活塞式制冷壓縮機變頻對制冷系統性能的影響

黃海波

（廈門新洋達環境科技有限公司，廈門，361013）

活塞式制冷壓縮機廣泛應用于冷庫制冷系統，通過改變制冷壓縮機電機頻率可以調節壓縮機轉速，改變制冷劑流量，使制冷系統制冷量與變化的負荷相適應，有利于制冷系統的節能與穩定。

近年來，提升冷庫制冷系統運行性能受到關注：低壓補氣模式相較于不補氣模式，可以有效降低冷庫制冷系統的壓縮機排氣溫度［1-2］；在傳統的過熱度控制策略中，將壓縮機頻率變化作為干擾量提前輸入，可提高變容量調節制冷系統的過熱度控制精度［3］；對于可變壓比的變頻螺桿式制冷壓縮機，在不同工況下，均存在最佳運行轉速使壓縮機運行效率最高［4］；對風冷冷凝器風機進行變頻調節，應考慮冷庫庫溫設定值，庫溫較高時方有利于提高制冷系統運行性能［5］。

為了研究活塞式制冷壓縮機變頻對制冷系統性能的影響，本文將依托冷庫制冷系統性能實驗臺，對該方向展開研究。

1 試驗裝置及測試方法

圖1為冷庫制冷裝置示意圖?；钊街评鋲嚎s機排出的高溫高壓制冷劑蒸氣進入油分，經風冷冷凝器冷凝后進入貯液器、干燥過濾器和回熱器，再經熱力膨脹閥節流降壓后進入安裝于冷庫內的冷風機，吸收庫內熱量后汽化為低溫低壓的制冷劑蒸氣進入壓縮機被壓縮。

圖1 冷庫制冷裝置示意圖

系統中測點布置如圖1所示，測試數據包括溫度、壓力、流量和壓縮機功率，由微機測試系統進行數據采集。溫度檢測采用Pt100溫度傳感器，精度為±0.15 ℃；壓力檢測采用壓力探頭，精度為±0.25 %；流量檢測采用液體渦輪流量計，精度為±0.5 %；功率檢測采用數字功率計，精度為±0.1 %。每隔1分鐘采集一次試驗數據。

試驗期間外界氣溫為15～19 ℃，為了模擬庫房負荷，在冷庫內放置3組電加熱器，每組電加熱器功率為1.2 kW。試驗過程中為了比對不同冷凝壓力對制冷系統運行性能的影響，通過冷凝器風機變頻器將風機頻率分別調至50 Hz和30 Hz兩檔，改變冷凝器換熱性能，使制冷系統在不同的冷凝壓力下運行。在冷凝器風機頻率為50 Hz和30 Hz兩種工況下，測試壓縮機電機頻率分別為50、45、40和35 Hz工況下的制冷系統運行參數，取庫溫-18±1 ℃的穩態數據進行分析。

制冷系統的體積流量通過安裝在貯液器出口的液體渦輪流量計測得，與該處的制冷劑密度相乘，可求得制冷劑的質量流量。

將質量流量與蒸發器進出口焓差相乘，可得制冷系統制冷量：

性能系數：

式中qm—質量流量，kg?h-1；

qv—體積流量，m3?h-1；

ρ—密度，kg?m-3；

Q—制冷量，kW；

采用進口多相流泵和專有微氣泡釋放技術為核心的微氣泡生成系統。微氣泡采用大尺寸管道釋放，可調節，不易結垢和堵塞;注氣量小，僅為處理水量的2%～3%(體積比，標態氣體)，不需要配套龐大的輔助制氮系統;微氣泡粒徑小(5～30μm)，均勻性好，可實現微氣泡純物理破乳，無需化學藥劑，不產生含油污泥。

he—蒸發器出口焓值，kJ?kg-1；

hv—蒸發器進口焓值，kJ?kg-1；

cop—性能系數；

W—壓縮機功率，kW。

計算過程所需的制冷劑物性參數密度和焓，均可通過EES軟件，由測試點的溫度和壓力兩個參數求得。

2 試驗結果及分析

在冷凝器風機頻率為50 Hz和30 Hz兩種工況下，制冷系統冷凝壓力和蒸發壓力隨壓縮機電機頻率變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 冷凝壓力隨壓縮機電機頻率的變化

圖3 蒸發壓力隨壓縮機電機頻率的變化

由圖可知，在冷凝器風機頻率為50 Hz和30 Hz兩種工況下，冷凝壓力均隨壓縮機電機頻率的升高而增大，蒸發壓力則減小。這是因為隨著壓縮機電機頻率的升高，壓縮機輸氣量增大導致冷凝壓力上升，蒸發壓力下降。當壓縮機電機頻率一定時，冷凝器風機頻率若是降低，由于冷凝器換熱性能減弱，將引起冷凝壓力上升；蒸發壓力除了受壓縮機輸氣量影響，還與通過熱力膨脹閥進入冷風機的制冷劑流量有關，是多因素綜合調控的結果［6］，故蒸發壓力變化規律較為復雜。

圖4 質量流量隨壓縮機電機頻率的變化

制冷量、壓縮機功率和制冷系統COP隨壓縮機電機頻率變化曲線如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 制冷量隨壓縮機電機頻率的變化

圖6 壓縮機功率隨壓縮機電機頻率的變化

圖7 制冷系統COP隨壓縮機電機頻率的變化

由圖可知，制冷量和制冷劑質量流量走勢相近，均隨壓縮機電機頻率的升高而增大，說明制冷量大小主要是受制冷劑流量的影響。壓縮機功率受壓縮機電機頻率的影響較大，隨壓縮機電機頻率的升高而線性遞增，冷凝器換熱性能變化對其影響較小。在制冷量與壓縮機功率二者的綜合影響下，制冷系統COP隨壓縮機電機頻率的升高反而減小，說明增大壓縮機電機頻率，雖然提高了制冷量，但壓縮機功率也隨之增大，且功率對制冷系統COP的影響更大。

為了綜合評判壓縮機電機變頻對運行能耗的影響，分別統計了不同壓縮機電機頻率下，冷庫庫溫從-17 ℃降到-18 ℃的運行時間如圖8所示。

圖8 降溫時間隨壓縮機電機頻率的變化

可以看出，隨著壓縮機電機頻率的降低，制冷量減小，降溫速度變慢，降溫時間延長。

壓縮機運行能耗變化曲線如圖9所示。

圖9 壓縮機運行能耗隨壓縮機電機頻率的變化

受降溫時間延長的影響，雖然壓縮機電機頻率降低可以減小壓縮機功率，但綜合起來還是增大了壓縮機運行能耗?？紤]到冷庫制冷系統耗能設備除了壓縮機，還有冷風機和冷凝器風機，如果把這二者的耗電量也加上，那么由于降溫時間延長導致的冷庫制冷系統運行總能耗將增加更多。

3 結論

通過研究活塞式制冷壓縮機變頻對冷庫制冷系統性能的影響，可得如下結論：

（1）制冷壓縮機變頻對冷庫制冷系統制冷量、壓縮機功率和制冷系統COP均有顯著影響，壓縮機電機頻率升高將增大制冷量和壓縮機功率，但降低制冷系統COP。

（2）在庫內負荷不變的情況下，降低壓縮機電機頻率將延長冷庫降溫時間，增大制冷系統運行能耗。