【制冷01】2.1.2活塞式制冷压缩机的热力性能

2017年11月10日17:31:24 评论 29,906 8429字阅读28分5秒

制冷01

2.1.2.1 性能参数及其计算

(1) 输气量及容积效率

压缩机在单位时间内经过压缩并输送到排气管内的气体,换算到吸气状态的容积,称为压缩机的容积输气量,简称输气量(或排量)。

活塞式制冷压缩机的理论输气量为

公式2-1

\({{\rm{q}}_{Va}} = 47.12{\eta _V}{\rm{inS}}{{\rm{D}}^2}\)

式中

\({{\rm{q}}_{Va}}\)——压缩机的实际输气量,m3/h;

\({\eta _V}\)——容积效率;

\({\rm{i}}\)——压缩机的汽缸数;

\({\rm{n}}\)——压缩机的转速,r/min;

\({\rm{S}}\)——活塞行程,m;

\({\rm{D}}\)——气缸直径,m。

容积效率\({\eta _V}\)(\({\eta _V}\)<1)也称为输气系数,其值的大小反映了实际工作过程中存在的诸多因素对压缩机输气量的影响,也表示了压缩机汽缸工作容积的有效利率。越大,说明汽缸容积损失越小。

容积效率可以用解析法、经验公式法或查图法得到。

① 解析法

容积效率\({\eta _V}\)可以写成容积系数\({\lambda _V}\)、压力系数\({\lambda _P}\)、温度系数\({\lambda _T}\)和泄漏系数\({\lambda _L}\)的乘积的形式,即:

公式2-2

\({\eta _V} = {\lambda _V}{\lambda _p}{\lambda _T}{\lambda _L}\)

a. 容积系数\({\lambda _V}\) 容积系数\({\lambda _V}\)反映了压缩机余隙容积的存在对压缩机输气量的影响。由于余隙容积的存在,工作循环中出现了膨胀过程,占据了一定的汽缸工作容积,使部分活塞行程失去了吸气作用,导致压缩机吸气量的减少,即压缩机的实际输气量的减少。
忽略排气压力损失的影响,容积系数\({\lambda _V}\)可表示为:

公式2-3

\({\lambda _V}{\rm{ = }}1 - {\rm{c}}\left[ {{{\left( {\frac{{{p_k}}}{{{p_0}}}} \right)}^{\frac{1}{m}}} - 1} \right]\)

式中

\({\rm{c}}\)——相对余隙容积,它等于余隙容积与汽缸工作容积之比,即,一 般中小型活塞式制冷压缩机取2%〜4% ;

\({\rm{m}}\)——膨胀过程指数,一般氨压缩机取1.10〜1.15,氟里昂压缩机取0.95〜1.05;

\({p_k}\)——冷凝压力(即名义排气压力),MPa;

\({p_0}\)——蒸发压力(即名义吸气压力),MPa。

b. 压力系数\({\lambda _p}\) 压力系数\({\lambda _p}\)反映了由于吸气阀阻力的存在致使实际吸气压力\(p{'_0}\)小于吸气管中的压力\({p_0}\),从而造成吸气量减少的程度。压力系数\({\lambda _p}\)可用下式计算。

公式2-4

\({\lambda _p}{\rm{ = }}1 - \left( {\frac{{1 + {\rm{c}}}}{{{\lambda _V}}} \times \frac{{\Delta {{\rm{p}}_0}}}{{{p_0}}}} \right)\)

式中

\(\Delta {p_0}\)——吸气压力损失,通常,氨压缩机的\(\Delta {p_0} = \left( {0.03 \sim 0.05} \right){p_0}\),氟里昂压缩机的\(\Delta {p_0} = \left( {0.05 \sim 0.10} \right){p_0}\)。

c. 温度系数\({\lambda _T}\) 温度系数\({\lambda _T}\)表示吸气过程中气体从汽缸壁等部件吸收热量造成体积膨胀,从而造成吸气量减少的程度。\({\lambda _T}\)的数值通常用经验公式计算。

中小型开启式制冷压缩机为:

公式2-5

\({\lambda _T} = 1 - \frac{{{T_2} - {T_1}}}{{740}}\)

式中

\({T_1}\)——吸气温度,K;

\({T_2}\)——排气温度,K。

小型全封闭式制冷压缩机为:

公式2-6

\({\lambda _T} = \frac{{{T_1}}}{{{\rm{a}}{T_K} + {b_\theta }}}\)

式中

\({T_1}\)——吸气温度,K;

\({T_k}\)——冷凝瘟度,K;

\(\theta \)——蒸气在吸气管中的过热度,K,\(\theta = {T_1} - {T_0}\),\({T_0}\)为蒸发温度,单位为K;

\(a\)——压缩机的温度随冷凝温度而变化的系数,a=1.0~1.15,随压缩机尺寸的减 少而增大。根据经验,家用制冷压缩机a≈1.15,商用制冷压缩机a≈1.10;

\(b\)——表示吸气量减少与压缩机对周围空气散热的关系系数,b=0.25~0.28,具体值取决于外壳通风情况,数值如图2-3所示。

图2-3  系数\(b\)与压缩机名义制冷量\({\Phi _{0n}}\)的关系

图2-3  系数\(b\)与压缩机名义制冷量\({\Phi _{0n}}\)的关系
1 ——机壳外空气自然对流;2——机壳外强制通风

对于制冷剂不经过电动机的半封闭式制冷压缩机,其温度系数明显高于小型全封闭式制冷压缩机。中温类型的这种制冷压缩机,其温度系数可用下式计算。

公式2-7

\({\lambda _T}{\rm{ = }}{a_0} + {a_1}{t_0} + {a_2}{t_k} + {a_3}t_0^2 + {a_4}{t_0}{t_k} + {a_5}t_k^2\)

式中

\({t_0}\),\({t_k}\)——蒸发温度和冷凝温度,°C。

其中,\({a_0} = 1.16449\),\({a_1} = 0.00009\),\({a_2} = - 0.00735\),\({a_3} = - 0.00016\),\({a_4} = 0.00002\),\({a_5} = 0.00006\)。

d. 泄漏系数\({\lambda _L}\) 泄漏系数\({\lambda _L}\)反映压缩机工作过程中因泄漏而对输气量的影响。一般推荐\({\lambda _L} = 0.97 \sim 0.99\)。

② 经验公式法

a. 对于单级高速多缸压缩机,转速n大于720r/min,相对余隙容积c = 3%〜4%。

公式2-8

\({\eta _V} = 0.94 - 0.085\left[ {{{\left( {\frac{{{p_k}}}{{{p_0}}}} \right)}^{\frac{1}{n}}} - 1} \right]\)

式中

\({p_k}\)——冷凝压力,MPa;

\({p_0}\)——蒸发压力,MPa。

\(n\)——制冷剂的压缩过程指数,对于R717, n=1.28,对于R22, n=1.18。

b. 对于单级中速立式压缩机,转速n小于720r/min,相对余隙容积c = 4%〜6%。

公式2-9

\({\eta _V} = 0.94 - 0.605\left[ {{{\left( {\frac{{{p_k}}}{{{p_0}}}} \right)}^{\frac{1}{n}}} - 1} \right]\)

式中,\(n\)数值与公式(2-8)相同。

c. 对于双级压缩系统中使用的高速多缸压缩机,髙压级和低压级的\({\eta _V}\)值可分别用下列公计算。

公式2-10

\({\eta _{{V_g}}} = 0.94 - 0.085\left[ {{{\left( {\frac{{{p_k}}}{{{p_0}}}} \right)}^{\frac{1}{n}}} - 1} \right]\)

 

公式2-11

\({\eta _{{V_d}}} = 0.94 - 0.085\left[ {{{\left( {\frac{{{p_m}}}{{{p_0} - 0.01}}} \right)}^{\frac{1}{n}}} - 1} \right]\)

式中

\({p_m}\)——中间压力,MPa;

\(n\)——制冷剂的压缩过程指数,数值与公式(2-8)相同。

③ 查图法

作估算时,容积效率\({\eta _V}\)也可查图2-4〜图2-6得到。

图2-4小型活塞式制冷压缩机容积效率\({\eta _V}\)值

图2-4小型活塞式制冷压缩机容积效率\({\eta _V}\)值

图2-5  单级开启活塞式压缩机容积效率\({\eta _V}\)值

图2-5  单级开启活塞式压缩机容积效率\({\eta _V}\)值

图2-6 氨双级压缩低压

图2-6 氨双级压缩低压

(2) 制冷量

制冷压缩机的输气量大小,不能直接反映其使用价值。压缩机的工作能力有必要直观地用单位时间内所产生的冷量——制冷量\({\Phi _0}\)来表示,单位为kW,它是制冷压缩机的重要性能指标之一。

公式2-12

\({\Phi _0} = \frac{{{q_m}{q_0}}}{{3600}} = \frac{{{\eta _V}{q_{Vt}}{q_V}}}{{3600}}\)

式中

\({q_m}\)——压缩机的实际质量输气量,kg/h,\({q_m} = {q_{Va}}/{v_1}\);

\({q_{Va}}\)——压缩机的实际容积输气量,m3/h;

\({v_1}\)——压缩机吸气状态制冷剂蒸气的比体积,m3/kg;

\({q_0}\)——制冷剂在给定工况下的单位质量制冷量,kJ/kg;

\({\eta _V}\)——压缩机的容积效率;

\({q_{Vt}}\)——压缩机的理论输气量,m3/h;

\({q_V}\)——制冷剂在给定工况下的单位容积制冷量,kJ/m3

必须指出,一台压缩机在不同的运行工况下,单位时间产生的冷量是不相同的。通常在压缩机铭牌上标出的制冷量,是指该机名义工况下的制冷量。当制冷剂和转速不变时,对于同一台制冷压缩机,不同工况下的制冷量换算公式为:

公式2-13

\({\Phi _{0B}} = {\Phi _{0A}}\frac{{{\eta _{VB}}{q_{VB}}}}{{{\eta _{VA}}{q_{VA}}}}\)

式中

\({\Phi _{0A}}\),\({\Phi _{0B}}\)——A、B工况下的制冷量,kw;

\({\eta _{VA}}\),\({\eta _{VB}}\)——A、B工况下的容积效率;

\({q_{VA}}\),\({q_{VB}}\)——A、B工况下的单位容积制冷量,kJ/m3

(3) 功率和效率

指示功率和指示效率

直接用于汽缸中压缩制冷工质所消耗的功称为指示功。单位时间内实际循环所消耗的指示功,称为压缩机的指示功率。理论循环中压缩1kg制冷剂所消耗的等熵理论功\({{\rm{w}}_{{\rm{ts}}}}\)与实际循环中所消耗的功\({w_i}\)的比值,称为压缩机的指示效率,用\({\eta _i}\)表示。

公式2-14

\({\eta _i} = \frac{{{w_{ts}}}}{{{w_i}}} = \frac{{{q_m}{w_{ts}}}}{{{q_m}{w_i}}} = \frac{{{P_{ts}}}}{{{P_i}}}\)

式中

\({P_{ts}}\)——等熵功率,压缩机按等熵压缩理论循环工作所需的理论功率,kw;

\({P_i}\)——指示功率,kW。

制冷压缩机的指示效率\({\eta _i}\)是从动力经济性角度来评价压缩机汽缸内部热力过程的完善程度。指示效率\({\eta _i}\)的经验计算公式为:

公式2-15

\({\eta _i} = \frac{{{T_0}}}{{{T_k}}} + {\rm{b}}({T_0} - 273)\)

式中

\({T_0}\)——蒸发温度,K;

\({T_k}\)——冷凝温度,K;

\(b\)——系数,立式氨压缩机b=0. 001,立式氟里昂压缩机b= 0. 0025。

\({\eta _i}\)的数值范围,小型氟里昂压缩机为0.65〜0.80;家用全封闭式压缩机为0.60〜0.85。

轴功率摩擦功率和机械效率

输入压缩机曲轴的功率称为轴功率,用\({P_e}\)表示。它等于用于克服摩擦的功率\({P_m}\)与指示功率\({P_i}\)之和,即:

公式2-16

\({P_e} = {P_i} + {P_m}\)

机械效率用于考虑摩擦功率的影响,用\({\eta _{\rm{m}}}\)表示。机械效率的计算式为:

公式2-17

\({\eta _m} = \frac{{{P_i}}}{{{P_e}}} = \frac{{{P_i}}}{{{P_i} + {P_m}}}\)

活塞式制冷压缩机的机械效率一般在0.8〜0.9之间。

轴效率

轴效率是衡量压缩机轴功率有效利用程度的指标,又称等熵效率,用\({\eta _e}\)表示。轴效率的计算式为

公式2-18

\({\eta _e} = \frac{{{P_{ts}}}}{{{P_e}}} = \frac{{{P_{ts}}}}{{{P_i}}}\frac{{{P_{\rm{i}}}}}{{{P_e}}} = {\eta _i}{\eta _m}\)

轴效率\({\eta _e}\)—般在0. 6〜0. 7之间,它反映压缩机在某一工况下运行时的各种损失。

配用电动机功率

确定制冷压缩机所配用的电动机功率时,还应考虑到压缩机与电动机之间的连接方式及压缩机的类型。对于开启式压缩机,如用带传动,应考虑传动效率\({\eta _d} = {\rm{ }}0.{\rm{ }}9 \sim 0.95\)。如用联轴器直接传动时,则不必考虑传动效率。对于封闭式压缩机,因电动机与压缩机共用一根轴,也不必考虑传动效率问题。

制冷压缩机所需要的轴功率是随工况的变化而变化的,选配电动机功率时,还应考虑到这一因素,并应有一定的裕量,以防意外超载。如果压缩机本身带有能量卸载装置,则电动机功率按常用工况确定;如无卸载装置,则电动机功率按最大轴功率工况确定。然后再考虑适当裕量(10%〜15%)选配电动机功率。

还应指出,在吸气通过电动机的封闭式压缩机中,由于电动机绕组获得了较好的冷却, 它的实际功率可比名义值大,因此,该电动机的名义功率可取得比一般开启式压缩机的电动机的功率小些(小30%〜50%)。

开启式压缩机由外置电动机通过传动装置带动运转,其动力经济性往往由轴效率\({\eta _e}\)衡量。而在封闭式压缩机中,内置电动机的转子直接装在压缩机主轴上,其动力经济性用电效率\({\eta _{el}}\)衡量。电效率\({\eta _{el}}\)是等熵功率\({P_{ts}}\)与电功率\({\eta _{el}}\)的比值,即:

公式2-19

\({\eta _{el}} = \frac{{{P_{ts}}}}{{{P_{el}}}} = \frac{{{P_{ts}}}}{{{P_e}}}\frac{{{P_e}}}{{{P_{el}}}} = {\eta _e}{\eta _{mo}}\)

式中

\({\eta _{mo}}\)——电动机效率。

单相和三相的内置电动机在名义工况下,其电动机效率\({\eta _{mo}}\)的范围一般在0.60〜0.95之间,大功率电动机取上限,小功率电动机取下限。单相与三相比较,则单相电动机的\({\eta _{mo}}\)较差。

(4) 性能系数COP能效比EER

性能系数COP是制冷量和输入功率之比。

对于开启式压缩机:\(COP = {\Phi _0}/{P_e}\)。

对于封闭式压缩机:\(COP = {\Phi _0}/{P_e}_l\)。

封闭式压缩机的\({\Phi _0}/{P_{el}}\)也可称为能效比EER,它的单位为W/W,使用时要注意。

(5) 压缩机的排气温度

排气温度在压缩机运行中是一个重要参数,必须严格控制。对于R717,排气温度应低于150℃;对于R22、R502应低于145℃;对于R134a应低 于 130℃。

排气温度的计算公式为:

公式2-20

\({T_2} = {T_1}{\left[ {\varepsilon \left( {1 + {\delta _0}} \right)} \right]^{\frac{{n - 1}}{n}}}\)

式中

\({T_2}\)——压缩机的排气温度,K;

\({T_1}\)——压缩机吸气终了温度,K;

\(\varepsilon \)——压力比,\(\varepsilon = \frac{{{p_k}}}{{{p_0}}}\),\({p_k}\)外为冷凝压力,\({p_0}\)为蒸发压力;

\({\delta _0}\)——吸、排气相对压力损失,\({\delta _0} = \frac{{\Delta {p_0}}}{{{p_0}}} + \frac{{\Delta {p_k}}}{{{p_k}}}\),\(\Delta {p_0}\)为吸气压力损失,通常氨压缩机的\(\Delta {p_0} = \left( {0.03 \sim 0.05} \right){p_0}\),氟里昂压缩机的\(\Delta {p_0} = \left( {0.05 \sim 0.10} \right){p_0}\),\(\Delta {p_k}\)为排气压力损失,对氨压缩机,一般取\(\Delta {p_k} = \left( {0.05 \sim 0.07} \right){p_k}\),氟里昂压缩机取\(\Delta {p_k} = \left( {0.1 \sim 0.15} \right){p_k}\);

\(n\)——多变压缩过程指数,近似取制冷剂的等熵指数。

要降低排气温度\({T_2}\),在运行中要防止冷凝压力过高、蒸发压力过低的情况出现。加强对压缩机的冷却,降低吸入制冷剂蒸气的过热度。

2.1.2.2  运行特性

(1) 运行特性曲线

制冷压缩机的运行特性曲线是说明某种型号压缩机在规定的工作范围内运行时,压缩机的制冷量和功率随工况变化的关系曲线。

压缩机制造厂对其制造的各种类型的压缩机,在试验台上,都要针对某种制冷剂和一定的工作转转速,测出不同工况下的制冷量和轴功率,并据此画出压缩机的运行特性曲线,附在产品说明书中,以供使用者工作时参考。

图2-7和图2-8示出了几种活塞式制冷压缩机的运行特性曲线。

图2-7 开启活塞式制冷压缩机运行特性曲线

图2-7 开启活塞式制冷压缩机运行特性曲线

图2-8 AS10AC单机双级压缩机运行特性曲线

图2-8 AS10AC单机双级压缩机运行特性曲线

(2) 运行界限

运行界限是制冷压缩机运行时蒸发温度和冷凝温度的界限。图2-9表明不同型号电动机对一台单级半封闭活塞式制冷压缩机运行界限的影响。采用1型电动机的制冷压缩机有更宽广的运行界限。由于制冷剂的热物理性质的区别,运行界限中的冷凝温度和蒸发温度的范围也不相同,以R134a的冷凝温度为最高(80℃),R22 次之(63℃),R404A和R507最低(55℃);但就最低蒸发温度而言,R404A、R507和R22的最低蒸发温度又低于 R134a。

图2-9 比泽尔单级半封闭活塞式制冷压缩机的运行界限

图2-9 比泽尔单级半封闭活塞式制冷压缩机的运行界限

2.1.2.3  名义工况及使用范围

我国国家标准GB/T 10079—2001《活塞式单级制冷压缩机》规定的名义工况及压缩机使用范围见表2-6〜表2-9。名义工况是用来标明制冷机工作能力的温度条件,即铭牌制冷量和轴功率的工况。

表2-6 有机制冷剂压缩机名义工况单位:℃

表2-6 有机制冷剂压缩机名义工况 单位:℃
① 高冷凝压力工况
② 低冷凝压力工况。
注:表中工况制冷剂液体的过冷度为0℃。

表2-7无机制冷剂压缩机名义工况单位:℃

表2-7无机制冷剂压缩机名义工况 单位:℃

表2-8 有机制冷剂压缩机使用范围

表2-8 有机制冷剂压缩机使用范围

表2-9 无机制冷剂压缩机使用范围

表2-9 无机制冷剂压缩机使用范围

 

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