噴液冷卻和噴氣增焓低溫熱泵渦旋壓縮機的對比分析

馬麟，姚文虎，錢坤

（丹佛斯（天津）有限公司，天津 301700）

0 引言

在我國北方寒冷地區，傳統的燃煤、燃油取暖方式會產生嚴重的空氣污染，給自然環境帶來巨大壓力，產生的霧霾給人們生活帶來巨大困擾。空氣源熱泵作為一種清潔節能技術被作為替代傳統供熱形式的首選技術方案[1-2]，并通過京津冀煤改電政策大力推廣。

傳統空氣源熱泵技術主要用于長江流域非集中供暖地區，此地區氣候特點為最低溫度為0 ℃附近。而北方寒冷地區（京津冀）主要氣候特點為溫度低（極端室外溫度-15 ℃），在滿足用戶舒適度的前提下對于空氣源熱泵系統提出了更高的要求[3-4]。現在熱泵系統的主要問題是隨著室外環境溫度的降低，壓縮機壓縮比增大，嚴重偏離最佳設計值，等熵系數衰減，造成壓縮機排氣溫度迅速上升超過許用范圍，功率急劇上升；同時質量流量降低導致制熱量嚴重衰減，既無法達到節能目的也無法滿足用戶的舒適性需求；普通壓縮機由于專注制冷性能，故型線設計壓比較低，在低環溫制熱時由于工況壓縮比增大，壓縮機嚴重欠壓縮，壓縮機旋線芯部壓差過大，渦旋齒斷裂風險增加。解決上述問題對熱泵壓縮機設計提出了更高的要求。為解決這些問題，研究人員提出的方案主要集中在制冷劑噴液方案[5-14]和噴氣增焓方案[15-17]，并取得一系列研究成果。理論模型分析和實驗測試結果表明，兩種技術方案都可以滿足北方寒冷地區熱泵系統使用要求。

為解決以上熱泵問題，開發了 PSH系列及PCH065渦旋壓縮機。PSH系列壓縮機采用制冷劑噴液冷卻技術控制壓縮機排氣溫度，擴大低環境溫度下運行范圍。PCH065壓縮機采用制冷劑噴氣增焓技術，提高低環境溫度制熱量及制熱性能，并通過中間排氣技術提高部分負荷系統的制冷性能。同時 2種壓縮機對渦旋型線壓比都針對制熱工況進行優化設計，提高了壓縮機可靠性和制熱性能。2種壓縮機可滿足客戶低環境溫度熱泵系統差異化需求。

1 制冷劑噴液及噴氣增焓技術介紹

1.1 制冷劑噴液技術

制冷劑噴液技術基本原理為：將中溫氣液混合態制冷劑噴入渦旋盤內，與原有壓縮態的高溫制冷劑混合，以達到壓縮機在高壓比工況下運行時降低排氣溫度的目的[18]。如圖1所示，制冷劑流經冷凝器后分為2路；主路正常節流后進入蒸發器；噴液路制冷劑經過噴液電子膨脹閥節流為中溫中壓的氣液混合態，經壓縮機噴液口噴入渦旋盤并與原有制冷劑混合，而后繼續壓縮，壓縮完成后從壓縮機排氣口排出。從圖中可看出，如無噴液，壓縮機的排氣溫度高。

1.2 制冷劑噴氣增焓技術

制冷劑噴氣增焓技術原理是將一定過熱度的中溫中壓氣態制冷劑噴入渦旋盤內，與原有制冷劑混合，對降低排氣溫度有一定效果[19-20]。主要優點為通過經濟器的二次過冷增加制冷量，同時由于噴氣狀態為中壓，功率增加，制冷性能增加。同時由于質量流量的增加也會帶來制熱量的增加。如圖 2所示，制冷劑流經冷凝器后(5)分為2路：主路流量為m，通過經濟器于噴氣路進行換熱二次過冷(5a)，后正常節流后進入蒸發器(6)；噴氣路流量為i，經過噴氣電子膨脹閥節流為中溫中壓的氣液混合態制冷劑(5b)，而后經過經濟器與主流換熱成為帶一定過熱度的氣態制冷劑(3)，經壓縮機噴氣口噴入渦旋盤并與原有制冷劑混合(2’)，流量為m+i，而后繼續壓縮，壓縮完成后從壓縮機排氣口排出(4)。從圖2中可看出，如無噴氣，壓縮機排氣狀態為4’，有降排氣溫度的效果。同時主路通過經濟器內二次過冷增加制冷量，制熱時由于流量的增加實現制熱量增加。

圖1 制冷劑噴液系統

圖2 制冷劑噴氣增焓系統

1.3 兩種技術對比

以上2種技術都在一定程度上解決了渦旋壓縮機在高壓縮比工況下的設計難點，可以滿足熱泵在低環境溫度下的使用要求。同時由于2種技術各有獨特的一面，客戶可以根據熱泵系統的實際使用要求選擇對應技術的渦旋壓縮機。噴液壓縮機優點：噴射冷媒為氣液混合態，所以降低壓縮機排氣溫度效果更明顯，在低環境溫度工況運行可以達到更高的冷凝壓力，更大的運行范圍；同時由于只增加噴液閥，不需要經濟器，所以系統設計簡單，成本低。噴氣增焓優點：通過經濟器二次過冷及冷凝側流量的增加，實現制冷工況下制冷量及制冷性能提高，制熱工況下制熱量提高。

2 帶制冷劑噴液冷卻的熱泵型渦旋壓縮機

PSH系列是制冷量為7.5冷噸～15冷噸的新冷媒R410A熱泵型渦旋壓縮機。該壓縮機采用制冷劑噴液冷卻技術，在普通渦旋壓縮機的基礎上增加制冷劑噴液裝置設計；當熱泵系統在低環境溫度下運行排氣溫度過高時，通過將冷凝器節流后氣液混合態的制冷劑經噴液管路噴入壓縮機壓縮腔，可有效控制并調節排氣溫度，并對渦旋內容積比及設計強度進行優化，在保證高可靠性的前提下大范圍擴展了壓縮機的運行范圍。應用這個系列壓縮機的熱泵系統相對于普通空調系統低溫環境下的制熱性能得到極大的改善，同時在環境溫度低的情況下（-20 ℃～-25 ℃）實現高出風出水溫度（55 ℃～60 ℃），使用戶舒適性得到提高。

圖3 PSH渦旋壓縮機

圖4 PSH渦旋壓縮機噴液通道

圖5 PSH渦旋壓縮機運行范圍拓展區域

為簡化熱泵系統制冷劑噴液控制，PSH系列壓縮機控制板增加了噴液控制模塊。溫度探頭探測排氣溫度，反饋自動調節噴液電子膨脹閥開度，同時通過與熱泵系統主控制板的信號傳輸，實現制冷劑噴液循環的高效可靠控制。具體控制邏輯如下：壓縮機排氣側安裝溫度傳感器，噴液控制板可檢測傳感器反饋的排氣溫度；當排氣溫度高于設定值時，控制板內輸出信號打開噴液電子膨脹閥開度，并通過設置好的控制程序把排氣溫度穩定控制在要求范圍；當出現電子膨脹閥開啟度 100%情況下排氣溫度依然高于設定值的異常情況時，壓縮機報警并進入停機倒計時，一段時間后排氣溫度依然無法降低，壓縮機停機，實現壓縮機的自動保護。

圖6 PSH渦旋壓縮機噴液控制板

圖7 PSH噴液控制邏輯

3 帶噴氣增焓的熱泵型渦旋壓縮機

PCH065是制冷量為 25冷噸的新冷媒 R410A熱泵型渦旋壓縮機。該壓縮機采用制冷劑噴氣增焓技術，在普通渦旋壓縮機的基礎上增加制冷劑噴氣管路設計，將帶一定過熱度的中溫中壓氣態制冷劑通過噴氣通道噴入渦旋盤內，以增加制冷劑流量；結合對經濟器的優化設計，二次過冷增加制冷量及制冷系數，制熱時由于流量的增加實現制熱量增加，并對降低排氣溫度，實現拓展壓縮機低環境溫度下運行范圍的效果。

熱泵渦旋壓縮機渦旋盤為滿足低環境溫度下制熱需求，渦旋盤內壓比設計普遍高于普通制冷壓縮機，這就容易造成在夏季制冷部分負荷工況運行時壓縮機設計壓比高于工況壓比，壓縮機過壓縮運行，壓縮機功率增加，制冷性能下降。PCH065渦旋壓縮機針對此問題在排氣側增加了中間排氣閥，并在渦旋盤上對應位置增加中間排氣孔，實現壓縮機在部分符合工況下運行時通過中間排氣閥提前排氣，改善壓縮機過壓縮情況，提高低壓比部分負荷下制冷性能。

圖8 PCH065渦旋壓縮機

圖9 PCH065渦旋壓縮機運行范圍拓展區域

圖10 PCH065噴氣增焓制冷及制熱性能提高

圖11 PCH065中間排氣閥

如圖12所示，無中間排氣閥壓縮機壓縮到Pf1開始從主排氣閥排氣，無用功為淺灰色加灰色部分；帶有中間排氣閥壓縮機壓縮到Pf2就可從中間排氣閥排氣，無用功為灰色部分，相對于無閥壓縮機節省灰色部分無用功。同時在高壓比情況下由于壓差作用中間排氣閥關閉，對壓縮機高壓比工況性能沒有負作用。壓縮機除霜時液擊風險及低溫帶液啟動時可靠性風險也伴隨中間提前排氣降低渦旋型線的負荷峰值，對壓縮機的可靠性起到改善作用。

根據失效率統計結果，高壓比失效在熱泵渦旋壓縮機總失效數量中占很大比例。熱泵系統通常會在壓縮機排氣側安裝溫度傳感器或壓力傳感器并配合主控板控制進行保護。但高壓比失效率依然很高，主要原因在于：溫度傳感器安裝在排氣管側測量壓縮機排氣溫度，由于環境溫度的影響有失真情況，尤其是低環境溫度工況運行情況下；熱泵系統為避免誤判影響，壓縮機正常運行一般會設置報警延遲時間和開機檢測屏蔽，在異常情況下壓縮機由于保護延遲造成失效；PCH065渦旋壓縮機針對此問題在靜渦旋安裝內置溫度傳感器，可以直接檢測壓縮機渦旋盤排氣部分溫度，不受環境溫度干擾，同時報警延遲時間短，對于壓縮機在低環境溫度工況運行可靠性提高可以起到很大作用。

圖12 PCH065中間排氣閥工作原理

圖13 PCH065部分負荷工況性能提高

4 結論

針對低環境溫度下熱泵應用對渦旋壓縮機提出的拓展在低蒸發溫度下運行范圍及提高制熱性能的需求，開發了采用制冷劑噴液冷卻技術控制壓縮機排氣溫度、擴大低環境溫度下運行范圍的PSH系列渦旋壓縮機，以及采用制冷劑噴氣增焓技術提高低環境溫度制熱量及制熱性能、通過中間排氣技術提高部分負荷系統的制冷性能的PCH065渦旋壓縮機；對制熱工況下兩種壓縮機的渦旋型線壓比進行了優化設計，提高了壓縮機可靠性。

基于運行范圍大的特點，PSH系列壓縮機更適合高出水及出風溫度的應用（55 ℃以上）；基于性能高、低環境溫度值熱量提升顯著的特點，PCH065更適合 35 ℃～45 ℃出水及出風溫度的應用。開發的兩種熱泵壓縮機對于空氣源熱泵在中國北方應用的大范圍普及，提高能源利用率會產生深遠的影響。

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