轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)分析

袁明征

（珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司 珠海 519070）

引言

空氣源熱泵，其利用熱泵原理，以電能驅(qū)動壓縮機，通過熱力循環(huán)，將空氣中吸收的低品位熱量輸送至使用側(cè)，是一種高效、節(jié)能的供熱設(shè)備，業(yè)內(nèi)簡稱為“空氣能”。近年來，在“煤改清潔能源”政策的引導(dǎo)下，空氣源熱泵在熱泵市場得到進一步廣泛應(yīng)用，主要有熱風(fēng)、熱水兩大類型產(chǎn)品?？諝庠礋岜迷陂L江中下游及西南、華南地區(qū)，其節(jié)能效果顯著，但在黃河流域及其華北、西北等地區(qū)的寒冷冬季，由于冬季氣溫降低，供熱性能會產(chǎn)生一定程度的降低。特別地，當(dāng)環(huán)境溫度降低，供熱溫度同時提升時，空氣源熱泵會出現(xiàn)制熱量衰減、制熱性能系數(shù)偏低、壓縮比增大等亟待進一步優(yōu)化的問題。

為提升空氣源熱泵的低溫制熱性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了諸多的相關(guān)研究[1],提出了變頻，準(zhǔn)二級、二級、復(fù)疊壓縮等系統(tǒng)方案。久保田淳等[2]重點對二級壓縮的排量比進行了研究，龐宗占、馬國遠[3]、申江[4]重點對噴氣增焓進行了研究。本文對轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)進行研究，重點對壓縮機的噴射口角度設(shè)計、系統(tǒng)噴焓控制進行系統(tǒng)分析并實驗驗證研究。

1 準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)介紹

準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)，主要由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、一、二級節(jié)流閥及閃蒸器組成，圖1所示。

圖1 準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)

本文介紹的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)與其他兩級或準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)區(qū)別之處在于，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子式壓縮機，壓縮機僅具有一級壓縮腔，壓縮腔內(nèi)部設(shè)有噴射孔與閃蒸器通過系統(tǒng)管路相連。系統(tǒng)具有兩個循環(huán)回路，分別為主循環(huán)和噴射回路輔循環(huán)。系統(tǒng)運行時，主循環(huán)制冷劑經(jīng)過蒸發(fā)器，吸收外部環(huán)境空氣中的熱量后，進入壓縮機吸氣口，通過壓縮循環(huán)變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)輸送至冷凝器將熱量釋放給使用側(cè)。制冷劑在冷凝器冷凝后通過一級節(jié)流變?yōu)橹袎籂顟B(tài)進入閃蒸器閃發(fā)后氣液分離，液態(tài)制冷在二級節(jié)流閥節(jié)流處節(jié)流為低溫低壓狀態(tài)進入蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)；氣態(tài)制冷劑經(jīng)過輔路管路從噴射口進入壓縮機壓縮腔，同主循環(huán)制冷劑混合后，繼續(xù)壓縮循環(huán)。采用該系統(tǒng)循環(huán)，可通過噴射回路增加系統(tǒng)循環(huán)時的質(zhì)量流量，即噴氣增焓，可提升系統(tǒng)的制熱量。因此，準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)是一種簡便可行的，提升熱泵冬季低溫制熱性能的技術(shù)方案。

對比雙級壓縮或復(fù)疊壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需使用一個壓縮機，壓縮機內(nèi)部也無需增設(shè)二級壓縮腔，無需復(fù)雜的系統(tǒng)控制，關(guān)鍵元器件配置簡單。轉(zhuǎn)子式壓縮機廣泛地應(yīng)用于家用空調(diào)市場，具有極大的規(guī)模化生產(chǎn)能力，性價比高。轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮機可通用現(xiàn)有壓縮機設(shè)計平臺，僅需在壓縮腔內(nèi)合理設(shè)計噴射孔即可，具備現(xiàn)成的產(chǎn)業(yè)化能力。采用轉(zhuǎn)子式壓縮機的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)，產(chǎn)品開發(fā)迅速、低溫制熱性能高、性價比高，越來越受行業(yè)青睞。

2 準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1 轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮機的設(shè)計

由于壓縮機滾子在氣缸內(nèi)周而復(fù)始地進行圓周運動，滑片將氣缸劃分為范圍時刻變化的吸氣腔區(qū)和排氣腔區(qū)，如圖2結(jié)構(gòu)圖示。位于氣缸內(nèi)固定位置處的噴射孔所處環(huán)境的壓力也隨著滾子與滑片的運動而具有周期性的壓力變化。制冷劑通過一級節(jié)流后噴射進入壓縮機氣缸，能否順利噴射進入以及有效噴射量的多少，取決于一級節(jié)流后壓力與壓縮機噴射孔處氣缸壓力的比較。沒有恒定的中間混合腔，這是轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮區(qū)別于其他系統(tǒng)的關(guān)鍵。

圖2 轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮機及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

轉(zhuǎn)子式壓縮機增加噴射口后，隨著滾子的旋轉(zhuǎn)，噴射口將會周期性地在氣缸內(nèi)處于以下三個區(qū)域：吸氣腔區(qū)、封閉腔區(qū)、壓縮排氣腔區(qū)，具體變化過程如圖3所示。位于吸氣腔區(qū)時，由于噴射壓力高于吸氣壓力，會對吸氣產(chǎn)生影響，影響主循環(huán)的制冷劑循環(huán)流量。位于壓縮排氣腔區(qū)時，隨著壓縮腔容積減小壓力增大，當(dāng)壓縮腔內(nèi)部壓力高于一級節(jié)流后的噴射壓力時，將會導(dǎo)致反向噴射，如噴射回路上不增加止回閥，則制冷劑將從氣缸反向噴射回原系統(tǒng)。位于封閉腔區(qū)時，滾子將噴射孔封閉，沒有噴射增焓效應(yīng)。因此，轉(zhuǎn)子壓縮機噴焓運行的難點是氣缸內(nèi)部壓力周期性變化，缺少一個穩(wěn)定壓力區(qū)。當(dāng)一級節(jié)流后的噴射壓力越高時，其反向噴射角度越小，噴焓運行提升效果也越好。提高噴射壓力可減小反向噴射角范圍，但噴射壓力的改變會導(dǎo)致整個系統(tǒng)運行改變。在相同噴射壓力情況下，要縮小反向噴射角范圍，則需要將噴射口關(guān)閉角度提前或?qū)娚淇谖恢脧较虺瘍?nèi)移動。

圖3 噴射口角度變化過程

噴射孔開孔面積、形狀，處于氣缸圓周位置上的角度，徑向圓心距離均將對噴氣增焓的有效性、系統(tǒng)性能的發(fā)揮產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。提升噴氣增焓效果的關(guān)鍵，在于上述參數(shù)的合理設(shè)置。以壓縮機噴射口完全關(guān)閉角度設(shè)置為203 °作為研究案例，通過PV測試儀獲取壓縮機內(nèi)部壓力變化，由測試結(jié)果圖4可知，有效的噴射角度范圍會隨著冷凝側(cè)溫度的變化而變化，這是因為在一級節(jié)流后壓力會隨冷凝壓力變化而變化導(dǎo)致。因此，對于變工況（環(huán)境溫度、冷凝環(huán)境溫度）的應(yīng)用場景，噴射壓力隨工況的適配性控制是噴氣增焓效果的關(guān)鍵。

圖4 壓力與角度關(guān)系圖

有效噴射區(qū)與系統(tǒng)的噴射壓力相關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度-7 ℃時，實測反向噴射角度隨水溫的變化如表1所示，由此可知，當(dāng)水溫越低時有效噴射范圍越窄。

表1 環(huán)境溫度-7 ℃時反向噴射角

2.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計

轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵，通常有采用閃蒸器或經(jīng)濟器（過冷器）的兩種系統(tǒng)方案，各有優(yōu)缺。帶閃蒸器、經(jīng)濟器（過冷器）的轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)對于制熱量的提升，本質(zhì)上是相同的，但是控制方法上有差別。帶閃蒸器的系統(tǒng)類似于電路中的串聯(lián)，帶經(jīng)濟器（過冷器）的系統(tǒng)類似于電路中的并聯(lián)，由于噴射回路與主回路分別由兩個不同的節(jié)流閥控制，系統(tǒng)容易調(diào)節(jié)，易于達到最優(yōu)，但系統(tǒng)相對復(fù)雜。帶閃蒸器系統(tǒng)，兩級節(jié)流裝置的串聯(lián)，使得系統(tǒng)控制“牽一發(fā)而動全身”，需要平衡噴射回路與主回路，系統(tǒng)難以達到最優(yōu)，但系統(tǒng)相對簡單。

本文分析的準(zhǔn)二級壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)采用閃蒸器轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)方案，閃蒸器準(zhǔn)二級壓縮壓焓圖如圖5，常規(guī)壓縮循環(huán)流程為：6′-1-2-3′-3-4-4′-6′，帶閃蒸器準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)流程為：4′-6-2′-4-4′，4′-5-5′-6′-1-2-2′-3-4-4′。帶閃蒸器準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)循環(huán)流程解釋：壓縮機排氣進入冷凝器冷凝，冷凝后的制冷劑液體通過一級節(jié)流進入閃蒸器，變成中間壓力下的氣液兩相狀態(tài)，經(jīng)過閃發(fā)后分為兩部份：主回路部分，流量為m，從閃蒸器底部出來的飽和制冷劑液體再經(jīng)過二級節(jié)流后直接進入蒸發(fā)器吸熱，然后進入壓縮機吸氣口；噴射回路部分，流量為Δm，從閃蒸器上部出來的閃發(fā)蒸汽，以一級節(jié)流后的壓力即中間壓力或噴射壓力，通過噴射口進入壓縮機壓縮腔參與壓縮。兩部分在壓縮腔內(nèi)部混合后繼續(xù)壓縮至排氣，壓縮機排氣后進入套管冷凝器冷凝，如此循環(huán)。系統(tǒng)制熱量的提高得益于：從環(huán)境中額外吸收的熱量ΔQ1=m（h4-h5），噴焓運行壓縮機耗功增加ΔQ2=Δm（h3-h2′）。對系統(tǒng)制熱能力、能效的貢獻主要部分來源于ΔQ1。ΔQ2對系統(tǒng)制熱能力有一定貢獻，但表征著壓縮機功耗的增加，是否提升系統(tǒng)制熱能效，取決于產(chǎn)生的ΔQ1。

圖5 閃蒸器準(zhǔn)二級壓縮壓焓圖

帶閃蒸器的準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，雖然兩級節(jié)流膨脹閥串聯(lián)控制相互影響，但是對于系統(tǒng)的影響程度是有區(qū)別的。一級節(jié)流膨脹閥與噴射量直接關(guān)聯(lián)，二級節(jié)流膨脹閥與主循環(huán)回路制冷劑流量直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)環(huán)境溫度由高到低的變化過程中，主循環(huán)回路制冷劑流量逐漸降低，同時系統(tǒng)的壓差也逐漸增大，二級節(jié)流膨脹閥的開度逐漸減小。實驗研究實測為在環(huán)境溫度低于0 ℃后，二級節(jié)流膨脹閥的開度降低后保持在最低開度。因此對于環(huán)境溫度幅度變化較大的系統(tǒng)，如果主循環(huán)回路采用毛細管固定節(jié)流，系統(tǒng)難以達到最優(yōu)狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)選電子膨脹閥，按過熱度進行節(jié)流控制。如對性能有較高要求，一級節(jié)流也推薦采用電子膨脹閥，依據(jù)工況變化進行調(diào)節(jié)。但也可采用毛細管，以可靠性控制為目標(biāo)進行系統(tǒng)控制，在性能上不會有太大差異。

以采用排量為34 cm3轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮機系統(tǒng)為例，由表2 所示各工況下的測試數(shù)據(jù)可知，準(zhǔn)二級壓縮提升的制熱量隨水溫提升而提升，即：因為水溫上升、冷凝壓力隨之上升、中間壓力上升、有效噴射角范圍增大、噴氣增焓量也越大，這與前文的分析相對應(yīng)。當(dāng)吸氣壓力高，排氣壓力低時，即環(huán)境溫度高、水溫低時，有效噴射角大副減少，甚至產(chǎn)生反向噴射導(dǎo)致性能降低，環(huán)境溫度7/6 ℃，水溫10 ℃時，開啟噴射后制熱量降低了0.3%。因此在系統(tǒng)控制時，需要注意控制噴氣增焓開啟的環(huán)境溫度、水溫，避免產(chǎn)生無效噴射。

表2 準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)各工況測試數(shù)據(jù)

3 存在的不足

轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮可提高系統(tǒng)制熱量，特別是低環(huán)境溫度時的制熱量。但是低環(huán)境溫度制熱時，系統(tǒng)面臨的問題除了提升制熱量外，還往往需要解決壓縮機因承受較高壓縮比帶來的性能降低和可靠性變差問題。轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮，由于從結(jié)構(gòu)原理上并不能像雙級壓縮那樣將壓縮拆分成兩段，分段壓縮來改善高壓比問題，因此對壓縮機的高壓比承受能力要求特別高。在冬季低溫供暖，使用環(huán)境對供熱量、供熱溫度都提出了極高的要求，既要制熱迅速、熱量大，又要溫度高，如采用散熱片的熱水供暖，普遍溫度需求在55～60 ℃。壓縮機可靠性是前提，只有在解決可靠性問題后提升制熱性能才有意義。因此轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，在選型設(shè)計時，需要強化壓縮機的高壓縮比承受能力。

4 總結(jié)

本文研究分析了轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)的壓縮機結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)性能提升控制。根據(jù)研究與實驗測試得知，該系統(tǒng)可有效提升熱泵制熱量，環(huán)境溫度-15 ℃時最大可提升37.5%。但在變工況條件下，需要注意控制噴焓的進入條件，有效噴射角度范圍一般在39～130 °，應(yīng)避免產(chǎn)生逆向噴射降低性能。此外轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)，在低環(huán)境溫度應(yīng)用時，要強化壓縮機的高壓縮比承受能力。