中東空調工況下雙級增焓轉子壓縮機性能研究

闕沛禎，魏會軍

（1.珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司，廣東珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

中東地區氣候炎熱，夏天最高環境溫度可超過50 ℃，空調的使用時間長。在這種高環境溫度的條件下，對空調高溫制冷能力需求高，運行條件惡劣。主要表現為壓縮機排氣壓力高，壓差大，負載重，制冷能力和能效會大幅衰減，并且壓縮機排氣溫度高，高溫工況下電機散熱、泵體潤滑效果差，可靠性難以保證。此外中東各國對空調的最低能效比要求也在逐年提高。因此常規空調設計難以滿足中東地區高制冷能力、高能效、高可靠的要求。而雙級增焓轉子壓縮機可將壓縮縮過程從一次分解為2次，降低了單個氣缸的壓縮比，提高了壓縮效率；通過閃發補氣，提高了單位質量制冷量，并能有效降低了排氣溫度。雙級增焓轉子壓縮機機的這些優點非常適合應用于中東空調。黃輝[1]等對雙級補氣滾動轉子式壓縮機進行了容積比的對能效的影響研究，余冰[2]等對雙級補氣滾動轉子式壓縮的中間壓力對性能影響研究。張思朝[3]、劉琦[4]均以帶閃蒸器的單機雙級壓縮熱泵系統為對象，研究了中間補氣參數對系統相對補氣量、能效比、排氣溫度的影響。相關研究中，主要針對雙級增焓壓縮機的增焓補氣規律，而該壓縮機在不同的應用場合實際效果研究較少。為此，本文雙級增焓轉子壓縮機進行中東空調工況性能研究，為開發高效節能中東用空調提供參考指導。

2 雙級增焓轉子壓縮機及其系統循環

雙級增焓轉子壓縮機是在單臺壓縮機上實現兩級壓縮并具有中間補氣增焓的壓縮機，如圖1所示，壓縮機具有一個低壓級氣缸和一個高壓級氣缸串聯，低壓吸氣進入低壓級氣缸進行一級壓縮后排氣中壓氣體，并與增焓補氣混合，再被二級氣缸吸入后進行二次壓縮排出壓縮機。雙級增焓系統循環主要由雙級增焓壓縮機、蒸發器、冷凝器、閃蒸器、一級節流裝置和二級節流裝置構成（圖2）。不同于單級壓縮，雙級增焓系統循環除壓縮機為雙級壓縮外，冷凝器后高壓的過冷液態制冷劑經過一次節流后降至中壓進入兩相區，其中一部分閃發成中壓氣態制冷劑，閃發的這一部分氣態制冷劑吸收了另一部分未閃發的液態制冷劑的熱量，從而使二次節流前的液態制冷劑進一步過冷，增加了焓差，即增加了制冷量。即其系統循環為帶閃蒸器的兩級節流中間不完全冷卻的雙級壓縮循環。該循環可有效降低壓縮機單個氣缸壓縮比，提高壓縮效率，通過補氣閃發，提高單位質量制冷量，同時有效降低高壓級吸氣溫度，有效降低排氣溫度。這些優點非常適合應用于中東空調。

3 雙級增焓壓縮循環理論計算

根據上述系統循環，雙級增焓壓縮機的低壓級和高壓級的容積比ξ設計決定了最優中間補氣的壓力，對壓縮機的能效提升起到關鍵作用。依據兩級壓縮兩級節流中間不完全冷卻制冷循環的運行特性[5]，不考慮閃發過程和補氣混合過程中的熱量損失，且閃蒸器中閃發的氣體全部能進入高壓氣缸，高壓級吸氣質量流量m2可由閃蒸器的熱平衡關系求得。根據圖，壓縮機容積比ξ和理論制冷系數ε計算如下

高壓級吸氣點3狀態的蒸氣比焓可由2部分蒸氣混合過程的熱平衡關系求得

圖1 雙級增焓轉子壓縮機結構圖

圖2 單級和雙級增焓壓縮機系統循環圖

圖3 壓-焓圖

壓縮機的高壓級比低壓級的容積比為

雙級增焓壓縮循環理論制冷系數

單級壓縮循環理論制冷系數

式中 m1——低壓級質量流量

mi——中間補氣質量流量

m2——高壓級質量流量

hi——i狀態點的比焓

ξ——低壓級和高壓級的容積比

ε——不同容積比下雙級增焓壓縮循環理論制冷系數

ε′——單級壓縮循環理論制冷系數

νi——各i狀態點的比容

為設計適合于中東空調工況使用的雙級增焓轉子壓縮機，本文選取了中東空調使用的T1、T3、52 ℃制冷三組代表性制冷工況。

根據上述理論計算，獲得了不同工況下雙級增焓壓縮機在不同容積比設計下相比單級壓縮機的能力和能效提升。如圖4為相比單級壓縮機的雙級增焓制冷循環的壓縮機理論能效提升比例，壓縮機容積比ξ在0.7～0.75時，中東空調制冷工況下能效提升達最大值，負荷越大，提升比例越高，T1、T3、52 ℃制冷3種工況分別最大提升7.7%、11.8%、14.3%。圖5為相比單級壓縮機的雙級增焓制冷循環的壓縮機理論制冷量的提升比例，在理想狀態，且中間補氣能全部進入二級缸的條件下，容積比越大，制冷量提升幅度越大，T1、T3、52 ℃制冷3種工況制冷量可提升15%～30%左右。

表1 中東空調系統制冷工況

圖4 不同容積比下理論能效提升

4 壓縮機實驗測試方法

選取本文研發的一臺容積比為0.73的雙級增焓轉子，以及一臺單級轉子壓縮機按上述3種工況進行實驗測試對比。為保證實驗對比的有效性，2臺壓縮機的均采用相同參數的定頻電機，壓縮機參數對比如表2。壓縮機實驗測試方法如圖6，單級壓縮機將補氣截止閥8關閉測試，雙級增焓壓縮機測試時，打開補氣截止閥8，并在測試過程中調節最佳的中間補氣壓力，以找出壓縮機能效最高點。

5 測試結果及分析

能效方面，如圖7，隨著工況負荷的增加，壓縮機的能效都存在較大幅度的下降，單級壓縮機52 ℃制冷工況相比T1工況能效下降了40%。雙級增焓壓縮機在T1、T3、52 ℃制冷3種工況相對單級壓縮機能效提升分別最大提升6%、11%、14%，和理論計算基本接近，即雙級增焓壓縮機在中東空調高溫制冷工況下能效提升顯著。

圖5 不同容積比下理論制冷量提升

表2 壓縮機參數對比

制冷量方面，如圖8，隨著工況負荷的增加，單級壓縮機52 ℃制冷工況相比T1工況制冷量衰減了20%，這會導致中東空調高溫制冷能力不足。而雙級增焓壓縮機在T1、T3、52 ℃工況相比單級壓縮機制冷量分別提升13%、26%、32%，也和理論計算基本一致，使得52 ℃制冷比T1工況制冷量僅衰減5.8%，可基本實現高溫制冷能力不衰減的顯著效果。這主要是通過雙級壓縮，壓縮機泄漏減小，容積效率提升，另外由于兩級節流和增焓補氣，使得單位質量的制冷量的焓值增加。

圖6 壓縮機性能試驗臺原理

圖7 壓縮機性能系數對比

圖8 壓縮機制冷量對比

排氣溫度方面，如圖9，通過增焓補氣，雙級增焓壓縮機可獲得2～8 ℃的溫度降低。若調整補氣的中間壓力，增加補氣帶液量，可進一步降低排溫，有利于在極端高溫環境下壓縮機的長期可靠運行。

圖9 壓縮機排氣溫度對比

6 結語

本文對雙級增焓轉子壓縮機在中東空調工況下進行理論計算，并進行同單級轉子壓縮機的中東高溫制冷工況性能測試對比及分析，得出如下結論：

（1）中東空調制冷工況下，壓縮機容積比設計為0.7～0.75可使壓縮機能效提升達最大值，同時制冷量也能大幅提升。

（2）通過壓縮機的實際性能測試，能效和制冷量測試結果和理論計算值基本一致，雙級增焓壓縮機在中東空調高溫制冷工況下能效提升顯著，并在不增加一級氣缸排量的情況下可實現高溫制冷能力基本不衰減。雙級增焓壓縮機應用于中東空調具有顯著的性能優勢。