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中美两国_容积式CO_2制冷压缩机_组_标准的对比_贾磊

2013-11-27 5页 pdf 346KB 19阅读

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中美两国_容积式CO_2制冷压缩机_组_标准的对比_贾磊 书书书 第13卷 第7期 2 0 1 3年8月 REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING  1-5 收稿日期:2012-09-27 作者简介:贾磊,博士,高级工程师,所长助理,主要从事制冷剂替代、制冷空调新技术及建筑节能等方面的研究。 中美两国“容积式CO2制冷压缩机(组)” 标准的对比 贾磊 钟瑜 王汝金 何亚峰 刘期聂 王磊 (合肥通用机械研究院) 摘 要 介绍中美两国制冷空调行业协会在容积式CO2制冷压缩机(组)标准化合作方面的进展。对中国 国家标准GB/T29030—2012《...
中美两国_容积式CO_2制冷压缩机_组_标准的对比_贾磊
书书书 第13卷 第7期 2 0 1 3年8月 REFRIGERATION AND AIR-CONDITIONING  1-5 收稿日期:2012-09-27 作者简介:贾磊,博士,高级师,所长助理,主要从事制冷剂替代、制冷空调新技术及建筑节能等方面的研究。 中美两国“容积式CO2制冷压缩机(组)” 标准的对比 贾磊 钟瑜 王汝金 何亚峰 刘期聂 王磊 (合肥通用机械研究院) 摘 要 介绍中美两国制冷空调行业协会在容积式CO2制冷压缩机(组)标准化合作方面的进展。对中国 国家标准GB/T29030—2012《容积式CO2制冷压缩机(组)》和美国AHRI 571:2012标准《容积式CO2制冷 压缩机(组)性能评定》进行分析,主要从适用范围、试验工况、测试方法、试验参数及性能允差、计算参数、油 循环率等方面对两国标准进行详细的对比。该分析研究有助于推进容积式CO2制冷压缩机(组)标准的国 际化进程。 关键词 容积式CO2制冷压缩机(组);标准;制冷空调行业 Comparison between China national standard and AHRI standard of“positive displacement carbon dioxide refrigerant compressors and compressor units” Jia Lei Zhong Yu Wang Rujin He Yafeng Liu Qinie Wang Lei (Hefei General Machinery Research Institute) ABSTRACT Progress of standardization cooperation on positive displacement carbon di- oxide refrigerant compressors and compressor units between CRAA and AHRI is intro- duced.Based on GB/T29030—2012 and AHRI 571:2012 standards,series comparisons are analyzed in detail,including scopes,conditions,test methods,tolerances,parameters and oil circulation rates.The conclusion will contribute to the standard internationalization process of positive displacement carbon dioxide refrigerant compressors and compressor u- nits. KEY WORDS positive displacement carbon dioxide refrigerant compressors and compres- sor units;standard;refrigeration and air-conditioning industry   HCFCs是《蒙特利尔议定书》明确列出的限 制物质,按照2007年9月在蒙特利尔召开的《蒙特 利尔议定书》第19次缔约方大会上提出的调整案, 我国最新的 HCFCs淘汰时间大大提前。目前, 2013年冻结和2015年削减10%的履约日期已经 十分临近,筛选并确定替代技术路线的任务十分 紧迫。 目前,制冷剂替代的一个研究方向是使用天 然工质,而CO2是其中的一个重点研究方向。前 国际制冷学会主席 Lorentzen在1994年提出了 CO2跨临界循环理论,指出若采用跨临界循环, CO2可以用于汽车空调和热泵领域,系统性能系数 与常规空调相比仍然具有竞争力。虽然CO2具有 很高的系统压力,导致可靠性、安全性问题令人担 忧,但由于其具有环境性能优良、经济性好、化学 稳定性好、安全无毒不可燃、热力性能良好等方面 的特点,从长远角度看,CO2制冷系统具有开发 潜力[1]。 近年来,随着CO2制冷系统的逐步推广,CO2 制冷压缩机的需求也逐年增长。日本大金、三洋、 松下、电装等公司均生产CO2制冷压缩机,每年产 量达数十万台,比泽尔、都凌等欧洲企业也纷纷推  · 2     · 第13卷  出各自的CO2制冷压缩机产品,主要用于热泵热 水机和冷冻冷藏领域。以上企业推出的产品均为 容积式CO2制冷压缩机,涉及往复式压缩机、涡旋 式压缩机、转子式压缩机、螺杆式压缩机等型式, 我国烟台冰轮集团有限公司与西安交通大学合 作,已推出冷冻冷藏用CO2压缩机,并将CO2制冷 系统与NH3系统组合构成复叠式制冷系统[2]。 2010年以前,我国尚无相应的国家标准对容 积式CO2制冷压缩机的市场和技术进行系统规范 和引导,在国外 CO2制冷压缩机发展迅速、国内 CO2制冷压缩机逐渐起步的背景下,中国制冷空调 工业协会与 AHRI(美国供热及制冷空调工业协 会)、ASERCOM(欧洲压缩造商委员会)签署 了三方合作,共同推进CO2制冷压缩机标准 一体化的工作,确保中国、欧洲和美国的产品制造 商在同一条件下对CO2制冷压缩机的性能进行评 估,以保证结果的一致性。目前,中国国家标准 《容积式CO2制冷压缩机(组)》[3](下文简称“中国 标准”)已提请报批,美国AHRI 571:2012标准《容 积式CO2 制冷压缩机(组)性能评定》[4](下文简称 “美国标准”)已颁布实施。这2项标准既有共同之 处,又有许多细节方面存在差异,笔者将从适用范 围、试验工况、测试方法、试验参数及性能允差、计 算参数、油循环率等方面对两国标准进行对比,研 究结果将对容积式CO2制冷压缩机(组)标准的国 际化进程提供参考。 1 适用范围 中国标准适用于“容积式CO2制冷压缩机及 容积式CO2制冷压缩机组”,应该包含所有使用 CO2制冷剂的压缩机和压缩机组。美国标准则适 用于“电机驱动、定容量和变容量、单级和双级、亚 临界和超临界应用的CO2制冷压缩机(组)”,但不 包括以下用途的CO2压缩机(组): ①家用电冰箱; ②汽车空调; ③除湿机; ④除供热和制冷之外的工业产品; ⑤“压缩机+冷凝器”的压缩冷凝机组或“压 缩机+气体冷却器”的组合式机组; ⑥热泵和空调。 通过以上对比可以看出,中国标准的适用范 围更加广泛,技术人员在开发 CO2制冷压缩机 (组)的过程中均可参考该标准进行研究。 2 试验工况 中国标准的试验工况见1,美国标准的试验 工况见表2。 表1 中国标准规定的CO2 压缩机(组)名义工况 压缩循环 低温侧 高温侧-亚临界 高温侧-跨临界 应用 (蒸发温度类型) 循环类型 吸气 温度/℃ 蒸发 温度/℃ 冷凝 温度/℃ 冷凝器出口 过冷度/℃ 排气 压力/MPa 膨胀前温度/℃ 高蒸发温度 跨临界 20  10 — — 10  20 中蒸发温度 亚临界1  5 -5 亚临界2  0 -10 跨临界1  5 -5 跨临界2  0 -10 跨临界3  9 -1 15  0 — — — 9 10 — 35 低蒸发温度 亚临界1 亚临界2 亚临界3 亚临界4 跨临界1 跨临界2 跨临界3 5 -25 -10 5 -25 32 -35 -50 -35 -25 -5/5 -20 — 0 — — — 9  35 表2 美国标准规定的CO2 压缩机(组)名义工况 压缩循环        低温侧 高温侧-亚临界 高温侧-跨临界 应用 循环类型 吸气露点 温度/℃ 压缩机 回气温度/℃ 排气露点 温度/℃ 冷凝器出口 过冷度/℃ 排气压力/ bar 气体冷却器 出口温度/℃ 中温 亚临界 跨临界 -5  5  15  0  NA  NA -10  0  15  0  NA  NA -5  5  NA  NA  90  35 -10  0  NA  NA  90  35  第7期 贾磊 等:中美两国“容积式CO2制冷压缩机(组)”标准的对比 · 3     ·  续表2 压缩循环        低温侧 高温侧-亚临界 高温侧-跨临界 应用 循环类型 吸气露点 温度/℃ 压缩机 回气温度/℃ 排气露点 温度/℃ 冷凝器出口 过冷度/℃ 排气压力/ bar 气体冷却器 出口温度/℃ 低温 亚临界 跨临界 -30 -20 -5  0  NA  NA -35 -25 -5  0  NA  NA -50 -40 -5  0  NA  NA -30 -20  15  0  NA  NA -35 -25  15  0  NA  NA -30 -20  NA  NA  90  35 -35 -25  NA  NA  90  35 低温-小型商用 跨临界 -25  32  NA  NA  90  35 -5  32  NA  NA  90  35 低温-工业用 亚临界 -35 -25  5  0  NA  NA -50 -40  5  0  NA  NA 注:NA代表“不规定”或“不适用”。   中、美、欧三方在CO2制冷压缩机标准一体化 工作的过程中,各国专家基本认同中方提出的三 方标准中部分测试工况保持一致的建议;测试的 边界条件需一致,才可以在相同条件下对CO2制 冷压缩机的性能进行横向评估。通过表1和表2 的对比可以看出:在中国标准的中蒸发温度测试 名义工况下,除了跨临界3工况外,其他工况均与 美国标准一致;低蒸发温度应用中的亚临界2,跨 临界2和3工况也与美国标准一致;其余不一致的 测试工况则是由各国根据本国产品特点及使用场 合自行制订的。 3 测试方法 中国标准规定的试验方法中,对于亚临界循 环压缩机,GB/T5773—2004中的测试方法均适 用;对于跨临界循环压缩机,可以采用 GB/T 5773—2004中的第二制冷剂量热器法、满液式制 冷剂量热器法、干式制冷剂量热器法、吸气管制冷 剂气体流量计法、排气管制冷剂气体流量计法、制 冷剂跨临界气体冷却法及压缩机排气管道量热器 法,其中采用量热器法时需使膨胀前温度低于或 高于临界温度10℃。 在中国标准中,提出了一种改进型的制冷剂 跨临界气体冷却法(见图1),目的在于降低测试系 统的运行压力、减少设备初投资。在该方法中,高 压侧制冷剂气体经节流后一部分进入冷凝支路冷 却成液体,并测量其流量,然后使其在一个气体混 合冷却器中于低压侧压力下再蒸发,用以冷却经 另一支路降压后进入气体混合冷却器的剩余循 环蒸气,从气体混合冷却器出来的制冷剂混合蒸 气应不含制冷剂液滴,之后制冷剂蒸气进入压缩 机吸气口,形成一个闭式循环系统。气体混合冷 却器通过一个手动或由排气压力自动控制的流 量调节阀与压缩机排气管相连。冷凝器出口应 有液体流量计,流量计出口通过一个手动或自动 调节的膨胀阀与气体混合冷却器相连,膨胀阀用 以调节吸气压力。 图1 改进型制冷剂跨临界气体冷却法流程图 美国标准中的测试方法来自 ASHRAE23.1- 2010,主要分为量热计法和流量计法两大类,其中量 热计法包括第二制冷剂量热计法、二次流体量热计 法、初级制冷剂量热计法和冷凝器量热计法;流量计 法包括气体制冷剂流量计法和液体制冷剂量热计 法,这些方法在本质上与中国标准没有大的差异。 在中美两国标准中,均需要同时进行两类试 验以便互相校核,中国标准规定两类试验结果之 间的偏差应在±4%以内,美国标准规定两类试验 结果之间的偏差应在±3%以内。相比较而言,美 国标准的要求更高一些。 4 试验参数及性能允差 中国标准中规定的试验参数允许偏差如表3 所示。 美国标准中规定的试验参数允许偏差包括: ①通过电动机测量确定输入功率时,电子端  · 4     · 第13卷  子各相电压与设定值的偏差在±1%以内; ②通过轴功率测量确定输入功率时,轴转速 与设定值的偏差在±1%以内; 表3 中国标准规定的试验参数允许偏差 试验参数 测量值与规定值间的 最大允许偏差 测量值的任一个读数相对 于平均值的最大允许偏差 吸气压力 排气压力 ±1.0% ±0.5% 吸气温度 ±3.0℃ ±1.0℃ 轴转速 电压 频率 ±3.0% ±2.0% ±1.0% ③环境温度与设定值的偏差在±4 K以内; ④若使用级间散热,冷却介质温度与设定值 的偏差在±1 K以内; ⑤压缩机吸气压力与设定值的偏差在±1% 以内; ⑥压缩机吸气温度与设定值的偏差在±1 K 以内; ⑦若中间压力下存在流量,中间压力的偏差 在测量绝对压力的±1%以内; ⑧若中间压力下存在流量,中间压力下的吸 气温度偏差在温度测量值的±1 K以内; ⑨排气压力与设定的排气绝对压力的偏差在 ±1%以内; ⑩气体冷却器超临界蒸气温度与设定值的偏 差在±1 K以内; 瑏瑡质量流量测量值的任一个读数与平均值的 偏差在±2%以内。 中国标准规定,压缩机制冷量或制冷剂质量 流量、输入功率和制冷系数的实测值与明示值的 比值应满足表4的规定。 表4 中国标准规定的性能允差 项目 压缩机应用(蒸发温度类型) 高蒸发温度 中蒸发温度 低蒸发温度a 制冷量或 制冷剂质量流量 ≥95% ≥92.5% ≥90% 非名义工况运行条件下 的功率 ≤105% ≤107.5% ≤110% 名义工况运行条件下的 功率 ≤105% ≤105% ≤105% 制冷系数 ≥90% ≥90% ≥90% 注:a对应表1中低蒸发温度跨临界工况3,制冷量或制冷剂质量流 量允差≥95%,功率允差≤105%(若制冷量或功率的实测值<100 W,则这2项允差应控制在5 W范围内)。 美国标准规定,压缩机制冷量或制冷剂质量 流量的实测值不能低于明示值的90%,输入功率 的实测值不能高于明示值的105%,COP 的实测 值不能低于明示值的90%。 中国许多制冷设备标准中规定的制冷量实测 值与明示值的偏差上限为5%,而在中美两国CO2 压缩机(组)标准中,此类偏差的最大值为10%,原 因如下: CO2的临界温度较低,中美两国 CO2压缩机 (组)标准中有一些工况临近临界点,压焓图上焓 值随温度变化的梯度已经非常大,并且急剧变化。 按照同样的测温精度计算,由计算方法引起的测量 不确定度就已超过或非常接近原来标准允许的测量 不确定度或允许偏差的最大值,因此两国标准中均 放宽了制冷量实测值与明示值的偏差上限。 5 计算参数 压缩机性能试验中各种测试方法的最终目的 是获得制冷剂流量数据,以此计算压缩机的制冷 量,中美两国CO2压缩机(组)标准均介绍了流量 的计算方法,也都对消耗功率、制冷量的测试和计 算做出了明确的规定。 在此基础上,中国标准提出了压缩机容积效 率和等熵效率的计算方法,分别见式(1)和式(2)。 容积效率计算公式的物理意义是实测流量与理论 输气量的比值,而等熵效率的物理意义是实际压 缩过程与等熵压缩过程的接近程度。 容积效率: ηV=(qmf·vga/VSW) f fa (或ηV=(qmf·vga/VSW) n na ) (1) 等熵效率: ηi=[qmf·(hgt-hga)/P] f fa (或ηi=[qmf·(hgt-hga)/P] n na ) (2) 式中:qmf为由试验所测得的制冷剂质量流量(kg/ s);vga为进入压缩机的制冷剂蒸气的实际比容 (m3/kg);VSW为压缩机理论输气量(m3/s);f和 fa分别为名义和实测频率(Hz);n和na 分别为压 缩机的名义和实测转速(rad/s);hgt为基本试验工 况所规定的进入压缩机的制冷剂经等熵压缩后, 在压缩机排气压力下的理论比焓(J/kg);hga为基 本试验工况所规定的进入压缩机的制冷剂理论比 焓(J/kg);P为输入功率(W)。   美国标准仅列出了压缩机效率的计算公式,  第7期 贾磊 等:中美两国“容积式CO2制冷压缩机(组)”标准的对比 · 5     ·  其本质是与中国标准中等熵效率一致的。以单级 跨临界循环和中间补气双级压缩循环为例,压缩 机效率的计算方法见式(3)和式(4)。 单级跨临界循环压缩机效率为 η= m ·(h3s-h2) P ×100 (3) 中间补气双级循环压缩机效率为 η= m · 1(h31s-h21s)+m · 2(h32s-h22s) P ×100 (4) 式中:h3为等熵压缩时排气点的比焓(J/kg);h2为 压缩机吸气比焓(J/kg);h31s为双级压缩第一级理 想等熵压缩时排气点的比焓(J/kg);h21s为双级压 缩第一级吸气比焓(J/kg);h32s为双级压缩第二级 理想等熵压缩时排气点的比焓(J/kg);h22s为理想 等熵压缩时第二级吸气比焓(J/kg);m · 为制冷剂 质量流率(kg/s);m · 1 为第一级压缩的制冷剂质量 流率(kg/s);m2 为第二级压缩的制冷剂质量流率 (kg/s)。 6 油循环率 中国标准规定,压缩机排气管道上应设置有 效的油分离器,使循环的CO2制冷剂液体内含油 量不超过1.5%(以质量计),含油量测定按GB/T 5773—2004附录A执行。 美国标准规定,如果使用量热计或液体流量 计,油循环率应低于2%;若使用气体流量计,油循 环率应低于1%。同时,美国标准还规定,如果压 缩机或压缩机组用于具备有效油分离器(油循环 率小于1 000 ppm)的场合,则油循环率不必测试, 否则必须按照ANSI/ASHRAE41.9或者ANSI/ ASHRAE41.10进行测试,对于油循环率超过2% (或气体流量计法油循环率超过1%)的情况,则必 须配置辅助油分离器。 7 结论 中美两国 CO2压缩机(组)标准均是首次制 定,对于该类产品的应用和推广具有重要意义。 通过对两国标准适用范围、试验工况、测试方法、 性能允差、计算参数等方面的对比,可以看出: 1)中国标准的适用范围更加广泛。 2)两国标准有若干试验工况一致,但也存在 一些具有本国特色的试验工况,这样既可以保证 产品国际比对的需要,又能满足本国实际应用的 需求。 3)美国标准沿用了常规压缩机的测试方法, 中国标准新增加了一种改进型制冷剂跨临界气体 冷却法,可以显著减少试验装置的投入、缩小测试 过程的高压范围;中国标准对主要试验与校核试 验的偏差要求比美国标准略微宽松。 4)在试验参数允差方面,美国标准比中国标 准稍微严格;由于CO2热物性的特点,两国标准对 性能允差均有所放宽。 5)两国标准关注的计算参数基本一致。 6)美国标准对不同的测试方法规定了不同的 油循环率,中国标准则选用了统一的油循环率限 定值。 参 考 文 献 [1] 史敏,贾磊.二氧化碳制冷技术[J].制冷与空调, 2007,7(6):1-5. [2] 王炳明,李建风,吴华根,等.NH3/CO2 复叠制冷系统 中CO2螺杆压缩机的研发[J].流体机械,2009,37 (3):16-18. [3] GB/T29030—2012 容积式 CO2 制冷压缩机(组) [S]. [4] AHRI Standard 571(SI):2012 Performance Rating of Positive Displacement Carbon Dioxide Refrigerant Compressors and Compressor Units[S].
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