基于制冷劑泄出的渦旋壓縮機容量調節技術

王寶龍 韓林俊 石文星 李先庭

(清華大學建筑學院 北京 100084)

近年來，渦旋壓縮機以其效率高、噪音低、可靠性高等突出優點[1]在制冷空調領域，尤其是小型系統中得到了廣泛的應用。然而，與其他具有固定容積比的壓縮機一樣，渦旋壓縮機的容積比也是一固定參數，所以，在偏離設計工況時，渦旋壓縮機會出現過壓縮或欠壓縮現象[2]，導致壓縮機效率下降。而實際的制冷空調系統大部分時間內都運行于非設計工況，從而造成了渦旋壓縮機的全年運行效率并不如預期的高。同時，對于一般的制冷(熱泵)系統，在非額定工況下，其系統容量也往往與需求值不相匹配，以熱泵采暖為例，在室外溫度較低時，熱泵運行于大壓比工況，此時熱泵的制熱量將出現衰減，而此時房間供熱需求往往較大；相反的，室外溫度較高時，熱泵運行于小壓比工況，制熱量則會增大，而此時房間供熱需求卻較小。以上這兩個問題在很大程度上影響了渦旋壓縮機的實際性能，制約了其進一步發展。

已有研究提出的制冷劑噴射技術較好地解決了渦旋壓縮機在大壓比工況下容積比效率下降和系統容量不足的問題[3]，為解決小壓比工況下渦旋壓縮機效率降低和系統容量過大的問題，提出了一種基于制冷劑泄出的渦旋壓縮機調節技術，并采用模擬和實驗的手段研究了該技術在小壓比工況下的調節性能，以期初步驗證該技術在工程實際應用中可行性。

1 制冷劑泄出技術

渦旋壓縮機制冷劑泄出技術，是指在渦旋壓縮機壓縮中段的適當位置與制冷系統低壓側之間設置可控的旁通通道。當壓縮機需要減容時，打開該旁通道，壓縮腔中的部分制冷劑將在壓差作用下返回低壓側，而不再被渦旋盤壓縮。制冷劑泄出技術不但能夠降低壓縮機的排量，減小系統的制冷/制熱量，還能夠減小渦旋壓縮機的有效壓縮圈數，降低壓比和過壓縮損失。同時，也可防止壓縮機的過電流，能夠很好地解決渦旋壓縮機制冷系統向小容量和低壓比工況的調節問題。需要說明的是，由于該技術中的制冷劑泄出是在制冷劑被壓縮之前，所以泄出的制冷劑并不耗費壓縮功，這是該泄出技術與普通熱氣旁通技術的顯著不同。

圖1 帶制冷劑泄出功能的渦旋壓縮機制冷系統Fig.1 Refrigeration system of scroll compressor with refrigerant release

圖1所示為一種具有制冷劑泄出功能的渦旋壓縮機制冷系統示意圖。系統包含制冷劑主回路和制冷劑泄出回路。主制冷劑回路由帶制冷劑泄出孔的渦旋壓縮機、冷凝器、系統膨脹裝置和蒸發器依次相連而成。制冷劑泄出回路主要包含單向閥和調節閥，一端設置于壓縮機泄出孔，另一端設置于壓縮機入口管路上。這一泄出系統的主要優點是由于壓縮機入口的壓力較低，泄出壓差較大，所以制冷劑的泄出流量較大，相應的容量調節范圍較寬，但這種制冷劑泄出方式可能導致壓縮機吸氣溫度和排氣溫度的升高。另外，也可以將泄出管路連接到蒸發器的入口管路上，由于蒸發器入口壓力高于壓縮機入口，泄出壓差相對較小，所以泄出制冷劑流量較小，調節范圍相對較窄。當蒸發器及吸氣管路壓降過大時，可能導致在泄出過程中，壓縮腔的壓力始終低于蒸發器入口的壓力，使得泄出功能不能實現。但向蒸發器入口泄出可有效改善蒸發器的換熱性能[4]和帶油能力，同時，還能夠保證壓縮機吸氣的過熱度，提高系統的控制性能。

2 制冷劑泄出調節技術的模擬分析

為深入研究渦旋壓縮機制冷劑泄出技術的調節特性和效果，先對其進行模擬研究。研究所用的模型是在文獻[3]所建立的渦旋壓縮機制冷劑噴射系統模型的基礎上改進而成。模擬針對向壓縮機入口泄出的渦旋壓縮機制冷劑泄出系統展開。該制冷系統采用的渦旋壓縮機和換熱器參數如表1、表2所示。

表1 壓縮機參數Tab.1 Parameters of compressor

表2 換熱器參數Tab.2 Parameters of heat exchangers

圖2 理論泄出壓縮過程Fig.2 Theoretical p-V diagram for the compression process of the scroll compressor with refrigerant release

圖2為具有制冷劑泄出功能的渦旋壓縮機壓縮過程的理論p-V圖。由圖可知，當制冷系統的冷凝壓力低于渦旋壓縮機的排氣壓力時，壓縮機如果不執行泄出功能，高壓制冷劑氣體將在排氣口被絕熱節流，造成過壓縮損失。而一旦壓縮機執行泄出功能，在原有壓縮腔封閉后的初始壓縮階段，壓縮腔通過泄出管道與制冷系統低壓側保持連通，直至壓縮腔逐漸內移至不再與泄出口連通。在此過程中，壓縮腔內始終保持較低的壓力(理想狀態下與泄出管道和系統連接處的壓力相等)，直至泄出結束時，壓縮機才開始真正有效的壓縮。所以渦旋壓縮機的有效壓縮圈數減少，排氣壓力降低，過壓縮損失降低或消除。同時，由于壓縮過程中壓縮腔容積逐漸減小，而采用制冷劑泄出時，渦旋壓縮機的有效吸氣容積為泄出結束時的壓縮腔容積，因此，壓縮機排量減小，系統制冷劑流量降低。

圖3 模擬泄出壓縮過程(相同蒸發器、冷凝器進口水溫)Fig.3 Simulated p-V diagram for the compression process with and without release (the inlet temperatures of glycol of condenser and evaporator keep constant)

圖3為相同蒸發器、冷凝器入口水溫工況下制冷劑泄出對渦旋壓縮機壓縮過程影響的模擬結果?？梢钥闯觯褐评鋭┬钩龃_實延遲了渦旋壓縮機的開始壓縮時間，降低了壓縮機的內壓比，減小了過壓縮損失，由此提高了壓縮機的絕熱壓縮效率。此外，可以看到由于系統制冷劑循環量的降低導致蒸發溫度有所上升，冷凝溫度有所下降，可以預見系統的EER或COP必然得以提高。

圖4所示為冷凝溫度保持40℃、蒸發溫度在0℃～20℃變化時，制冷劑泄出對渦旋壓縮機及其所屬制冷/熱泵系統性能影響的模擬結果。為便于對比，這些參數均以相對值的形式表示，對比參數為冷凝溫度40℃，蒸發溫度5℃，無泄出工況的系統性能。

圖4 制冷劑泄出對渦旋壓縮機制冷系統性能的影響Fig.4 Effects of refrigerant release on the performance of refrigeration system with scroll compressor (numerical)

由圖可知，壓縮機吸氣口的制冷劑泄出能夠大幅度減小壓縮機功耗，且隨著蒸發溫度的提升，功率逐漸減小，在20℃的蒸發溫度下，功率值降至無泄出狀態的一半。在等熵壓縮效率上，無泄出狀態下，隨著蒸發溫度的提升，等熵效率逐漸下降，而制冷劑泄出能夠有效地提升該效率，在20℃的蒸發溫度下，提升額達40%。

在系統性能上，制冷劑泄出能夠有效地減小系統制冷劑的循環量和制冷/制熱量。在這里設計的參數下，隨蒸發溫度的不同，帶泄出功能機組的制冷/熱量最低可達無泄出功能機組的55%～59%，意味著在恰當的控制制冷劑泄出管路阻力的情況下，系統的容量可在50%～100%之間進行連續調節。

在系統能效比上，小壓比工況下(譬如：蒸發溫度大于8℃)，制冷劑泄出能有效提高系統能效水平，最高提高幅度可達20%左右；而在系統壓比較高時(蒸發溫度小于8℃)，制冷劑泄出并未提高系統的能效水平，反而有所下降。這與上文所述的壓縮機效率變化規律吻合：由于系統的蒸發、冷凝溫度一定，所以系統能效比只與壓縮機效率相關；在小壓比工況下，制冷劑泄出能夠提高壓縮機效率，因此能提升系統能效比；而大壓比工況下，制冷劑泄出并不能提升壓縮機效率，反而會使其降低，故此時，系統能效比也有所下降。

由以上的模擬結果分析可見，制冷劑泄出能較大幅度地向下調節渦旋壓縮機制冷系統的容量，同時，還能夠有效提高渦旋壓縮機在小系統壓比工況下的運行效率，由此提高了小壓比工況的系統能效水平。

3 制冷劑泄出調節技術的實驗研究

為驗證制冷劑泄出技術的實際效果和模擬結果的正確性，對制冷劑泄出技術進行了實驗研究。測試實驗臺采用的渦旋壓縮機和換熱器參數如表1所示。測試工況為固定冷凝溫度40℃，蒸發溫度分別為1.7℃、6.1℃、11℃，其中每種工況均測試無泄出和帶泄出兩種狀態下的各項參數，包括系統制熱/冷量、壓縮功耗、主回路制冷劑流量，制冷劑流量和壓縮機功率值分別由流量計和變頻器直接測量，系統制熱/冷量由水側的得/失熱量間接測量。為便于對比，如模擬結果一樣，實驗測試結果也以相對形式給出，對比參數為蒸發溫度6.1℃的對應參數。

圖5為不同工況下，制冷劑泄出對渦旋壓縮機制冷系統性能影響的實驗結果。由圖可知，制冷劑泄出大幅度地降低了系統制冷劑流量和制熱/冷量，實驗工況中最大降幅達32%，同時提升了系統的能效比，最大升幅達45%，壓縮機功率也大幅度降低，并且由系統能效比的提升量可知，壓縮機效率也勢必得到了大幅度的提升。

制冷劑泄出對系統容量卸載量的實驗值比模擬值小，主要原因在于，實驗中泄出通道的實際阻力大于模擬中的值，造成制冷劑的泄出量沒有模擬值大，從而導致了卸載量的降低。由此可見，進一步降低泄出通道的阻力將是提升制冷劑泄出技術實際性能的關鍵。此外，可考慮通過加設動力部件的方法提高制冷劑泄出量，增大系統制冷/熱量的卸載量，例如文獻[5]提出的利用噴射器強化制冷劑泄出功能的方案。

至此，實驗結果驗證了制冷劑泄出能較大幅度地向下調節渦旋壓縮機制冷系統的容量，同時，還能夠有效提高渦旋壓縮機在小系統壓比工況下的運行效率，提升系統在小壓比工況下的能效水平。

圖5 制冷劑泄出對渦旋壓縮機制冷系統性能影響的實驗結果Fig.5 Effects of refrigerant release on the performance of refrigeration system with scroll compressor (experimental)

4 結論

基于前期研究提出了一種新型的制冷系統容量調節技術——渦旋壓縮機制冷劑泄出技術，并對其進行了模擬和實驗研究。模擬和實驗結果均表明：1)制冷泄出技術能有效降低渦旋壓縮機在過壓縮工況下的內壓縮損失，提高壓縮機的運行效率；2)制冷劑泄出能較大幅度地向下調節渦旋壓縮機制冷系統的容量，同時，還能夠有效地提升系統在小壓比工況下的能效水平。

[1]彥啟森, 石文星, 田長青. 空氣調節用制冷技術[M]. 北京: 建筑工業出版社, 2004, 65.

[2]李連生. 渦旋壓縮機[M]. 北京: 機械工業出版社, 1998,148.

[3]王寶龍. 制冷劑噴射渦旋壓縮機及其應用研究[D]. 北京: 清華大學建筑技術科學系, 2006.

[4]Man-o T, Tanino M, Okazaki T, et al. Beijing: The Enhanced Heat Transfer in the Plate-Type Evaporator by Using an Ejector for Recirculation[C]// International Congress of Refrigeration 2007, Beijing, ICR07-B2-931.

[5]王寶龍, 石文星, 李先庭, 等. 主回路上設有噴射器的容量可調渦旋壓縮機制冷系統:中國, 200710178486.8[P].2008-04-30.