非對稱容積控制技術應用于單螺桿制冷壓縮機的試驗研究

陳清

（麥克維爾空調制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215126）

非對稱容積控制技術應用于單螺桿制冷壓縮機的試驗研究

陳清*

（麥克維爾空調制冷（蘇州）有限公司，江蘇蘇州215126）

單螺桿式壓縮機由一個主轉子及兩側與其相嚙合的星輪片組成。這種結構布置形成了兩個獨立的壓縮過程，各提供50%的排氣量。目前設計的單螺桿式壓縮機大多采用兩個星輪對稱容積調節控制，可以實現負載25%～100%無級調節。本文對非對稱式容積控制技術在單螺桿壓縮機的運用進行闡述,通過采用兩個星輪獨立控制的方法可以實現更高的部分負荷能效。

單螺桿壓縮機；容積控制；滑閥

0 引言

單螺桿式壓縮機由一個主轉子及兩側與其相嚙合的星輪片組成[1]。這種結構布置形成了兩個獨立的壓縮過程[2-3]，各提供50%的排氣量。目前設計的單螺桿式壓縮機大都采用兩個星輪對稱容積調節控制[4]，可以實現負載25%～100%無級調節。本文對非對稱式容積控制技術在單螺桿壓縮機的運用進行闡述，實現在兩個星輪獨立控制以實現更高的部分負荷能效。

1 簡介

近幾年來，在制冷空調應用領域，螺桿式壓縮機已日漸普及[5]。由于可靠性高、體型小、重量輕，在同等制冷能力下，螺桿壓縮機成為制冷機組的理想配備。現如今，環境問題已是當今社會的主要問題，開發更加高效節能的制冷機組也變得尤為重要。

本文將具體闡述的螺桿壓縮機為單螺桿式壓縮機，由一個主轉子及兩個與其相嚙合的星輪片組成（圖1）[6]。

圖1 單螺桿壓縮機結構

對稱式容積控制技術：容積控制滑閥由一個連接支撐連接，壓縮機由增減載電磁閥控制高壓供油及泄油，油路通過活塞及連接支撐同時控制兩個滑閥的運動（見圖2、圖3）。

圖2 傳統單螺桿制冷壓縮機對稱式容積控制結構圖

圖3 對稱式容積控制原理圖

非對稱容積控制技術：壓縮機兩個星輪由兩個不同的滑閥控制，一側為無級調節側滑閥控制（圖4、圖5），由無級調節側滑閥（圖6）實現；一側為有級調節側滑閥控制（圖7），由有級調節滑閥（圖8）實現。

圖4 單螺桿制冷壓縮機非對稱式容積控制結構圖

圖5 無級調節側滑閥控制方式

圖6 無級調節側滑閥

圖7 有級調節側滑閥控制方式

圖8 有級調節側滑閥

當壓縮機處于15%～50%負荷時，無級調節側滑閥處于工作位置，運動實現負荷調節，有級調節側滑閥處于0位；但壓縮機處于50%～100%負荷時，無級調節側滑閥處于工作位置，運動實現負荷調節，有級調節側滑閥處于滿負荷位。壓縮機增減載滑閥運動示意圖見圖9。

圖9 壓縮機增減載滑閥調節示意圖

對于此單螺桿式壓縮機，兩個星輪片同時掃過主轉子凹槽即兩個壓縮過程同時發生，而每個壓縮過程使用獨立的增減載滑閥。正是這一特殊設計使得以高部分負荷效率為需求的新一代單螺桿式壓縮機得到發展[7]。

如前所述，制冷機組的更高效率運行變得愈加重要。在過去，不斷有滿載時能高效運行的機組被生產出來，但絕大部分時間里，機組只運行在25%～75%負荷狀態下[8]。

目前更多的用戶將綜合部分負荷性能系數（IPLV）作為產品能效衡量依據，其依據不同部分負荷下的運行效率進行加權計算從而得出總體的運行效率。在IPLV考量依據中，50%及75%負荷被賦予更高的權重[9]。這就使壓縮機在設計過程中去追求更高的部分符合能效。非對稱容積控制技術能夠很好的提高目前單螺桿式壓縮機的部分負荷能效[10]。

2 試驗研究

2.1 對稱式容積控制及非對稱式容積控制壓縮機實測效率對比

2.1.1 測試方法

取內容積比為3.0的對稱式容積控制壓縮機，在蒸發溫度1.7 ℃；冷凝溫度51.7 ℃；過冷度5 ℃；過熱度5 ℃的工況下，測試在100%、75%、50%及25%負荷時的性能參數。

取內容積比為3.0的非對稱式容積控制壓縮機，在相同工況下測試在100%、75%、62.5%、50%、25%及12.5%負荷時的性能參數。

2.1.2 試驗實施

取兩臺壓縮機樣機在經國家壓縮機制冷設備質量監督檢驗中心認可的測試站臺進行測試，取得實驗數據并進行分析。實測結果見表1。

表1 實測結果

2.1.3 試驗數據分析對比

非對稱式容積控制與對稱式容積控制對比，滿負荷COP相同；50%負荷時非對稱式容積控制比對稱式容積控制效率高24%；75%負荷時非對稱式容積控制比對稱式容積控制效率高4%（見圖8）。

圖8 對稱式容積控制與非對稱式容積控制的效率對比

2.1.4 經濟效益預測

以200RT分冷機組為例，采用對稱式容積控制技術的IPLV為3.3；采用對稱式容積控制技術的IPLV可達3.7。以全年運行245天，每天8h計算，則全年可省電：200×3.517/3.3×8×245-200× 3.517/3.7×8×245=55,146 kW·h。年經濟效益在5萬元以上。

3 結論

1) 采用非對稱容積控制技術可提高壓縮機COP：在50%負荷時提高24%；在75%負荷時提高4%。

2) 采用非對稱容積控制技術壓縮機的機組IPLV可有效提高12%，以200RT機組為例，年節約電費5萬元以上。

3) 目前設計排氣量范圍為(400～1,200) m3/h (50 Hz)的單螺桿式壓縮機已廣泛運用于中國市場風冷機組并已得到很大的認可。

[1] Zimmern B. Rotary injection worm and worm wheel with specific tooth type：USA, 3932077[P]. 1976-01-13.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 郁永章. 容積式壓縮機技術手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 2000: 661-684.

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[7] 查世梁, 查謙, 方宜榮. 單螺桿壓縮機的現狀[J]. 壓縮機技術, 1994, 126(4): 47-48.

[8] 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.

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

[10] 丁國良, 吳靜怡, 連之偉, 等. 提高冷水機組能效的技術措施[J]. 制冷技術, 2005, 25(2): 21-25, 33.

Experimental Investigation on Application of Asymmetric Volume Control Technology in Single Screw Refrigeration Compressor

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

Single screw compressor is composed of one screw rotor and two gate rotors which are joggled on the two sides of the screw rotor. This structure has two separate compression processes, and each one provides 50% of the volume. Currently most of the designed single screw compressors adopt two gate rotors for the symmetric volume adjustment, which realizing the stepless adjustment of the load from 25% to 100%. The asymmetric volume control technology used for the single screw compressor was introduced, and the higher part load efficiency can be obtained by adopting the method of separately controlling the two gate rotors.

Single screw refrigeration compressor; Capacity control; Slide valve

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.104

*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。