CN113847963A - 一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法 - Google Patents

Abstract

一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，包括：S1、计算压缩机一级压缩后压力p_1st，p_1st＝(p_1st,upper+p_1st,low)/2；其中，p_1st,upper为压缩机一级压缩后压力的上限值，p_1st,low为压缩机一级压缩后压力的下限值；S2、计算压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容v_mid,m’；S3、当|v_mid,m‑v_mid,m’|>ε时，如果v_mid,m>v_mid,m’，则设置p_1st,upper＝p_1st，然后返回步骤S1；如果v_mid,m<v_mid,m’，则设置p_1st,low＝p_1st，然后返回步骤S1；ε为收敛条件参数；S4、当|v_mid,m‑v_mid,m’|≤ε时，则计算计算气体冷却器气体入口质量流量m_a、气体冷却器液体入口质量流量m_b、降低吸气过热支路质量流量m_c。本发明可以基于被测压缩机产品的设计参数，实现测试装置质量流量的准确求解。

Description

一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法

技术领域

本发明涉及制冷剂压缩机性能测试领域，尤其涉及一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法。

背景技术

以离心式、螺杆式制冷剂压缩机为代表的单机制冷量很大，因此需要投入过高的冷(热)量来实现试验系统的热力学平衡和工况稳定，基于标准GB/T 5773-2016、JB/T12843-2016规定的制冷剂气体冷却法可以让试验系统自身产生的冷量与热量在气体冷却器内相互抵消，仅需匹配很小的额外冷(热)源即可，实现测试装置投资、能耗和运行费用的大幅降低，因此基于制冷剂气体冷却法试验流程已成为离心式、螺杆式制冷剂压缩机性能测试的主流形式，只需在被测压缩机排气管或吸气管等处添加气体流量计，就可以实现标准规定的两种试验方法的同时测量。

目前，补气型离心式、螺杆式制冷剂压缩机是压缩机产品的主要形式，特点是在压缩机设置补气口，以实现对压缩机内制冷剂的准二级压缩，相比两个压缩机组成的实际二级压缩制冷系统，准二级压缩的成本要降低很多。随着压缩机技术不断进步和测试要求不断增加，需实现被测压缩机在低吸气温度工况下测试，为此，常在吸气管路侧增加降低吸气过热支路，在降低吸气过热支路中，来自冷凝器中过冷工质经膨胀后对吸气管路内制冷剂进一步冷却，以降低被测压缩机的吸气过热度，在JB/T 12843-2016中已明确规定了存在降低吸气过热支路的测试装置系统流程。

为达到所规定的试验工况参数，需要对试验流程中各支路质量流量进行调节，流量调节阀是试验工况参数精确稳定调节的关键部件，调节阀的合理选用对于压缩机测试装置的试验能力具有重要影响。

流量系数是调节阀选型的核心参数，流量系数通常是基于阀前后压差和质量流量的相关公式计算获得，对于压缩机测试装置而言，调节阀的阀前压力、阀后压力即分别是被测压缩机的冷凝压力、蒸发压力，因此在试验设计工况确定的情况下，质量流量的计算已成为流量系数确定和调节阀选型的关键，此外，质量流量也是流量计合理选型的核心参数，因此各支路质量流量的准确计算对于压缩机测试装置的设计开发至关重要。

不同的压缩机产品，其设计(或规格)参数(如制冷量、运行工况参数等) 存在差异，设计参数的范围也会存在不同，为实现与压缩机产品相匹配的性能测试，需要基于实际被测压缩机的设计参数对测试装置进行开发，以期对压缩机产品性能实现合理准确的测试。然而，目前针对补气型制冷压缩机性能测试装置的各支路质量流量计算方法缺失，限制了压缩机测试装置的开发设计，也难以保证压缩机测试过程中工况参数的精确调节与测量。

发明内容

为了解决上述现有技术中的缺陷，本发明提出了一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法。

本发明采用以下技术方案：

一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，包括以下步骤：

S1、计算压缩机一级压缩后压力p_1st，p_1st＝(p_1st,upper+p_1st,low)/2；

其中，p_1st,upper为压缩机一级压缩后压力的上限值，p_1st,low为压缩机一级压缩后压力的下限值；p_1st,upper的初始值为压缩机中间补气压力p_mid，p_1st,low的初始值为0；

S2、计算压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容v_mid,m'；

v_mid,m＝f(p_mid,m,h_mid,m)；

其中，f表示制冷剂物性函数关系，p_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力，h_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓；v_1st_,o表示压缩机一级压缩后制冷剂比容，a表示压缩机相对补气率；

S3、当|v_mid,m-v_mid,m’|>ε时，如果v_mid,m>v_mid,m’，则设置p_1st,upper＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；如果v_mid,m<v_mid,m’，则设置 p_1st,low＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；ε为收敛条件参数；

S4、当|v_mid,m-v_mid,m’|≤ε时，则计算计算气体冷却器气体入口质量流量m_a、气体冷却器液体入口质量流量m_b、降低吸气过热支路质量流量m_c；

优选的，当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中没有电机冷却支路时：

当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中有电机冷却支路时：

其中，m_com,i为压缩机吸气质量流量，h_com,i为压缩机吸气比焓，h_c,l为冷凝压力对应的制冷剂饱和液体比焓，h_gl,o为气体冷却器出口比焓，h_com,o为压缩机排气比焓，h_f,o为电机冷却支路的出口比焓，m_f为电机冷却支路的质量流量。

优选的，还包括步骤S5：根据冷凝压力下制冷剂饱和液体比焓h_c,l、压缩机中间补气入口比焓h_mid,i、压缩机排气比焓h_com,o、压缩机吸气质量流量m_com,i计算闪发器液体入口质量流量m_d和闪发器气体入口质量流量m_e，基于矩阵运算的计算模型如下：

其中，a表示压缩机相对补气率。

优选的，p_mid,m和h_mid,m的计算公式如下：

p_mid,m＝p_1st+(p_mid-p_1st)ξ_p；

h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a)；

其中，p_mid表示压缩机中间补气压力，ξ_p表示补气过程压力损失系数；h_1st,o表示压缩机一级压缩后比焓，h_mid,i表示压缩机中间补气入口比焓。

优选的，

其中，h_1st,o,s表示压缩机一级压缩后等熵比焓，h_1st,o,s基于制冷剂物性函数关系根据压缩机一级压缩后压力p_1st和压缩机吸气比熵s_com,i确定；h_com,i表示压缩机吸气比焓，η_s表示压缩机等熵效率。

优选的，压缩机一级压缩后制冷剂比容v_1st,o基于制冷剂物性函数关系根据压缩机一级压缩后压力p_1st和压缩机一级压缩后比焓h_1st,o确定.

优选的，m_com,i＝Q_e/(h_com,i-h_mid,l)；

其中，h_com,i表示压缩机吸气比焓；h_mid,l表示压缩机中间补气压力p_mid对应的饱和液体比焓，h_mid,l基于制冷剂物性函数关系根据压缩机中间补气压力p_mid确定；Q_e表示压缩机的制冷量设计值。

优选的，

其中，h_com,o,s表示压缩机排气等熵比焓，h_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓，h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a)。

优选的，压缩机排气等熵比焓h_com,o,s基于制冷剂物性函数关系根据冷凝压力p_c和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比熵s_mid,m确定。

优选的，m_f＝Q_cool/(h_f,o-h_c,l)；

其中，Q_cool表示电机冷却热负荷，h_f,o基于制冷剂物性函数关系根据所述蒸发压力p_e和所述电机冷却支路的出口过热度△T_f,o确定。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出的一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，可以基于被测压缩机产品的设计参数，实现测试装置质量流量的准确求解，为调节阀、流量计的合理选型提供计算依据，针对不同类型、规格的离心式、螺杆式制冷剂压缩机产品，可以为实现与相匹配的测试装置设计提供技术支撑。

(2)本发明基于被测压缩机的设计参数进行求解，适用性广，成本低，效率高。

附图说明

图1为本发明中提出的一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法流程图；

图2为基于制冷剂气体冷却法流程的测试装置系统图；

图3为测试装置压焓图。

图示：冷凝器1、气体冷却器2、闪发器3、油分离器4、液体调节阀5、气体调节阀6；气体冷却器液体支路a、气体冷却器气体支路b、降低吸气过热支路c、闪发器液体支路d、闪发器气体支路e、电机冷却支路f、被测压缩机中间补气支路g。

名词解释

测试装置：用于测量制冷压缩机制冷量或制热量等热力学性能的试验系统。

质量流量：单位时间内通过的制冷剂质量。

一级压缩：将压缩机吸气口处制冷剂压缩至低压级叶轮的输出口处的过程。

压缩机中间补气：在压缩机内制冷剂气体流动区域的中间某处开设补气口，通过补气口向压缩机内补充制冷剂气体过程。

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合：来自被测压缩机中间补气口的制冷剂与来自低压级叶轮的输出口处的制冷剂在固定容积的蜗壳内混合，混合后的制冷剂再进入高压级叶轮的输入口。

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容：在压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后，基于压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后的制冷剂压力和比焓求解的混合制冷剂比容。

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容：在压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后，基于压缩机一级压缩后制冷剂比容和相对补气率求解的混合制冷剂比容。

冷凝压力：测试装置中冷凝器内压力，冷凝压力压力属于需调节的试验工况参数，根据GB/T 5773-2016规定，在压缩机测试过程中，冷凝压力与压缩机排气压力的数值视为相等。

蒸发压力：被测压缩机所在实际应用中的制冷系统的蒸发器内压力，蒸发压力属于需调节的试验工况参数，根据GB/T 5773-2016规定，在压缩机测试过程中，蒸发压力与压缩机吸气压力的数值视为相等。

冷凝温度：冷凝压力对应的制冷剂饱和温度。

蒸发温度：蒸发压力对应的制冷剂饱和温度。

具体实施方式

本方案中的压缩机指的是，在性能试验中的被测试的压缩机。本方案中，所有等熵比焓指的是被测压缩机中制冷剂对应状态下的等熵比焓，所有比焓指的是被测压缩机中制冷剂对应状态下的比焓；文中，为方便表示，将制冷剂等熵比焓简化为等熵比焓，将制冷剂比焓简化为比焓。

本实施方式中提出的一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，包括以下步骤：

S1、计算压缩机一级压缩后压力p_1st，p_1st＝(p_1st,upper+p_1st,low)/2；

其中，p_1st,upper为压缩机一级压缩后压力的上限值，p_1st,low为压缩机一级压缩后压力的下限值；p_1st,upper的初始值为压缩机中间补气压力p_mid，p_1st,low的初始值为0。

S2、计算压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容v_mid,m’。

S3、当|v_mid,m-v_mid,m’|>ε时，如果v_mid,m>v_mid,m’，则设置p_1st,upper＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；如果v_mid,m<v_mid,m’，则设置 p_1st,low＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；ε为收敛条件参数。

S4、当|v_mid,m-v_mid,m’|≤ε时，则计算计算气体冷却器气体入口质量流量m_a、气体冷却器液体入口质量流量m_b、降低吸气过热支路质量流量m_c。

当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中没有电机冷却支路时：

当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中有电机冷却支路时：

其中，m_com,i为压缩机吸气质量流量，h_com,i为压缩机吸气比焓，h_c,l为冷凝压力下制冷剂饱和液体比焓，h_gl,o为气体冷却器出口比焓，h_com,o为压缩机排气比焓， h_f,o为电机冷却支路的出口比焓，m_f为电机冷却支路的质量流量。

步骤S5、根据冷凝压力下制冷剂饱和液体比焓h_c,l、压缩机中间补气入口比焓h_mid,i、压缩机排气比焓h_com,o、压缩机吸气质量流量m_com,i计算闪发器液体入口质量流量m_d和闪发器气体入口质量流量m_e，基于矩阵运算的计算模型如下：

其中，a表示压缩机相对补气率。

基于中间补气的补气型制冷压缩机性能测试装置(以下简称“测试装置”)的系统流程如图2所示，所述测试装置的压焓图如图3所示。其中，调节阀的阀前压力一般认为是被测压缩机的冷凝压力，阀后压力一般认为是被测压缩机的蒸发压力，测试装置各部件之间由管道连接，管道通常由绝热材料包裹，以阻止外界环境与管道内制冷剂之间传热，从而使得工况参数调节过程不受外界影响。为便于本领域技术人员的理解，下面结合图2和图3，对本发明实施例中的公式和计算模型的推导过程进行详细说明。

一、测试装置主回路循环

如图2所示，测试装置主回路循环的支路包括：气体冷却器液体支路a、气体冷却器气体支路b、降低吸气过热支路c、电机冷却支路f、冷凝器1、气体冷却器2、闪发器3和油分离器4。

本发明以离心式压缩机为例开展说明，对于离心式压缩机而言，压缩机包括低压级叶轮和高压级叶轮，低压级叶轮的输入口即为压缩机的吸气口，低压级叶轮的输出口与高压级叶轮的输入口通过基于固定容积的蜗壳连接，高压级叶轮的输出口即为压缩机的排气口。对于螺杆式压缩机而言，计算模型的推导结果同离心式压缩机。

压缩机的排气口与油分离器4的输入口连接，油分离器4的输出口与冷凝器1的输入口连接，同时油分离器4的输出口还通过闪发器气体支路e连通闪发器3的输入口，油分离器4的输出口还通过气体冷却器气体支路b连通气体冷却器2的气体输入口，气体冷却器2的输出口连通压缩机的输入口。闪发器气体支路e和气体冷却器气体支路b上均串联有气体调节阀6。冷凝器1的输出口通过闪发器液体支路d连通闪发器3的输入口，闪发器3的输出口通过被测压缩机中间补气支路g连通压缩机的高压级叶轮的输入口，实现对压缩机的高压端补气。冷凝器1的输出口通过气体冷却器液体支路a连通气体冷却器2的冷却液入口，冷凝器1的输出口还通过降低吸气过热支路c连通压缩机的输入口。冷凝器1的输出口还用于给压缩机降温的电机冷却支路f连通压缩机的入口。气体冷却器液体支路a、降低吸气过热支路c、闪发器液体支路d和电机冷却支路f上均串联有液体调节阀5。

在本方案的另一个实施例中，测试装置不包括电机冷却支路f。

根据行业标准JB/T12843-2016“离心式制冷剂压缩机”有关基于中间补气的压缩机制冷量表达，得到蒸发侧制冷剂质量流量，即压缩机吸气质量流量m_com,i：

m_com,i＝Q_e/(h_com,i-h_mid,l) (1)

其中，h_com,i表示压缩机吸气比焓；h_mid,l表示压缩机中间补气压力p_mid对应的饱和液体比焓，h_mid,l基于制冷剂物性函数关系根据压缩机中间补气压力p_mid查表或者查询Refprop软件数据库获得；Q_e表示压缩机的制冷量设计值。

压缩机一级压缩后的状态点为图3的点2’，压缩机一级压缩后比焓h_1st,o为：

其中，η_s表示压缩机等熵效率。

压缩机一级压缩后等熵比焓h_1st,o,s为：

h_1st,o,s＝f(p_1st,s_com,i) (3)

压缩机吸气状态点为图3的点1’，压缩机吸气比熵s_com,i为：

s_com,i＝f(p_e,T_e+ΔT_com,i) (4)

压缩机吸气比焓h_com,i为：

h_com,i＝f(p_e,T_e+ΔT_com,i) (5)

其中，p_1st为压缩机一级压缩后压力，单位为kPa；T_e为蒸发压力p_e对应的饱和温度，即蒸发温度；h_1st,o,s、s_com,i、h_com,i可以根据制冷剂热物性计算程序求解， f()代表制冷剂热物性函数。

本方案中，在公式(3)、(4)、(5)以及后续的公式(6)、(9)、(10)、 (14)、(15)、(18)、(19)、(29)中出现的f()为制冷剂物性函数，可根据查表、Refprop软件数据库或拟合公式计算求得，制冷剂物性函数均为本领域公知常识，本方案中不做赘述。

压缩机一级压缩后制冷剂比容v_1st,o为：

v_1st,o＝f(p_1st,h_1st,o) (6)

其中，h_mid,l表示压缩机中间补气压力p_mid对应的饱和液体比焓，压缩机中间补气压力p_mid、压缩机等熵效率η_s、压缩机的制冷量设计值Q_e、测试工况参数蒸发压力p_e与压缩机吸气过热度ΔT_com,i均为输入值，即被测压缩机的设计参数。

压缩机中间补气口的状态点、闪发器出口状态点同为图3的点10’，来自中间补气的制冷剂与来自一级压缩后的制冷剂在被测压缩机内混合，被测压缩机内混合状态点为图3的点3’，根据能量守恒有：

(1+a)h_mid,m＝h_1st,o+ah_mid,i (7)

中间补气混合后的比焓h_mid,m为：

h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a) (8)

被测压缩机中间补气口的比焓h_mid,i为：

h_mid,i＝f(p_mid,T_mid+ΔT_mid,i) (9)

其中，相对补气率a为输入值,T_mid为压缩机中间补气压力p_mid对应的饱和温度,ΔT_mid,i为压缩机中间补气口过热度。参数a、p_mid、ΔT_mid,i均为输入值，即被测压缩机的设计参数。

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m为：

v_mid,m＝f(p_mid,m,h_mid,m) (10)

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力p_mid,m为：

p_mid,m＝p_1st+(p_mid-p_1st)ξ_p (11)

补气过程压力损失系数ξ_p为输入值，即被测压缩机的设计参数。

对于离心压缩机而言，补气口一般在两级叶轮之间的蜗壳上，混合后制冷剂比容(即压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容)v_mid,m'还可以采用如下公式：

本实施方式中，为求取p_1st、p_mid,m、和h_mid,m，首先赋予压缩机一级压缩后压力 p_1st的初始值，基于公式(2)～公式(6)求解h_1st,o，以此为基础，基于公式(8)～公式(11) 求解v_mid,m，基于公式(6)和公式(12)求解v_mid,m'，结合上述步骤S1-S3，不断修改p_1st并求解v_mid,m和v_mid,m'，直至v_mid,m和v_mid,m'的差值绝对值小于或等于收敛条件参数ε。其中，ε为输入值。

压缩机排气口状态点为图3的点4’，压缩机排气比焓h_com,o为：

压缩机排气等熵比焓h_com,o,s为：

h_com,o,s＝f(p_c,s_mid,m) (14)

冷凝压力p_c为输入值，即被测压缩机的设计参数。

压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比熵s_mid,m为：

s_mid,m＝f(p_mid,m,h_mid,m) (15)

被测压缩机的电机在测试中存在有电机冷却支路和无电机冷却支路两种情况，下面对两种情况的计算推导分别进行详细讨论：

(1)当无电机冷却支路时，计算公式推导如下：

气体冷却器液体支路a的出口状态点为图3的点7’，气体冷却器气体支路b 出口状态点为图3的点9’，图2中来自气体冷却器液体支路a与气体冷却器气体支路b的制冷剂在气体冷却器内混合成过热蒸气，并从气体冷却器出口排出并达到压缩机吸气口，此时气体冷却器出口状态点即为压缩机吸气状态点(图3 的点1’)，根据能量守恒有：

m_ah_c,l+m_bh_com,o＝(m_a+m_b)h_gl,o (16)

将上式转变成如下表达形式：

m_a(h_c,l-h_gl,o)+m_b(h_com,o-h_gl,o)＝0 (17)

冷凝器内制冷剂饱和液体的状态点为图3的点5’，冷凝器内制冷剂饱和液体比焓h_c,l为：

h_c,l＝f(p_c) (18)

气体冷却器出口比焓h_gl,o为:

h_gl,o＝f(p_e,T_e+ΔT_gl,o) (19)

其中，冷凝压力p_c、蒸发压力p_e、蒸发温度T_e、气体冷却器出口过热度ΔT_gl,o均为输入值，即被测压缩机的设计参数。

降低吸气过热支路c向吸气管喷射的液体与来自气体冷却器的制冷剂气体混合，一方面，来自降低吸气过热支路c的制冷剂比焓从h_c,l升高到h_com,i，另一方面，来自气体冷却器的制冷剂比焓从h_gl,o降低到h_com,i，因此存在能量守恒：

m_c(h_com,i-h_c,l)＝(m_a+m_b)(h_gl,o-h_com,i) (20)

将上式转变成如下表达形式：

(m_a+m_b)h_gl,o+m_ch_c,l＝(m_a+m_b+m_c)h_com,i (21)

根据质量守恒，图2中来自气体冷却器液体支路a、气体冷却器气体支路b、降低吸气过热支路c的制冷剂质量流量之和等于压缩机吸气质量流量，因此有：

m_a+m_b+m_c＝m_com,i (22)

结合式(22)，公式(21)可转变成：

m_ah_gl,o+m_bh_gl,o+m_ch_c,l＝m_com,ih_com,i (23)

联立公式(17)、(22)、(23)成方程组，可表示为：

在公式(24)中，气体冷却器液体入口质量流量m_a，气体冷却器气体入口质量流量m_b，降低吸气过热支路质量流量m_c均为待求解的未知量。

(2)当有电机冷却支路时，计算公式推导如下：

图2中，降低吸气过热支路c的液体与来自气体冷却器的制冷剂过热蒸汽混合，相应的能量守恒方程为：

m_c(h_suc-h_c,l)＝(m_a+m_b)(h_gl,o-h_suc) (25)

式中，h_suc为降低吸气过热支路c之前的吸气管内制冷剂比焓。

式(25)可转变为：

m_ah_gl,o+m_bh_gl,o+m_ch_c,l＝(m_a+m_b+m_c)h_suc (26)

图2中，电机冷却支路f的出口制冷剂与吸气管路内的制冷剂混合，并最终达到压缩机吸气口，相应的能量守恒方程为：

m_fh_f,o+(m_a+m_b+m_c)h_suc＝m_com,ih_com,i (27)

电机冷却支路f的液体制冷剂用于冷却电机，因此存在能量平衡：

m_f(h_f,o-h_c,l)＝Q_cool (28)

电机冷却支路的出口比焓h_f,o为：

h_f,o＝f(p_e,T_e+ΔT_f,o) (29)

其中，蒸发压力p_e、蒸发温度T_e、电机冷却支路的出口过热度ΔT_f,o均为输入值，即被测压缩机的设计参数。

根据式(28)，降低吸气过热支路f的质量流量可表示为：

m_f＝Q_cool/(h_f,o-h_c,l) (30)

其中，电机冷却热负荷Q_cool为输入值，即被测压缩机的设计参数。

结合公式(26)和公式(27)可以推导出：

m_ah_gl,o+m_bh_gl,o+m_ch_c,l＝m_com,ih_com,i-m_fh_f,o (31)

根据质量守恒，图2中来自气体冷却器液体支路a、气体冷却器气体支路b、降低吸气过热支路c、电机冷却支路f的制冷剂流量之和等于压缩机吸气质量流量，因此有：

m_a+m_b+m_c＝m_com,i-m_f (32)

对于气体冷却器而言，公式(17)仍然成立，联立公式(17)、(31)、(32)可得方程组为：

在公式(33)中，气体冷却器液体入口质量流量m_a，气体冷却器气体入口质量流量m_b，降低吸气过热支路质量流量m_c均为待求解的未知量。

(3)测试装置主回路循环的各支路质量流量计算模型推导如下：

通过对比方程组(24)与方程组(33)发现，可以统一表达成如下的矩阵形式：

MH＝A (34)

其中，

当没有电机冷却时，

当考虑电机冷却时，

基于公式(34)，气体冷却器液体支路a、气体冷却器气体支路b、降低吸气过热支路c的质量流量可根据如下公式计算：

M＝AH^-1 (35)

二、测试装置补气回路循环

如图2所示，测试装置补气回路循环的支路包括：闪发器液体支路d、闪发器气体支路e。

闪发器液体支路出口状态点为图3的点6’，闪发器气体支路出口状态点为图3的点8’，图2中来自闪发器液体支路d、闪发器气体支路e的制冷剂在闪发器内混合，混合后闪发器出口状态点为图3的点10’，闪发器液体入口质量流量 m_d、闪发器气体入口质量流量m_e的公式推导如下：

类似气体冷却器，闪发器的能量守恒表达为：

m_dh_c,l+m_eh_com,o＝(m_d+m_e)h_mid,i (36)

式(36)可表达为：

m_d(h_c,l-h_mid,i)+m_e(h_com,o-h_mid,i)＝0 (37)

其中，压缩机中间补气入口比焓h_mid,i可按公式(9)计算。

根据质量守恒，来自闪发器液体支路d、闪发器气体支路e的制冷剂流量之和等于压缩机补气质量流量m_mid，因此有：

m_d+m_e＝m_mid (39)

压缩机补气质量流量：

m_mid＝am_com,i (40)

其中，a表示压缩机相对补气率。

基于公式(37)、公式(39)和公式(40)可得矩阵形式：

M_midH_mid＝A_mid (41)

其中，

闪发器液体入口质量流量m_d、闪发器气体入口质量流量m_e可根据如下公式计算：

M_mid＝A_midH_mid ^-1 (42)

为使本领域技术人员能够更清楚的理解本发明提供的技术方案，下面结合具体实施例进行详细说明。

第一步：获取被测压缩机的制冷剂种类、制冷量设计值Q_e、冷凝压力p_c、蒸发压力p_e、压缩机中间补气压力p_mid、压缩机吸气过热度△T_com,i、压缩机等熵效率η_s、气体冷却器出口过热度△T_gl,o、压缩机中间补气过热度△T_mid,i、压缩机相对补气率a、补气过程压力损失系数ξ_p、收敛条件参数ε等。

具体参数数值如表1所示：

表1被测压缩机的性能参数与工况参数表

项目	单位	数值
			制冷剂种类	/	R134a
制冷量设计值Q<sub>e</sub>	kW	3500
			冷凝压力p<sub>c</sub>	kPa	911.85
蒸发压力p<sub>e</sub>	kPa	361.97
			压缩机中间补气压力p<sub>mid</sub>	kPa	574.52
压缩机吸气过热度△T<sub>com,i</sub>	℃	1.0
			压缩机等熵效率η<sub>s</sub>	/	0.65
气体冷却器出口过热度△T<sub>gl,o</sub>	℃	6.0
			压缩机中间补气过热度△T<sub>mid,i</sub>	℃	3.0
压缩机相对补气率a	/	0.1
			补气过程压力损失系数ξ<sub>p</sub>	/	0.3
收敛条件参数ε	/	0.0001

第二步：根据所述蒸发压力p_e和所述压缩机吸气过热度△T_com,i确定压缩机吸气比焓h_com,i和压缩机吸气比熵s_com,i，根据所述冷凝压力p_c确定冷凝器内制冷剂饱和液体比焓h_c,l，根据所述蒸发压力p_e和所述气体冷却器出口过热度△T_gl,o确定气体冷却器出口比焓h_gl,o，根据所述压缩机中间补气压力p_mid确定压缩机中间补气压力对应的饱和液体比焓h_mid,l，根据所述压缩机中间补气压力p_mid和所述压缩机中间补气过热度△T_mid,i确定压缩机中间补气入口比焓h_mid,i；

具体参数数值如表2所示：

表2被测压缩机及压缩机测试装置的工况参数

第三步：根据所述被测压缩机的制冷量设计值Q_e、所述压缩机吸气比焓h_com,i、所述压缩机中间补气压力对应的饱和液体比焓h_mid,l，计算压缩机吸气质量流量 m_com,i：

m_com,i＝Q_e/(h_com,i-h_mid,l)＝19.97(kg/s) (A)

第四步：设置压缩机一级压缩后压力的上限值p_1st,upper为所述压缩机中间补气压力p_mid，设置压缩机一级压缩后压力的下限值p_1st,low为0:；

第五步：根据上述步骤S1-S3，不断调整p_1st,upper和p_1st,low，并基于以下公式(B)～公式(F)求解压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m与所述压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容v_mid,m’，使得所述v_mid,m与所述v_mid,m’的差值绝对值小于或等于收敛条件参数ε，以确定压缩机一级压缩后压力p_1st、压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力 p_mid,m、压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓h_mid,m。

p_1st＝(p_1st,upper+p_1st,low)/2； (B)

p_mid,m＝p_1st+(p_mid-p_1st)ξ_p (D)

h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a) (E)

基于步骤S1～S3的迭代计算过程如表3所示。

表3基于步骤S1～S3的被测压缩机工况参数计算值统计表

表3(续)基于步骤S1～S3的被测压缩机工况参数计算值

第六步：根据所述压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力 p_mid,m和所述压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓h_mid,m确定压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比熵s_mid,m，根据所述冷凝压力p_c和所述压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比熵s_mid,m确定压缩机排气等熵比焓h_com,o,s；

具体数值如表4所示：

表4被测压缩机工况参数

第七步：根据所述压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓 h_mid,m、所述压缩机排气等熵比焓h_com,o,s、所述压缩机等熵效率η_s计算压缩机排气比焓h_como：

第八步：获取电机冷却热负荷Q_cool、电机冷却支路的出口过热度T_f,o，具体数值如表5所示：

表5电机冷却热负荷Q_cool与电机冷却支路的出口过热度T_f,o

项目	单位	数值
			电机冷却热负荷Q<sub>cool</sub>	kW	10
电机冷却支路的出口过热度△T<sub>f,o</sub>	℃	2.0

第九步：根据所述蒸发压力p_e和所述电机冷却支路的出口过热度△T_f,o确定电机冷却支路的出口比焓h_f,o，具体数值如表6：

表6电机冷却支路的出口比焓

项目	单位	数值
			电机冷却支路的出口比焓h<sub>f,o</sub>	kJ/kg	403.91

第十步：根据所述电机冷却热负荷Q_cool、所述电机冷却支路的出口比焓h_f,o、所述冷凝器内制冷剂饱和液体比焓h_c,l，计算电机冷却支路的质量流量m_f：

m_f＝Q_cool/(h_f,o-h_c,l)＝0.065(kg/s) (K)

第十一步：存在电机冷却支路时，则根据公式(I)和所述冷凝器内制冷剂饱和液体比焓h_c,l、所述气体冷却器出口比焓h_gl,o、所述压缩机排气比焓h_com,o、所述电机冷却支路的出口比焓h_f,o、所述电机冷却支路质量流量m_f计算气体冷却器气体入口质量流量m_a、气体冷却器液体入口质量流量m_b、降低吸气过热支路质量流量m_c，具体计算数值如表7所示。

表7主回路的各支路质量流量计算值

项目	单位	数值
			气体冷却器气体入口质量流量m<sub>a</sub>	kg/s	2.41
气体冷却器液体入口质量流量m<sub>b</sub>	kg/s	253.88
			降低吸气过热支路质量流量m<sub>c</sub>	kg/s	7.83

第十二步：根据公式(J)和所述冷凝器内制冷剂饱和液体比焓h_c,l、所述压缩机中间补气入口比焓h_mid,i、所述压缩机排气比焓h_com,o、所述压缩机补气质量流量m_mid计算闪发器气体入口质量流量m_d和闪发器气体入口质量流量m_e，具体数值如表 8所示：

表8补气回路的各支路质量流量计算值

项目	单位	数值
			闪发器气体入口质量流量m<sub>d</sub>	kg/s	0.19
闪发器气体入口质量流量m<sub>e</sub>	kg/s	1.81

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算压缩机一级压缩后压力p_1st，p_1st＝(p_1st,upper+p_1st,low)/2；

其中，p_1st,upper为压缩机一级压缩后压力的上限值，p_1st,low为压缩机一级压缩后压力的下限值；p_1st,upper的初始值为压缩机中间补气压力p_mid，p_1st,low的初始值为0；

S2、计算压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第一比容v_mid,m和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后第二比容v_mid,m’；

v_mid,m＝f(p_mid,m,h_mid,m)；

其中，f()表示制冷剂物性函数关系，p_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力，h_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓；v_1st,o表示压缩机一级压缩后制冷剂比容，a表示压缩机相对补气率；

S3、当|v_mid,m-v_mid,m’|>ε时，如果v_mid,m>v_mid,m’，则设置p_1st,upper＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；如果v_mid,m<v_mid,m’，则设置p_1st,low＝p_1st，然后返回步骤S1并重新计算压缩机一级压缩后压力p_1st；ε为收敛条件参数；

S4、当|v_mid,m-v_mid,m’|≤ε时，则计算气体冷却器液体入口质量流量m_a、气体冷却器气体入口质量流量m_b、降低吸气过热支路质量流量m_c。

2.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，步骤S4中，当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中没有电机冷却支路时，基于矩阵运算的计算模型如下：

当所述补气型制冷压缩机性能测试装置中有电机冷却支路时，基于矩阵运算的计算模型如下：

其中，m_com,i为压缩机吸气质量流量，h_com,i为压缩机吸气比焓，h_c,l为冷凝压力对应的制冷剂饱和液体比焓，h_gl,o为气体冷却器出口比焓，h_com,o为压缩机排气比焓，h_f,o为电机冷却支路的出口比焓，m_f为电机冷却支路的质量流量，h_gl,o根据蒸发压力p_e和气体冷却器出口过热度△T_gl,o确定。

3.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，还包括步骤S5：根据冷凝压力对应的制冷剂饱和液体比焓h_c,l、压缩机中间补气入口比焓h_mid,i、压缩机排气比焓h_com,o、压缩机吸气质量流量m_com,i计算闪发器液体入口质量流量m_d和闪发器气体入口质量流量m_e，基于矩阵运算的计算模型如下：

其中，a表示压缩机相对补气率。

4.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，p_mid,m和h_mid,m的计算公式如下：

p_mid,m＝p_1st+(p_mid-p_1st)ξ_p；

h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a)；

其中，p_mid表示压缩机中间补气压力，ξ_p表示补气过程压力损失系数；h_1st,o表示压缩机一级压缩后比焓，h_mid,i表示压缩机中间补气入口比焓，h_mid,i根据压缩机中间补气压力p_mid和压缩机中间补气过热度△T_mid,i确定。

5.如权利要求4所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于：

其中，h_1st,o,s表示压缩机一级压缩后等熵比焓，h_1st,o,s基于制冷剂物性函数关系根据压缩机一级压缩后压力p_1st和压缩机吸气比熵s_com,i确定；h_com,i表示压缩机吸气比焓，η_s表示压缩机等熵效率,s_com,i和h_com,i均根据蒸发压力p_e和压缩机吸气过热度△T_com,i确定。

6.如权利要求3所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，压缩机一级压缩后制冷剂比容v_1st,o基于制冷剂物性函数关系根据压缩机一级压缩后压力p_1st和压缩机一级压缩后比焓h_1st,o确定。

7.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于：m_com,i＝Q_e/(h_com,i-h_mid,l)；

其中，h_com,i表示压缩机吸气比焓；h_mid,l表示压缩机中间补气压力p_mid对应的饱和液体比焓，h_mid,l基于制冷剂物性函数关系根据压缩机中间补气压力p_mid确定；Q_e表示压缩机的制冷量设计值。

8.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于：

其中，h_com,o,s表示压缩机排气等熵比焓，h_mid,m表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓，h_mid,m＝(h_1st,o+ah_mid,i)/(1+a)。

9.如权利要求8所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于，压缩机排气等熵比焓h_com,o,s基于制冷剂物性函数关系根据冷凝压力p_c和压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比熵s_mid,m确定，s_mid,m根据压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后压力p_mid,m和表示压缩机中间补气制冷剂与一级压缩后制冷剂混合后比焓h_mid,m确定。

10.如权利要求1所述的制冷压缩机性能测试装置的质量流量计算方法，其特征在于：m_f＝Q_cool/(h_f,o-h_c,l)；

其中，Q_cool表示电机冷却热负荷，h_f,o基于制冷剂物性函数关系根据蒸发压力p_e和电机冷却支路的出口过热度△T_f,o确定。

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