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电动压缩机容积效率与等熵效率探究

以前在传统主机厂负责传统皮带轮压缩机,由发动机驱动,由于对油耗影响不那么明显COP一直没有受到特别的重视,主要只关注压缩机制冷能力。后来进入电动汽车行业,由于电动汽车续航里程焦虑的驱动,开始慢慢关注起电动压缩机COP。直到后面做电动车热泵系统,以及随着对热泵系统、对压缩机越来越深入的挖掘,开始更加关注起压缩机COP,并开始探究起压缩机的容积效率和等熵效率。

容积效率和等熵效率定义:

容积效率

关于压缩机容积效率,百度百科的定义如下:

容积效率(volumetric efficiency)指的是在进气行程时气缸真实吸入的混合气体积除以气缸容积。泵(马达)的实际流量与泵(马达)的理论流量之比

电动压缩机作为制冷剂的增压机械,归属与泵这一个大类。压缩机的容积效率定义,可以理解为压缩机实际排气量与理论排气量的比值。容积效率的提升对应的是相同转速下质量流量增加,制冷量增加,而制冷量则是压缩机乃至空调系统最重要的一个性能指标(此处先忽略热泵系统)。但实际由于余隙容积的存在,以及内泄露等的存在,实际电动涡旋压缩机的容积效率在80%~95%之间。(这里还因涡旋压缩机转速不同而变化)

等熵效率

关于等熵效率,维基百科的定义如下:(此处再吐槽一下百度垃圾,以及GFW?,如需访问维基百科镜像网站请点击这里前往)

膨胀做功过程中,不可逆绝热过程的做功量与可逆绝热过程的做功量之比。

汽车空调或者是热泵系统,使用的实际上是逆卡诺循环(感兴趣请点击这里),理论的逆卡诺循环实际上是不可实现的,散热、漏气、摩擦等不可逆损耗将会使得实际循环与理论循环产生偏差,为了表征这一偏差量,引入等熵效率来度量。电动压缩机还存在逆变模块、电机,相应其效率等也会对最终的总成的等熵效率产生影响。

从容积效率和等熵效率的定义可以发现,COP最终与容积效率、等熵效率等强相关,容积效率解决了压缩机理论输气量的度量问题,等熵效率则更进一步表征了压缩机整体的无用功耗散量。在电动汽车领域,我们引入热泵系统,为的是解决低温环境下制热导致整车续航里程下降明显这一用户痛点,提升电动压缩机这一核心耗能大户的COP则能够快速解决客户痛点。当然我们可以学习大众ID4这样另辟蹊径使用R744(CO2)制冷剂提升冬季制热能力及COP,但在R744或者R290等产业链不成熟的背景下,提升压缩机的COP依然是可选的一个研究方向。

容积效率和等熵效率的应用

由于自己身处甲方这一尴尬的位置,笔者经常会与各压缩机厂商及主机厂进行技术交流。技术交流过程中经常碰到客户、供应商性能及COP要求、试验工况不一致的情况,那如何快速去应对客户需求,以及如何快速对比供应商压缩机能力,这就成为了一个经常碰到的问题。为了解决这一问题,笔者发现可以通过容积效率、等熵效率来快速判断压缩机性能、COP水平。

因为不同吸排气压力下容积效率虽有区别,但做快速简化计算时候可以忽略。而等熵效率方面,当散热条件一致、电机转速一致的情况下,也可以认为等熵效率差别不大。基于此,我们可以使用已有性能测试数据,先计算出特定压缩机特定转速下容积效率、等熵效率,再将新的工况进行输入,大致估计新工况下压缩机性能、COP的参考值,从而帮助我们在试验开展之前快速判断压缩机性能、COP是否可以达成要求。

获取实际压缩机试验数据

首先我们需要获取一部分压缩机现有试验工况的数据。比如如下某45cc压缩机试验数据(注意其中热力学温度与摄氏度之间的关系),根据制冷量与COP可计算压缩机功耗5.45kw。

吸气压力Mpa[A] 排气压力Mpa[A] 转速 rpm 吸气过热度 k 过冷度 k 排气温度 ℃ 制冷量 kw COP
0.3 1.5 8000 10 10 103 9.8 1.89

获取R134a工质物性参数

基于R134a制冷剂的逆卡诺循环图如下,理论上压缩机工作过程为1到2,此处应沿着等熵线运行。实际循环则为1-2‘的过程。此时已知压缩机吸气压力和吸气过热度,根据R134a的物性我们可以确定压缩机入口点1的温度(T1)、焓值(h1)等状态参数。又根据排气温度、排气压力,可以确定压缩机排气口点2’的焓值(h2’)。

以上过程,我们需要要获取工质物性,可以使用REFPROP获取,举例如下是通过REFPROP获取的R134a工质物性数据。REFPROP的使用教程可以参考百度文库这里。(REFPROP有一个替代产品COOLPROP。REFPROP是一个商用软件,COOLPROP则是开源免费产品。)

根据物性参数,我们查表得知:h1=407.93;h2=443.31;h2’=480.13;h3=h4=264.2(单位kj/kg)

计算容积效率和等熵效率

其中等熵效率=(等熵压缩终点焓-压缩起点焓)/(实际循环压缩机出口焓-压缩机入口焓)=(h2-h1)/(h2′-h1)

计算本案例中等熵效率=(443.31-407.93)/(480.13-407.93)=0.49,该等熵效率值非常低,可能是由于原始试验数据出现了问题,此处不展开讨论,此处只讨论具体计算过程。

回过头,我们来看压缩机容积效率,容积效率可以利用如下公式计算

制冷量=制冷剂质量*蒸发器焓差=压缩机排量*转速*制冷剂密度*容积效率*(压缩机入口焓-膨胀阀出口焓)

其中h4=h3,R134a制冷剂0.3Mpa 过热10k状态下,密度为 14.053 kg/m3。制冷量9.8kw,根据以上计算公式可得容积效率=0.81

推算特定工况下制冷量和COP

假定某需求要求Ps/Pd = 0.3/1.6 MpaA工况下压缩机的制冷能力和COP数据,其过冷、过热度同样为10k、10k,实际制冷循环变化为如下图橙色线1-5‘-6-4-1的循环。

查表可以知道h5=444.73。根据以上等熵效率计算公式

等熵效率=(h5-h1)/(h5′-h1)=0.49

计算可得h5’=483.505,查表可知h6=268.27

制冷量=压缩机排量*转速*制冷剂密度*容积效率*(压缩机入口焓-膨胀阀出口焓)=(45/10^6)*(8000/60)*14.053*0.81*(407.93-268.27)=9.54kw

散热量=制冷剂流量*(冷凝器入口焓-冷凝器出口焓)=(45/10^6)*(8000/60)*14.053*0.81*(483.505-268.27)=14.7kw

如果不考虑压缩机本身的散热量和制冷系统管路的冷热量损失的话,散热量=制冷量+输入功率。根据实际压缩机试验数据,我们根据物性参数同样计算可得压缩机功耗为5.18kw,与实际试验数据得压缩机输入功率5.45有一定差异。比值为:5.18/5.45*100%≈95%,假定相近工况下这个比值接近,实际过程的压缩机输入功耗求解如下:

压缩功耗=(散热量-制冷量)/0.95=(14.7-9.54)/0.95=5.16kw

COP=制冷量/压缩功耗=9.54/5.16=1.76

最终得到如下表格计算结果

吸气压力Mpa[A] 排气压力Mpa[A] 转速 rpm 吸气过热度 k 过冷度 k 制冷量 kw COP
0.3 1.6 8000 10 10 9.54 1.76

其他注意事项

由于压缩机不同转速下电机效率、电源转化效率、容积效率、机械损耗等均会有区别,故我们在反算特定工况下压缩机性能的时候,尽可能使用接近目标工况的试验数据,以减少计算的误差。

另外,计算过程注意单位换算。热力学绝对零度为-273.15k。转速单位一般为rpm需要除以60转化为s为单位。压缩机排量cc需要除以10^6转化为m3。

以上计算过程未考虑系统压降影响等其他因素。实际压降对系统性能计算、COP计算均有影响,但作为快速计算,以上方法得计算精度已经足够了。以上的推算过程,实际上也可以通过软件实现,有兴趣的朋友可以搜索Solkane软件,Solkane9.0以下版本均为免费版本。

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