摘要:

為研究油循環(huán)率對電動汽車用變頻空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)(R134a)性能的影響，本文通過應(yīng)用第二制冷劑法壓縮機(jī)性能測試臺及油分離式油循環(huán)率測量裝置，實驗對比了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000、4 500、6 000 r/min在兩個高負(fù)荷工況下的性能，實驗結(jié)果表明：油循環(huán)率對電動汽車空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)性能有顯著影響。油循環(huán)率在1%～10%范圍內(nèi)，同一工況、不同轉(zhuǎn)速時，壓縮機(jī)容積效率和電效率均隨油循環(huán)率的降低而減小0.02～0.05，而壓縮機(jī)排氣溫度和殼體溫度均隨油循環(huán)率的降低而升高5～15 ℃，且低轉(zhuǎn)速時油循環(huán)率的影響更大；總體而言，油循環(huán)率<5%時，油循環(huán)率對壓縮機(jī)性能的影響比油循環(huán)率>5%時更顯著，因此5%是適度的油循環(huán)率。

1 壓縮機(jī)性能實驗系統(tǒng)

1.1 實驗方法

1.1.1 壓縮機(jī)性能測量裝置實驗采用GB/T 5773—2016《容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗方法》[10]中定義的第二制冷劑量熱器法。壓縮機(jī)性能實驗系統(tǒng)如圖1所示，壓縮機(jī)(1)排氣進(jìn)入油氣分離儲油罐(13)，經(jīng)過油氣分離后的氣相制冷劑依次流向冷凝器(4)冷凝、高壓儲液罐(5)、過冷器(6)冷卻為過冷液，質(zhì)量流量計(20)測量制冷劑質(zhì)量流量、膨脹閥(7)節(jié)流、蒸發(fā)器(10)內(nèi)吸收氣相第二制冷劑冷凝熱而蒸發(fā)，最后流回壓縮機(jī)(1)的吸氣口；而經(jīng)過油氣分離后的液相油依次流向油流量計(21)測量油質(zhì)量流量、油流量控制閥(15)調(diào)節(jié)油流量，最后也流回壓縮機(jī)(1)的吸氣口。第二制冷劑量熱器是一個隔熱的密閉壓力容器(9)，充注有第二制冷劑(11)，下部為液相區(qū)，通過浸沒的電加熱器(12)調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，上部為氣相區(qū)，懸置蒸發(fā)器(10)；第二制冷劑被電加熱器加熱沸騰蒸發(fā)為氣體上升到氣相區(qū)，在蒸發(fā)器表面放熱后又被冷凝為液體滴落回下部液相區(qū)。為使量熱器的漏熱損失最小，調(diào)節(jié)量熱器室(8)的室溫與量熱器內(nèi)第二制冷劑的溫度相等。被測壓縮機(jī)(1)置于壓縮機(jī)室(3)內(nèi)，壓縮機(jī)室內(nèi)環(huán)境空氣溫度可調(diào)節(jié)，并可通過風(fēng)扇(2)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)周邊空氣流速。

1壓縮機(jī);2風(fēng)扇;3壓縮機(jī)室;4冷凝器;5高壓儲液器;6過冷器;7電子膨脹閥;8量熱器室;9量熱器;10蒸發(fā)器;11第二制冷劑;12電加熱器;13油氣分離儲油罐;14電加熱器;15油流量控制閥;16閥前;17量熱器出口;18壓縮機(jī)吸氣口;19壓縮機(jī)排氣口;20制冷劑質(zhì)量流量計;21油質(zhì)量流量計。

圖2 壓縮機(jī)性能實驗裝置主要調(diào)節(jié)回路框圖Fig.2 Key regulation loops block diagram for compressor performance test installation質(zhì)量流量計(20)于過冷段直接測量制冷劑的質(zhì)量流量WRef(稱為主側(cè))，同時也通過量熱器法間接測量制冷劑的質(zhì)量流量(稱為輔側(cè))，即：(1)式中：為間接法制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Φe為蒸發(fā)器的制冷量，W；hVi為膨脹閥入口制冷劑比焓，J/kg；heo為量熱器出口制冷劑比焓，J/kg。而蒸發(fā)器的制冷量等于直接測量的電加熱功率Pheater與量熱器漏熱量Φloss的代數(shù)和：Φe=Pheater+Φloss(2)式中：Pheater為電加熱功率，W；Φloss為量熱器漏熱量，W，根據(jù)量熱器室與量熱器內(nèi)部的溫差大小修正。膨脹閥入口制冷劑比焓hVi通過當(dāng)?shù)貕毫Vi和溫度TVi計算；量熱器出口制冷劑比焓heo通過當(dāng)?shù)貕毫eo和溫度Teo計算。當(dāng)主、輔側(cè)測量偏差時，說明制冷劑質(zhì)量流量的測量是準(zhǔn)確且可接受的。壓縮機(jī)在一定吸氣壓力ps、吸氣溫度Ts、排氣壓力pd和膨脹閥前溫度TVi時，壓縮機(jī)的制冷量Φ0按照式(3)修正了從量熱器出口到壓縮機(jī)吸氣口之間連接管路的冷量損失。(3)式中：Φ0為壓縮機(jī)的制冷量，W；Φe為蒸發(fā)器的制冷量，W；hs為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑比焓，J/kg。壓縮機(jī)容積效率ηV定義為：(4)式中：WRef為直接法制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；ρs為壓縮機(jī)吸氣口制冷劑密度，kg/m3；Vd為壓縮機(jī)排量，m3；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；壓縮機(jī)電效率ηe定義為：ηe=WRefΔhis/Pcomp(5)式中：ηe為壓縮機(jī)電效率；WRef為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；Δhis為等熵焓差，J/kg；Pcomp為壓縮機(jī)功率，W。1.1.2 油分離式OCR測量裝置為了減少實驗臺系統(tǒng)中的制冷劑含油量對流量測量、制冷劑物性計算的影響，如圖1所示，壓縮機(jī)排氣先經(jīng)油氣分離儲油罐(Temprite 925R，分離效率99.9%)分離制冷劑氣體和油，被分離出的油流入底部儲油罐；儲油罐的油中浸沒電加熱器，與油溫傳感器組成控制回路調(diào)節(jié)儲油罐中油溫至100 ℃，以盡量減少油中溶解制冷劑的量，油池溫度調(diào)節(jié)回路如圖3(b)所示，儲油罐中有油位傳感器測量儲油罐中油位，與儲油罐出口管路上的流量調(diào)節(jié)閥組成控制回路，調(diào)節(jié)儲油罐中油位；儲油罐出口管路上的流量調(diào)節(jié)閥與油流量計組成控制回路，調(diào)節(jié)OCR，OCR調(diào)節(jié)回路如圖3(a)所示；流量調(diào)節(jié)閥流出的油與量熱器出口的制冷劑匯合回到壓縮機(jī)吸氣口。圖3 OCR實驗裝置主要調(diào)節(jié)回路框圖Fig.3 Key regulation loops block diagram of OCR test installation質(zhì)量流量計(21)位于儲油罐出口，直接測量油的質(zhì)量流量Woil，OCR定義為：(6)式中：OCR為油循環(huán)率，%；Woil為油的質(zhì)量流量，kg/s。

1.2 實驗對象

1.3 實驗工況

2 實驗結(jié)果分析

2.1 容積效率

圖4 容積效率隨油循環(huán)率的變化Fig.4 Volume efficiency varies with oil circulation rate在C1工況轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min，C2工況轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時，當(dāng)OCR>5%時，容積效率隨OCR的變化較小，OCR<5%時，容積效率隨OCR的變化較大，說明中高轉(zhuǎn)速時OCR≈5%，既能保證渦旋壓縮機(jī)的有效密封，也可盡可能減小對空調(diào)系統(tǒng)的影響。在C1工況轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，容積效率隨OCR的變化大于轉(zhuǎn)速為4 500、6 000 r/min時，且OCR在1%～10%范圍內(nèi)變化時，容積效率隨OCR約呈線性變化。

2.2 電效率

圖5 電效率隨油循環(huán)率的變化Fig.5 Electrical efficiency varies with oil circulation rate壓縮機(jī)電效率：ηe=ηivtηmoηmeηi(8)式中：ηe為壓縮機(jī)電效率；ηivt為變頻器效率；ηmo為電機(jī)效率；ηme為機(jī)械效率；ηi為壓縮過程指示效率。在C1工況，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min和4 500 r/min時壓縮機(jī)的電效率相近，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時壓縮機(jī)電效率明顯低于4 500 r/min時。當(dāng)OCR從10%降至1%，C1、C2工況排氣溫度分別上升近15 ℃、10 ℃。這是因為低轉(zhuǎn)速時泄漏量較大、ηi降幅更大，且ηmo在低轉(zhuǎn)速時也較低。而C2工況時電效率明顯高于C1工況時的電效率，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.3 排氣溫度

圖6 排氣溫度隨油循環(huán)率的變化Fig.6 Discharge gas temperature varies with oil circulation rateC1工況下，轉(zhuǎn)速為4 500 r/min和6 000 r/min時排氣溫度曲線很接近，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時排氣溫度明顯高于4 500 r/min時，說明在中低轉(zhuǎn)速(或中小流量)時油的冷卻效果更顯著。而C2工況的排氣溫度整體上顯著低于C1工況的排氣溫度，主要是因C2工況的壓比(≈5.1)小于C1工況的壓比(≈7.3)。

2.4 殼體溫度

圖7 殼體溫度隨油循環(huán)率的變化Fig.7 Shell temperature varies with oil circulation rate忽略電機(jī)與壓縮機(jī)周圍空氣之間的換熱，電機(jī)與制冷劑流體之間對流換熱：Φ(n，Ip)mo=αA(Tmo-Ts)(9)式中：Φmo為電機(jī)發(fā)熱量，W；Ip為電機(jī)相電流，A；α為制冷劑流過電機(jī)表面的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Tmo為電機(jī)溫度，℃；Ts為壓縮機(jī)吸氣溫度，℃。在C1工況，壓縮機(jī)殼體溫度隨著轉(zhuǎn)速降低而升高，一方面因低轉(zhuǎn)速時，電機(jī)效率較低，電機(jī)發(fā)熱量增加，另一方面，因低轉(zhuǎn)速時制冷劑流量減小，油氣兩相傳熱系數(shù)減小，故油對電機(jī)的冷卻效果在中低轉(zhuǎn)速(或中小流量)時更顯著。

3 結(jié)論

作者：陶 宏 張 婷 吳生禮 程英男 繆 劍 邵昕宏

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