油循环率对电动汽车空调压缩机性能的影响

摘要:

为研究油循环率对电动汽车用变频空调涡旋式压缩机(R134a)性能的影响，本文通过应用第二制冷剂法压缩机性能测试台及油分离式油循环率测量装置，实验对比了压缩机转速分别为3 000、4 500、6 000 r/min在两个高负荷工况下的性能，实验结果表明：油循环率对电动汽车空调涡旋式压缩机性能有显著影响。油循环率在1%～10%范围内，同一工况、不同转速时，压缩机容积效率和电效率均随油循环率的降低而减小0.02～0.05，而压缩机排气温度和壳体温度均随油循环率的降低而升高5～15 ℃，且低转速时油循环率的影响更大；总体而言，油循环率<5%时，油循环率对压缩机性能的影响比油循环率>5%时更显著，因此5%是适度的油循环率。

1 压缩机性能实验系统

1.1 实验方法

1.1.1 压缩机性能测量装置实验采用GB/T 5773—2016《容积式制冷剂压缩机性能试验方法》[10]中定义的第二制冷剂量热器法。压缩机性能实验系统如图1所示，压缩机(1)排气进入油气分离储油罐(13)，经过油气分离后的气相制冷剂依次流向冷凝器(4)冷凝、高压储液罐(5)、过冷器(6)冷却为过冷液，质量流量计(20)测量制冷剂质量流量、膨胀阀(7)节流、蒸发器(10)内吸收气相第二制冷剂冷凝热而蒸发，最后流回压缩机(1)的吸气口；而经过油气分离后的液相油依次流向油流量计(21)测量油质量流量、油流量控制阀(15)调节油流量，最后也流回压缩机(1)的吸气口。第二制冷剂量热器是一个隔热的密闭压力容器(9)，充注有第二制冷剂(11)，下部为液相区，通过浸没的电加热器(12)调节热负荷，上部为气相区，悬置蒸发器(10)；第二制冷剂被电加热器加热沸腾蒸发为气体上升到气相区，在蒸发器表面放热后又被冷凝为液体滴落回下部液相区。为使量热器的漏热损失最小，调节量热器室(8)的室温与量热器内第二制冷剂的温度相等。被测压缩机(1)置于压缩机室(3)内，压缩机室内环境空气温度可调节，并可通过风扇(2)调节压缩机周边空气流速。

1压缩机;2风扇;3压缩机室;4冷凝器;5高压储液器;6过冷器;7电子膨胀阀;8量热器室;9量热器;10蒸发器;11第二制冷剂;12电加热器;13油气分离储油罐;14电加热器;15油流量控制阀;16阀前;17量热器出口;18压缩机吸气口;19压缩机排气口;20制冷剂质量流量计;21油质量流量计。

图2 压缩机性能实验装置主要调节回路框图Fig.2 Key regulation loops block diagram for compressor performance test installation质量流量计(20)于过冷段直接测量制冷剂的质量流量WRef(称为主侧)，同时也通过量热器法间接测量制冷剂的质量流量(称为辅侧)，即：(1)式中：为间接法制冷剂质量流量，kg/s；Φe为蒸发器的制冷量，W；hVi为膨胀阀入口制冷剂比焓，J/kg；heo为量热器出口制冷剂比焓，J/kg。而蒸发器的制冷量等于直接测量的电加热功率Pheater与量热器漏热量Φloss的代数和：Φe=Pheater+Φloss(2)式中：Pheater为电加热功率，W；Φloss为量热器漏热量，W，根据量热器室与量热器内部的温差大小修正。膨胀阀入口制冷剂比焓hVi通过当地压力pVi和温度TVi计算；量热器出口制冷剂比焓heo通过当地压力peo和温度Teo计算。当主、辅侧测量偏差时，说明制冷剂质量流量的测量是准确且可接受的。压缩机在一定吸气压力ps、吸气温度Ts、排气压力pd和膨胀阀前温度TVi时，压缩机的制冷量Φ0按照式(3)修正了从量热器出口到压缩机吸气口之间连接管路的冷量损失。(3)式中：Φ0为压缩机的制冷量，W；Φe为蒸发器的制冷量，W；hs为压缩机吸气口制冷剂比焓，J/kg。压缩机容积效率ηV定义为：(4)式中：WRef为直接法制冷剂质量流量，kg/s；ρs为压缩机吸气口制冷剂密度，kg/m3；Vd为压缩机排量，m3；n为压缩机转速，r/min；压缩机电效率ηe定义为：ηe=WRefΔhis/Pcomp(5)式中：ηe为压缩机电效率；WRef为制冷剂质量流量，kg/s；Δhis为等熵焓差，J/kg；Pcomp为压缩机功率，W。1.1.2 油分离式OCR测量装置为了减少实验台系统中的制冷剂含油量对流量测量、制冷剂物性计算的影响，如图1所示，压缩机排气先经油气分离储油罐(Temprite 925R，分离效率99.9%)分离制冷剂气体和油，被分离出的油流入底部储油罐；储油罐的油中浸没电加热器，与油温传感器组成控制回路调节储油罐中油温至100 ℃，以尽量减少油中溶解制冷剂的量，油池温度调节回路如图3(b)所示，储油罐中有油位传感器测量储油罐中油位，与储油罐出口管路上的流量调节阀组成控制回路，调节储油罐中油位；储油罐出口管路上的流量调节阀与油流量计组成控制回路，调节OCR，OCR调节回路如图3(a)所示；流量调节阀流出的油与量热器出口的制冷剂汇合回到压缩机吸气口。图3 OCR实验装置主要调节回路框图Fig.3 Key regulation loops block diagram of OCR test installation质量流量计(21)位于储油罐出口，直接测量油的质量流量Woil，OCR定义为：(6)式中：OCR为油循环率，%；Woil为油的质量流量，kg/s。

1.2 实验对象

1.3 实验工况

2 实验结果分析

2.1 容积效率

图4 容积效率随油循环率的变化Fig.4 Volume efficiency varies with oil circulation rate在C1工况转速为4 500、6 000 r/min，C2工况转速为4 500 r/min时，当OCR>5%时，容积效率随OCR的变化较小，OCR<5%时，容积效率随OCR的变化较大，说明中高转速时OCR≈5%，既能保证涡旋压缩机的有效密封，也可尽可能减小对空调系统的影响。在C1工况转速为3 000 r/min时，容积效率随OCR的变化大于转速为4 500、6 000 r/min时，且OCR在1%～10%范围内变化时，容积效率随OCR约呈线性变化。

2.2 电效率

图5 电效率随油循环率的变化Fig.5 Electrical efficiency varies with oil circulation rate压缩机电效率：ηe=ηivtηmoηmeηi(8)式中：ηe为压缩机电效率；ηivt为变频器效率；ηmo为电机效率；ηme为机械效率；ηi为压缩过程指示效率。在C1工况，转速为6 000 r/min和4 500 r/min时压缩机的电效率相近，转速为3 000 r/min时压缩机电效率明显低于4 500 r/min时。当OCR从10%降至1%，C1、C2工况排气温度分别上升近15 ℃、10 ℃。这是因为低转速时泄漏量较大、ηi降幅更大，且ηmo在低转速时也较低。而C2工况时电效率明显高于C1工况时的电效率，主要是因C2工况的压比(≈5.1)小于C1工况的压比(≈7.3)。

2.3 排气温度

图6 排气温度随油循环率的变化Fig.6 Discharge gas temperature varies with oil circulation rateC1工况下，转速为4 500 r/min和6 000 r/min时排气温度曲线很接近，转速为3 000 r/min时排气温度明显高于4 500 r/min时，说明在中低转速(或中小流量)时油的冷却效果更显著。而C2工况的排气温度整体上显著低于C1工况的排气温度，主要是因C2工况的压比(≈5.1)小于C1工况的压比(≈7.3)。

2.4 壳体温度

图7 壳体温度随油循环率的变化Fig.7 Shell temperature varies with oil circulation rate忽略电机与压缩机周围空气之间的换热，电机与制冷剂流体之间对流换热：Φ(n，Ip)mo=αA(Tmo-Ts)(9)式中：Φmo为电机发热量，W；Ip为电机相电流，A；α为制冷剂流过电机表面的对流换热表面传热系数，W/(m2·K)；Tmo为电机温度，℃；Ts为压缩机吸气温度，℃。在C1工况，压缩机壳体温度随着转速降低而升高，一方面因低转速时，电机效率较低，电机发热量增加，另一方面，因低转速时制冷剂流量减小，油气两相传热系数减小，故油对电机的冷却效果在中低转速(或中小流量)时更显著。

3 结论

作者：陶 宏 张 婷 吴生礼 程英男 缪 剑 邵昕宏

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