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吸气过热对R600a压缩机性能的影响 |
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作者：杨百昌 戴竞雄 邓承武 曹礼建 王新南 |
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R600a作为碳氢化合物，其技术上的优势是其在家用制冷工业推广的根本动力。R600a的ODP=0，GWP=0，不损害臭氧层，对全球变暖没有影响，不需要第二次转换，制冷剂易得，冰箱噪音小，系统性能可靠，冰箱成本相对低廉，这些优点使得众多的冰箱企业选择R600a作为替代工质。预计今后几年国内R600a工质冰箱会占到70%以上，成为主要的替代制冷剂。
本文主要系统地分析在提高压缩机的制冷性能，减小能耗方面对R600a压缩机吸气过热进行理论分析和试验分析，并介绍在减小压缩机吸气过热方面采取的几种方法。
吸气过热对热力学性能的影响
由热力学计算公式可以知道，压缩机的输气系数
λ=λv*λp*λl*λt，输气系数λ与容积系数λv、压力系数λp、泄漏系数λl、温度系数λt均有关。
普通压缩机的在运行时，制冷剂从壳体上的吸气管快速吸入到压缩机的壳体内部，此时气体迅速膨胀，制冷剂气体与机壳及机芯上的各个部件接触迅速被加热，使制冷剂在吸气终了时温度升高，在等压的条件下，制冷剂蒸气的密度与温度成反比。由于吸气终了的温度高于刚进入壳体的气体的温度，因此，吸气终了的制冷剂的密度小于在压缩机壳体进口状态下密度，使得吸气终了制冷剂吸气比容增大，从而导致压缩机质量输气量降低。
吸入蒸气在吸气流道（从机壳进口到通入气缸之前）中的受热温升对λt有决定性影响，而在气缸中的加热却是次要的。低压蒸汽进入壳体后，首先与电机及机座接触，并被其加热。蒸汽从进入壳体到消音腔吸气管之前，温度上升40～70℃；在吸入到气腔内，再升高10～20℃。在气缸中，工质的温升占总温升的10～20%。
小型全封闭压缩机中，λt对输气系数λ的影响是很重要的，有时是决定性的。温度系数λt与过热度有着密切的关系，λt随着过热度的增大而减小，若λt减小那么导致容积效率λ也减小，最终影响到实际质量输气量的大小，因此，控制过热度对提高压缩机的性能有着重要的意义。研究表明，R600a改进吸气结构与普通结构的压缩机在随吸气温度升高时，压缩机的制冷量及COP随温度的变化是不一样的。当过热为有害过热时，过热温度每增加10℃时，普通结构的压缩机比改进吸气结构的理论COP下降7%～13%。
减小气体过热的措施
◆ 间接吸气方式
目前，从现在冰箱压缩机行业来看，使用R600a工质的压缩机，前期主要是从传统压缩机结构直接过渡到R600a工质，压缩机的材料及油品均未进行更换，只是选择压缩机的容积大小来满足制冷量的要求，没有考虑吸气过热对制冷性能的影响，然而最初的传统压缩机上的吸气消音腔大部分是铸造在气缸座上的，主要是间接吸气方式，如图1所示。
图1：制冷剂气体在压缩机内流动示意图
气体在进入气缸之前，由于气体从壳体上的进气口到气缸座上的消音腔的吸气口的位置距离较长，因此，制冷剂气体从壳体上的进气口进入到壳体的内腔后，迅速膨胀，制冷剂气体一方面与壳体内现有的热气体进行热交换，另一方面，气体与壳体内的机械零件、电机、油品快速进行热交换，然后，再被吸入到气缸座上金属消音腔中，又被加热，由于热交换从而使吸入的制冷剂的输气系数减小，最终进入气缸内制冷剂质量流量大为减少，大大的影响到了压缩机的制冷性能。
按壳体温度60℃计算，根据经验，压缩机机壳内部温度比壳体温度高25℃左右，因此内部温度达到85℃。低压蒸汽进入壳体后被加热到80℃，吸入气缸内的气体比容增大，造成工质流量减少。在量热计标准工况下，吸入R600a工质，在32.2℃的过热温度情况下吸气比容为0.694m3/kg；若被加热到80℃，则吸气比容为0.808m3/kg，吸气比容增大16%，对制冷性能的影响较大。
◆ 半直接吸气方式
为了解决这一问题，采取了半直接吸气方式见图2，采用了PBT塑料吸气消音腔。主要目的，一方面是降噪的同时，减短了气体从壳体上的进气口到吸气消音腔上的吸气口的距离，另一方面是减少制冷剂气体在吸气消音腔内的加热，由于PBT塑料除具有较好的吸音效果外，还具有较好的绝热性能，从而大大减小了吸气过热，所以，制冷效果比前面的金属消音腔的压缩机大为改善。
图2：半直接吸气方式所装的压缩机结构示意图
半直接吸气方式采用塑料吸气消音腔后，因吸气消音腔上有一个较长的进气管，使气体从壳体上的进气口到吸气消音腔上进气口的距离比使用金属消音腔的方式大为减少，东贝普高效QD88Y压缩机就是一个代表，但由于半直接吸气方式的消音腔的吸气口到壳体上的进气管的距离仍留有6～10mm的距离，因此，从壳体上的进气管口吸入的气体被吸入到壳体内部后，有一部分气体直接被吸入到吸气消音腔内。另外仍有一部分气体被快速扩散到壳体内腔，被扩散的气体也与壳体及机械零件，电机，油品快速进行热交换，然后又被吸入到吸气消音腔中，这部分气体在与内腔内的气体及零件发生交换后，使气体的温度升高，工质的质量流量减小，因此，此半直接吸气方式也有美中不足之处。
◆ 直接吸气方式
为了解决半直接吸气方式中有一部分气体被扩散的这一问题，东贝公司从96年起就开始采取直接吸气方式对避免R600a吸气过热进行研究，采取将压缩机壳体上吸气管与压缩机泵体上吸气消音腔上的吸气管通过管道连接起来见图3，以减少R600a工质蒸汽在吸气流道中的加热；另一方面吸气消音腔采用绝热性能好的非金属材料-PBT工程塑料。
图3：直接吸气方式结构图
样机对比试验
我们选择排量为9.2cc的压缩机，采取以下方案分别每种制作样机三台：
A方案：采用间接吸气方式（气缸座上铸造的吸气消音腔）；
B方案：用PBT工程塑料做成的消音器，采用半直接吸气方式；
C方案：用PBT工程塑料做成的消音器，同时在吸气消音器上使用玻玟连接管，使用直接吸气方式。
按照GB/T9098-1996标准对压缩机进行标准工况的性能测试，其主要的测试结果见下表。
由上表可以看出：
b方案与a方案相比，制冷量上升4.2%，功率上升0.6%，COP提高3.4%，说明将消音器由金属改成绝热材料后制冷剂蒸汽在壳体内部的过热度减小。
c方案与a方案相比，制冷量上升8.8%，功率上升0.4%，COP提高8.4%。
通过上面的对比数据可知，采用半直接吸气后压缩机的制冷性能比间接吸气的压缩机的制冷性能要好，采用直接吸气压缩机的制冷性能比半直接吸气的压缩机的制冷性能要好。当然，采用直接吸气后，要注意吸气带液的问题，这里不作介绍。
东贝公司开发的直接吸气消音器几种方式
东贝公司对直接吸气方式的对比研究试验采取了三种方式 ：贴合式、钢丝密绕式、喇叭口贴合式。
◆ 贴合式
此种方式是吸气消音腔与玻玟管贴合在一起，玻玟管用PBT材料固定在壳体的进气管上，玻玟管有一斜面与吸气消音腔上的一个斜面相紧密吻合，见图4，便于从回气管回来的气体直接从回气管进入到玻玟管，然后进入到吸气消音腔后，直接进入到气缸中，这样就避免了气体在压缩机内的过热，达到提高制冷性能的目的。这种结构早期用在R600a压缩机上，其缺点是装配工艺性不太好。
图4：贴合式及钢丝密绕式直接吸气方式
◆ 钢丝密绕式
一种是密绕的弹簧钢丝式，此结构方式是使用一个密绕的钢丝弹簧，一端紧密固定在吸气消音腔的进口上，另一端是将压缩机机芯装入壳体内部时，紧密装配在壳体的进气管口上，这样，就使压缩机的回气直接通过密绕的弹簧所形成的通道进入到气缸内，这种方式，成本低，性能提高较好，只有一点就是在装配时，弹簧不易安装。
◆ 喇叭口式
一种是喇叭口玻纹管方式。此方式如图3所示，在吸气消音腔上安装了一个喇叭口式的玻玟管，此玻玟管固定在吸气消音腔的进气口上，另一端的喇叭口与壳体的上的进气管口相接，整个喇叭口将壳体的进气管进口包容在内部，这样，压缩机运转时，从壳体上的吸气管吸入的低温低压气体，经橡胶波玟管进入消音器的气体收集器，然后进入消音容腔进行膨胀，再经进气导管进入气缸。在整个吸气的过程中尽量减少了气体的阻力损失和气体与电机、泵体发生热交换，达到消音和节能双重功效。此结构不论从提高性能方面，还是安装工艺性能均较好。
结论
● 通过对R600a工质吸气过热时比容的变化分析，吸气温度从30℃加热到80℃，吸气比容增大16%，对制冷性能的影响极大；
● 通过对间接吸气与半直接吸气的对比分析，半直接吸气比间接吸气制冷量上升4.2%，COP提高3.4%；
● 通过对直接吸气与半直接吸气对比分析，直接吸气比半直接吸气制冷量上升4.3%，COP提高4.9%；
● 直接吸气方式的应用和消音器结构的优化使制冷剂蒸汽在壳体内的过热大大减小，COP也提高了8.4%，说明指示效率提高了8.4%。
将消音器由金属改成绝热材料，指定吸气管且用波纹连接管后吸气方式变成直接吸气，制冷剂蒸汽从吸气管到气缸的途径中，杜绝了与电机和泵体等金属件直接接触的机会，大幅度减小了制冷剂蒸汽的过热。
东贝公司在R600a普通型压缩机QD92Y基础上，开发出高效R600a压缩机YA、YG、YU、YZ系列产品，使用一系列的专利技术，开发出了COP为1.95的YT系列R600a压缩机，在国际上处于领先水平。
原载《国际电器制造商情》(end)
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(3/11/2006) |
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