兩次中間補氣渦旋壓縮機的工作特性

許樹學 馬國遠

(北京工業大學環能學院 北京 100124)

兩次中間補氣渦旋壓縮機的工作特性

許樹學 馬國遠

(北京工業大學環能學院 北京 100124)

建立了渦旋壓縮機兩次中間補氣制冷系統的計算模型，通過編制軟件對系統的性能進行模擬研究。確定出開設兩對補氣孔時最佳補氣壓力的范圍，歸納出最適宜的兩次中間補氣壓力范圍經驗公式；針對某一款渦旋壓縮機給出了補氣孔的設計方法。最后，對系統的循環性能進行研究，結果表明：與中間補氣系統和單級系統相比，兩次中間補氣系統的制冷COP分別提高2.8%和12.4%。排氣溫度降低3～4 ℃。

渦旋壓縮機；兩次中間補氣；制冷COP；排氣溫度

通過在渦旋壓縮機上開設輔助補氣孔而構成的準二級壓縮制冷循環，在改進系統的性能，特別是低溫制熱性能起到了很好的效果[1-2]，比如降低R32系統的排氣溫度[3]。中間補氣提高系統性能的機理是通過補氣的閃發過程，提高主路液體過冷度并增加排氣量，同時補入壓縮機的低焓值氣體能提高壓縮效率，降低壓縮功[4]。文獻[5]對活塞式半封閉制冷壓縮機的中間壓力進行了實驗研究，認為中間壓力是一個隨補氣參數的改變而變化的物理量。

若將補氣孔由單個(對)增加為多個(對)，理論上可使系統性能進一步提高。近幾年，美國Purdue University，University of Maryland研究者也進行了相似的研究。文獻[6]對使用混合工質的三級壓縮系統進行了研究，認為較單級系統能效比可提高27.3%。文獻[7]對多級壓縮多級補氣系統進行了研究，結果表明：空調工況下的R410A系統能效比提高達51%，最適宜設計成多級補氣系統的工質為R404A。文獻[8]認為，多級補氣中的兩相補氣，可使系統接近飽和壓縮、飽和節流循環，進而大幅度提高系統的性能。文獻[9-10]對準三級壓縮制冷系統進行了實驗研究，目的是降低壓縮機的排氣溫度，提高系統的穩定性。但其設計方法是一個單級壓縮機和另外一臺帶補氣孔的渦旋壓縮機串聯組成，本質上還是單孔補氣。本文建立了帶有兩對補氣孔的兩次中間補氣渦旋壓縮機制冷系統計算模型，通過編制計算軟件對系統的性能進行研究，重點討論最佳兩級補氣壓力的范圍和補氣孔的開設方法，最后對系統的循環性能進行計算。有關結論可為渦旋壓縮機兩次或多次中間補氣系統的設計提供指導。

1 循環原理

兩次中間補氣制冷系統的循環原理如圖1所示。在渦旋壓縮機上對稱開設兩對補氣孔，以閃發器為界，節流過程分為三次。詳細的工作過程如下：出冷凝器的液態工質通過一級膨脹閥TEV1節流后進入到閃發器1內，在閃發器內制冷劑分離為液態和氣態，氣態制冷劑通過補氣管路補入到相應壓力的壓縮腔內，液態的制冷劑從閃發器1內出來后進入到二級膨脹閥TEV2進行二級節流，后進入到閃發器2內進行二次閃發，氣態制冷劑通過補氣管路補入到相應壓力的壓縮腔內。液態的制冷劑從閃發器2出來后進入到三級膨脹閥TEV3節流，后進入到蒸發器內，吸熱氣化被壓縮機吸走，完成一個工作過程。

將補氣孔從單對增加為多對，一方面能使壓縮過程更大程度的接近飽和線，提高壓縮過程效率，同時進一步降低進蒸發器前的制冷劑焓值，增大制冷量。

2 計算模型

質量守恒方程：

m13=m1+m11

(1)

m14=m13+m8

(2)

式中：m為質量流量，kg/s；1，8，11，13，14代表圖1中不同的位置。

當補氣過程為完全補氣時，吸氣1 kg工質：

(3)

(4)

式中：x為干度，6，9代表圖1中不同的位置。

混合點的焓值：

(5)

(6)

式中：h為焓值，kJ /kg；2，3，8代表圖1中不同的位置。

當壓縮過程絕熱時，吸氣1 kg工質各階段的壓縮功：

W1-2=h2-h1

(7)

(8)

(9)

制冷量：

qo=h1-h10

(10)

總壓縮功：

W=W1-2+W13-3+W14-4

(11)

制冷性能系數：

(12)

式中：ηm和ηmo分別為機械效率和電機效率，本文中取ηm和ηmo的乘積為0.6。

3 模型的求解

模型的求解涉及到閃發過程、混合過程和多次壓縮，物性的彼此關聯性較強，需要多次查詢，計算起來比較繁瑣?；赩B平臺和物性計算軟件Refprop7，開發出針對兩次中間補氣壓縮的計算軟件。輸入初始參數后即可快速計算出壓縮功、制冷量、性能系數等。詳細的計算過程如下：在蒸發壓力與冷凝壓力之間，先任取一個較小的值作為一級補氣壓力，二級補氣壓力在一級補氣壓力值的基礎上增大一個梯度(如0.1 MPa)，帶入式(1)～ 式(12)的計算模型，得出計算一組結果。逐步增大一級補氣壓力的值，用相同的辦法給出二級補氣壓力的值，計算出所有結果再繪制在一張圖上。計算流程如圖2所示。

4 模擬結果與討論

4.1 最佳兩級中間壓力的確定

圖3所示為制冷COP隨兩次補氣壓力的變化關系。由圖可知：在一級補氣壓力不變的條件下，系統的COP隨二級補氣壓力的增大呈先增大后減小的趨勢。同樣，二級補氣壓力不變時，COP同樣隨一級補氣壓力的增大呈先增大后減小的趨勢。存在兩個區域可獲得相對較大的COP。比如，蒸發溫度為2 ℃時，一級、二級補氣壓力的匹配為：1.2～1.8 MPa，或1.4～2.0 MPa時；在蒸發溫度為7 ℃時，一級、二級補氣壓力的匹配為：1.3～1.7 MPa或1.5 MPa。

基于上述計算結果回歸出兩次補氣的壓力值范圍：

(13)

(14)

式中：δ取值范圍為0.10～0.14。

4.2 補氣口位置的確定

渦旋壓縮機的腔內壓力與渦旋盤動盤的旋轉角度存在關系，根據壓比大小即可推出相應旋轉角度，并據此確定補氣孔的位置。以某一款圓的漸開線渦旋壓縮機為例，如圖4所示，包括三個壓縮腔，渦旋型線圈數為2.83，工況為蒸發溫度7 ℃，冷凝溫度45 ℃。

由式(13)和式(14)可知，壓比的范圍為1.5和2.0，腔內壓力與補氣壓力近似相等，得內壓縮比：

(15)

又因為，

p1V11.4=p2V21.4=p3V31.4=常數

(16)

即可求得：

(17)

帶入渦旋機的壓縮過程容積方程：

(18)

式中：P為漸開線節距，mm；t為渦旋體壁厚，mm；h為渦旋體高度，mm；θ為主軸回轉角。

得出補氣口的位置的角度為：

θ2=1.24π，θ3=1.95π

(19)

補氣孔的形狀影響補氣管路的阻力，進而影響整個系統性能。但考慮到加工的便利，一般認為圓形比較適宜[11]。值得注意的是，上述補氣孔位置的確定方法只是基于制冷工況，對于已經給定的渦旋壓縮機，若要兼顧制冷、制熱性能，并考慮泄漏等諸多因素時，需要通過上述方法，求出不同參數(制冷量、制熱量，制冷COP，制熱COP等)取最大值時補氣孔位置，進而確定出性能兼顧的補氣孔位置。

4.3 系統的循環性能

以R410A為例進行系統性能的計算。壓縮機額定功率為1 HP(制冷量2.5 kW)。考察蒸發溫度0～7 ℃，冷凝溫度45 ℃的工況下，單級系統、中間補氣系統和兩次中間補氣系統的制冷量、壓縮機功率、制冷COP等性能。由圖5可知，壓縮機功率的大小關系是：兩次中間補氣系統>中間補氣系統>單級系統。原因是補氣的級數越多，壓縮的工質質量越大。制冷量的關系與壓縮功相同，原因是兩次節流補氣形成的蒸發器進口焓值更低，表明了補氣帶來制冷量提高的效果明顯。由于制冷量提高的幅度遠高于壓縮機功率的提高幅度，因此對于制冷COP，兩次中間補氣系統占絕對的優勢。例如蒸發溫度為2 ℃時，兩次中間補氣系統較中間補氣系統和單級系統分別提高2.8%和12.4%；蒸發溫度為7 ℃時，兩次中間補氣系統較中間補氣系統和單級系統分別提高1.1%和9.3%。排氣溫度降低范圍為3 ℃和 4℃。

5 結論

本文建立了渦旋壓縮機兩次中間補氣制冷系統計算模型，通過編制軟件對系統的性能進行模擬研究。

1)確定出制冷工況下兩對補氣孔的系統最佳補氣壓力的范圍，歸納出制冷工況下兩次補氣壓力的經驗公式；

2)結合渦旋盤的結構給出了補氣孔位置的設計方法；

3)對系統的循環性能進行研究。同時獲得最佳制冷性能，兩次的補氣壓力的匹配在兩個不同的區域。蒸發溫度為7 ℃時，兩次中間補氣系統較中間補氣系統和單級系統分別提高1.1%和9.3%。排氣溫度降低范圍為3 ℃和4 ℃。

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About the author

Xu Shuxue, male, research assistant, lab of refrigeration, Beijing University of Technology, +86 10-67391613, E-mail: xsx@bjut.edu.cn. Research fields: new type of vapor compression refrigeration and heat pump cycle, natural refrigerants, testing technology for refrigeration system.

Charactoristic of Scroll Compressor Refrigeration System wit Twice-vapor Injection

Xu Shuxue Ma Guoyuan

(College of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124, China)

The thermodynamic model to analyze the scroll compressor refrigeration with twice-vapor injection system has been set up and the calculation program is designed. The two suitable middle pressures are calculated, and the recommended empirical formulas are provided to calculate most suitable two stage middle pressure. Based on one scroll compressor, the method of how to make injection hole is developed. At last, the system performance is calculated, and the simulation results demonstrate that the cooling COP of new system with twice-vapor injection can be about 2.8% and 12.4% higher than that of the one hole vapor injection system and normal single stage system, the discharge temperature can decrease 3-4 ℃.

scroll compressor; twice-vapor injection; cooling COP; discharge temperature

0253- 4339(2015) 01- 0040- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.040

國家自然科學基金項目(51376010)和中國博士后科學基金面上項目(71005014201102)資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51376010) and China Postdoctoral Science Foundation (No.71005014201102).)

2014年6月26日

TB652; TB61+1

A

許樹學，男, 助理研究員，北京工業大學制冷實驗室，(010)67391613，E-mail: xsx@bjut.edu.cn。研究方向：新型蒸汽壓縮式制冷、熱泵循環，自然工質，制冷系統測試技術。