闕沛禎，魏會(huì)軍

（1.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)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(qū)氣候炎熱，夏天最高環(huán)境溫度可超過(guò)50 ℃，空調(diào)的使用時(shí)間長(zhǎng)。在這種高環(huán)境溫度的條件下，對(duì)空調(diào)高溫制冷能力需求高，運(yùn)行條件惡劣。主要表現(xiàn)為壓縮機(jī)排氣壓力高，壓差大，負(fù)載重，制冷能力和能效會(huì)大幅衰減，并且壓縮機(jī)排氣溫度高，高溫工況下電機(jī)散熱、泵體潤(rùn)滑效果差，可靠性難以保證。此外中東各國(guó)對(duì)空調(diào)的最低能效比要求也在逐年提高。因此常規(guī)空調(diào)設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足中東地區(qū)高制冷能力、高能效、高可靠的要求。而雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)可將壓縮縮過(guò)程從一次分解為2次，降低了單個(gè)氣缸的壓縮比，提高了壓縮效率；通過(guò)閃發(fā)補(bǔ)氣，提高了單位質(zhì)量制冷量，并能有效降低了排氣溫度。雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)機(jī)的這些優(yōu)點(diǎn)非常適合應(yīng)用于中東空調(diào)。黃輝[1]等對(duì)雙級(jí)補(bǔ)氣滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)進(jìn)行了容積比的對(duì)能效的影響研究，余冰[2]等對(duì)雙級(jí)補(bǔ)氣滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮的中間壓力對(duì)性能影響研究。張思朝[3]、劉琦[4]均以帶閃蒸器的單機(jī)雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)為對(duì)象，研究了中間補(bǔ)氣參數(shù)對(duì)系統(tǒng)相對(duì)補(bǔ)氣量、能效比、排氣溫度的影響。相關(guān)研究中，主要針對(duì)雙級(jí)增焓壓縮機(jī)的增焓補(bǔ)氣規(guī)律，而該壓縮機(jī)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)際效果研究較少。為此，本文雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行中東空調(diào)工況性能研究，為開(kāi)發(fā)高效節(jié)能中東用空調(diào)提供參考指導(dǎo)。

2 雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)及其系統(tǒng)循環(huán)

雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)是在單臺(tái)壓縮機(jī)上實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓縮并具有中間補(bǔ)氣增焓的壓縮機(jī)，如圖1所示，壓縮機(jī)具有一個(gè)低壓級(jí)氣缸和一個(gè)高壓級(jí)氣缸串聯(lián)，低壓吸氣進(jìn)入低壓級(jí)氣缸進(jìn)行一級(jí)壓縮后排氣中壓氣體，并與增焓補(bǔ)氣混合，再被二級(jí)氣缸吸入后進(jìn)行二次壓縮排出壓縮機(jī)。雙級(jí)增焓系統(tǒng)循環(huán)主要由雙級(jí)增焓壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、閃蒸器、一級(jí)節(jié)流裝置和二級(jí)節(jié)流裝置構(gòu)成（圖2）。不同于單級(jí)壓縮，雙級(jí)增焓系統(tǒng)循環(huán)除壓縮機(jī)為雙級(jí)壓縮外，冷凝器后高壓的過(guò)冷液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)一次節(jié)流后降至中壓進(jìn)入兩相區(qū)，其中一部分閃發(fā)成中壓氣態(tài)制冷劑，閃發(fā)的這一部分氣態(tài)制冷劑吸收了另一部分未閃發(fā)的液態(tài)制冷劑的熱量，從而使二次節(jié)流前的液態(tài)制冷劑進(jìn)一步過(guò)冷，增加了焓差，即增加了制冷量。即其系統(tǒng)循環(huán)為帶閃蒸器的兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮循環(huán)。該循環(huán)可有效降低壓縮機(jī)單個(gè)氣缸壓縮比，提高壓縮效率，通過(guò)補(bǔ)氣閃發(fā)，提高單位質(zhì)量制冷量，同時(shí)有效降低高壓級(jí)吸氣溫度，有效降低排氣溫度。這些優(yōu)點(diǎn)非常適合應(yīng)用于中東空調(diào)。

3 雙級(jí)增焓壓縮循環(huán)理論計(jì)算

根據(jù)上述系統(tǒng)循環(huán)，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)的低壓級(jí)和高壓級(jí)的容積比ξ設(shè)計(jì)決定了最優(yōu)中間補(bǔ)氣的壓力，對(duì)壓縮機(jī)的能效提升起到關(guān)鍵作用。依據(jù)兩級(jí)壓縮兩級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)的運(yùn)行特性[5]，不考慮閃發(fā)過(guò)程和補(bǔ)氣混合過(guò)程中的熱量損失，且閃蒸器中閃發(fā)的氣體全部能進(jìn)入高壓氣缸，高壓級(jí)吸氣質(zhì)量流量m2可由閃蒸器的熱平衡關(guān)系求得。根據(jù)圖，壓縮機(jī)容積比ξ和理論制冷系數(shù)ε計(jì)算如下

高壓級(jí)吸氣點(diǎn)3狀態(tài)的蒸氣比焓可由2部分蒸氣混合過(guò)程的熱平衡關(guān)系求得

圖1 雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 單級(jí)和雙級(jí)增焓壓縮機(jī)系統(tǒng)循環(huán)圖

圖3 壓-焓圖

壓縮機(jī)的高壓級(jí)比低壓級(jí)的容積比為

雙級(jí)增焓壓縮循環(huán)理論制冷系數(shù)

單級(jí)壓縮循環(huán)理論制冷系數(shù)

式中 m1——低壓級(jí)質(zhì)量流量

mi——中間補(bǔ)氣質(zhì)量流量

m2——高壓級(jí)質(zhì)量流量

hi——i狀態(tài)點(diǎn)的比焓

ξ——低壓級(jí)和高壓級(jí)的容積比

ε——不同容積比下雙級(jí)增焓壓縮循環(huán)理論制冷系數(shù)

ε′——單級(jí)壓縮循環(huán)理論制冷系數(shù)

νi——各i狀態(tài)點(diǎn)的比容

為設(shè)計(jì)適合于中東空調(diào)工況使用的雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，本文選取了中東空調(diào)使用的T1、T3、52 ℃制冷三組代表性制冷工況。

根據(jù)上述理論計(jì)算，獲得了不同工況下雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在不同容積比設(shè)計(jì)下相比單級(jí)壓縮機(jī)的能力和能效提升。如圖4為相比單級(jí)壓縮機(jī)的雙級(jí)增焓制冷循環(huán)的壓縮機(jī)理論能效提升比例，壓縮機(jī)容積比ξ在0.7～0.75時(shí)，中東空調(diào)制冷工況下能效提升達(dá)最大值，負(fù)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(jí)壓縮機(jī)的雙級(jí)增焓制冷循環(huán)的壓縮機(jī)理論制冷量的提升比例，在理想狀態(tài)，且中間補(bǔ)氣能全部進(jìn)入二級(jí)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(diào)系統(tǒng)制冷工況

圖4 不同容積比下理論能效提升

4 壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

選取本文研發(fā)的一臺(tái)容積比為0.73的雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子，以及一臺(tái)單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)按上述3種工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比。為保證實(shí)驗(yàn)對(duì)比的有效性，2臺(tái)壓縮機(jī)的均采用相同參數(shù)的定頻電機(jī)，壓縮機(jī)參數(shù)對(duì)比如表2。壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法如圖6，單級(jí)壓縮機(jī)將補(bǔ)氣截止閥8關(guān)閉測(cè)試，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)測(cè)試時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)氣截止閥8，并在測(cè)試過(guò)程中調(diào)節(jié)最佳的中間補(bǔ)氣壓力，以找出壓縮機(jī)能效最高點(diǎn)。

5 測(cè)試結(jié)果及分析

能效方面，如圖7，隨著工況負(fù)荷的增加，壓縮機(jī)的能效都存在較大幅度的下降，單級(jí)壓縮機(jī)52 ℃制冷工況相比T1工況能效下降了40%。雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在T1、T3、52 ℃制冷3種工況相對(duì)單級(jí)壓縮機(jī)能效提升分別最大提升6%、11%、14%，和理論計(jì)算基本接近，即雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在中東空調(diào)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(jī)參數(shù)對(duì)比

制冷量方面，如圖8，隨著工況負(fù)荷的增加，單級(jí)壓縮機(jī)52 ℃制冷工況相比T1工況制冷量衰減了20%，這會(huì)導(dǎo)致中東空調(diào)高溫制冷能力不足。而雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在T1、T3、52 ℃工況相比單級(jí)壓縮機(jī)制冷量分別提升13%、26%、32%，也和理論計(jì)算基本一致，使得52 ℃制冷比T1工況制冷量?jī)H衰減5.8%，可基本實(shí)現(xiàn)高溫制冷能力不衰減的顯著效果。這主要是通過(guò)雙級(jí)壓縮，壓縮機(jī)泄漏減小，容積效率提升，另外由于兩級(jí)節(jié)流和增焓補(bǔ)氣，使得單位質(zhì)量的制冷量的焓值增加。

圖6 壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)原理

圖7 壓縮機(jī)性能系數(shù)對(duì)比

圖8 壓縮機(jī)制冷量對(duì)比

排氣溫度方面，如圖9，通過(guò)增焓補(bǔ)氣，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)可獲得2～8 ℃的溫度降低。若調(diào)整補(bǔ)氣的中間壓力，增加補(bǔ)氣帶液量，可進(jìn)一步降低排溫，有利于在極端高溫環(huán)境下壓縮機(jī)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

圖9 壓縮機(jī)排氣溫度對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在中東空調(diào)工況下進(jìn)行理論計(jì)算，并進(jìn)行同單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的中東高溫制冷工況性能測(cè)試對(duì)比及分析，得出如下結(jié)論：

（1）中東空調(diào)制冷工況下，壓縮機(jī)容積比設(shè)計(jì)為0.7～0.75可使壓縮機(jī)能效提升達(dá)最大值，同時(shí)制冷量也能大幅提升。

（2）通過(guò)壓縮機(jī)的實(shí)際性能測(cè)試，能效和制冷量測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算值基本一致，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在中東空調(diào)高溫制冷工況下能效提升顯著，并在不增加一級(jí)氣缸排量的情況下可實(shí)現(xiàn)高溫制冷能力基本不衰減。雙級(jí)增焓壓縮機(jī)應(yīng)用于中東空調(diào)具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。