許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn)

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)能學(xué)院 北京 100124)

兩次中間補(bǔ)氣渦旋壓縮機(jī)的工作特性

許樹學(xué) 馬國遠(yuǎn)

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)能學(xué)院 北京 100124)

建立了渦旋壓縮機(jī)兩次中間補(bǔ)氣制冷系統(tǒng)的計算模型，通過編制軟件對系統(tǒng)的性能進(jìn)行模擬研究。確定出開設(shè)兩對補(bǔ)氣孔時最佳補(bǔ)氣壓力的范圍，歸納出最適宜的兩次中間補(bǔ)氣壓力范圍經(jīng)驗公式；針對某一款渦旋壓縮機(jī)給出了補(bǔ)氣孔的設(shè)計方法。最后，對系統(tǒng)的循環(huán)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：與中間補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級系統(tǒng)相比，兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)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(jī)；兩次中間補(bǔ)氣；制冷COP；排氣溫度

通過在渦旋壓縮機(jī)上開設(shè)輔助補(bǔ)氣孔而構(gòu)成的準(zhǔn)二級壓縮制冷循環(huán)，在改進(jìn)系統(tǒng)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(tǒng)的排氣溫度[3]。中間補(bǔ)氣提高系統(tǒng)性能的機(jī)理是通過補(bǔ)氣的閃發(fā)過程，提高主路液體過冷度并增加排氣量，同時補(bǔ)入壓縮機(jī)的低焓值氣體能提高壓縮效率，降低壓縮功[4]。文獻(xiàn)[5]對活塞式半封閉制冷壓縮機(jī)的中間壓力進(jìn)行了實驗研究，認(rèn)為中間壓力是一個隨補(bǔ)氣參數(shù)的改變而變化的物理量。

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

1 循環(huán)原理

兩次中間補(bǔ)氣制冷系統(tǒng)的循環(huán)原理如圖1所示。在渦旋壓縮機(jī)上對稱開設(shè)兩對補(bǔ)氣孔，以閃發(fā)器為界，節(jié)流過程分為三次。詳細(xì)的工作過程如下：出冷凝器的液態(tài)工質(zhì)通過一級膨脹閥TEV1節(jié)流后進(jìn)入到閃發(fā)器1內(nèi)，在閃發(fā)器內(nèi)制冷劑分離為液態(tài)和氣態(tài)，氣態(tài)制冷劑通過補(bǔ)氣管路補(bǔ)入到相應(yīng)壓力的壓縮腔內(nèi)，液態(tài)的制冷劑從閃發(fā)器1內(nèi)出來后進(jìn)入到二級膨脹閥TEV2進(jìn)行二級節(jié)流，后進(jìn)入到閃發(fā)器2內(nèi)進(jìn)行二次閃發(fā)，氣態(tài)制冷劑通過補(bǔ)氣管路補(bǔ)入到相應(yīng)壓力的壓縮腔內(nèi)。液態(tài)的制冷劑從閃發(fā)器2出來后進(jìn)入到三級膨脹閥TEV3節(jié)流，后進(jìn)入到蒸發(fā)器內(nèi)，吸熱氣化被壓縮機(jī)吸走，完成一個工作過程。

將補(bǔ)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(jìn)一步降低進(jìn)蒸發(fā)器前的制冷劑焓值，增大制冷量。

2 計算模型

質(zhì)量守恒方程：

m13=m1+m11

(1)

m14=m13+m8

(2)

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

當(dāng)補(bǔ)氣過程為完全補(bǔ)氣時，吸氣1 kg工質(zhì)：

(3)

(4)

式中：x為干度，6，9代表圖1中不同的位置。

混合點(diǎn)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(dāng)壓縮過程絕熱時，吸氣1 kg工質(zhì)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(shù)：

(12)

式中：ηm和ηmo分別為機(jī)械效率和電機(jī)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(fā)過程、混合過程和多次壓縮，物性的彼此關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，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(fā)出針對兩次中間補(bǔ)氣壓縮的計算軟件。輸入初始參數(shù)后即可快速計算出壓縮功、制冷量、性能系數(shù)等。詳細(xì)的計算過程如下：在蒸發(fā)壓力與冷凝壓力之間，先任取一個較小的值作為一級補(bǔ)氣壓力，二級補(bǔ)氣壓力在一級補(bǔ)氣壓力值的基礎(chǔ)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(jié)果。逐步增大一級補(bǔ)氣壓力的值，用相同的辦法給出二級補(bǔ)氣壓力的值，計算出所有結(jié)果再繪制在一張圖上。計算流程如圖2所示。

4 模擬結(jié)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(bǔ)氣壓力的變化關(guān)系。由圖可知：在一級補(bǔ)氣壓力不變的條件下，系統(tǒng)的COP隨二級補(bǔ)氣壓力的增大呈先增大后減小的趨勢。同樣，二級補(bǔ)氣壓力不變時，COP同樣隨一級補(bǔ)氣壓力的增大呈先增大后減小的趨勢。存在兩個區(qū)域可獲得相對較大的COP。比如，蒸發(fā)溫度為2 ℃時，一級、二級補(bǔ)氣壓力的匹配為：1.2～1.8 MPa，或1.4～2.0 MPa時；在蒸發(fā)溫度為7 ℃時，一級、二級補(bǔ)氣壓力的匹配為：1.3～1.7 MPa或1.5 MPa。

基于上述計算結(jié)果回歸出兩次補(bǔ)氣的壓力值范圍：

(13)

(14)

式中：δ取值范圍為0.10～0.14。

4.2 補(bǔ)氣口位置的確定

渦旋壓縮機(jī)的腔內(nèi)壓力與渦旋盤動盤的旋轉(zhuǎn)角度存在關(guān)系，根據(jù)壓比大小即可推出相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度，并據(jù)此確定補(bǔ)氣孔的位置。以某一款圓的漸開線渦旋壓縮機(jī)為例，如圖4所示，包括三個壓縮腔，渦旋型線圈數(shù)為2.83，工況為蒸發(fā)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(nèi)壓力與補(bǔ)氣壓力近似相等，得內(nèi)壓縮比：

(15)

又因為，

p1V11.4=p2V21.4=p3V31.4=常數(shù)

(16)

即可求得：

(17)

帶入渦旋機(jī)的壓縮過程容積方程：

(18)

式中：P為漸開線節(jié)距，mm；t為渦旋體壁厚，mm；h為渦旋體高度，mm；θ為主軸回轉(zhuǎn)角。

得出補(bǔ)氣口的位置的角度為：

θ2=1.24π，θ3=1.95π

(19)

補(bǔ)氣孔的形狀影響補(bǔ)氣管路的阻力，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)性能。但考慮到加工的便利，一般認(rèn)為圓形比較適宜[11]。值得注意的是，上述補(bǔ)氣孔位置的確定方法只是基于制冷工況，對于已經(jīng)給定的渦旋壓縮機(jī)，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(shù)(制冷量、制熱量，制冷COP，制熱COP等)取最大值時補(bǔ)氣孔位置，進(jìn)而確定出性能兼顧的補(bǔ)氣孔位置。

4.3 系統(tǒng)的循環(huán)性能

以R410A為例進(jìn)行系統(tǒng)性能的計算。壓縮機(jī)額定功率為1 HP(制冷量2.5 kW)?？疾煺舭l(fā)溫度0～7 ℃，冷凝溫度45 ℃的工況下，單級系統(tǒng)、中間補(bǔ)氣系統(tǒng)和兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)的制冷量、壓縮機(jī)功率、制冷COP等性能。由圖5可知，壓縮機(jī)功率的大小關(guān)系是：兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)>中間補(bǔ)氣系統(tǒng)>單級系統(tǒng)。原因是補(bǔ)氣的級數(shù)越多，壓縮的工質(zhì)質(zhì)量越大。制冷量的關(guān)系與壓縮功相同，原因是兩次節(jié)流補(bǔ)氣形成的蒸發(fā)器進(jìn)口焓值更低，表明了補(bǔ)氣帶來制冷量提高的效果明顯。由于制冷量提高的幅度遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)功率的提高幅度，因此對于制冷COP，兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)占絕對的優(yōu)勢。例如蒸發(fā)溫度為2 ℃時，兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)較中間補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級系統(tǒng)分別提高2.8%和12.4%；蒸發(fā)溫度為7 ℃時，兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)較中間補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級系統(tǒng)分別提高1.1%和9.3%。排氣溫度降低范圍為3 ℃和 4℃。

5 結(jié)論

本文建立了渦旋壓縮機(jī)兩次中間補(bǔ)氣制冷系統(tǒng)計算模型，通過編制軟件對系統(tǒng)的性能進(jìn)行模擬研究。

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

2)結(jié)合渦旋盤的結(jié)構(gòu)給出了補(bǔ)氣孔位置的設(shè)計方法；

3)對系統(tǒng)的循環(huán)性能進(jìn)行研究。同時獲得最佳制冷性能，兩次的補(bǔ)氣壓力的匹配在兩個不同的區(qū)域。蒸發(fā)溫度為7 ℃時，兩次中間補(bǔ)氣系統(tǒng)較中間補(bǔ)氣系統(tǒng)和單級系統(tǒng)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(xué)基金項目(51376010)和中國博士后科學(xué)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(xué)，男, 助理研究員，北京工業(yè)大學(xué)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(huán)，自然工質(zhì)，制冷系統(tǒng)測試技術(shù)。