用于補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)的壓縮機(jī)研究

蔣建江，黃正宗，鄒寅明，王 濤

（1.浙江紅五環(huán)機(jī)械股份有限公司，浙江衢州324000；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州450000）

1 引言

制冷技術(shù)是為適應(yīng)人們對低于環(huán)境溫度條件的需要而產(chǎn)生發(fā)展起來的；與制冷的定義相似，從環(huán)境中吸取熱量，并將其轉(zhuǎn)移給高于環(huán)境溫度的加熱對象的過程，稱為熱泵供熱。熱泵循環(huán)與制冷循環(huán)的形式相同，而循環(huán)的目的不同[1]。不斷的提高制冷（熱）系統(tǒng)的能效，滿足人們的生活、生產(chǎn)需要，是制冷（熱）行業(yè)發(fā)展的永恒主題。隨著人們對采暖供熱的需求也不斷提升以及環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，促進(jìn)了空氣源熱泵的研究發(fā)展[2]。補(bǔ)氣增焓技術(shù)就是在這樣的背景下，為了保證熱泵系統(tǒng)在低環(huán)境下的供熱量而推廣起來的一項(xiàng)新技術(shù)。

補(bǔ)氣增焓技術(shù)又被稱為帶經(jīng)濟(jì)器制冷系統(tǒng)技術(shù)、中間補(bǔ)氣技術(shù)或者氣態(tài)制冷劑噴射技術(shù)（Gas Refrigerant Injection）。該技術(shù)最早被應(yīng)用于螺桿式制冷機(jī)組，即帶經(jīng)濟(jì)器制冷系統(tǒng)技術(shù)，其主要作用是增加在低蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)制冷量[3-4]。隨著人們對于制冷（熱）系統(tǒng)能效追求的提高，以及空氣源熱泵制熱量的需求的增加[5-6]，補(bǔ)氣增焓技術(shù)被應(yīng)用于渦旋壓縮機(jī)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，其實(shí)施方法也靈活多變。當(dāng)前，補(bǔ)氣增焓技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于空氣源熱泵領(lǐng)域，其主要目的是為了增加熱泵系統(tǒng)的制熱量[7-8]。

本文從系統(tǒng)熱力學(xué)分析、壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的開設(shè)方法兩個(gè)方面介紹了補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)。

2 補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)

目前廣泛采用的補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)主要包括，閃發(fā)器系統(tǒng)和過冷器系統(tǒng)[2]。2種系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，閃發(fā)器系統(tǒng)補(bǔ)入壓縮機(jī)的制冷劑更接近于飽和狀態(tài)，而過冷器系統(tǒng)補(bǔ)入壓縮機(jī)的制冷劑往往處于過熱狀態(tài)。

2.1 熱力學(xué)分析

熱力學(xué)分析的主要目的是從理論上分析系統(tǒng)的節(jié)能潛力與合理性。人們對補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)進(jìn)行了大量的熱力學(xué)分析[9]，如圖1所示，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)中壓縮機(jī)的流量包括流過蒸發(fā)器的流量和補(bǔ)氣的流量，因此增加增加了壓縮機(jī)質(zhì)量流量，從而增加了制熱量，同時(shí)壓縮機(jī)的排氣溫度由1′點(diǎn)變?yōu)榱?點(diǎn)，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)降低了壓縮機(jī)排氣溫度。

但是，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)不一定能夠增加系統(tǒng)的COP，這是因?yàn)楦鶕?jù)制冷劑的物性，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)增加的制熱量與增加的壓縮機(jī)的功率之比，不一定大于單級循環(huán)的COP。何永寧[10]指出由于制熱量及被應(yīng)用于渦旋壓縮機(jī)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。其實(shí)施方法也靈活多變。當(dāng)前，補(bǔ)氣增焓技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于空氣源熱泵領(lǐng)域，其主要目的是為了增加熱泵系統(tǒng)的制熱量[7，8]。

圖1 補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的壓焓圖

本文從系統(tǒng)熱力學(xué)分析、壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的開設(shè)方法2個(gè)方面介紹了補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)。

壓縮機(jī)功耗增加幅度的差異，系統(tǒng)制熱COP隨相對補(bǔ)氣量的變化呈現(xiàn)出先增加后減小的狀況。

2.2 最優(yōu)補(bǔ)氣壓力的確定

雖然在一些極端工況下，人們以增加制熱量為目標(biāo)，中間壓力在不超越極限的情況下，越大越好；但是，在多數(shù)工況下，人們依然以追求更高的COP為目標(biāo)。根據(jù)對補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的節(jié)能分析，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)存在最佳的補(bǔ)氣壓力。

趙會(huì)霞[11]建立了帶有閃發(fā)器的補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過迭代求解獲得了平衡補(bǔ)氣壓力。并運(yùn)用該模型獲得了補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)最佳切換區(qū)域。

馬國遠(yuǎn)[12]指出補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的制熱量隨相對補(bǔ)氣壓力幾乎呈線性增長的趨勢，這是因?yàn)樵谄渌鼦l件不變時(shí)，補(bǔ)氣壓力變大意味著補(bǔ)氣量的增加，計(jì)算結(jié)果表明增大補(bǔ)氣量始終都能使制熱量增加。這是因?yàn)樵龃笱a(bǔ)氣量不僅使冷凝器中制冷劑流量增加，而且也使壓縮機(jī)的功率消耗增加，這二者均能增大冷凝器的熱負(fù)荷，相應(yīng)地機(jī)組制熱量也就增加了。

何永寧[10]指出在穩(wěn)定工況、定補(bǔ)氣孔口面積時(shí)，補(bǔ)氣過程存在一個(gè)最優(yōu)補(bǔ)氣壓力，使該工況系統(tǒng)制熱能效最大，其研究結(jié)果表明，最優(yōu)相對補(bǔ)氣壓力處于0.88~0.98之間。

3 壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的設(shè)計(jì)研究

補(bǔ)氣增焓技術(shù)對壓縮機(jī)的要求主要是將蒸汽制冷劑噴射到壓縮機(jī)的中間位置。該技術(shù)對于壓縮機(jī)的影響主要為[13]：

（1）在惡劣工況（蒸發(fā)溫度低于0℃的熱泵和冷凝溫度高于35℃的空調(diào)）下，能夠顯著提高壓縮機(jī)的排量，這為冷/熱環(huán)境氣候提供了一種增加熱/冷量的方法。其結(jié)果是，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)可以被擴(kuò)展。

（2）通過控制補(bǔ)氣量可以改變系統(tǒng)的制冷（熱）量，通過避免壓縮機(jī)的間歇運(yùn)行，可以節(jié)省一定的能量。

（3）補(bǔ)氣增焓循環(huán)的壓縮機(jī)排氣溫度低于常規(guī)單級循環(huán)的壓縮機(jī)排放溫度。從而提高了壓縮機(jī)的工作范圍，保證了壓縮機(jī)的可靠性。

3.1 渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的開設(shè)

由于渦旋壓縮機(jī)廣泛的應(yīng)用于中小型的中央空調(diào)和空氣源熱泵，人們對渦旋式壓縮機(jī)補(bǔ)氣過程的研究較為充分。

渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的開設(shè)位置首先遵守容積式壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口設(shè)計(jì)的3條基本原則，此外仍需增加以下4條[14]，如圖2所示：

（1）補(bǔ)氣孔口設(shè)置于吸氣過程完成之后，排氣過程開始之前；

（2）為了增加補(bǔ)氣時(shí)間，補(bǔ)氣孔口一般設(shè)置在吸氣過程完成的時(shí)刻；

（3）孔口的直徑應(yīng)當(dāng)小于渦旋齒寬，以免氣流通過補(bǔ)氣孔口從壓縮腔向吸氣腔泄漏；

（4）應(yīng)當(dāng)保證2個(gè)對稱的壓縮腔的補(bǔ)氣過程同時(shí)進(jìn)行，避免渦旋盤受力不均勻。

Wang等[15]通過實(shí)驗(yàn)的方法測取了渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣過程，結(jié)果表明：渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣過程影響了大部分內(nèi)部壓縮過程，是一個(gè)長期的時(shí)變過程，而不是一個(gè)瞬時(shí)的過程。并且指出補(bǔ)氣可以大大提高系統(tǒng)性能，對某一指定的渦旋壓縮機(jī)有最佳的補(bǔ)氣壓力。

Park等[16]將補(bǔ)氣過程可以看作是一個(gè)具有等熵假設(shè)的噴嘴中的一維可壓縮流動(dòng)。該模型在此后得到廣泛的應(yīng)用。

Jung等[17-19]建立了非對稱渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣過程的數(shù)學(xué)模型，并采用該模型研究了單補(bǔ)氣孔口和雙補(bǔ)氣孔口對非對稱渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣效率的影響。研究表明，相對于對稱渦旋壓縮機(jī)，非對稱渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣量較小，影響了補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的能效，并據(jù)此提出了雙補(bǔ)氣孔口的設(shè)計(jì)思路。

Tello-Oquendo等[20]提出了一種補(bǔ)氣增焓渦旋壓縮機(jī)（SCVI）的表征方法。SCVI的特征在于改進(jìn)的量熱試驗(yàn)臺，它能夠獨(dú)立地控制中間壓力和注入過熱。基于表征結(jié)果，通過線性表達(dá)式將噴射質(zhì)量流量與中間壓力相關(guān)聯(lián)，并提出改進(jìn)的AHRI多項(xiàng)式來估計(jì)壓縮機(jī)功率輸入。在一個(gè)簡單的模型中使用相關(guān)來預(yù)測SCVI安裝在熱泵原型中的省煤器的中間條件。在所有情況下，蒸發(fā)器質(zhì)量流量、噴射質(zhì)量流量、中間壓力和壓縮機(jī)功率輸入的偏差均小于5%。所提出的方法允許在很寬的操作條件下評估SCVI，僅依賴于壓縮機(jī)特性，并且完全獨(dú)立于其安裝的系統(tǒng)。

在工程實(shí)踐中，復(fù)雜的計(jì)算公式并不適用，人們更傾向于采用簡單明了的關(guān)聯(lián)式能夠表征各參數(shù)之間的關(guān)系。Navarro等[21]提出了一個(gè)簡單的相關(guān)性，以估計(jì)作為外部條件和中間壓力的函數(shù)的中間質(zhì)量流率，并且它能夠?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果與高精度關(guān)聯(lián)。用其它壓縮機(jī)的目錄數(shù)據(jù)測試了相關(guān)性，3個(gè)參數(shù)中的2個(gè)保持大致相同。Dardenne等[22]提出了一個(gè)帶有補(bǔ)氣增焓的變速渦旋壓縮機(jī)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^一組63個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，壓縮機(jī)的電功率、制冷劑溫度、壓氣機(jī)排氣量與實(shí)驗(yàn)值的偏差在±5%、±10%以及±5℃。

圖2 渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口位置

圖3 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口

3.2 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的開設(shè)

隨著補(bǔ)氣增焓技術(shù)在渦旋壓縮機(jī)上廣泛應(yīng)用，人們很自然的將該技術(shù)應(yīng)用于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的布置方法主要有3種形式。

（1）補(bǔ)氣舌簧閥結(jié)構(gòu)[8]，如圖3所示。

賈慶磊等[8]指出在室外溫度高于-15℃時(shí)，補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)與單級壓縮系統(tǒng)相比，其制熱量增加幅度均大于12%，并隨著室外溫度的降低增加幅度逐漸增大;單缸系統(tǒng)的制熱量與COP均大于雙缸系統(tǒng)，其提升幅度的平均值分別為2.29%、1.94%。

（2）滑片補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)

清華大學(xué)的Liu等[24]與格力公司一起開發(fā)了在滑片上對滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)補(bǔ)氣的新結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中舌簧閥是其關(guān)鍵部件。該結(jié)構(gòu)克服傳統(tǒng)的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)引起回流的缺陷，同時(shí)增加了補(bǔ)氣口面積。與傳統(tǒng)的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)相比，這個(gè)新結(jié)構(gòu)可使壓縮機(jī)的制熱能力和COP分別提高23.1%~48.9%和3.2%~8%。

（3）端板補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)[25]

對于端板補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，并非氣缸內(nèi)的任何位置都滿足3條基本原則，如圖5所示的補(bǔ)氣口，補(bǔ)氣口在壓縮機(jī)工作過程中與吸氣口相連通，由于補(bǔ)氣壓力高于吸氣壓力，補(bǔ)入的氣體將回流到吸氣管中，這將大大減少注入的制冷劑質(zhì)量并最終削弱性能改善。因此，這種類型的端板氣體注入將不被考慮在未來的研究中。

事實(shí)上，端板有一區(qū)域是滿足3條基本原則的，從而避免補(bǔ)氣回流到吸入管中，如圖6中所示的補(bǔ)氣孔口。在吸入結(jié)束之前，補(bǔ)氣孔口將被滾動(dòng)活塞覆蓋，以避免回流到吸入管。壓縮開始后，補(bǔ)氣口與壓縮腔連通。之后，補(bǔ)氣口被滾動(dòng)活塞所覆蓋，在某一固定的旋轉(zhuǎn)角度停止補(bǔ)氣。該補(bǔ)氣停止角度取決于設(shè)計(jì)工況。在該設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)滾動(dòng)活塞旋轉(zhuǎn)到該角度時(shí)，壓縮腔中的壓力正好等于補(bǔ)氣壓力。

圖4 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)滑片補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)

圖5 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)不合理的端板補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)

圖6 滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)合理的端板補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)

3.3 兩級壓縮中間補(bǔ)氣

隨著對補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)本質(zhì)的深入理解，人們逐漸開始將雙級壓縮與補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)結(jié)合起來，從而出現(xiàn)了雙級壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣系統(tǒng)。Jiang等[26]分析了6種類型的雙級壓縮機(jī)循環(huán)。結(jié)果表明，過冷器過冷系數(shù)是除了冷凝溫度和蒸發(fā)溫度之外影響最佳中間壓力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

Yan等[23]采用一種新設(shè)計(jì)的雙旋轉(zhuǎn)式變速壓縮機(jī)，以提高低溫工況下熱泵空調(diào)器（HPAC）的性能。研究結(jié)果表明，通過優(yōu)化中間壓力可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣增焓循環(huán)的最大供熱能力和系統(tǒng)COP；提高壓縮機(jī)的頻率可以有效地提高加熱能力，但COP降低。通過對比補(bǔ)氣和不補(bǔ)氣循環(huán)系統(tǒng)性能表明，新設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)可以改善熱泵空調(diào)器在低環(huán)境溫度下的加熱性能，系統(tǒng)的加熱能力提高了5.6%～14.4%，COP提高了3.5%。在高環(huán)境溫度下，與普通制冷循環(huán)相比，補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的COP較低。

Tello-Oquendo等[27]介紹了渦旋壓縮機(jī)（SCVI）和雙級往復(fù)壓縮機(jī)（TSRC）在極端條件下運(yùn)行的對比研究。結(jié)果表明：SCVI在壓力比低于7.5是較TSRC具有更好的效率和COP。該壓縮機(jī)可用于在中等溫度條件下工作的空調(diào)系統(tǒng)和熱泵。對于較高的壓力比，TSRC具有更好的效率。這種壓縮機(jī)更適用于在惡劣氣候和低溫冷凍系統(tǒng)（低于-20℃）下運(yùn)行的衛(wèi)生熱水系統(tǒng)。

事實(shí)上，被認(rèn)為具有巨大前景的CO2熱泵，多是采用這種形式。

Pitarch等[28]從理論上分析了兩級壓縮中間補(bǔ)氣的跨臨界二氧化碳熱泵循環(huán)。指出該循環(huán)相對于亞臨界制冷循環(huán)的R134a和單級CO2循環(huán)，COP整體提高15%。

雙級壓縮循環(huán)中，低壓級和高壓級的容積比是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。Baek等[29]指出高壓級與低壓級的氣缸容積比可以調(diào)節(jié)雙回轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中的中間壓力，從而直接改變補(bǔ)氣流量。并通過實(shí)驗(yàn)測試得，在雙級壓縮循環(huán)中，為了達(dá)到最大的COP，最佳的氣缸容積比應(yīng)為0.7。

4 結(jié)論

補(bǔ)氣增焓技術(shù)保證了空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下的系統(tǒng)性能，因此得到了廣泛的使用，本文重點(diǎn)從補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的最佳的補(bǔ)氣壓力和壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口2個(gè)方面綜述了其間相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。

為了保證補(bǔ)氣過程的順利實(shí)施，壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔口的設(shè)計(jì)是補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟，補(bǔ)氣孔口的位置直接決定了系統(tǒng)補(bǔ)氣壓力的控制策略。根據(jù)筆者的總結(jié)研究，補(bǔ)氣孔口的開設(shè)需要滿足以下3個(gè)基本原則：

（1）補(bǔ)氣過程中，補(bǔ)氣口應(yīng)與壓縮腔連通；

（2）補(bǔ)氣口不能與吸氣口連通；

（3）壓縮腔壓力高于補(bǔ)氣壓力時(shí)，應(yīng)當(dāng)截?cái)嘌a(bǔ)氣口與壓縮腔。