高溫?zé)岜糜秒p螺桿壓縮機(jī)內(nèi)壓力比調(diào)節(jié)方式

邢林芬 何永寧 曹鋒 張業(yè)強(qiáng) 殷叔靖 李耀全

（1鄭州輕工業(yè)學(xué)院能動(dòng)學(xué)院 鄭州 450002；2西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院 西安 710049；3江蘇辛普森新能源有限公司 揚(yáng)州 225000）

高溫?zé)岜糜秒p螺桿壓縮機(jī)內(nèi)壓力比調(diào)節(jié)方式

邢林芬1，2何永寧1曹鋒2張業(yè)強(qiáng)1殷叔靖3李耀全3

（1鄭州輕工業(yè)學(xué)院能動(dòng)學(xué)院 鄭州 450002；2西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院 西安 710049；3江蘇辛普森新能源有限公司 揚(yáng)州 225000）

高溫工業(yè)熱泵運(yùn)行時(shí)熱源溫度波動(dòng)較大，壓縮機(jī)外壓比變化導(dǎo)致內(nèi)外壓比不相等，壓縮機(jī)功耗上升，熱泵能效下降。本文提出了采用經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣過(guò)程調(diào)節(jié)雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)壓力比的調(diào)節(jié)方式。通過(guò)向壓縮腔中補(bǔ)充制冷劑氣體，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的內(nèi)壓縮最終壓力，使其與排氣管道中壓力相同，消除欠壓縮過(guò)程，使壓縮機(jī)實(shí)際壓縮過(guò)程接近多變過(guò)程，降低運(yùn)行附加功耗，增大熱泵能效比。實(shí)驗(yàn)得到冷凝器90℃出水工況下不同補(bǔ)氣壓力時(shí)熱泵的性能參數(shù)，結(jié)果表明：在最優(yōu)補(bǔ)氣壓力下，壓縮機(jī)絕熱效率與熱泵制熱能效比同時(shí)達(dá)到最大，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)氣壓力調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)壓力比的目的。

高溫?zé)岜?；雙螺桿壓縮機(jī)；內(nèi)壓力比調(diào)節(jié)；補(bǔ)氣

高溫?zé)岜靡云漭^高的出水溫度滿足工業(yè)加熱需求，與傳統(tǒng)電加熱、蒸氣加熱方式相比，加熱效率更高，使用安全，在化工過(guò)程、紡織品印染等諸多場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用［1－2］。高溫?zé)岜脩?yīng)用于工業(yè)加熱場(chǎng)合時(shí)，冷凝側(cè)及蒸發(fā)側(cè)循環(huán)水流量、溫度變化較大，使得高溫?zé)岜美淠郎囟燃罢舭l(fā)溫度波動(dòng)范圍較大，熱泵冷凝壓力及蒸發(fā)壓力變化較大。當(dāng)運(yùn)行工況在較大范圍波動(dòng)時(shí)，高溫?zé)岜帽３指咝н\(yùn)行存在一定困難，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較低［3－5］。高溫?zé)岜媚壳岸嗖捎秒p螺桿壓縮機(jī)［6］，作為主要的功耗元件，壓縮機(jī)的功耗直接決定著熱泵的性能。由于雙螺桿壓縮機(jī)自身無(wú)吸、排氣閥，壓縮機(jī)的吸氣過(guò)程及排氣過(guò)程均隨螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)完成。當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)壓縮終了壓力pi與排氣管道中壓力pd不同時(shí)，將導(dǎo)致過(guò)壓縮及欠壓縮過(guò)程的發(fā)生，壓縮機(jī)功耗增加，熱泵能效比降低［7］。內(nèi)壓縮終了壓力與排氣管道中壓力存在的差值還會(huì)在排氣過(guò)程中產(chǎn)生激波［8］，增加管道的振動(dòng)及噪音，影響熱泵運(yùn)行安全。

高溫工業(yè)熱泵由于應(yīng)用場(chǎng)合的限制，自身工況變化范圍更大，當(dāng)冷凝溫度與蒸發(fā)溫度溫差增大時(shí)，熱泵系統(tǒng)冷凝壓力與蒸發(fā)壓力差值增大，壓縮機(jī)排氣管道壓力增大，壓縮機(jī)內(nèi)、外壓力不平衡程度增加，導(dǎo)致功耗增加，熱泵能效比下降［4］。為保持熱泵高效運(yùn)行，需對(duì)壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 內(nèi)壓力比調(diào)節(jié)方式

雙螺桿壓縮機(jī)吸、排氣孔口的位置和形狀決定內(nèi)壓力比，而熱泵運(yùn)行中的實(shí)際吸氣壓力ps、排氣壓力pd決定壓縮機(jī)的外壓力比。在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，多采用設(shè)置滑閥的方式調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比。通過(guò)滑閥調(diào)節(jié)方案，獲得變化的排氣孔口面積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)容積比及內(nèi)壓力比的調(diào)節(jié)。該類調(diào)節(jié)方式僅影響壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比，并不會(huì)改變壓縮機(jī)的容積流量。該類調(diào)節(jié)方式多用于壓縮機(jī)制冷、制熱工況的轉(zhuǎn)換，實(shí)際運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)內(nèi)壓力比范圍有限且實(shí)時(shí)響應(yīng)較差，不能根據(jù)工況變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的內(nèi)壓力比。

針對(duì)高溫?zé)岜糜秒p螺桿壓縮機(jī)，借鑒帶經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣熱泵工作過(guò)程［9－12］，提出了采用經(jīng)濟(jì)器過(guò)程調(diào)節(jié)雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)壓力比，改善熱泵性能的方案。補(bǔ)氣雙螺桿高溫?zé)岜孟到y(tǒng)如圖1所示：在熱泵中設(shè)置經(jīng)濟(jì)器，通過(guò)壓縮機(jī)上的補(bǔ)氣孔口，向壓縮機(jī)壓縮腔中補(bǔ)充制冷劑氣體，通過(guò)增加壓縮腔內(nèi)制冷劑的質(zhì)量，改變壓縮機(jī)的內(nèi)壓縮過(guò)程，進(jìn)而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)壓縮終了的內(nèi)壓力［13－17］。

圖1 補(bǔ)氣雙螺桿高溫?zé)岜孟到y(tǒng)Fig．1 The system of high temperature heat pump with vapor injection

2 壓縮機(jī)性能分析

固定內(nèi)壓力比壓縮機(jī)容積效率與絕熱效率隨外壓比的變化如圖2所示。壓縮機(jī)內(nèi)壓比為固定值3，隨著外部工況的變化，當(dāng)熱泵外壓比由1.5增加至4時(shí)，壓縮機(jī)容積效率隨外壓比的增加而降低，絕熱效率先增加后降低；當(dāng)壓縮機(jī)外壓比偏離內(nèi)壓比時(shí)，增大或減小外壓比均降低了壓縮機(jī)絕熱效率。當(dāng)熱泵外壓比為3時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)外壓比相同，此時(shí)壓縮機(jī)絕熱效率達(dá)到最大。

圖2 內(nèi)壓力比為3的壓縮機(jī)性能隨外壓比變化Fig．2 Performance variations of compressor with constant inner pressure ratio

當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)外壓比不相等時(shí)，內(nèi)壓力比εi與外壓力比εd差值Δε及壓比差值百分比δε為：

以壓縮腔與排氣管道連通作為分界，將壓縮過(guò)程功耗計(jì)算分兩步：內(nèi)壓縮部分指示功及內(nèi)外壓力連通時(shí)外壓縮部分指示功。將吸氣壓力壓縮至內(nèi)壓縮終了壓力過(guò)程，壓縮機(jī)內(nèi)壓縮部分指示功：

內(nèi)壓縮終了壓力與排氣管道壓力連通時(shí)，壓縮機(jī)外壓縮部分指示功：

壓縮機(jī)壓縮過(guò)程整體指示功：

壓縮機(jī)將制冷劑蒸氣由ps壓縮至pd的整個(gè)過(guò)程可理想化為多變指數(shù)為n的多變壓縮過(guò)程，多變壓縮功：

附加功耗的大小可用于衡量實(shí)際壓縮過(guò)程接近多變過(guò)程的程度，由于壓縮機(jī)內(nèi)外壓不同造成的附加功耗：

對(duì)由于內(nèi)外壓力不相等導(dǎo)致的附加功百分比δW定義如下：

雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)壓比分別為2、3、4時(shí)，不同多變指數(shù)n與不同內(nèi)、外壓比差值δε百分比的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)δε為正值時(shí)，即內(nèi)壓力比大于外壓力比，壓縮機(jī)處于過(guò)壓縮狀態(tài)；當(dāng)δε為負(fù)值時(shí)，即內(nèi)壓力比小于外壓力比，壓縮機(jī)處于欠壓縮狀態(tài)。隨著δε偏離0點(diǎn)程度的增加，壓縮機(jī)附加功耗均增加，即過(guò)壓縮及欠壓縮機(jī)過(guò)程均增加了壓縮機(jī)的功耗；當(dāng)δε相同時(shí)，即內(nèi)外壓差值為定值時(shí)，不同多變指數(shù)下，過(guò)壓縮過(guò)程造成的壓縮機(jī)功耗附加值均遠(yuǎn)大于欠壓縮過(guò)程導(dǎo)致的功耗附加值。

圖3 附加功百分比δW與壓比差值百分比δε關(guān)系曲線Fig．3 Variations of δWat different δε

高溫?zé)岜弥?，?dāng)工況改變使冷凝壓力及蒸發(fā)壓力之間差值增大時(shí)，壓縮機(jī)外壓力比增大，而內(nèi)壓力比受壓縮機(jī)自身幾何結(jié)構(gòu)的限制，其值不隨工況的改變而變化，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)外壓比之間的差異變大。隨著壓差百分比的增加，壓縮機(jī)附加功耗上升，壓縮機(jī)總功耗增加。

在熱泵中增加經(jīng)濟(jì)器后，通過(guò)補(bǔ)氣管路向壓縮機(jī)容積腔內(nèi)補(bǔ)充部分制冷劑氣體，增加壓縮機(jī)內(nèi)壓縮終了壓力，此時(shí)壓縮機(jī)附加功百分比與壓比差值百分比δε關(guān)系如圖4所示。由于制冷劑質(zhì)量流量的增加，固定內(nèi)壓力比壓縮機(jī)容積腔內(nèi)制冷劑壓力上升，內(nèi)壓縮終了壓力升高。當(dāng)壓縮機(jī)處于欠壓縮狀態(tài)時(shí)，壓比差值百分比為負(fù)值區(qū)域，增加經(jīng)濟(jì)器過(guò)程有效的降低了壓縮機(jī)功耗增量，該區(qū)域內(nèi)，增加經(jīng)濟(jì)器過(guò)程明顯降低了壓縮機(jī)功耗增量，對(duì)增加熱泵熱力特性有利；當(dāng)系統(tǒng)處于過(guò)壓縮狀態(tài)時(shí)，如圖4中壓比差值百分比為正值區(qū)域，通過(guò)增加經(jīng)濟(jì)器過(guò)程繼續(xù)增大了壓縮機(jī)的壓縮終了壓力，增大了過(guò)壓縮的程度，極大增加了壓縮機(jī)功耗增量，該區(qū)域內(nèi)，增加經(jīng)濟(jì)器過(guò)程明顯增加了壓縮機(jī)功耗增量，此時(shí)，在熱泵系統(tǒng)中加入經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣過(guò)程無(wú)助于增加熱泵熱力特性。

圖4 經(jīng)濟(jì)器過(guò)程附加功百分比δW與壓比差值百分比δε關(guān)系Fig．4 Variations of δWwith economizer at different δε

針對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)補(bǔ)氣過(guò)程在高溫?zé)岜霉r下的性能，實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)器進(jìn)出口水溫為45℃/40℃，冷凝器進(jìn)出口水溫為85℃/90℃時(shí)，采用R124制冷劑的高溫?zé)岜迷谘a(bǔ)氣壓力為0.5～1.3 MPa時(shí)高溫?zé)岜眯阅軈?shù)變化。壓縮機(jī)的軸功及指示功隨補(bǔ)氣壓力的變化如圖5所示。隨補(bǔ)氣壓力的增加，壓縮機(jī)中制冷劑的質(zhì)量流量增加，壓縮機(jī)軸功及指示功隨之增加。壓縮機(jī)的絕熱功先增加后減小。

圖5 不同補(bǔ)氣壓力下壓縮機(jī)功耗變化Fig．5 Variations of power consumption at different injection pressure

圖6 不同補(bǔ)氣壓力下壓縮機(jī)性能參數(shù)變化Fig．6 Variations of compressor performance at different injection pressure

圖6所示為不同補(bǔ)氣壓力下，熱泵絕熱效率的變化。隨著補(bǔ)氣壓力的增加，壓縮機(jī)絕熱效率先增加后減小，在補(bǔ)氣壓力達(dá)到0.95 MPa時(shí)，系統(tǒng)絕熱效率達(dá)到最大。該規(guī)律與壓縮機(jī)內(nèi)外壓比相同時(shí)，絕熱效率達(dá)到最大相吻合。壓縮機(jī)絕熱效率在壓縮機(jī)內(nèi)外壓比相同時(shí)達(dá)到最大，在經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)補(bǔ)氣壓力，增大壓縮機(jī)內(nèi)壓縮終了壓力，使其與系統(tǒng)外壓比相同，壓縮機(jī)的絕熱效率達(dá)到最大。同時(shí)，如圖8所示，系統(tǒng)的制熱COP在補(bǔ)氣壓力為0.95 MPa時(shí)達(dá)到最大。

在系統(tǒng)COP達(dá)到最大的最優(yōu)補(bǔ)氣壓力下，系統(tǒng)的絕熱效率同時(shí)達(dá)到了最大，此時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)、外壓比相同，無(wú)欠壓縮過(guò)程及過(guò)壓縮過(guò)程的出現(xiàn)，壓縮機(jī)附加功耗最低。采用經(jīng)濟(jì)器過(guò)程顯著改善了壓縮機(jī)在變工況運(yùn)行時(shí)的性能，提高了熱泵制熱能效比，可用于優(yōu)化高溫工業(yè)熱泵運(yùn)行性能。

圖7 不同補(bǔ)氣壓力下系統(tǒng)COP變化Fig．7 Variations of COP at different injection pressure

3 結(jié)論

高溫?zé)岜糜糜诠I(yè)場(chǎng)合加熱時(shí)，由于工況不穩(wěn)定性造成雙螺桿壓縮機(jī)內(nèi)外壓比不相等，壓縮機(jī)過(guò)壓縮及欠壓縮都將引起壓縮功耗的上升，壓縮機(jī)處于過(guò)壓縮時(shí)，功耗增加量明顯大于欠壓縮時(shí)，高溫?zé)岜眠\(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格限制壓縮機(jī)處于過(guò)壓縮狀態(tài)。

當(dāng)高溫?zé)岜糜秒p螺桿壓縮機(jī)處于欠壓縮狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)向壓縮機(jī)容積腔中補(bǔ)充制冷劑氣體，削弱壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的欠壓縮程度。進(jìn)行的高溫?zé)岜迷?0℃出水工況下，通過(guò)壓縮機(jī)補(bǔ)氣過(guò)程調(diào)節(jié)壓縮機(jī)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)壓縮機(jī)補(bǔ)氣壓力處于熱泵制熱COP最大時(shí)，絕熱效率也達(dá)到最大值。補(bǔ)氣過(guò)程可降低壓縮機(jī)欠壓縮時(shí)的附加功耗，使壓縮過(guò)程接近多變壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)絕熱效率增大。壓縮機(jī)功耗達(dá)到該工況下的最小值，高溫?zé)岜媚苄П冗_(dá)到最大。與采用滑閥調(diào)節(jié)內(nèi)壓比的方式相比，該方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)效果明顯，利于操作，可用于調(diào)節(jié)高溫?zé)岜弥茻崮苄П取?/p>

在熱泵用雙螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)適當(dāng)減小壓縮機(jī)內(nèi)壓力比的設(shè)計(jì)方案，為實(shí)際運(yùn)行中，增加壓縮機(jī)補(bǔ)氣過(guò)程，留出一定裕度。當(dāng)采用經(jīng)濟(jì)器過(guò)程時(shí)，通過(guò)補(bǔ)氣過(guò)程調(diào)節(jié)內(nèi)壓力比，保證高溫?zé)岜米児r下的高效運(yùn)行。

本文受食品生產(chǎn)與安全河南省協(xié)同創(chuàng)新中心（FCIC201614）和江蘇省科技計(jì)劃（BA2016051）項(xiàng)目資助。（The project was supported by the Collaborative Innovation Center of Food Produc?tion and Safety of Henan Province（No．FCIC201614）and Jiangsu Science and Technology Project（No．BA2016051）．）

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Inner?pressure Ratio Adjustment of the Twin?screw Compressor in a High?temperature Heat Pump

Xing Linfen1，2He Yongning1Cao Feng2Zhang Yeqiang1Yin Shujing3Li Yaoquan3
（1．School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China；2．School of Energy and Power Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China；3．Simpsun Air Con?ditioning，Yangzhou，225000，China）

Changing the working conditions of an industrial heat pump can cause a mismatch of the inner and outer pressure ratios of the twin?screw compressor．Over?compression and under?compression increase the compressor power consumption and decrease the heat?pump′s coefficient of performance （COP）．Injecting refrigerant vapor into the compression chamber would increase the inner?pressure ratio and avoid under?compression．An experimental study was conducted with different injection pressures when the condenser outlet′s water tem?perature reached 90℃．The results show that the optimal injection pressure causes the COP and adiabatic efficiency to peak at the same time．This result shows that the vapor injection changes the compression process to a quasi?polytropic compression process．Adjusting the compressor′s inner?pressure ratio by changing the refrigerant?injection pressure is feasible．

high temperature heat pump；twin screw compressor；inner pressure ratio adjustment；vapor injection

Xing Linfen，female，lecturer，School of Energy and Power Engi?neering，Zhengzhou University of Light Industry，＋86 18837166281，E?mail： xlf＠ zzuli．edu．cn．Research fields： air conditioner and heat pump．

TB61＋1；TB652；TQ051．5

A

0253－4339（2017）06－0094－05

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.094

國(guó)家自然科學(xué)基金（51576152）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （No．51576152）．）

2016年12月22日

邢林芬，女，講師，鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院，18837166281，E?mail：xlf＠ zzuli．edu．cn。 研究方向：空調(diào)與熱泵。