轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)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(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)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(jiǎn)稱為“空氣能”。近年來(lái)，在“煤改清潔能源”政策的引導(dǎo)下，空氣源熱泵在熱泵市場(chǎng)得到進(jìn)一步廣泛應(yīng)用，主要有熱風(fēng)、熱水兩大類型產(chǎn)品。空氣源熱泵在長(zhǎng)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(huì)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(shí)提升時(shí)，空氣源熱泵會(huì)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(jìn)一步優(yōu)化的問(wèn)題。

為提升空氣源熱泵的低溫制熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多的相關(guān)研究[1],提出了變頻，準(zhǔn)二級(jí)、二級(jí)、復(fù)疊壓縮等系統(tǒng)方案。久保田淳等[2]重點(diǎn)對(duì)二級(jí)壓縮的排量比進(jìn)行了研究，龐宗占、馬國(guó)遠(yuǎn)[3]、申江[4]重點(diǎn)對(duì)噴氣增焓進(jìn)行了研究。本文對(duì)轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)壓縮機(jī)的噴射口角度設(shè)計(jì)、系統(tǒng)噴焓控制進(jìn)行系統(tǒng)分析并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。

1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)介紹

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

圖1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)

本文介紹的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)與其他兩級(jí)或準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)區(qū)別之處在于，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)僅具有一級(jí)壓縮腔，壓縮腔內(nèi)部設(shè)有噴射孔與閃蒸器通過(guò)系統(tǒng)管路相連。系統(tǒng)具有兩個(gè)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(yùn)行時(shí)，主循環(huán)制冷劑經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，吸收外部環(huán)境空氣中的熱量后，進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，通過(guò)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(guò)一級(jí)節(jié)流變?yōu)橹袎籂顟B(tài)進(jìn)入閃蒸器閃發(fā)后氣液分離，液態(tài)制冷在二級(jí)節(jié)流閥節(jié)流處節(jié)流為低溫低壓狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)；氣態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)輔路管路從噴射口進(jìn)入壓縮機(jī)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(guò)噴射回路增加系統(tǒng)循環(huán)時(shí)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(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)便可行的，提升熱泵冬季低溫制熱性能的技術(shù)方案。

對(duì)比雙級(jí)壓縮或復(fù)疊壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)只需使用一個(gè)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)內(nèi)部也無(wú)需增設(shè)二級(jí)壓縮腔，無(wú)需復(fù)雜的系統(tǒng)控制，關(guān)鍵元器件配置簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)廣泛地應(yīng)用于家用空調(diào)市場(chǎng)，具有極大的規(guī)模化生產(chǎn)能力，性價(jià)比高。轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮機(jī)可通用現(xiàn)有壓縮機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái)，僅需在壓縮腔內(nèi)合理設(shè)計(jì)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(jī)的準(zhǔn)二級(jí)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(jià)比高，越來(lái)越受行業(yè)青睞。

2 準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)

由于壓縮機(jī)滾子在氣缸內(nèi)周而復(fù)始地進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，滑片將氣缸劃分為范圍時(shí)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(yùn)動(dòng)而具有周期性的壓力變化。制冷劑通過(guò)一級(jí)節(jié)流后噴射進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸，能否順利噴射進(jìn)入以及有效噴射量的多少，取決于一級(jí)節(jié)流后壓力與壓縮機(jī)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(jí)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(jí)壓縮機(jī)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)增加噴射口后，隨著滾子的旋轉(zhuǎn)，噴射口將會(huì)周期性地在氣缸內(nèi)處于以下三個(gè)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(guò)程如圖3所示。位于吸氣腔區(qū)時(shí)，由于噴射壓力高于吸氣壓力，會(huì)對(duì)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(shí)，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(jí)節(jié)流后的噴射壓力時(shí)，將會(huì)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(shí)，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(jī)噴焓運(yùn)行的難點(diǎn)是氣缸內(nèi)部壓力周期性變化，缺少一個(gè)穩(wěn)定壓力區(qū)。當(dāng)一級(jí)節(jié)流后的噴射壓力越高時(shí)，其反向噴射角度越小，噴焓運(yùn)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)。

圖3 噴射口角度變化過(guò)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(duì)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(jī)噴射口完全關(guān)閉角度設(shè)置為203 °作為研究案例，通過(guò)PV測(cè)試儀獲取壓縮機(jī)內(nèi)部壓力變化，由測(cè)試結(jié)果圖4可知，有效的噴射角度范圍會(huì)隨著冷凝側(cè)溫度的變化而變化，這是因?yàn)樵谝患?jí)節(jié)流后壓力會(huì)隨冷凝壓力變化而變化導(dǎo)致。因此，對(duì)于變工況（環(huán)境溫度、冷凝環(huán)境溫度）的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)，實(shí)測(cè)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(shí)有效噴射范圍越窄。

表1 環(huán)境溫度-7 ℃時(shí)反向噴射角

2.2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵，通常有采用閃蒸器或經(jīng)濟(jì)器（過(guò)冷器）的兩種系統(tǒng)方案，各有優(yōu)缺。帶閃蒸器、經(jīng)濟(jì)器（過(guò)冷器）的轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)對(duì)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(jì)器（過(guò)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(gè)不同的節(jié)流閥控制，系統(tǒng)容易調(diào)節(jié)，易于達(dá)到最優(yōu)，但系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。帶閃蒸器系統(tǒng)，兩級(jí)節(jié)流裝置的串聯(lián)，使得系統(tǒng)控制“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，需要平衡噴射回路與主回路，系統(tǒng)難以達(dá)到最優(yōu)，但系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。

本文分析的準(zhǔn)二級(jí)壓縮空氣源熱泵系統(tǒng)采用閃蒸器轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)方案，閃蒸器準(zhǔn)二級(jí)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(jí)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(jí)壓縮系統(tǒng)循環(huán)流程解釋：壓縮機(jī)排氣進(jìn)入冷凝器冷凝，冷凝后的制冷劑液體通過(guò)一級(jí)節(jié)流進(jìn)入閃蒸器，變成中間壓力下的氣液兩相狀態(tài)，經(jīng)過(guò)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(lái)的飽和制冷劑液體再經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流后直接進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱，然后進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口；噴射回路部分，流量為Δm，從閃蒸器上部出來(lái)的閃發(fā)蒸汽，以一級(jí)節(jié)流后的壓力即中間壓力或噴射壓力，通過(guò)噴射口進(jìn)入壓縮機(jī)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(jī)排氣后進(jìn)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(yùn)行壓縮機(jī)耗功增加ΔQ2=Δm（h3-h2′）。對(duì)系統(tǒng)制熱能力、能效的貢獻(xiàn)主要部分來(lái)源于ΔQ1。ΔQ2對(duì)系統(tǒng)制熱能力有一定貢獻(xiàn)，但表征著壓縮機(jī)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(jí)壓縮壓焓圖

帶閃蒸器的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)，雖然兩級(jí)節(jié)流膨脹閥串聯(lián)控制相互影響，但是對(duì)于系統(tǒng)的影響程度是有區(qū)別的。一級(jí)節(jié)流膨脹閥與噴射量直接關(guān)聯(lián)，二級(jí)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(guò)程中，主循環(huán)回路制冷劑流量逐漸降低，同時(shí)系統(tǒng)的壓差也逐漸增大，二級(jí)節(jié)流膨脹閥的開度逐漸減小。實(shí)驗(yàn)研究實(shí)測(cè)為在環(huán)境溫度低于0 ℃后，二級(jí)節(jié)流膨脹閥的開度降低后保持在最低開度。因此對(duì)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(xì)管固定節(jié)流，系統(tǒng)難以達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)選電子膨脹閥，按過(guò)熱度進(jìn)行節(jié)流控制。如對(duì)性能有較高要求，一級(jí)節(jié)流也推薦采用電子膨脹閥，依據(jù)工況變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。但也可采用毛細(xì)管，以可靠性控制為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)控制，在性能上不會(huì)有太大差異。

以采用排量為34 cm3轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)為例，由表2 所示各工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，準(zhǔn)二級(jí)壓縮提升的制熱量隨水溫提升而提升，即：因?yàn)樗疁厣仙⒗淠龎毫﹄S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(duì)應(yīng)。當(dāng)吸氣壓力高，排氣壓力低時(shí)，即環(huán)境溫度高、水溫低時(shí)，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(shí)，開啟噴射后制熱量降低了0.3%。因此在系統(tǒng)控制時(shí)，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(wú)效噴射。

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

3 存在的不足

轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮可提高系統(tǒng)制熱量，特別是低環(huán)境溫度時(shí)的制熱量。但是低環(huán)境溫度制熱時(shí)，系統(tǒng)面臨的問(wèn)題除了提升制熱量外，還往往需要解決壓縮機(jī)因承受較高壓縮比帶來(lái)的性能降低和可靠性變差問(wèn)題。轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮，由于從結(jié)構(gòu)原理上并不能像雙級(jí)壓縮那樣將壓縮拆分成兩段，分段壓縮來(lái)改善高壓比問(wèn)題，因此對(duì)壓縮機(jī)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(duì)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(jī)可靠性是前提，只有在解決可靠性問(wèn)題后提升制熱性能才有意義。因此轉(zhuǎn)子式準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)，在選型設(shè)計(jì)時(shí)，需要強(qiáng)化壓縮機(jī)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(jí)壓縮系統(tǒng)的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)性能提升控制。根據(jù)研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得知，該系統(tǒng)可有效提升熱泵制熱量，環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)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(jìn)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(jí)壓縮系統(tǒng)，在低環(huán)境溫度應(yīng)用時(shí)，要強(qiáng)化壓縮機(jī)的高壓縮比承受能力。