小型往复式压缩机的节能技术及试验研究

田石强 郑传祥 李 蓉 魏 双

（农夫山泉股份有限公司) (浙江大学化工机械研究所）

小型往复式压缩机是冰箱、冷柜、空调的核心部件，其效率高低决定了整个制冷系统的效率。逆向卡诺循环是理想的制冷循环，在相同的温度范围内，其制冷因素最高[1]。但从制冷的功耗角度考虑，绝热压缩所消耗的功率最大，而等温压缩所消耗的功率最小，因此等温压缩的实现具有重要的现实意义[2]。本文对以R600a为制冷剂的WS75YV型压缩机进行了正常工况下的理论分析，计算了等温压缩可以节省的压缩机输入功耗[3]。由于等温压缩过程需要很高的热流量，而且制冷剂的温度容易受到外界温度的影响，因此很难实现。但在达到冷凝温度前进行绝热压缩，之后进行等温压缩是可行的[4-5]。通过合理的润滑油系统对压缩机各个结构降温可以实现近似等温，为此设计了含有螺旋流道和中心排气孔道的润滑油通道，并通过变润滑油注油量冷却试验，测定压缩机系统性能，最后确定最优的注油量。

1 理论分析

1.1 模拟分析

对于压缩过程的模拟主要是基于多维瞬态控制方程，以此来计算温度、速度、压力的分布，同时忽略阀片的开合及其与制冷剂的互相作用。实际上，压缩过程是一个流场和固场耦合的复杂的开放系统，阀片的响应对制冷剂的流动和传热必然产生影响。本文分别在ADINA流场和结构场模块采用自带native的自底向上建模，由点至线再至面完成气缸和阀组及活塞的三维模型[6]。网格划分采用ADINA软件的有限元技术的算法 （FCBI，flow condition based interpolation）划分三维八节点网格。计算有限元数值模拟模型如图1所示。

图1 三维有限元模型

流体模块和固体模块分别施加相应的边界条件，相互接触的平面通过流固耦合面上扫射网格的拟合，实现流体和结构的双向耦合。吸气压力和温度分别为62.4 kPa、32.2℃，排气压力和温度分别为 761.3 kPa、102.4℃。 采用 FSI（fluid-solid interaction）方法进行流固场耦合，对两个场的求解文件进行计算,模拟压缩机气缸内部流场和结构（阀片）变化过程。为了得到多组数据对比，改变阀片的厚度，根据现有的几种厚度阀片，分别取0.152 mm、0.203 mm和0.254 mm。通过对绝热压缩过程的动态模拟，得到压缩过程的示功图如图2所示。整体来看，绝热压缩指数主要影响了压缩曲线，降低阀片厚度可以降低压缩机功耗。

图2 绝热压缩过程

1.2 理论计算

压缩机消耗的功率理论计算公式如下[7]：

式中 ηm——机械效率，为0.95;

ηe——电机效率，为0.885;

Ns——功耗，W;

Δp——吸排气压降，MPa;

V——活塞容积，m3;

r——电机转速，r/min，为2900 r/min。

本研究采用的是WS75YV型压缩机，理论功率计算值是90.3 W。通过表1的比较可以发现，近似等温压缩过程平均可以节省功率43%，这对压缩机功耗降低具有重大意义。因此，如果能够找到合适的方法在工程上实现近似等温压缩过程，就可以提高压缩机的制冷系数COP值。

表1 电机功率计算值对比

1.3 近似等温压缩过程的工程实现方法

压缩机各部件的冷却对于实现等温压缩具有重要意义。气缸内喷油或加水的方式虽然能够一定程度降低压缩工作过程的功耗，但是第二介质与制冷剂的分离以及第二介质的引入使得系统结构复杂，且总体功耗并没有减小，还有可能带来压缩机的液击现象[8-9]。但通过合理的润滑油系统可以实现压缩机的近似等温过程，避免上述的不利影响。

如图3所示，改进压缩机的供油系统，使吸油管的下端位于油面以下，压缩机运行时，吸油管中的油就可被提升并沿着轴向油道向上流动。到达吸油孔1时，油从吸油孔1流出并进入螺旋槽2，此位置的油润滑主轴承3和端面4，其余的油通过曲轴的轴向流道上升分别从油孔5和油孔6流出，润滑连杆的大头孔。曲轴旋转时，油孔6润滑连杆大头和曲柄，在上述各摩擦面被润滑的同时，仍有一部分油沿着曲轴的轴向流道上升并从端部出油口5流出，在离心力的作用下向四周甩出，洒在活塞表面润滑活塞和气缸。油被甩在机壳的内壁上，沿着内壁向下流至机壳底部。油在机壳内壁下流的过程中将热量传递给机壳。由此可见，降低润滑油的温度不仅可以降低摩擦热，使得摩擦零部件的温度不会过高，同时对气缸和活塞来说也是有效的降温措施。

图3 润滑油冷却系统

压缩机曲轴上的润滑油通道如图4所示，螺璇线通道使得润滑油能够在离心力作用下随着油槽上升，降低了润滑油的流动压降。油孔的大小基于经验数据取得。

图4 曲轴油道

2 性能试验研究

2.1 测试原理与平台

按照GB/T 5733—2004《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》，采用第二制冷剂量热法设计试验装置。试验台主要由电量热器、水冷却系统、压缩机组成[10-11]，如图5～图7所示。

2.2 测试参数

试验中需要的测试工况参数如表2所示。

测量的参数包括下列各项：工况参数有吸气压力、排气压力、吸气温度、过冷温度、环境温度；电力参数有电压、频率、功率；量热器参数有量热器加热功率、量热器环境温度、量热器表面温度、第二工质压力、第二工质温度；能效参数有制冷量、COP；其他参数有过冷器进口温度、膨胀阀阀前压力、被测压缩机排气温度、量热器出口压力、被测压缩机表面温度。

图5 压缩机性能测试台原理

图6 压缩机性能测试台

图7 压缩机性能测试台参数面板

2.3 压缩机性能测试结果及分析

对于非变频的电机控制的压缩过程，控制油槽高度，即吸油器深入油槽的高度，对于润滑和降温均具有重要意义。研究不同控制油槽高度下的压缩机性能参数，如制冷量、功耗、制冷系数 （COP）和排气温度等，可得到如图8～图11所示的曲线图。

图8 润滑油注油量对制冷量的影响

图9 润滑油注油量对功耗的影响

图10 润滑油注油量对COP的影响

图11 润滑油注油量对排气温度的影响

由图8～图11可以看出，随着吸油器深入油槽高度的增大制冷量增大，压缩机的功耗先减小后增大，排气温度逐渐降低。显然，随着润滑油高度的增大，曲轴一端润滑油入口处的初始压力增大，会使得润滑油经过各个接触副的流量增大，从而加快了润滑油的冷却速度。这就使得压缩机各部分的温度降低，尤其是气缸的温度降低，减小了吸气预热量，从而使得制冷量增大。压缩机的排气温度降低，使得压缩机指示功也降低。另外，随着油量增大、润滑充分，压缩机的机械功耗初时有所减小。随着深入高度继续增大，尽管能够充分润滑，但油槽中润滑油对曲轴旋转的阻力也增大，使得压缩机机械功耗也增大。当润滑油量在一定范围内时，增大润滑油量对于提高制冷量和降低功耗都具有积极作用，超出该范围继续增大润滑油量，会使得机械效率降低，不利于提高压缩机性能。

对于该型号的压缩机，最优的注油量为120 mL。此时既能满足充分润滑，又能有效地降低结构温度，得到高效的压缩过程，而且不会使润滑油对曲轴旋转产生过大的阻力[12-13]。

3 结论

（1）本文基于实际小型压缩机WS75YV的压缩过程模拟，分析了不同排气阀阀片厚度对压缩功率消耗的影响，对比发现等温过程理论上可以节约43%功耗。由于压缩过程气缸内温度在吸气和压缩过程都增大，所以采用了全程冷却的方法以实现近似等温过程。提出采用润滑油降温的方法实现工程上的近似等温过程，设计了含有螺旋流道和中心排气孔道的润滑油通道。

（2）通过大量的试验发现，增大注油量可以降低排气温度、提高制冷量，功耗则随着注油量增大先减小后增大，制冷系数COP随着注油量先增大后减小，最后得出WS75YV型压缩机的最优注油量为120 mL，此时压缩机COP最大。本项目的研究结果可为提高压缩机的性能提供依据。

[1]沈维道，蒋智敏，童钧根.工程热力学 [M].北京：高等教育出版社，2001：42.

[2] 刘桂平，王志强，王汝金，等.准等温压缩技术在转子式压缩机上的应用[J].制冷与空调，2014，14(2)：15-18.

[3] 李蓉，郑传祥，王亮，等.小型制冷压缩机吸气阀的流固耦合分析和优化研究 [J].工程设计学报，2014， 21 （1）： 68-74.

[4] Ribas F A.Thermal analysis of reciprocating compressors[A].Nineteenth International Compressor Engineering Conference[C].USA：Purdue University,2008：1306.1-1306.6.

[5] Bonjoura J,Bejan A.Optimal distribution of cooling during gas compression[J].Energy，2006，31(4)：409-424.

[6] 马野,袁志丹,曹金凤.ADINA有限元经典实例分析[M].北京：机械工业出版社,2011：10.

[7] 李蓉.制冷压缩机过程模拟及节能技术开发研究 [D].杭州：浙江大学，2013.

[8] Wang X D,Hwang Y,Radermacher R.Investigation of potential benefits of compressor cooling [J].Applied Thermal Engineering,2008,28(14)：1791-1797.

[9] 朱芸，曹志锡，洪孝鹏.活塞式多相流能量回收装置的研究 [J].液压与气动，2010(1)：77-79.

[10] 王晓燕.小型制冷压缩机全自动性能测试台研制 [J].实验室研究与探索，2011，30(8)： 52-57.

[11] 王磊,姜德凡,李征涛,等.全自动制冷压缩机性能测试试验台的研制 [J].制冷技术,2006，23(2)： 16-21.

[12] Burgstaller A， Nagy D， Almbauer R， et al.Influence of the main parameters of the suction valve on the overall performance of a small hermetic reciprocating compressor[A].International Compressor Engineering Conference[C] .West Lafayette： Purdue University e-Pubs,2008：1315.1-1315.8.

[13] Prata A T,Barbos J R.Lubrication in refrigeration systems：Numerical model for piston dynamics considering oil-refrigerant interaction[J].Journal of Engineering Tribology， 2006， 220(3)： 245-258.