

圖1　單螺桿壓縮機工作過程

因此與雙螺桿壓縮機類似，內容積比無法調節的單螺桿壓縮機也存在過壓縮和欠壓縮現象。不管是過壓縮還是欠壓縮，都將造成壓縮機額外的做功損失。如圖2所示，當壓縮結束時，壓縮腔內部壓力小于外部排氣壓力，將造成欠壓縮，此時腔內氣體將產生定容壓縮，升高腔內壓力，再排出壓縮腔，造成的額外功率見（a）圖陰影部分。而當壓縮終止時，壓縮腔內部壓力高于外部壓力則稱為過壓縮。此時腔內氣體將發生定容膨脹，額外消耗的無用功見（b）圖陰影部分。理想的壓縮過程為（c）圖，壓縮終止壓力與外部背壓相同，無額外做功損失，壓縮機耗功最小，能效比最高。

圖2　容積式壓縮機過壓縮和欠壓縮損失

2　變頻單螺桿壓縮機可變內容積比技術的實現和作用

傳統的單螺桿式制冷壓縮機，針對水冷機組應用，一般設置內容積比為2.2的滑閥；針對風冷或熱泵機組應用，一般設置內容積比為3.0的滑閥［9］。而當機組運行工況改變時，壓縮機外部壓比將發生變化，此時由于內容積比不可變，壓縮機將產生過壓縮或欠壓縮，使運行的效率降低。因此，將可變內容積比技術應用于單螺桿式制冷壓縮機，實現壓縮機內容積比隨冷水機組運行工況而改變，可以減少甚至消除過壓縮和欠壓縮造成的損失。對于普通單螺桿制冷壓縮機，實現可變內容積比，將增加滑閥數量，在傳統兩個能量調節滑閥的基礎上再增加兩個用于調節內容積比的滑閥。由于活動部件的增加，必然將造成內部泄露量增加；同時調節機構較為復雜，造成整機可靠性的降低。

然而，對于變頻單螺桿制冷壓縮機，制冷量的調節通過改變電機轉速來實現，不再需要能量調節滑閥。因此，通過重新設計滑閥結構，可較為容易將滑閥設計成專門用于調節內容積比。通過內容積比調節滑閥的移動，可以提前或延遲排氣開始的時間，從而改變壓縮終止時的容積，獲得合適的壓縮終止壓力。如圖3所示，當內容積比滑閥向左移動時，壓縮時間增加，排氣時間延后，壓縮終止體積V2'小于V2，相應獲得的壓縮終止壓力升高，適用于冷凝壓力與蒸發壓力比值變高的工況。滑閥的驅動方式與常規定頻單螺桿壓縮機相同，結構簡單，易于實現，具備較高的可靠性。

圖3　內容積比調節原理

3　可變內容積比技術對變頻單螺桿壓縮機影響的測試分析

由于可變內容積比技術可以減少壓縮過程中的過壓縮或欠壓縮損失，因此，預測將此技術應用于變頻單螺桿制冷壓縮機時，將提高壓縮機在不同工況下滿負荷等熵效率。同時，冷水機組工況的改變往往伴隨著負荷的變化，因此，在不同負荷下內容積比實現可調，可以提高單螺桿式制冷壓縮機的部分負荷能效比。

為了實際驗證這一技術對于變頻單螺桿式制冷壓縮機的影響，將可變內容積比技術應用于某型號的水冷變頻單螺桿式制冷壓縮機。內容積比調節機構如圖4所示，使用油壓驅動活塞移動，從而改變與之相連的內容積比調節滑閥的位置。根據壓縮機較長時間運行的部分負荷工況，設置了4個內容積比（VR）位置，使用電磁閥進行控制。當1.4 VR電磁閥得電時，壓縮機可獲得內容積比為1.4；同樣，1.8 VR或2.2 VR電磁閥得電時可獲得相應的內容積比；而當3個電磁閥全關時，可獲得內容積比為2.8。

圖4　內容積比調節機構及控制方式

在壓縮機的測試過程中，根據壓縮機運行范圍內不同工況壓縮比，即冷凝壓力和蒸發壓力比值，調節壓縮機的內容積比，各內容積比的調節范圍見圖5所示。為了進行對比，在壓縮機的運行范圍內，測試了不同壓比工況的滿負荷性能，并將壓縮機的等熵效率制成與壓比相關的曲線，與固定內容積比壓縮機的等熵效率進行對比，見圖6。根據圖6中的曲線，應用可變內容積比技術后，與固定內容積比為2.2的壓縮機相比，在額定工況的等熵效率提升并不明顯，這是因為內容積比為2.2是水冷應用較為合理的內容積比。但是當壓縮機偏離額定工況運行時，可變內容積比的壓縮機等熵效率整體提升明顯。即可變內容積比變頻單螺桿制冷壓縮機對工況改變的適應性更好，運行范圍內等熵效率普遍高于定內容積比壓縮機。

圖5　內容積比調節范圍

圖6　壓縮機等熵效率對比圖

另一方面，可變內容積比技術的應用，還將提高變頻單螺桿制冷壓縮機的部分負荷能效比。部分負荷能效比（IPLV）作為衡量冷水機組效率較為科學的標準，正受到市場的廣泛關注。冷水機組的負荷降低，通常是由于環境溫度降低引起的，這通常將導致機組冷凝壓力下降；或者相同環境下，末端用戶減少造成熱負荷降低，也將導致冷凝溫度降低。這兩種情況機組的運行工況都將發生改變，即壓縮機運行的外壓比發生了變化。根據AHRI標準［10］中冷水機組的部分負荷工況，等效轉換為壓縮機的運行工況，見表1。

表1　部分負荷能效比工況

從表1可見，部分負荷工況壓比小于100%負荷工況。常規單螺桿壓縮機的滑閥內容積比設計僅能考慮滿負荷額定工況，因此在部分負荷下，將產生過壓縮損失。應用可變內容積比技術后，根據圖5的內容積比調節范圍，可以在100%負荷工況使用2.2 VR滑閥，75%工況使用1.8 VR滑閥，50%和25%工況使用1.4VR滑閥。因此根據圖7所示的不同內容積比等熵效率曲線，忽略電機效率的變化，可以預測相對于固定內容積比為2.2的單螺桿變頻制冷壓縮機，75%工況性能系數（COP）將提高3.5%左右，50%工況COP將提高5.5%左右，25%工況COP將提高9.5%左右。根據每個工況的權重，預測整體IPLV將提升5%左右。

圖7　不同內容積比等熵效率曲線

為了驗證實際部分負荷能效比的提高狀況，我們使用同一臺可變內容積比變頻單螺桿式制冷壓縮機進行測試。首先，將內容積比固定在 2.2，測試各負荷下的壓縮機性能；然后，根據各負荷的工況壓比調節內容積比，再次測試。兩次測試結果對比見表2。

表2　固定與可變內容積比測試結果對比（AHRI標準工況）

兩次測試結果對比顯示，根據部分負荷工況的壓比合理調節壓縮機的內容積比，可有有效降低功率損失，提高壓縮機能效比。壓縮機在75%、50%和25%負荷下的COP提升明顯，對比見圖8。根據各負荷工況所占的權重，計算壓縮機的IPLV，可變內容積比的變頻單螺桿制冷壓縮機 IPLV可達到10.05，相比固定內容積比的變頻單螺桿制冷壓縮機提高了5.6%，節能效果明顯。

圖8　固定和可變內容積比壓縮機COP對比

同時，為了與市場上的變頻雙螺桿壓縮機對比，我們根據某品牌雙螺桿壓縮機的選型軟件（版本為RC2-1.1.1），按照表1的工況計算壓縮機性能，與可變內容積比變頻單螺桿式制冷壓縮機對比見表3。表3中的壓縮機性能包含了變頻器的功率損耗。

根據表3中的數據對比，在100%負荷和75%負荷工況下，可變內容積比的變頻單螺桿壓縮機比雙螺桿壓縮機COP分別高3.4%和11%，固定內容積比的變頻單螺桿壓縮機比雙螺桿壓縮機 COP分別高8.1%和17%。而50%和25%的工況，冷凝溫度超出了雙螺桿壓縮機的運行范圍，因此無法對比相關數據。

表3　變頻單螺桿與雙螺桿壓縮機性能對比

4　結論

通過對可變內容積比技術應用于變頻單螺桿式制冷壓縮機的實驗研究，得出主要結論如下：

1）可變內容積比技術可以降低單螺桿制冷壓縮機的過壓縮或欠壓縮損失，從而提高單螺桿制冷壓縮機不同工況下的滿負荷能效比；

2）在部分負荷工況下合理調節內容積比，可有效提高變頻單螺桿制冷壓縮機的部分負荷能效比；相對于固定內容積比為2.2的壓縮機，部分負荷能效比提高約5.6%。

［1］ 趙兆瑞, 唐昊, 沈九兵, 等. 雙螺桿壓縮機及膨脹機在高溫熱泵與能量回收系統中的應用［J］. 制冷技術, 2014, 34（4）: 43-48.

［2］ 鄧祖榮. 單級螺桿壓縮機在低溫制冷系統中的應用［J］.制冷技術, 2001, 21（2）: 27-29.

［3］ 文命清, 李日華, 嚴俗, 等. 變頻螺桿制冷壓縮機發展現狀［J］. 制冷技術, 2013, 33（2）: 48-53.

［4］ 文命清, 汪海定, 陳契丹, 等. 螺桿制冷壓縮機電機繞組溫度場研究［J］. 制冷技術, 2013, 33（3）: 61-64.

［5］ 陳文卿, 沈九兵, 吳華根, 等. 部分負荷下螺桿壓縮機電機內流動與換熱研究［J］. 制冷技術, 2012, 32（1）: 4-8.

［6］ 郁永章. 容積式壓縮機技術手冊［M］. 北京: 機械工業出版社, 2000.

［7］ ZIMMERN B, GANSHYAM C. Design and operating characteristics of the Zimmern single screw compressor［C］// Compressor Technology Conference. Indiana, USA: Purdue University, 1972: 96-99.

［8］ 孫光三. 單螺桿壓縮機主要幾何關系的研究［J］. 西安交通大學學報, 1981, 15（5）: 21-31.

［9］ 金光熹. 單螺桿壓縮機型線和流體動力潤滑研究［J］.西安交通大學學報, 1982, 16（2）: 75-82.

［10］ AHRI 550/590-2001 Performance rating of waterchilling and heat pump water-heating packages using the vapor compression cycle［S］.

Experimental Investigation on Performance of Inverter Single Screw Compressor with Variable Volume Ratio

CHEN Qing*, SHEN Peng-fei**
（McQuay Air Conditioning & Refrigeration（Suzhou）Co., Ltd, Suzhou, Jiangsu 215126, China）

The over-compression and under-compression loss during the compression process of the single screw compressor will reduce its coefficient of performance（COP）at different operation conditions. Based on the operation conditions to regulate the built-in volume ratio of the compressor, the suitable pressure at the end of the compression process was obtained, which decreases or avoids the over-compression or under-compression loss. Applying the variable volume ratio technology into the invertor single screw compressor, the full load COP at different operation conditions could be improved, and the integrative part load value（IPLV）of the compressor could also be increased.

Variable volume ratio； Inverter single screw compressor； Coefficient of performance

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.206

*陳清（1966-），男，高級工程師，學士。研究方向：單螺桿制冷壓縮機、離心式制冷制冷壓縮機。聯系地址：江蘇省蘇州市長陽街116號麥克維爾。郵編：215126。聯系電話：18013539039。E-mail：13913120748@139.com。

**沈鵬飛（1986-），男，工程師, 學士。研究方向：單螺桿制冷壓縮機。聯系地址：江蘇省蘇州市長陽街116號麥克維爾。郵編：215126。聯系電話：15262423986。E-mail：realshenpf@126.com。