帶中間補氣的滾動轉子式壓縮系統制熱性能的實驗研究

賈慶磊馮利偉，2晏剛

(1西安交通大學 西安 710049;2廣東美芝壓縮機有限公司 佛山 528333)

帶中間補氣的滾動轉子式壓縮系統制熱性能的實驗研究

賈慶磊1馮利偉1，2晏剛1

(1西安交通大學 西安 710049;2廣東美芝壓縮機有限公司 佛山 528333)

將帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機應用于空氣源熱泵系統，以解決低溫工況下出現的制熱量不足、能效偏低等問題。利用焓差室測試比較帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮系統(單缸系統)與雙缸滾動轉子式壓縮系統(雙缸系統)、單級壓縮系統在不同制熱工況下的系統性能。實驗結果表明:在室外溫度高于－15℃時，單缸系統與單級壓縮系統相比，其制熱量增加幅度均大于12%，并隨著室外溫度的降低增加幅度逐漸增大；單缸系統的制熱量與COP均大于雙缸系統，其提升幅度的平均值分別為2.29%、1.94%；在室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統因排氣溫度過高無法正常工作，雙缸系統的制熱量與COP均大于單缸系統，其提升幅度的平均值分別為4.5%、9.42%；驗證了單缸系統更適用于室外溫度高于－15℃的工況，雙缸系統更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

空氣源熱泵系統；中間補氣；滾動轉子式壓縮機；制熱性能

空氣源熱泵系統是將空氣中的低品位熱能轉化為高品位熱能，以向建筑物提供冷量(熱量)的節能裝置[1]，其主要優點有:空氣為低品味熱源、來源廣、無償循環使用；占用空間小；運行管理方便、隨用隨開、不需要專門人員控制；能效較高、符合國家節能減排要求。由此空氣源熱泵系統在世界范圍內得到大面積應用。但它的應用也受到一些限制，如氣候條件的約束，隨著室外環境溫度的不斷下降，空氣源熱泵系統將會出現下列問題[2]:1)吸氣量減小，系統制冷劑循環量不足，導致空調器系統的制熱量減少；2)壓縮機壓比增加，導致壓縮機排氣溫度過高；3)系統運行性能系數(COP)急劇下降。針對空氣源熱泵系統在低溫工況下的問題，國內外專家學者提出了多種解決方案，其中包括:將中間補氣技術應用于空氣源熱泵系統[3－6]、提高潤滑油流量來冷卻壓縮機的熱泵系統、采用寬頻變頻技術、采用輔助加熱系統、復疊式蒸氣壓縮熱泵系統[7]，以及雙級耦合熱泵系統[8]等。其中，應用中間補氣技術為解決空氣源熱泵系統在低溫工況下問題的有效方案之一。

中間補氣技術首先應用于渦旋壓縮機[9－10]，圖1所示為帶中間補氣的渦旋壓縮機的結構簡圖，圖中兩點表示開設補氣口的位置。

圖1 帶中間補氣的渦旋壓縮機圖Fig·1 The scroll compressor with vapor injection

如圖1所示，在定渦旋盤上開設補氣口，將中間壓力的氣態制冷劑補入到渦旋盤的中間壓縮腔，從而達到增加壓縮機制冷劑循環流量的目的，同時補入氣缸內的中間壓力制冷劑的焓值較低，因此可降低壓縮機的排氣溫度。但由于渦旋壓縮機容易出現過壓縮、欠壓縮等現象，特別是應用于房間空調系統后，在大范圍運轉條件下運行效率較低[11]，且制作成本較高。因此，將中間補氣技術應用于滾動轉子式壓縮機同樣是一種研究方案。

滾動轉子式壓縮機主要包括單缸滾動轉子式壓縮機與雙缸滾動轉子式壓縮機，其中，針對將中間補氣技術應用于雙缸滾動轉子式壓縮機，國內學者馬國遠等[12]研究了其應用于空氣源熱泵系統后制冷工況、制熱工況的系統性能均有較大的提升；國外學者Heo J等[13－14]研究了不同的高、低壓缸容積比對系統性能的影響，以及在不同室外溫度、不同運行頻率下空氣源熱泵系統的性能特性；國外學者Jang Y等[15]研究帶閃發器、經濟器等不同型式的空氣源熱泵系統在不同工況下的性能特性。圖2為帶中間補氣的雙缸滾動轉子式壓縮系統循環圖。

如圖2所示，雙缸滾動轉子式壓縮機包含高、低壓氣缸和一個混合氣缸，低壓缸從氣液分離器吸入氣態制冷劑進行第一級壓縮，后排至中間混合氣缸；此時，閃發器分離出中間壓力的氣態制冷劑同時進入中間混合氣缸，兩者混合后進入高壓缸進行第二級壓縮，后經排氣閥排出。雙缸滾動轉子式壓縮機的主要設計點為高、低壓氣缸容積比的大小，其值決定系統中間補氣壓力及中間補氣量的大小，文獻[12]中理論計算得出高、低壓腔容積比的適宜值范圍為3/4～4/5。

圖2 雙缸滾動轉子式壓縮系統循環圖Fig·2 CycliCgraph of dual-cylinder rotary compression system

目前，國內外針對將中間補氣技術應用于單缸滾動轉子式壓縮機的研究較少，本文研制出帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機，將其應用于空氣源熱泵系統，實驗測試帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮系統(單缸系統)與單級壓縮系統、雙缸滾動轉子式壓縮系統(雙缸系統)在不同制熱工況下的性能特性。

1 帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機的研制

本文在研制中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機時，采用壓縮機原型機的型號為DA108M1C-27FZ，其主要結構參數如下表1所示。

表1 壓縮機原型機結構參數Tab·1 Structural parameters of compressor prototype

帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機是在原型機的氣缸排氣口附近開設一個直徑為4 mm的圓形補氣口，并加設舌簧閥，該舌簧閥為有一定剛度的鋼片，其升程被限位器控制在0～0.8 mm之間。圖3為帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機結構簡圖。如圖3所示，排氣閥所處角度為15°，補氣舌簧閥所處角度為30°，將補氣口開設在排氣口附近，其原因是為了最大程度縮短補氣口同吸氣口串通時間，使空調器運行各工況補氣量最大化。

圖3 帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機結構圖Fig·3 Structure diagramof single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection

壓縮過程可分為三個階段，其原理圖如圖4所示:1)吸氣結束后，進入壓縮初始階段，此時壓縮腔內的氣體壓力低于補氣壓力，內外壓差遠大于舌簧閥彈力，補氣舌簧閥打開，向壓縮腔內補入氣態制冷劑；2)隨著壓縮的進行，氣缸內壓力逐步升高，當氣缸壓縮腔內壓力接近補氣壓力時，補氣舌簧閥在自身彈力的作用下關閉，補氣過程結束；3)氣缸壓縮腔內的壓力進一步提高至排氣壓力后，壓縮機進行排氣，壓縮過程結束。

圖4 帶中間補氣的單缸滾動轉子式壓縮機補氣原理圖Fig·4 PrinciPle diagramof single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection

由上述原理可知:單缸滾動轉子式壓縮機在吸氣結束后便可開始補氣，可通過控制中間補氣壓力進一步控制補氣時間以及補氣量。與渦旋壓縮機和雙缸滾動轉子式壓縮機相比較，其主要優點為:結構簡單、容易實現；采用的補氣舌簧閥有止回閥作用，可以防止制冷劑從壓縮機氣缸經補氣口回流至閃發器；在相同補氣量的情況下，中間補氣壓力低，第一級節流程度大，進入蒸發器內制冷劑干度低，蒸發器換熱效率、換熱量大；主要缺點在于開設補氣口與加設舌簧閥增加了壓縮機余隙容積，使得在高壓比工況下壓縮機性能衰減。

2 實驗裝置與測試工況

2·1 實驗測試裝置

本文中的實驗均在國家標準焓差室中進行，實驗室分為工況調節系統、溫度采樣系統、風量測量系統等主要設備以及其它輔助測試設備，測試參數主要包括溫度參數、電參數、壓力參數等。所有參數均可通過控制臺控制，采樣集成到計算機，通過計算機界面可以觀察到所有的測試結果，圖5為實驗室主要設備布置圖。

圖5 實驗室設備圖Fig·5 The equipment figure of experimentation

2·2 測試機組

本文測試三組熱泵系統機組，分別為單級壓縮熱泵系統、單缸系統、雙缸系統，三組系統的壓縮機氣缸容積分別為10.8 cm3/rev、10.8 cm3/rev、高壓缸7.5 cm3/rev與低壓缸9.8 cm3/rev，制冷劑采用R410A。三組測試熱泵機組采用相同的室內機與室外機，其型號分別為KFR-35G/BP3N1-CE、KFR-35W-190，測試中主要記錄不同制熱工況下三組熱泵系統的制熱量、功率、COP等主要參數。其中，對于單缸系統與雙缸系統而言，系統制熱量、COP隨著中間補氣壓力的變化而變化，在測試過程中，兩組系統分別調試出多組不同補氣壓力下的系統性能，并分別選擇其中最佳的系統性能進行比較。

2·3 測試工況

本文主要研究制熱工況下系統性能，機組測試工況如表2所示。

如圖7所示，室外溫度高于－15℃時，單缸系統的功率持續高于單級壓縮系統的功率，同時，兩組系統功率的變化趨勢與制熱量的變化趨勢相近。其原因是將部分中間壓力的氣態制冷劑補入到壓縮機氣缸內，使得壓縮機壓縮過程質量流量增大，壓縮機功耗增大。

如圖8所示，測試中兩組系統的COP隨著室外溫度的降低均在逐漸的降低，但是在溫度高于－15℃時兩組系統的COP相差不大，說明單缸系統在補

表2 空調器測試工況Tab·2 Testing conditions

3 結果與討論

3·1 不同制熱工況下單缸系統與單級壓縮系統的性能對比分析

圖6～圖9所示為單缸系統與單級壓縮系統在不同制熱工況下系統制熱量、功率以及COP。實驗測試中，當室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統為防止室內側吹出冷風，運行頻率持續升高，使得排氣溫度過高，壓縮機停機保護，無法得到測試數據。

圖6 不同制熱工況下單缸系統與單級壓縮系統制熱量Fig·6 Heating capacities of the single-cylinder systemand the single stage comPression systemin different heating conditions

如圖6所示，隨著室外溫度的逐漸降低，單缸系統與單級壓縮系統的制熱量均線性的降低。室外溫度高于－15℃時，在兩組系統運行頻率相等的條件下，隨著室外溫度的降低，單缸系統相對于單級壓縮系統，其制熱量均有一定的提升，且提升幅度逐漸增大，如在額定制熱工況，其制熱量提升530.78 W，提升幅度為12.9%；在額定低溫制熱工況，制熱量提升488.86 W，提升幅度為13.42%；在－10℃的超低溫工況，制熱量提升458.82W，提升幅度為14.48%；在－15℃的超低溫工況，制熱量提升414 W，提升幅度為15.72%。其原因是隨著室外溫度的降低，壓縮機吸氣流量急劇降低，單級壓縮系統的制熱量衰減程度較大，而補氣回路的制冷劑流量降低速率緩慢，使得單缸系統相對于單級壓縮系統制熱量提升值有所降低，但其提升幅度逐漸增大。入的氣態制冷劑時不僅增大了系統制熱量而且增大了系統功率，使得兩組系統COP相近。

圖7 不同制熱工況下單缸系統與單級壓縮系統的功率Fig·7 Power capacities of the single-cylinder systemand the single stage compression systemin different heating conditions

圖8 不同制熱工況下單缸系統與單級壓縮系統的COPFig·8 COPs of the single-cylinder systemand the single stage compression systemin different heating conditions

綜上所述，單缸滾動轉子式壓縮機開設補氣口是可行的，其應用于空氣源熱泵系統后可有效解決低溫工況下空調器制熱量不足或者無法正常運行等問題。

3·2 不同制熱工況下單缸系統與雙缸系統的性能對比分析

圖9～圖11所示為單缸系統與雙缸系統在不同制熱工況下的系統制熱量、功率以及COP。

圖9 不同制熱工況下單缸系統與雙缸系統的制熱量Fig·9 Heating capacities of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

圖10 不同制熱工況下單缸系統與雙缸系統的功率Fig·10 Power capacities of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

如圖9所示，隨著室外溫度的逐漸降低，兩組系統的制熱量變化規律相似，說明兩組系統的制熱量相對于單級循環系統而言均有較大的提升。當室外溫度高于－15℃時

，單缸系統的制熱量均大于雙缸系統，四個工況下單缸系統較雙缸系統制熱量提升幅度的平均值為2.29%；當室外溫度低于－15℃時，雙缸系統制熱量高于單缸系統，兩個超低溫工況下雙缸系統較單缸系統制熱量提升幅度的平均值為4.5%。其原因是:1)雙缸系統在不同工況下對應的最佳的補氣量、最佳中間補氣壓力不同，而補氣量與補氣壓力由高、低壓缸容積比決定[12]，即雙缸系統在不同工況下所需的高、低壓缸容積比不同，因此，在本文系統的高、低壓缸容積比根據室外溫度低于－15℃的工況確定后，當室外溫度高于－15℃時，雙缸系統的補氣量受到影響，而單缸滾動轉子式壓縮系統可通過調節中間補氣壓力增加補氣時間以提高補氣量，因此當室外溫度高于－15℃時，雙缸系統補氣量相對于單缸系統較小，進一步使得制熱量偏低；2)隨著室外溫度的持續降低，單缸系統壓縮機壓比增大幅度遠大于雙缸系統，造成單缸系統壓縮機效率降低；同時單缸系統壓縮機因開設補氣口后余隙容積隨著壓比的增大而逐漸增大，在超低溫工況下，余隙容積的影響使得單缸系統制熱量衰減幅度增大，因此在－15℃以下工況單缸系統的性能差于雙缸系統。

圖11 不同制熱工況下單缸系統與雙缸系統COP對比Fig·11 COPs of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

如圖10所示，兩組系統相比較，當室外溫度高于－10℃時，單缸系統的功率稍大，在室外溫度約為－15℃時，雙缸系統的功率稍大，后隨著室外溫度的持續降低，單缸系統的功率明顯大于雙缸系統。其原因是，在室外溫度高于－10℃時，單缸系統補氣量較雙缸系統大，壓縮機循環制冷劑流量較大，因此單缸系統功率稍大于雙缸系統；隨著室外溫度的降低至－15℃以下，雙缸系統的中間補氣壓力達到較佳值，使得雙缸系統補入的制冷劑流量增大，進而雙缸系統制熱量與功率均大于單缸系統；當室外溫度降低至－30℃左右，隨著壓縮機壓比的迅速增大，單缸系統壓縮機余隙容積的影響增大、壓縮效率衰減，單缸系統中無用功增多，使其總功率遠大于雙缸系統。

如圖11所示，在室外溫度高于－15℃時，單缸系統COP較雙缸系統稍大，四個工況下單缸系統COP較雙缸系統提升幅度的平均值為1.94%；在室外溫度低于－15℃時，雙缸系統COP大于單缸系統，在兩個超低溫工況下雙缸系統COP較單缸系統提升幅度的平均值為9.42%。

由此驗證，單缸系統更適用于室外溫度高于－15℃的工況，而雙缸系統更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

4 結論

本文針對空氣源熱泵系統在低溫工況下出現制熱量不足、能效較低的現象，提出將中間補氣技術應用于單缸滾動轉子式壓縮機，利用標準焓差室測試單缸系統與單級壓縮系統、雙缸系統在不同制熱工況下的系統主要性能，得出以下結論:

1)單缸系統相對于單級壓縮系統，當室外溫度高于－15℃時，隨著室外溫度的降低，系統制熱量的提升幅度逐漸增大，其值均在12%以上；當室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統因排氣溫度過高無法正常運行，而單缸系統可正常安全運行；從而驗證了將中間補氣技術應用于單缸滾動轉子式壓縮機是可行的。

2)單缸系統與雙缸系統相比，在室外溫度高于－15℃時，單缸系統制熱量與COP均大于雙缸系統，其提升幅度的平均值分別為2.29%、1.94%；在室外溫度低于－15℃時，雙缸系統制熱量與COP均大于單缸系統，其提升幅度的平均值分別為4.5%、9.42%；從而驗證了單缸系統更適用于室外溫度高于－15℃的工況，而雙缸系統更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

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About the corresponding author

Yan Gang，male，Ph.D.，deputy director of Department of Refrigeration＆CryogeniCEngineering.Xi’an Jiaotong University，＋86 29-82668738，E-mail:gyan＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields:research for physical process of refrigeration and cryogeniCsystems and energy-saving of refrigeration and cryogeniCdevices.

Experimental Research on Heating Performance of Rotary Compression Syste mwith Vapor Injection

Jia Qinglei1Feng Liwei1，2Yan Gang1

(1.Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.Guangdong Meizhi Compressor Co.，Ltd.，Foshan，528333，China)

In this paper，the single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection is applied in heat pumPsystemto solve the problems of insufficient heating capacity and lower efficiency during lower ambient conditions.The systemperformances of single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection(called single-cylinder system)，dual-cylinder rotary compression systemwith vapor injection(called dual-cylinder system)and single stage compression systemwere comparatively tested under the different heating conditions in psychrometriCroom.The results show that the single-cylinder systemhasAhigher heating capacity compared with single stage compression systemwhen the outdoor temperature is above－15℃，and the rates of increase is above 12%.The rate of increase is increased along with the decrease of ambient air temperature.The heating capacity and COPof single-cylinder systemare higher than thatof the dual-cylinder system，and the increasing ranges are 2.29%，1.94%respectively.When the outdoor temperature is below－15℃，single stage compression systemwould not operate normally due to the higher discharge temperature.The heating capacity and COPof dual-cylinder systemare higher than that of the single-cylinder system，and the increasing ranges are 4.5%，9.42%respectively.Therefore，the single-cylinder systemis suitable for the conditions of outdoor temperature above－15℃，while the dual-cylinder systemis suitable for the conditions of outdoor temperature below－15℃.

heat pumPsystem；vapor injection；rotary compressor；heating performance

TB657.2；TQ051.5

A

0253－4339(2015)02－0065－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.065

簡介

晏剛，男，博士，西安交通大學制冷與低溫工程系副系主任，(029)82668738，E-mail:gyan＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向:制冷與低溫系統的熱物理過程、制冷與低溫裝置的節能。

2014年7月3日