基于定頻定容轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的噴氣增焓系統(tǒng)的研究分析

張經(jīng)衛(wèi) 郭用松 黃志剛 梁永寬

（1.中山大學(xué) 廣州 5102752； 2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

引言

近年來為了提升空調(diào)器在低溫工況條件下的制熱輸出能力，噴氣增焓技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外為解決空調(diào)器在低溫條件下制熱能力輸出不足提出了以下主要技術(shù)手段[1][2][3]：

變?nèi)輭嚎s機(jī)技術(shù)：①一般采用大缸拖小缸的模式，變?nèi)菽芰τ邢蓿h(huán)未優(yōu)化，能效影響較大，針對低溫蒸發(fā)溫度的能效問題未能得到很好的解決，當(dāng)機(jī)器實(shí)現(xiàn)高出風(fēng)溫度時排氣溫度過高，對壓縮機(jī)本體和系統(tǒng)存在可靠性風(fēng)險；②高轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)技術(shù)：當(dāng)壓縮機(jī)在低溫工況下運(yùn)行時，壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速維持能力輸出存在噪音問題，而且若長期以此情況運(yùn)行，可靠性無法得到保證；③兩級壓縮中間噴氣增焓技術(shù)：噴氣增焓技術(shù)是指以噴氣增焓壓縮機(jī)為輸出源，輔以中壓段冷媒噴射技術(shù)。在壓縮機(jī)腔體上開一個中間壓力吸氣孔，吸入來自閃發(fā)器中分離出的中間壓力的氣態(tài)制冷劑，與原本在壓縮機(jī)中被部分壓縮過的冷媒混合后再壓縮，實(shí)現(xiàn)了以單臺壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)兩級壓縮，增加了換熱器中的制冷劑流量，加大了主循環(huán)回路的焓差，從而大大提升了壓縮機(jī)的能力輸出；同時由于壓縮過程為準(zhǔn)二級壓縮，使得壓比增大，更有利于低溫工況運(yùn)行。為了使最大幅度的提升低溫制熱輸出能力能效，應(yīng)用于變頻壓縮機(jī)的噴氣增焓技術(shù)現(xiàn)階段成為市場主流，相對應(yīng)的這種變頻兩級壓縮中間噴氣增焓技術(shù)造價更加昂貴。為了解決此類痛點(diǎn)，在提升低溫輸出能力的前提下兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，對定頻定容壓縮機(jī)結(jié)合兩級壓縮中間噴氣技術(shù)做了一些理論和實(shí)驗(yàn)的研究分析。

1 定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)的理論循環(huán)

1.1 定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)介紹

圖1為定頻壓縮機(jī)的噴氣增焓系統(tǒng)系統(tǒng)，主要包括：定頻增焓壓縮機(jī)，四通閥部件，室內(nèi)外換熱器（冷凝器，蒸發(fā)器）氣液閃發(fā)器，節(jié)流部件，截止閥等。制冷時：冷媒從室外換熱器出口經(jīng)節(jié)流部件1進(jìn)入閃發(fā)器，在閃發(fā)器中的液體通過節(jié)流部件2進(jìn)行二次節(jié)流后進(jìn)入室內(nèi)換熱器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，蒸發(fā)后的冷媒通過四通閥進(jìn)行進(jìn)入回氣。制熱時：冷媒從室內(nèi)換熱器的出口經(jīng)節(jié)流部件2一次節(jié)流后進(jìn)入閃發(fā)器，分離出的液體經(jīng)過節(jié)流部件2二次節(jié)流后進(jìn)入室外換熱器完成冷媒的蒸發(fā)吸熱過程。閃發(fā)器中分離出的氣體冷媒通過壓縮機(jī)噴氣口對壓縮機(jī)吸氣腔進(jìn)行補(bǔ)氣。因?yàn)榈蜏刂茻釙r，蒸發(fā)溫度很低，壓縮機(jī)吸入的氣體冷媒密度很小。通過噴氣口補(bǔ)氣，可以提高壓縮機(jī)氣缸中的冷媒質(zhì)量，進(jìn)而提高制熱量。

圖2為噴氣增焓二次節(jié)流制熱系統(tǒng)原理圖1-2與3-4為壓縮機(jī)絕熱壓縮過程，4-5-6為高溫高壓氣體在室內(nèi)換熱器液化冷凝過程，6-7為流經(jīng)室內(nèi)換熱器后的絕熱節(jié)流過程，7-10為制冷劑在閃發(fā)器中的補(bǔ)氣蒸發(fā)過程，7-8為制冷劑在閃發(fā)器中冷凝過程，8-9為液態(tài)制冷劑的絕熱節(jié)流過程，9-0-1為制冷劑蒸發(fā)過熱過程，2-3-10為壓縮機(jī)主回路中制冷劑蒸汽與與流經(jīng)補(bǔ)氣回路中的補(bǔ)氣蒸汽相互混合的過程。其中每個過程線中所代表的循環(huán)工質(zhì)的量并不一樣。其中，取制熱時經(jīng)過室外換熱器的每千克的循環(huán)制冷劑的補(bǔ)氣量為 αkg。

1.2 理論熱力學(xué)計(jì)算

理論計(jì)算假設(shè)：

2）壓縮機(jī)的壓縮過程為絕熱壓縮過程，即熵不變；

3）蒸發(fā)和冷凝過程中忽略壓降，即壓力不變。

系統(tǒng)的制冷量為蒸發(fā)器的吸熱量[4][5]：

系統(tǒng)的制熱量為冷凝器的放熱量：

閃發(fā)器中能量守恒方程：

壓縮機(jī)功耗：

1.1.2地理區(qū)位作為貴陽市東北城市組團(tuán)，烏當(dāng)區(qū)的區(qū)位交通條件優(yōu)越，其東臨南明區(qū)、南融云巖區(qū)、西接觀山湖和白云區(qū)、北連開陽縣，與貴陽航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)、貴陽綜合保稅區(qū)聯(lián)袂成帶，與貴陽龍洞堡國際機(jī)場和貴陽火車北站毗鄰，貴陽火車東站坐落境內(nèi)，高速公路、高速鐵路與城市干道縱橫交錯，“快旅慢游”現(xiàn)代交通體系基本形成，是廣大貴陽市民首選的農(nóng)旅體驗(yàn)生態(tài)區(qū)。

制熱系數(shù)COPh：

制冷系數(shù)COPc：

圖1 噴氣增焓制熱系統(tǒng)

圖2 噴氣增焓制熱系統(tǒng)原理

壓縮機(jī)理論輸氣量G：

通過蒸發(fā)器的質(zhì)量流量m：

其中：

Q1、Q2分別表示系統(tǒng)制冷量、制熱量，單位（kW）；

m表示通過蒸發(fā)器的質(zhì)量流量，單位（kg/s）；

N表示壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rev/s）；

v1表示壓縮機(jī)吸氣比容（m3/kg）；

Vh表示壓縮機(jī)理論吸氣容積（m3/rev）；

h1～h10表示各點(diǎn)的比焓值（kJ/kg）。

2 結(jié)果分析

2.1 蒸發(fā)溫度對制熱量的影響

以一臺定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的噴氣增焓系統(tǒng)的理論制熱循環(huán)為例，計(jì)算了不同的蒸發(fā)溫度對制熱量的影響。同時對比了開噴氣功能和不開噴氣增焓的兩個系統(tǒng)的差別。計(jì)算條件：設(shè)定系統(tǒng)冷凝溫度46 ℃；過冷度5 ℃；蒸發(fā)溫度計(jì)算范圍-30～15 ℃，吸氣口過熱度8 ℃。利用工程計(jì)算軟件EER對制熱循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4。

從圖3中可以看出，開噴氣和不開噴氣的系統(tǒng)制熱量都是隨著蒸發(fā)溫度的降低而降低。開噴氣比不開噴氣，系統(tǒng)的制熱量明顯有提升。在系統(tǒng)運(yùn)行時，隨著蒸發(fā)溫度的下降，制冷劑的比容增大，壓縮機(jī)吸氣口所吸進(jìn)氣體的密度變小，對于定容定頻的壓縮機(jī)，根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)算公式可知，比容增大，系統(tǒng)運(yùn)行的制冷劑質(zhì)量流量降低，這是造成系統(tǒng)制熱量隨著蒸發(fā)溫度下降而降低的主要原因。如圖5所示，蒸發(fā)溫度越低，系統(tǒng)中的質(zhì)量流量越少。噴在噴氣增焓的系統(tǒng)中，通過壓縮機(jī)的噴氣口對系統(tǒng)進(jìn)行了中間補(bǔ)氣，增加制冷劑質(zhì)量流量，降低壓縮機(jī)排氣溫度，提升了系統(tǒng)的制熱量。

2.2 制冷劑種類對制熱效果的影響

圖3 能力隨蒸發(fā)溫度變化趨勢圖

圖4 制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化趨勢圖

圖5 質(zhì)量流量隨蒸發(fā)溫度變化趨勢圖

在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要對制冷劑進(jìn)行選擇。本文對四種常見的制冷劑（R410A、R22、R32和R290）在定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)的制熱效果進(jìn)行理論計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖6和圖7。

從圖6可以看出，在相同運(yùn)行工況下，R410A和R32的制熱量較之R22和R290有較大提升，制熱量的優(yōu)勢明顯；R410A和R32兩種制冷劑的制熱量幾乎相同。

圖7展示了四中不同制冷劑的制熱系數(shù)（COP）的理論計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，及使在不同的蒸發(fā)溫度條件下，R290制熱系數(shù)最高，其次分別是R22、R410A和R32。

圖6 不同制冷劑系統(tǒng)能力隨蒸發(fā)溫度變化趨勢圖

圖7 不同制冷劑制熱系數(shù)隨蒸發(fā)溫度變化趨勢

綜合考慮制熱量和制熱系數(shù)的情況下，R410A相對于R32制冷劑具有優(yōu)勢，制熱量二者相當(dāng)，但R410A制冷劑的制熱系數(shù)相對較高。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用某品牌的帶有噴氣增焓功能的定頻壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，組裝成如圖1所示的空調(diào)系統(tǒng)。通過截止閥的開閉和系統(tǒng)中節(jié)流部件1和節(jié)流部件2的調(diào)節(jié)使補(bǔ)氣壓力達(dá)到設(shè)定的最佳中間壓力進(jìn)行制熱工況實(shí)驗(yàn)，用以驗(yàn)證噴氣和不噴氣系統(tǒng)的制熱效果。測試實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

其中，對理論公式進(jìn)行添加一定的修正系數(shù)后可以對實(shí)際測試工況進(jìn)行一定預(yù)測。其中實(shí)際輸氣量 ，表示實(shí)際輸氣系數(shù)；壓縮機(jī)耗工，表示壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮機(jī)的電效率。在實(shí)際計(jì)算中，通過額定制熱工況的實(shí)際測試值與理論值進(jìn)行一次校準(zhǔn)后，得到相應(yīng)的和1值，而后帶入理論計(jì)算公式中即可對其他工況做一定的制熱量和制熱系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。測試和計(jì)算的結(jié)果見圖8。

表1 測試實(shí)驗(yàn)工況

圖8 制熱量——蒸發(fā)溫度趨勢

圖9 制熱系數(shù)——蒸發(fā)溫度趨勢

從圖8可以看出，實(shí)測測試結(jié)果顯示，噴氣增焓系統(tǒng)在不同的制熱工況下對系統(tǒng)的制熱量都有提升。其中在低溫-15 ℃是提升制熱量11.4 %，在-7 ℃提升效果最好，提升幅度達(dá)到19.3 %，整體平均提升制熱量13.4 %。

利用帶有修正系數(shù)的理論計(jì)算公式對噴氣系統(tǒng)的制熱量進(jìn)行預(yù)測，從圖9中可以看出，預(yù)測一致性很好，最大預(yù)測為8.7 %，平均預(yù)測誤差為5.5 %。

從圖9中的制熱系數(shù)上來看，噴氣相比不噴氣系統(tǒng)制熱系數(shù)沒有多大提升，其主要噴氣增焓系統(tǒng)是因?yàn)橥ㄟ^中間補(bǔ)氣增加了制冷劑流量，導(dǎo)致壓縮機(jī)的耗工也相對增加，因此系統(tǒng)的制熱系數(shù)沒有太大提升，與單級壓縮的不噴氣系統(tǒng)相當(dāng)。

4 結(jié)語

1）本文通過對定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)的理論熱力學(xué)分析和計(jì)算研究了蒸發(fā)溫度對整個系統(tǒng)制熱性能的影響。系統(tǒng)制熱量隨著蒸發(fā)溫度的降低而降低，其中主要的原因是因?yàn)榈蜏氐氖彝猸h(huán)境對應(yīng)的系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低，壓機(jī)單位吸氣質(zhì)量降低導(dǎo)致系統(tǒng)中制冷劑的質(zhì)量流量降低；

2）比較了不同種類制冷劑在該定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)的制熱表現(xiàn)，其中在相同的工況下，R410A和R32系統(tǒng)的制熱量都大于R22和R290系統(tǒng)的制熱量，其中R32和R410A系統(tǒng)制熱量相當(dāng)；在制熱系數(shù)的比較上，R290制熱系數(shù)最高，其次分別是R22、R410A和R32。

3）通過實(shí)驗(yàn)測試得到定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)相比于單機(jī)壓縮系統(tǒng)制熱量在不同室外環(huán)境工況下最大提升幅度達(dá)到19.3 %，整體平均提升制熱量13.4 %。給出一種簡便的理論計(jì)算方法，預(yù)測一致性較高，最大預(yù)測誤差為8.7 %，平均預(yù)測誤差為5.5 %。

本文對定頻壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)做了一定的理論和實(shí)驗(yàn)探索，為噴氣增焓技術(shù)在定頻壓縮機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)。