熱泵用渦旋壓縮機補氣位置特性研究

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

關鍵字：熱泵空調；渦旋式壓縮機；補氣増焓；補氣位置

符號說明：

w2-3——補氣過程單位耗功，kJ/kg；

p2——補氣前的壓力，kPa；

v2——補氣前的比容，m3/kg；

p3——補氣結束后的壓力，kPa；

v3——補氣結束后的比容，m3/kg；

α——相對補氣量；

κ——等熵指數(shù)；

T7——補氣溫度，K；

Rg——氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）；

me——總質量流量，kg/h；

ms——吸氣質量流量，kg/h。

0 引言

冬季工況下，傳統(tǒng)的汽車空調大多采用PTC（Positive Temperature Coefficient）對乘員艙加熱，耗能嚴重，極大縮短了電動汽車的行駛里程[1]。而熱泵系統(tǒng)以其較高的效率成為替代方案，研究表明，熱泵系統(tǒng)代替PTC供暖可以大幅度減少電動汽車的耗能[2-4]。但對于熱泵系統(tǒng)而言，同樣面臨著一些問題。冬季工況下，隨著蒸發(fā)溫度的降低，系統(tǒng)的制冷劑流量減少，制熱量以及制熱性能系數(shù)COP降低，壓縮機排氣溫度升高，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。通過研究發(fā)現(xiàn)，補氣増焓系統(tǒng)可以有效地解決熱泵系統(tǒng)所面臨的問題[5-6]。

許多學者對補氣増焓系統(tǒng)、制冷劑、補氣狀態(tài)以及補氣孔等進行了大量研究。Heo等[7]通過實驗的方法，分析并對比經濟器系統(tǒng)（SC）、兩級節(jié)流經濟器系統(tǒng)（DESC）、閃蒸器系統(tǒng)（FT）和閃蒸器經濟器系統(tǒng)（FTSC）4種蒸汽噴射技術的制熱性能。結果表明：FT、FTSC、DESC的平均加熱能力分別比SC高14.4%，6.0%和3.8%，但是4種循環(huán)的平均COP是相當?shù)?。通過Xu等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在補氣増焓系統(tǒng)中，制冷劑R1234yf可以在-25℃的蒸發(fā)溫度下運行，R1234yf / R32混合物可以在-20℃的蒸發(fā)溫度下運行，其制熱COP都要高于其他制冷劑在此工況下的制熱COP。并且與無補氣相比，制熱量和制熱COP分別提高16%～20%和13%～16%。Kim等[9]通過對液體噴射、兩相噴射以及蒸汽噴射3種噴射方式的研究發(fā)現(xiàn)，兩相噴射會更有效地提高COP和降低排氣溫度。Qin等[10]通過實驗的方法，研究了2臺補氣口形狀不同的渦旋式壓縮機性能，實驗結果表明，3組補氣孔的壓縮機性能優(yōu)于單對補氣孔的壓縮機性能。李海軍等[11-12]通過理論分析，研究了補氣在吸氣口的過程。結果表明，補氣增加了制冷劑流量，增加了制熱量以及COP，降低了排氣溫度。一些學者[13-14]認為補氣的最佳位置在壓縮機吸氣腔封閉時第一個嚙合點處，并且補氣能夠有效地降低排氣溫度，增加制熱量以及系統(tǒng)COP。

上述主要對補氣系統(tǒng)類型、制冷劑種類、補氣狀態(tài)、補氣孔數(shù)量以及補氣位置等方面進行了研究。目前對于補氣孔位置的研究只涉及補氣在吸氣口過程以及補氣在壓縮腔過程。針對一些型線較短的壓縮機，補氣孔位置需要設計在吸氣腔內，但上述研究中缺少對于補氣孔位置在吸氣腔的研究，并且缺乏補氣在吸氣腔之前補氣位置對熱泵性能影響的對比。針對上述問題，本文建立了一款渦旋式壓縮機的幾何模型，補氣位置分別在吸氣口、吸氣腔和壓縮腔，并通過數(shù)值計算的方法研究了不同補氣位置對壓縮機及系統(tǒng)性能的影響，并且確定最佳補氣位置。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 補氣位置

為了研究不同補氣孔位置對熱泵系統(tǒng)性能的影響，首先建立了渦旋式壓縮機的幾何模型，并根據(jù)補氣位置確定3個補氣位置轉角，如表1所示。

表1 補氣位置 （°）

3種不同補氣位置示意如圖1所示。如圖所示，補氣位置1為補氣在吸氣口過程，即吸氣與補氣在吸氣口混合后進入壓縮機；補氣位置2為補氣在吸氣腔過程，即一部分補氣與吸氣在吸氣口混合后進入壓縮機，另一部分邊補氣邊壓縮；補氣位置3為補氣在壓縮腔過程，即壓縮機完成一級壓縮后進行邊補氣邊壓縮過程。

圖1 3種補氣位置隨轉角變化

1.2 物理模型

建立3種補氣過程的熱力學模型：

（1）補氣在吸氣口模型

補氣在吸氣口即補入的制冷劑與吸入的制冷劑在吸氣口進行混合，混合之后再進入壓縮機進行壓縮。此過程為一個混合過程，以壓縮機旋轉一周為一個循環(huán)，假設此過程為一個等容充氣過程，取壓縮機剛剛閉合后的吸氣腔為控制體，則控制方程為：

其中假設整個過程中沒有熱量損失，并且整個計算過程中忽略動能和位能的影響，即，并且δ Wi=0。從上述公式中求得補氣后壓縮腔內制冷劑的各個狀態(tài)參數(shù)。

（2）補氣在壓縮腔的模型

補氣在壓縮腔的過程為變容積、變質量、變溫度、變壓力的非穩(wěn)定流動壓縮過程，各參數(shù)均隨著曲軸轉角而發(fā)生變化，是曲軸轉角的函數(shù)。根據(jù)多變壓縮過程的熱力學過程，以壓縮腔為控制容積計算整個過程，模型的控制方程為：

則補氣-壓縮過程的微分方程：

補氣在壓縮腔內的單位壓縮功可表示為[15-23]：

其中相對補氣量定義為：

（3）補氣在吸氣腔的模型

補氣在吸氣腔的過程為在一定轉角范圍內，補氣與吸氣進行混合進入壓縮機，在剩余的轉角范圍下，進行邊補氣邊壓縮的過程，故此過程的熱力模型是上面2種補氣方式的結合。

補氣過程結束后，進行正常的等熵壓縮過程，從而完成對3種補氣過程的熱力模型的建立。

2 數(shù)值計算結果分析

為了研究在冬季工況下補氣增焓技術在熱泵系統(tǒng)中的效果，選擇了表2中的計算工況。

表2 計算工況

本文通過數(shù)值計算的方法對3種補氣過程以及無補氣過程進行研究，針對系統(tǒng)的制熱量Qh、壓縮功W、能效比EER、排氣溫度te以及排氣壓力Pe等方面進行分析，總結有補氣過程相對于無補氣過程的優(yōu)缺點，獲得3種補氣過程各自的優(yōu)缺點，最終確定最佳補氣位置。

2.1 熱力學過程

選擇蒸發(fā)溫度-5℃，冷凝溫度為43℃的工況，通過分析整個熱力過程獲得無補氣以及3種補氣過程的熱力特點，圖2為無補氣過程以及3種補氣過程在所選工況下的p-h曲線。

圖2 無補氣以及3種補氣過程的p-h曲線

從圖可見，有補氣過程在冷凝器出口分成2條支路：補氣支路和蒸發(fā)器支路。補氣支路首先進行節(jié)流降溫降壓過程，并與蒸發(fā)器支路制冷劑換熱后進入壓縮機。蒸發(fā)器支路制冷劑換熱后經過節(jié)流后進入蒸發(fā)器。與無補氣過程相比可以得出，蒸發(fā)器進口焓值降低，單位質量制冷量增加。增加了中間補氣過程，壓縮機排氣壓力升高，緩解欠壓縮情況。

2.2 不同補氣位置對系統(tǒng)性能的影響

為了研究不同補氣位置對系統(tǒng)性能的影響，本文分析了有補氣過程以及無補氣過程的制熱量Qh、壓縮功W以及能效比EER隨著蒸發(fā)溫度t0變化的規(guī)律。其中無補氣以及3種補氣方式的制熱量分別為 Qh0，Qh1，Qh2，Qh3，壓縮功分別為W0，W1，W2，W3，能效比分別為 EER0，EER1，EER2，EER3。有補氣相對于無補氣的制熱量增量分別為ΔQh1，ΔQh2，ΔQh3，壓縮功增量分別為ΔW1，ΔW2，ΔW3，EER 增量分別為ΔEER1，ΔEER2，ΔEER3。

圖3～5分別給出了有補氣以及無補氣的Qh、W以及EER隨t0的變化情況。

圖3 制熱量Qh隨著t0的變化

其中，圖 3（a）、4（a）、5（a）分別為 3 種補氣位置以及無補氣的Qh，W以及EER隨蒸發(fā)溫度變化的曲線，圖 3（b）、4（b）、5（b）分別為 3種補氣方式相對于無補氣方式的Qh，W以及EER增加百分比。

圖4 W隨t0的變化

圖5 EER隨t0的變化

從圖 3（a）、4（a）、5（a）中可以得出以下結論：制熱量方面，Qh1，Qh2，Qh3均大于 Qh0。壓縮功方面，W1，W2均大于 W0，W3≈ W0。能效比方面，EER3＞EER2＞EER1＞EER0。隨著 t0降低，Qh減少，W1和W3減少，W2增加，EER下降。

由于補氣過程經過冷凝器的制冷劑流量增加，但是排氣焓值降低，兩者綜合結果造成Qh1，Qh2，Qh3均大于Qh0。有補氣過程的制冷劑流量增加，造成了壓縮機的壓縮功增加，同時增加了補氣過程的耗功，但減小了壓縮機的欠壓縮耗功，綜合3方面結果得到壓縮功的變化規(guī)律。由于EER=Qh/W，而Qh1相對比較低，W1相對比較高，故EER1相對比較低；Qh1相對較高，W2相對較高，故EER2相對比較高；Qh3相對較低，W3比較低，故EER3相對比較高。且隨著t0的降低，壓縮機吸入的制冷劑流量減少，造成Qh減少，EER下降。

從圖 3（b）、4（b）、5（b）中可以得出以下結論：制熱量增量ΔQh1＞ ΔQh2＞ ΔQh3，且隨著 t0降低，制熱量增量是降低的。隨著t0降低，ΔW1和ΔW3減少，ΔW2增加。ΔEER1和ΔEER3是近乎不變的，ΔEER2是減小的。

在相同的補氣量、相同的計算工況下，制冷劑的流量是相等的，但補氣在吸氣腔的排氣溫度相對于其他兩種補氣方式來說要高，所以補氣在吸氣腔中的制熱量增量要大。隨著t0下降，制冷劑流量減少，壓縮功減少，但增加補氣過程造成壓縮功增加，兩者綜合結果得到ΔW1和ΔW3減少，ΔW2增加。另外，隨著t0下降，Qh變化情況與W變化情況同時作用，造成ΔEER1和ΔEER3是近乎不變的，ΔEER2是減小的。

3種補氣方式從性能方面的研究結果表明，以增加制熱量為目的，補氣位置選擇應該選擇在吸氣腔；以增加能效比為目的的，補氣位置應該選在壓縮腔和吸氣腔。

2.3 不同補氣位置對排氣溫度的影響

熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下運行時會造成壓縮機的排氣溫度過高，從而影響壓縮機的運行安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。文章針對補氣和無補氣過程對排氣溫度te的影響進行分析。圖6為有補氣與無補氣過程在蒸發(fā)溫度為-5，-20 ℃，冷凝溫度為43 ℃工況下的p-h圖。圖7給出了有補氣與無補氣的排氣溫度te隨t0變化的情況。其中，無補氣以及3種補氣方式的排氣溫度分別為te0，te1，te2，te3。

圖6 2種蒸發(fā)溫度下無補氣與3種有補氣的p-h曲線

圖7 排氣溫度te隨t0的變化

圖6（a）為蒸發(fā)溫度為-5℃的工況下，有補氣與無補氣p-h圖，圖6（b）為蒸發(fā)溫度為-20℃的工況下，有補氣與無補氣的p-h圖。圖7（a）為3種補氣方式以及無補氣的te隨著t0變化的曲線，圖7（b）為3種補氣方式相對于無補氣方式的te降低的溫度差。

從圖6和圖7中可以得到：（1）有補氣過程的蒸發(fā)器進口焓值要低于無補氣過程的蒸發(fā)器進口焓值，因此，有補氣過程的單位制冷量要高于無補氣過程的單位制冷量。（2）在假設補氣狀態(tài)相同的情況下，te3＜te1＜te2＜te0。（3）隨著 t0降低，te是升高的。（4）隨著t0降低，te降低幅度增加。

增加補氣之后提高了壓縮機的等熵效率，從而實現(xiàn)排氣溫度的降低。并且因為三種不同的補氣過程導致補氣后狀態(tài)點位置不同，最終導致te3＜te1＜te2。隨著 t0的降低，蒸發(fā)壓力下降，但是冷凝壓力不發(fā)生變化造成te升高的現(xiàn)象。

從排氣方面考慮，補氣孔開在壓縮腔或者補氣在吸氣口比較合適。

2.4 補氣位置對壓縮機排氣壓力的影響

對于渦旋式壓縮機來說，其存在內壓縮和外壓縮過程，內壓縮跟壓縮機結構有關系，外壓縮為壓縮結束到冷凝壓力的過程，此過程為欠、過壓縮，欠、過壓縮是壓縮機為了達到所需工況額外消耗的功。對于有補氣過程，由于在壓縮機中補入了制冷劑氣體，提高了壓縮機壓縮終了時的壓力，針對冷凝壓力高的情況，可以減少欠壓縮過程的功。圖8給出了有補氣與無補氣的排氣壓力Pe的變化情況。其中，無補氣以及3種補氣方式的排氣壓力分別為 Pe0，Pe1，Pe2，Pe3，無補氣以及 3 種補氣方式的排氣壓力增量分別為ΔPe1，ΔPe2，ΔPe3。

圖8 排氣壓力隨t0的變化

其中圖8（a）為3種補氣方式以及無補氣的Pe隨著t0變化的曲線，圖8（b）為3種補氣方式相對于無補氣方式的Pe增加百分比。此Pe為壓縮機壓縮結束時壓縮腔內的壓力。

從圖 8（a）中可以得到：Pe1，Pe2，Pe3均大于Pe0，原因是補氣過程增加了壓縮機的制冷劑流量。對于在蒸發(fā)壓力為1.1 MPa的工況下，3種補氣方式減少了壓縮機的欠壓縮耗功。另外，隨著t0降低，Pe下降，這是由于隨著t0降低，蒸發(fā)壓力隨著下降的原因。

從圖8（b）中可以得到：在相同補氣量下的3種補氣方式中，Pe2＞Pe3＞Pe1。因為補氣在吸氣口的過程為一個簡單的混合增壓的過程，混合后的氣體壓力變化相對比較小，而補氣在壓縮腔的制冷劑進行邊補氣邊壓縮的過程，補氣過后腔內壓力變化比較大。另外，隨著t0降低，ΔPe1和ΔPe3降低，而ΔPe2變化不是很明顯，因為補氣在吸氣腔和吸氣口存在混合增壓的部分，隨著蒸發(fā)溫度的降低，混合后的壓力變化比較明顯。而對于補氣在壓縮腔的情況，補氣過程相對穩(wěn)定，補氣過程后的壓力增加百分比基本保持不變。

綜合以上結論，補氣在壓縮腔和吸氣腔相對于補氣在吸氣口來說更能夠緩解壓縮機的欠壓縮情況。同時針對低溫熱泵工況，補氣在壓縮腔更加能夠保證欠壓縮情況的緩解。

3 結論

（1）從性能方面來看，3種補氣過程相對無補氣過程能夠有效增加制熱量Q以及能效比EER。并且補氣在吸氣腔和補氣在壓縮腔相比補氣在吸氣口來說能夠最大程度的增加制熱量以及能效比EER。補氣在吸氣腔制熱量能夠增加8%～8.5%，EER增加12%～14%，補氣在壓縮腔能夠制熱量增加5.7%～7.5%，EER增加15%。

（2）從排氣溫度方面來看，3種補氣方式都能夠有效地降低排氣溫度，并且補氣在壓縮腔排氣溫度降低5～8 ℃，補氣在吸氣口排氣溫度降低4～6 ℃，補氣在吸氣腔排氣溫度降低 2.8～3.2 ℃。隨著蒸發(fā)溫度的降低，補氣能夠更加有效的降低排氣溫度。

（3）從排氣壓力方面來看，3種補氣方式能夠有效地增加排氣壓力，從而降低欠壓縮過程的功耗。其中補氣在壓縮腔和補氣在吸氣腔相對于補氣在吸氣口更能夠有效地提高排氣壓力，緩解欠壓縮情況。