高溫熱泵用雙螺桿壓縮機內壓力比調節方式

邢林芬 何永寧 曹鋒 張業強 殷叔靖 李耀全

（1鄭州輕工業學院能動學院 鄭州 450002；2西安交通大學能動學院 西安 710049；3江蘇辛普森新能源有限公司 揚州 225000）

高溫熱泵用雙螺桿壓縮機內壓力比調節方式

邢林芬1，2何永寧1曹鋒2張業強1殷叔靖3李耀全3

（1鄭州輕工業學院能動學院 鄭州 450002；2西安交通大學能動學院 西安 710049；3江蘇辛普森新能源有限公司 揚州 225000）

高溫工業熱泵運行時熱源溫度波動較大，壓縮機外壓比變化導致內外壓比不相等，壓縮機功耗上升，熱泵能效下降。本文提出了采用經濟器補氣過程調節雙螺桿壓縮機內壓力比的調節方式。通過向壓縮腔中補充制冷劑氣體，調節壓縮機運行過程中的內壓縮最終壓力，使其與排氣管道中壓力相同，消除欠壓縮過程，使壓縮機實際壓縮過程接近多變過程，降低運行附加功耗，增大熱泵能效比。實驗得到冷凝器90℃出水工況下不同補氣壓力時熱泵的性能參數，結果表明：在最優補氣壓力下，壓縮機絕熱效率與熱泵制熱能效比同時達到最大，可實現通過調節補氣壓力調節壓縮機內壓力比的目的。

高溫熱泵；雙螺桿壓縮機；內壓力比調節；補氣

高溫熱泵以其較高的出水溫度滿足工業加熱需求，與傳統電加熱、蒸氣加熱方式相比，加熱效率更高，使用安全，在化工過程、紡織品印染等諸多場合得到廣泛應用［1－2］。高溫熱泵應用于工業加熱場合時，冷凝側及蒸發側循環水流量、溫度變化較大，使得高溫熱泵冷凝溫度及蒸發溫度波動范圍較大，熱泵冷凝壓力及蒸發壓力變化較大。當運行工況在較大范圍波動時，高溫熱泵保持高效運行存在一定困難，運行經濟性較低［3－5］。高溫熱泵目前多采用雙螺桿壓縮機［6］，作為主要的功耗元件，壓縮機的功耗直接決定著熱泵的性能。由于雙螺桿壓縮機自身無吸、排氣閥，壓縮機的吸氣過程及排氣過程均隨螺轉子的轉動完成。當壓縮機內壓縮終了壓力pi與排氣管道中壓力pd不同時，將導致過壓縮及欠壓縮過程的發生，壓縮機功耗增加，熱泵能效比降低［7］。內壓縮終了壓力與排氣管道中壓力存在的差值還會在排氣過程中產生激波［8］，增加管道的振動及噪音，影響熱泵運行安全。

高溫工業熱泵由于應用場合的限制，自身工況變化范圍更大，當冷凝溫度與蒸發溫度溫差增大時，熱泵系統冷凝壓力與蒸發壓力差值增大，壓縮機排氣管道壓力增大，壓縮機內、外壓力不平衡程度增加，導致功耗增加，熱泵能效比下降［4］。為保持熱泵高效運行，需對壓縮機的內壓力比進行調節。

1 內壓力比調節方式

雙螺桿壓縮機吸、排氣孔口的位置和形狀決定內壓力比，而熱泵運行中的實際吸氣壓力ps、排氣壓力pd決定壓縮機的外壓力比。在壓縮機設計過程中，多采用設置滑閥的方式調節壓縮機的內壓力比。通過滑閥調節方案，獲得變化的排氣孔口面積，進而實現內容積比及內壓力比的調節。該類調節方式僅影響壓縮機的內壓力比，并不會改變壓縮機的容積流量。該類調節方式多用于壓縮機制冷、制熱工況的轉換，實際運行時調節內壓力比范圍有限且實時響應較差，不能根據工況變化實時調節壓縮機的內壓力比。

針對高溫熱泵用雙螺桿壓縮機，借鑒帶經濟器補氣熱泵工作過程［9－12］，提出了采用經濟器過程調節雙螺桿壓縮機內壓力比，改善熱泵性能的方案。補氣雙螺桿高溫熱泵系統如圖1所示：在熱泵中設置經濟器，通過壓縮機上的補氣孔口，向壓縮機壓縮腔中補充制冷劑氣體，通過增加壓縮腔內制冷劑的質量，改變壓縮機的內壓縮過程，進而調節壓縮機壓縮終了的內壓力［13－17］。

圖1 補氣雙螺桿高溫熱泵系統Fig．1 The system of high temperature heat pump with vapor injection

2 壓縮機性能分析

固定內壓力比壓縮機容積效率與絕熱效率隨外壓比的變化如圖2所示。壓縮機內壓比為固定值3，隨著外部工況的變化，當熱泵外壓比由1.5增加至4時，壓縮機容積效率隨外壓比的增加而降低，絕熱效率先增加后降低；當壓縮機外壓比偏離內壓比時，增大或減小外壓比均降低了壓縮機絕熱效率。當熱泵外壓比為3時，壓縮機內外壓比相同，此時壓縮機絕熱效率達到最大。

圖2 內壓力比為3的壓縮機性能隨外壓比變化Fig．2 Performance variations of compressor with constant inner pressure ratio

當壓縮機內外壓比不相等時，內壓力比εi與外壓力比εd差值Δε及壓比差值百分比δε為：

以壓縮腔與排氣管道連通作為分界，將壓縮過程功耗計算分兩步：內壓縮部分指示功及內外壓力連通時外壓縮部分指示功。將吸氣壓力壓縮至內壓縮終了壓力過程，壓縮機內壓縮部分指示功：

內壓縮終了壓力與排氣管道壓力連通時，壓縮機外壓縮部分指示功：

壓縮機壓縮過程整體指示功：

壓縮機將制冷劑蒸氣由ps壓縮至pd的整個過程可理想化為多變指數為n的多變壓縮過程，多變壓縮功：

附加功耗的大小可用于衡量實際壓縮過程接近多變過程的程度，由于壓縮機內外壓不同造成的附加功耗：

對由于內外壓力不相等導致的附加功百分比δW定義如下：

雙螺桿壓縮機內壓比分別為2、3、4時，不同多變指數n與不同內、外壓比差值δε百分比的關系如圖3所示。當δε為正值時，即內壓力比大于外壓力比，壓縮機處于過壓縮狀態；當δε為負值時，即內壓力比小于外壓力比，壓縮機處于欠壓縮狀態。隨著δε偏離0點程度的增加，壓縮機附加功耗均增加，即過壓縮及欠壓縮機過程均增加了壓縮機的功耗；當δε相同時，即內外壓差值為定值時，不同多變指數下，過壓縮過程造成的壓縮機功耗附加值均遠大于欠壓縮過程導致的功耗附加值。

圖3 附加功百分比δW與壓比差值百分比δε關系曲線Fig．3 Variations of δWat different δε

高溫熱泵中，當工況改變使冷凝壓力及蒸發壓力之間差值增大時，壓縮機外壓力比增大，而內壓力比受壓縮機自身幾何結構的限制，其值不隨工況的改變而變化，導致壓縮機內外壓比之間的差異變大。隨著壓差百分比的增加，壓縮機附加功耗上升，壓縮機總功耗增加。

在熱泵中增加經濟器后，通過補氣管路向壓縮機容積腔內補充部分制冷劑氣體，增加壓縮機內壓縮終了壓力，此時壓縮機附加功百分比與壓比差值百分比δε關系如圖4所示。由于制冷劑質量流量的增加，固定內壓力比壓縮機容積腔內制冷劑壓力上升，內壓縮終了壓力升高。當壓縮機處于欠壓縮狀態時，壓比差值百分比為負值區域，增加經濟器過程有效的降低了壓縮機功耗增量，該區域內，增加經濟器過程明顯降低了壓縮機功耗增量，對增加熱泵熱力特性有利；當系統處于過壓縮狀態時，如圖4中壓比差值百分比為正值區域，通過增加經濟器過程繼續增大了壓縮機的壓縮終了壓力，增大了過壓縮的程度，極大增加了壓縮機功耗增量，該區域內，增加經濟器過程明顯增加了壓縮機功耗增量，此時，在熱泵系統中加入經濟器補氣過程無助于增加熱泵熱力特性。

圖4 經濟器過程附加功百分比δW與壓比差值百分比δε關系Fig．4 Variations of δWwith economizer at different δε

針對雙螺桿壓縮機補氣過程在高溫熱泵工況下的性能，實驗研究了蒸發器進出口水溫為45℃/40℃，冷凝器進出口水溫為85℃/90℃時，采用R124制冷劑的高溫熱泵在補氣壓力為0.5～1.3 MPa時高溫熱泵性能參數變化。壓縮機的軸功及指示功隨補氣壓力的變化如圖5所示。隨補氣壓力的增加，壓縮機中制冷劑的質量流量增加，壓縮機軸功及指示功隨之增加。壓縮機的絕熱功先增加后減小。

圖5 不同補氣壓力下壓縮機功耗變化Fig．5 Variations of power consumption at different injection pressure

圖6 不同補氣壓力下壓縮機性能參數變化Fig．6 Variations of compressor performance at different injection pressure

圖6所示為不同補氣壓力下，熱泵絕熱效率的變化。隨著補氣壓力的增加，壓縮機絕熱效率先增加后減小，在補氣壓力達到0.95 MPa時，系統絕熱效率達到最大。該規律與壓縮機內外壓比相同時，絕熱效率達到最大相吻合。壓縮機絕熱效率在壓縮機內外壓比相同時達到最大，在經濟器系統中，通過調節補氣壓力，增大壓縮機內壓縮終了壓力，使其與系統外壓比相同，壓縮機的絕熱效率達到最大。同時，如圖8所示，系統的制熱COP在補氣壓力為0.95 MPa時達到最大。

在系統COP達到最大的最優補氣壓力下，系統的絕熱效率同時達到了最大，此時，壓縮機內、外壓比相同，無欠壓縮過程及過壓縮過程的出現，壓縮機附加功耗最低。采用經濟器過程顯著改善了壓縮機在變工況運行時的性能，提高了熱泵制熱能效比，可用于優化高溫工業熱泵運行性能。

圖7 不同補氣壓力下系統COP變化Fig．7 Variations of COP at different injection pressure

3 結論

高溫熱泵用于工業場合加熱時，由于工況不穩定性造成雙螺桿壓縮機內外壓比不相等，壓縮機過壓縮及欠壓縮都將引起壓縮功耗的上升，壓縮機處于過壓縮時，功耗增加量明顯大于欠壓縮時，高溫熱泵運行時應嚴格限制壓縮機處于過壓縮狀態。

當高溫熱泵用雙螺桿壓縮機處于欠壓縮狀態時，可通過向壓縮機容積腔中補充制冷劑氣體，削弱壓縮機運行時的欠壓縮程度。進行的高溫熱泵在90℃出水工況下，通過壓縮機補氣過程調節壓縮機性能參數實驗表明：當壓縮機補氣壓力處于熱泵制熱COP最大時，絕熱效率也達到最大值。補氣過程可降低壓縮機欠壓縮時的附加功耗，使壓縮過程接近多變壓縮過程，壓縮機絕熱效率增大。壓縮機功耗達到該工況下的最小值，高溫熱泵能效比達到最大。與采用滑閥調節內壓比的方式相比，該方式實時調節效果明顯，利于操作，可用于調節高溫熱泵制熱能效比。

在熱泵用雙螺桿壓縮機設計過程中，可通過適當減小壓縮機內壓力比的設計方案，為實際運行中，增加壓縮機補氣過程，留出一定裕度。當采用經濟器過程時，通過補氣過程調節內壓力比，保證高溫熱泵變工況下的高效運行。

本文受食品生產與安全河南省協同創新中心（FCIC201614）和江蘇省科技計劃（BA2016051）項目資助。（The project was supported by the Collaborative Innovation Center of Food Produc?tion and Safety of Henan Province（No．FCIC201614）and Jiangsu Science and Technology Project（No．BA2016051）．）

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Inner?pressure Ratio Adjustment of the Twin?screw Compressor in a High?temperature Heat Pump

Xing Linfen1，2He Yongning1Cao Feng2Zhang Yeqiang1Yin Shujing3Li Yaoquan3
（1．School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，China；2．School of Energy and Power Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an，710049，China；3．Simpsun Air Con?ditioning，Yangzhou，225000，China）

Changing the working conditions of an industrial heat pump can cause a mismatch of the inner and outer pressure ratios of the twin?screw compressor．Over?compression and under?compression increase the compressor power consumption and decrease the heat?pump′s coefficient of performance （COP）．Injecting refrigerant vapor into the compression chamber would increase the inner?pressure ratio and avoid under?compression．An experimental study was conducted with different injection pressures when the condenser outlet′s water tem?perature reached 90℃．The results show that the optimal injection pressure causes the COP and adiabatic efficiency to peak at the same time．This result shows that the vapor injection changes the compression process to a quasi?polytropic compression process．Adjusting the compressor′s inner?pressure ratio by changing the refrigerant?injection pressure is feasible．

high temperature heat pump；twin screw compressor；inner pressure ratio adjustment；vapor injection

Xing Linfen，female，lecturer，School of Energy and Power Engi?neering，Zhengzhou University of Light Industry，＋86 18837166281，E?mail： xlf＠ zzuli．edu．cn．Research fields： air conditioner and heat pump．

TB61＋1；TB652；TQ051．5

A

0253－4339（2017）06－0094－05

10.3969 /j.issn.0253 － 4339.2017.06.094

國家自然科學基金（51576152）資助項目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China （No．51576152）．）

2016年12月22日

邢林芬，女，講師，鄭州輕工業學院能源與動力工程學院，18837166281，E?mail：xlf＠ zzuli．edu．cn。 研究方向：空調與熱泵。