带回热器的两级直线压缩机通过改变活塞行程来提高能源效率.doc

带回热器的两级直线压缩机通过改变活塞行程来提高能源效率Doron SHAPIRO Clay ROHRER 1Ingersoll-Rand Climate Control, Advanced Engineering, Bridgeton, MO, USA Phone: (314) 298-4730, Fax: (314) 298-4765, doron_ 2Ingersoll-Rand Climate Control, Research and Development, Bridgeton, MO, USA Phone: (314) 291-2000 Ext. 4593, Fax: (314) 298-4765, clay_摘要通过控制活塞的相对位移改变排量可以提高带两级压缩和节能循环装置的两元活塞直线压缩机的能源效率。现在的涡旋压缩机和螺杆压缩机通过利用省热循环装置来提高制冷量和节约能源。同样的，带二级压缩的二元活塞直线压缩机也可以利用省热循环装置来提高制冷量和节约能源。很多因素影响带省热装置循环的能效提高，但是在中压行程压缩中，通过改变两个活塞的相对位移，在给定的蒸发和冷凝温度下，可以使压缩机的能效达到最大化。介绍省热循环装置是我们所熟知的常用于提高涡旋压缩机，螺杆压缩机和其他一些多活塞往复式压缩机制冷量和能效的方法。对螺旋和涡旋压缩机，当机械元件通过压缩过程的时候会在压缩机内部形成一个中压区域。对于多活塞往复式压缩机来说，首先进行的是活塞把气体从吸入压力压缩到中等压力，然后活塞把气体从中等压力压缩到最终的冷凝压力。无论如何，省煤器都安装在中间压力部位，从冷凝器流出的液体制冷剂过冷到中间饱和温度大约5 C以上。图1显示了一个典型的省煤器循环：2.现有方法的局限性现有的滚动和螺杆压缩机通过带有的省煤器循环获得显著的效率提升，然而由于中间注汽点是固定的，在操作条件变化的变工况条件下可能不能充分的提高效率。同样地，在多级活塞往复式压缩机中，例如六活塞压缩机中有四个活塞用于吸气，其余两个用于中间抽气，因此，第一阶段和第二阶段吸气的体积比固定在2:1。并且，这样的体积比将显著改善压缩机的性能对比没有节能措施的压缩机，但不足之处就是可能不适合于所有的操作条件。3.改进的新方法建议鉴于上述讨论可知，通过调整第一级和第二级的吸气体积比来适应系统的运行工况，两级直线式压缩机的效率是可能被优化的。下图2给出的是一个带省煤器循环的两级活塞直线压缩机，其中一个活塞用于第一级吸气，另一个用于第二级吸气。图2：带省煤器的两级直线压缩机循环如图所示，气体从第一级（左侧）活塞出来，和来自省煤器（热交换器）的气体混合，然后混合气进入第二级活塞(右侧)，排气阀单独安装，吸气阀固定在每个活塞的工作面上。图3压焓图显示了这种循环的原理。图3：带省煤器的两级直线压缩机的压焓图循环的总的能效比等于总的制冷量除以两级压缩的总消耗功：COP = Ql / (W1 + W2) (1)其中： Ql = 主蒸发器的制冷量W1 = 第一级压缩做功W2 = 第二级压缩做功并且有：Ql = m1(h1 h9) (2)W1 = m1(h2 h1) (3)W2 = m2(h8 h3) (4)其中：m1 = 第一级的质量流速m2 = 第二级的质量流速h1, h2, 等是压焓图上对应点的焓值让我们定义如下的体积流量比：体积流量比=第一级的排气量/第二级排气量 (5)当一二级活塞以相同的频率转动时，两级活塞的相对位移关系和中间压力有明确的对应关系。例如，如果把第一级活塞固定（0冲程时），体积流量比是0，此时中间压力基本等于第一级的吸气压力。相反，如果把二级的活塞固定（0冲程时），体积流量比值是无限大，此时中间压力基本等于冷凝压力。因此，如果通过控制一个或者两个活塞行程使体积流量比在0和无限大之间，中间压力就会介于第一级吸气压力和冷凝压力之间。完整的能效比COP计算已经超出了本书的范围。然而，各种类型的体积流量比和工况条件下的能效比COP值一般可以通过手算或者一些可用的计算机制冷性能软件计算。计算能效比COP常用的假设；每个阶段压缩的等熵效率为80%省煤器温差为5C 液体离开冷凝器没有出现过冷制冷剂介质是R410A第一级回气温度为18C连接管道的压力损失和热量损失忽略不计。结论图4显示了COP的计算结果，图中纵坐标Y轴代表COP值，X轴有两个刻度。1）中间饱和温度2）体积流量比。图4表示一个蒸发温度-40C，冷凝温度50C的工况条件下的曲线。如图所示，COP值最高时的体积流量比约为3.14，此体积流量比大约相当于X轴底部中间饱和温度为5.6C时的体积流量比。进一步来看可知，当体积流量比为2:1时，COP值为1.42时比COP值为1.39时的增加量大约为2%。从上图可以看出，可以通过控制体积流量比来优化系统循环，也可以通过控制中间饱和温度优化系统循环。图4：带省煤器循环的两级压缩机机组不同体积流量比和不同饱和温度下的COP值图5进一步研究了这种方法，在图5中，X轴表示冷凝温度，两个Y轴分别表示中间饱和温度和体积流量比。图上直线显示了获得最大效率时的体积流量比。例如，当冷凝温度为-48.9C时，中间饱和温度必须大约接近6，并且体积流量比必须在3.2附近才能获得最高的效率这在图4上也可以看出来。另一方面，在冷凝温度为21.1C下，中间饱和温度必须在-11并且体积流量比必须在2.2附近才能获得最高效率。对于任意的冷凝温度，最好的（最高效率）的中间饱和温度和体积流量比可以通过选择合适的点在图线上得到。图5：最高COP值时的饱和中间温度和体积流量比图5显示了蒸发温度为-40时的最大体积流量比，图6给出了其他蒸发温度下的体积流量比。由图6可知，通过在图6中的图线可以得出任何工况条件下的最高效率中间饱和温度点和最大体积流量比点。例如，蒸发温度为-18，冷凝温度为32.2的条件时，最大体积流量比出现在饱和温度为7的附近，此时体积流量比约为1.7.图6：各种工况条件最大能效比COP值时的中间饱和温度和体积流量比总结基于以上讨论可知，两级直线压缩机的效率可以通过第一级和第二级的相对