4.1.5 压缩机的运行工况和性能参数在线视频

下面 我们将重点讲解

压缩机应用中的三个问题

即 压缩机的运行工况

性能参数和运行极限

在讲解这个问题前

我先给大家 提一个问题

如果有人问你

一台压缩机的制冷量 为100kW

另一台压缩机的制冷量 为80kW

请问 哪一台压缩机的容量更大呢

应该怎么回答

你应该回答

不知道

为什么呢

这是因为压缩机的制冷量

随着工况 即工作条件的变化而变化

只知道冷量 而不知道工况的话

是无法判断压缩机哪个大 哪个小

只有相同工况下 才有比较意义

如果是 针对一台设备问这样的问题

你也应该回答

不知道

对于压缩机 或者是制冷热泵而言

没有工况的容量和能效比 都是毫无意义的

首先

我们来看看 压缩机的运行工况

实际上

压缩机本身只能为制冷剂

提供增压和循环动力

而并不直接产生制冷量 或者是制热效果

只有与冷凝器 节流装置和蒸发器

构成一个制冷或者热泵系统后

才能产生制冷或者制热效果

所以 表征压缩机容量大小的参数

仅有理论输气量 或者是工作容积

但这个参数 对用户而言

并不知道这么大的输气量

能够制取多大的制冷量

故 不够直观

因此

一般将 采用该压缩机的制冷或热泵装置

在一定工作条件下的性能参数

作为压缩机的性能指标

这些性能参数 主要包括

作为制冷机时的制冷量

作为热泵装置时的制热量

以及制取这么多的制冷量

或者制热量时的输入功率和能效比

上面所说的“工作条件” 就是

采用该台压缩机的制冷系统的工作状态

它包括 制冷循环的4个内部参数

和1个外部的环境参数

我们把它们叫做 压缩机的“运行工况”

简称“工况”

这4个内部参数 是指

系统的蒸发温度 冷凝温度

再冷度和过热度

由此 可以画出制冷循环的压焓图

1个外部环境参数 就是指

压缩机周围的空气温度

影响压缩机性能的因素

除上述运行工况外

当然 我们还一定想到

压缩机本身的质量和品质

也是其重要因素

优质的压缩机 当然性能更好

一个制冷系统 在实际运行过程中

将受到室内外温湿度

以及用户和系统对它的调节作用的影响

因此 压缩机的工况可能是随时变化的

当压缩机工作在不同工况时

其性能参数也不相同

由于压缩机的工况非常多

我们必须给出一个 确定的工况

才能或者是才便于所有压缩机

在同一平台上进行比较

因此 我们对于不同应用场合的压缩机

行业内 都给它们了一个确定的基准条件

这个基准条件呢 就是压缩机的“名义工况”

有时 也称为“额定工况”

例如

应用于房间空调器的全封闭压缩机

我们就给出了它这样的名义工况

冷凝温度等于54.4℃

蒸发温度等于7.2℃

吸气温度等于18.3℃

再冷度等于8.3℃

环境温度等于35℃

可以看出

这种压缩机的吸气状态

是以吸气温度给定的

而有些压缩机则是以

过热度SH的具体数值 给出的

由于 压缩机的应用场合很多

故 行业内均分别制定了它们的标准

给出了它们的名义工况

请同学们在应用时 查阅相关的标准

压缩机的性能 是指

特定工况下 压缩机的性能指标

它主要包括 两类指标

第一类 是能力指标

是指在特定工况下

采用该压缩机的制冷装置的制冷量

或者作为热泵装置时的制热量

第二类 是耗能或者是能效指标

能耗指标 或者叫耗能指标

是指 在特定工况下

采用该压缩机 用于制冷或热泵装置时

所消耗的输入功率

能效指标 是指相应工况下的

制冷或制热能效比

这里 给出了基于效率法的

压缩机的制冷量 制热量

消耗功率的计算公式

以及 制冷与制热能效比的定义式

请同学们结合压焓图

和实际工作过程 加深对它们的理解

前面 我们在“压缩机的工作过程”部分

以活塞式压缩机为例

给出了 往复式压缩机的耗功率计算方法

但值得注意的是

对于涡旋和螺杆式这类

具有固定内容积比的压缩机而言

压缩机能够提供的压缩比

我们称为“内压缩比”

它是由制冷剂的物性

和压缩机的内容积比决定的

而制冷系统 也有一个压缩比

是系统的冷凝压力与蒸发压力之比

我们可以把它 叫作“外压缩比”

压缩机在实际运行时

有可能出现外压缩比大于

等于或小于内压缩比的情况

只有两个压缩比相等的时候

压缩机的效率才最高

当外压比大于或小于内压比时

其效率都会降低

因此

我们就用一个内容积比效率ηn

来描述这种现象

当压缩机压缩终了的压力

等于系统的冷凝压力时

此时 它的内容积比效率等于1

就是 左边这幅图

当压缩终了压力

小于系统的冷凝压力时

压缩机处于 欠压缩状态

请看 中间这幅图

在排气口打开瞬间

排气管道内压力较高的气体

将回流至压缩腔中

使腔内压力 迅速上升至系统的冷凝压力

此过程 必将导致额外的功耗

当压缩终了的压力

大于系统的冷凝压力时

压缩机处于过压缩状态

就是 右边这幅图

压缩腔内制冷剂 在排气口打开瞬间

冲出压缩腔

腔内的制冷剂迅速膨胀到

系统的冷凝压力

此过程 也将造成的额外的能耗

以空气源热泵为例

如果 采用了合适的压缩机

设计出了一台空气源热泵机组

在外温很高条件下制冷

或者是 在外温很低条件下制热

都会出现欠压缩

而在外温较低时制冷

或在外温较高时制热

都会出现 过压缩现象

对于具有固定内容积比的压缩机

我们将这种欠压缩和过压缩现象

引起的内容积比效率

放入到指示效率中 一同考虑

对计算分析则更为方便

于是 压缩机的耗功率

或者是输入功率

则可由前面学过的

基于电效率的输入功率公式 进行计算

也就是说

压缩机的输入功率 是压缩机的理论功率

除以指示效率 机械效率

传动效率和电机效率四个效率的乘积

当然

有些压缩机 具有内容积比调节装置

可根据运行工况的变化

调节其内容积比

从而 解决上述问题

这里给出了一台R22螺杆式压缩机

在不同内容积比时的指示效率

和容积效率 随外压缩比的变化曲线

图中的V1/V2 为压缩机的内容积比

横坐标pk/p0 表示系统的外压缩比

从图中可以看出

压缩机容积效率

随着外压缩比的增大而减小

而随着内压缩比的增加

其指示效率的最大值

也在向高外压缩比方向移动

如果 我们采用了内容积比调节装置

就可以调节压缩机的内容积比

让内压缩比与外压缩比相等

则可提高螺杆式压缩机

在不同外压缩比时的指示效率

以降低压缩机的输入功率

从而改善压缩机的能效比

一般而言

压缩机厂家 都会根据实验结果

给出给定再冷度和吸气过热度条件下

压缩机的制冷量 输入功率

或者是 运行电流等性能参数

随冷凝温度和蒸发温度的变化曲线

我们称这组曲线 为压缩机的性能曲线

以反映 该压缩机在不同的

冷凝温度和蒸发温度时的性能

图中 任意一个冷凝温度

和蒸发温度的组合 就是一个工况点

当然 我们也能从性能曲线上

查取或者是获得 名义工况性能

压缩机的性能曲线 非常重要

制冷与热泵生产企业

将根据压缩机的性能曲线

确定某个型号的机组

在它设计工况下的压缩机的工况点

并进行机组的性能模拟分析

以便获得 这个机组的全工况性能

请大家注意

在制冷热泵机组设计工况下

压缩机的应用工况

一般不是 压缩机的名义工况

因此

只要系统的冷凝温度

低于压缩机的名义工况冷凝温度

蒸发温度 高于压缩机的名义蒸发温度

就可以研制出

能效比比压缩机（名义）能效比更高的机组

这里给出了一台 定速压缩机的性能曲线

我们还可以 将这些性能曲线拟合成

制冷量或输入功率随着冷凝温度

和蒸发温度的函数关系

对于变速压缩机而言

在每个转速下 都有一组这样的曲线

厂家 一般会给出3~4个转速下的性能曲线

我们就可以 将这些曲线

拟合成制冷量或输入功率随着

冷凝温度 蒸发温度和压缩机理论输气量

或者是转速的函数关系

由此构建 变转速压缩机的全工况性能模型

离心式压缩机的性能曲线

一般由生产厂家根据实验数据

提供其性能图表或者是回归公式

而容积式压缩机的性能

除了采用性能图表或者回归公式外

还可以 采用效率法计算获得

由于 压缩机在没有工况下的性能是无意义的

因此

必须带着工况 才能说它的性能好坏

平时我们也常听到 压缩机的制冷量为多少

能效比为多少

但没有明确说明其工况条件

在这种情况下

我们默认 这是名义工况下的性能

也就是 其名义工况性能

简称 “名义性能”

如 名义制冷量为3.5kW

名义输入功率为0.97kW

此时 名义制冷能效比

就是 3.5除上0.97等于3.60

下面 我来介绍第三个内容

工况对于压缩机性能的影响规律

关于这个问题

我们虽然可以

通过循环计算 来获得准确的结论

但 仍可以从制冷循环压焓图上

获得重要的定性结论

首先

让我们来看看 当蒸发温度不变时

冷凝温度变化对压缩机的制冷量Q0

压缩功Wc和制冷系数COPc的影响关系

当蒸发温度不变时

随着冷凝温度的升高

相对于 原来的循环状态而言

单位质量制冷量q0减小

单位质量压缩功增大

由于 吸气比容v1不变

故 其质量流量mr的变化很小

因此

压缩机的制冷量Q0减小

耗功率增大

制冷系数COPc降低

同样 我们也可以得到

冷凝温度降低时的定性结论

我们再来看看 当冷凝温度不变时的情况

随着蒸发温度的降低

单位质量制冷量q0减小

吸气比容v1增大

使得 制冷剂的质量流量减小

二者共同作用

使得 压缩机的制冷量大幅度减小

而另一方面

压缩机的单位质量压缩功wc在增大

但 质量流量mr在减小

二者的乘积 即压缩机的输入功率Pin

则有可能增大

也有可能减小

取决于单位质量压缩功（wc）

和质量流量（mr）哪个因素占主导地位

定量的分析表明

随着蒸发温度的降低

压缩机的输入功率 呈现出先逐渐增大

当达到最大值后 再逐渐减小的变化趋势

请大家观察 这台压缩机的性能曲线

可以发现

在任意一个冷凝温度下

当蒸发温度降低时

压缩机的输入功率 都是先逐渐升高

再逐渐降低

出现了一个最大功率点

冷凝温度越高

其最大功率点也在向

蒸发温度升高的方向移动

我们把这些最大功率点

用一条线连接起来

就变成了 这条蓝色的虚线

我们 根据冷凝温度

和蒸发温度 折算成压缩比

就可以发现 这条虚线上的所有点的

压缩比m均约等于3

这是为什么呢

由于 压缩机的工作容积是不变的

故我们研究一下

单位容积的理论输入功 在什么条件下最大

从这个公式的推导过程 可以看出

当理论输入功最大时的压缩比m

就等于绝热指数k的k-1分之k次方

这个k呢 就是制冷剂的绝热指数

我们再将 常用制冷剂的绝热指数k

代入到这个公式中

可以发现 m都近似等于3

我们把输入功率出现最大值时的工况

通常称为 “最大功率工况”

因此 在压缩机设计和运行调控时

必须关注 最大功率工况这一特点

以防止电机过载而烧毁