定頻空調(diào)噴氣增焓系統(tǒng)的研究與分析

賴孝成 熊碩

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著全球環(huán)境溫度逐漸變暖，消費(fèi)者對(duì)高溫環(huán)境下空調(diào)的制冷效果及舒適性越來(lái)越關(guān)注[1]。對(duì)于空調(diào)器來(lái)說(shuō)，隨著環(huán)境溫度的逐步升高，蒸發(fā)溫度也會(huì)逐步升高，制冷量逐步下降。特別是對(duì)于定頻機(jī)而言，無(wú)法通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)加大壓縮機(jī)排量，故隨著環(huán)境溫度的升高，制冷量衰減越明顯。隨著噴氣增焓技術(shù)的應(yīng)用，可以通過(guò)閃蒸器進(jìn)行氣液分離，實(shí)現(xiàn)增焓效果[2]，從而有效提高制冷能力。但是從目前的研究來(lái)看，主要關(guān)注噴氣增焓技術(shù)在低溫制熱方面的應(yīng)用，而在高溫制冷方面的應(yīng)用卻研究較少。本文從理論和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面分別對(duì)噴氣增焓技術(shù)如何提高高溫制冷能力進(jìn)行研究與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)關(guān)鍵制冷參數(shù)以及壓縮機(jī)補(bǔ)氣口的口徑對(duì)制冷量的影響進(jìn)行了研究。

2 定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)的理論循環(huán)

空調(diào)器在制冷、制熱模式下分別應(yīng)用噴氣增焓技術(shù)時(shí)，能力提升的原因在理論上有較大不同。制熱時(shí)，壓縮機(jī)的排氣與蒸發(fā)器相連，壓縮機(jī)增加補(bǔ)氣后，系統(tǒng)的質(zhì)量流量大幅增加，進(jìn)而提高了制熱量[3]。而在制冷時(shí)，根據(jù)圖1所示，壓縮機(jī)排氣側(cè)與冷凝器相連，再經(jīng)過(guò)一級(jí)節(jié)流裝置、閃蒸器和二級(jí)節(jié)流裝置后與內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器相連[4]。由于蒸發(fā)壓力是背壓，故當(dāng)二級(jí)節(jié)流裝置內(nèi)冷媒的流速達(dá)到聲速后，高壓壓力的變化對(duì)蒸發(fā)壓力并不產(chǎn)生影響。所以增焓后增加的冷媒質(zhì)量，僅僅提高的是冷凝器中的冷媒流量，對(duì)蒸發(fā)器中的質(zhì)量流量影響較小。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析，對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)換熱能力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式[5]如下：

其中：Φ為制冷量；qm為質(zhì)量流量；Δh為制冷劑進(jìn)、出蒸發(fā)器的焓差；ρ為吸氣密度；v為壓縮機(jī)排量。

根據(jù)公式（1）進(jìn)行分析：對(duì)于同一套樣機(jī)開(kāi)、關(guān)增焓進(jìn)行對(duì)比，蒸發(fā)壓力基本不變，在蒸發(fā)器出口溫度剛好過(guò)熱的前提下，吸氣密度ρ基本相同。壓縮機(jī)吸氣口吸入冷媒的體積與壓縮機(jī)排量一致，也基本不變，所以流經(jīng)蒸發(fā)器的質(zhì)量流量保持不變。把噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)及普通空調(diào)系統(tǒng)的冷媒循環(huán)過(guò)程標(biāo)示在同一個(gè)壓焓圖中，如圖2所示，1’-2-5’-6-1’為普通空調(diào)系統(tǒng)冷媒循環(huán)過(guò)程，1-2-3-4-5-6-7-8-1為噴氣增焓空調(diào)冷媒循環(huán)過(guò)程（對(duì)噴氣增焓空調(diào)的一級(jí)節(jié)流裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其冷凝器出口狀態(tài)與普通空調(diào)系統(tǒng)一致）。從圖2中可以看出，相較于普通空調(diào)系統(tǒng)，在壓縮機(jī)排量不變時(shí)，噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)的焓差更大，而制冷能力的高低與焓差Δh正相關(guān)，所以這是制冷能力提升的主要因素。

以一款24K機(jī)型為例，對(duì)相同配置、相同排量的普通壓縮機(jī)機(jī)型和增焓壓縮機(jī)機(jī)型在不同室外工況條件下進(jìn)行性能對(duì)比測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從數(shù)據(jù)可以看出：增焓機(jī)型制冷量提升明顯，在室外46度條件下制冷量提升達(dá)到10.8%，室外48度條件下制冷量提升達(dá)到7.5%，高溫條件下制冷量提升明顯。

3 噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)影響制冷量的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)如上理論分析：焓差Δh決定了制冷量的高低。對(duì)圖3噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)的制冷P-H圖進(jìn)行分析：當(dāng)Δh=h2-h1時(shí)焓差值最大。與點(diǎn)1焓值相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)8為進(jìn)入二級(jí)節(jié)流裝置前冷媒的狀態(tài)點(diǎn)，此時(shí)點(diǎn)8在飽和液線上，干度為零。所以只有當(dāng)進(jìn)入二級(jí)節(jié)流裝置的冷媒是全液態(tài)時(shí)，蒸發(fā)器冷媒側(cè)的焓差值最大，制冷量最高。

對(duì)應(yīng)到閃蒸器內(nèi)部（圖4）：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到平衡時(shí)，液態(tài)冷媒的液位必須大于出氣口的最高管口位置才能確保進(jìn)入二級(jí)節(jié)流裝置的冷媒是全液態(tài)。如果低于此位置，那么進(jìn)入二級(jí)節(jié)流裝置的冷媒將會(huì)是氣液兩相態(tài)，制冷循環(huán)將會(huì)由1-2-3-4-5-6-7-8-1調(diào)整為1'-2-3-4-5-6-7-8'-1'。焓差值Δh將變?yōu)椋?/p>

表1 增焓機(jī)型與普通機(jī)型各工況條件下的性能對(duì)比

所以此時(shí)性能值將會(huì)降低。

以一款24K定頻機(jī)為例，在閃蒸器上并聯(lián)一根透明視液管，對(duì)閃蒸器中的液位進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)中的冷媒量及節(jié)流狀態(tài)對(duì)兩種狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從表1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)也可以看出：在室外48度的高溫環(huán)境下，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析的結(jié)論一致，提高閃蒸器內(nèi)部的液位，降低出氣口的冷媒干度，可以提高冷媒的焓差值，進(jìn)而有效提高制冷能力。但是當(dāng)液位達(dá)到出氣口最高管口位置以后，繼續(xù)增加液位對(duì)性能影響不大。

圖1 噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)制冷原理圖

圖2 噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)及普通空調(diào)系統(tǒng)的制冷P-H圖

圖3噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)的制冷P-H圖

圖4 閃蒸器剖視圖

圖5 制冷模式下不同增焓孔孔徑的壓縮機(jī)單體對(duì)比數(shù)據(jù)

表2 閃蒸器不同液位對(duì)應(yīng)的能力值

表3 制冷模式下不同增焓孔孔徑壓縮機(jī)在整機(jī)上的對(duì)比數(shù)據(jù)

4 壓縮機(jī)補(bǔ)氣口的設(shè)計(jì)對(duì)制冷量的影響

根據(jù)制冷、制熱模式下噴氣增焓技術(shù)對(duì)空調(diào)器換熱能力的影響因素可知：對(duì)于制熱模式，壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口越大，補(bǔ)氣量越大，冷媒流量越大，制熱量越高。但是對(duì)于制冷模式來(lái)說(shuō)，補(bǔ)氣量的多少對(duì)蒸發(fā)器的換熱能力影響較小，相反壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口越大，高壓壓力越高，系統(tǒng)功率越高，相反能效比將會(huì)下降。所以，針對(duì)不同的使用環(huán)境以及空調(diào)器對(duì)制冷量和制熱量的側(cè)重點(diǎn)不同，壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口設(shè)計(jì)方案應(yīng)該各有不同。這就決定了同一款壓縮機(jī)不能同時(shí)兼顧制冷和制熱，必須采用兩種壓縮機(jī)分別應(yīng)對(duì)高制冷量和高制熱量需求。

在高溫制冷（室外46度）模式下對(duì)不同增焓孔孔徑的壓縮機(jī)單體（數(shù)據(jù)如圖5）及整機(jī)（數(shù)據(jù)如圖2）進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，數(shù)據(jù)的趨勢(shì)與理論分析一致。另外冷媒在閃蒸器中進(jìn)行氣液分離的過(guò)程中，如果中間補(bǔ)氣量過(guò)大的話，將會(huì)導(dǎo)致液態(tài)冷媒劇烈蒸發(fā)，液位降低。如果液位降低到出氣口的最高管口位置下方，將會(huì)降低蒸發(fā)側(cè)的焓差，導(dǎo)致能力降低，這也是上面數(shù)據(jù)中Ф3 mm增焓孔壓縮機(jī)能力偏低的主要原因。如果增焓孔孔徑繼續(xù)加大，甚至?xí)驗(yàn)橹虚g補(bǔ)氣量過(guò)大，導(dǎo)致閃蒸器中液位消失進(jìn)而降低蒸發(fā)器中的流量，導(dǎo)致蒸發(fā)器中冷媒量不足而過(guò)熱嚴(yán)重，降低換熱效果。

5 結(jié)論

噴氣增焓技術(shù)的應(yīng)用可以有效提高低溫下的制熱量和高溫條件下的制冷量，可以改善空調(diào)器在極端工況下的換熱性能。根據(jù)理論分析增焓在制熱模式和制冷模式下對(duì)提高性能所起的作用卻是不同的。本文對(duì)定頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)在制冷時(shí)的理論循環(huán)進(jìn)行分析，得出影響制冷量的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口孔徑的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)理論分析的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）制熱時(shí)壓縮機(jī)增加補(bǔ)氣后，系統(tǒng)的質(zhì)量流量增加，進(jìn)而提高了制熱量。而在制冷時(shí)增焓后增加的冷媒質(zhì)量，僅僅提高的是冷凝器中的冷媒流量，對(duì)蒸發(fā)器中的質(zhì)量流量影響較小。

（2）制冷模式下相較于普通系統(tǒng)，噴氣增焓空調(diào)系統(tǒng)的焓差值更大，這是制冷能力提升的主要因素。

（3）使用增焓壓縮機(jī)用于提高制冷能力時(shí)，閃蒸器中的液態(tài)冷媒的液位對(duì)性能的提升起了到關(guān)鍵作用。液位高于出氣口最高管口位置時(shí)，焓差值最大，性能最高。

（4）在偏重于制熱能力的空調(diào)系統(tǒng)中，加大增焓壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口口徑，可以有效提高性能。

（5）在偏重于制冷能力的空調(diào)系統(tǒng)中，加大增焓壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口口徑，不會(huì)帶來(lái)能力的提升，相反會(huì)降低能效，甚至?xí)?dǎo)致能力的降低。故減小壓縮機(jī)的補(bǔ)氣口口徑可以提高制冷能力及能效。