噴液冷卻和噴氣增焓低溫?zé)岜脺u旋壓縮機(jī)的對比分析

馬麟，姚文虎，錢坤

（丹佛斯（天津）有限公司，天津 301700）

0 引言

在我國北方寒冷地區(qū)，傳統(tǒng)的燃煤、燃油取暖方式會產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染，給自然環(huán)境帶來巨大壓力，產(chǎn)生的霧霾給人們生活帶來巨大困擾?？諝庠礋岜米鳛橐环N清潔節(jié)能技術(shù)被作為替代傳統(tǒng)供熱形式的首選技術(shù)方案[1-2]，并通過京津冀煤改電政策大力推廣。

傳統(tǒng)空氣源熱泵技術(shù)主要用于長江流域非集中供暖地區(qū)，此地區(qū)氣候特點(diǎn)為最低溫度為0 ℃附近。而北方寒冷地區(qū)（京津冀）主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為溫度低（極端室外溫度-15 ℃），在滿足用戶舒適度的前提下對于空氣源熱泵系統(tǒng)提出了更高的要求[3-4]?，F(xiàn)在熱泵系統(tǒng)的主要問題是隨著室外環(huán)境溫度的降低，壓縮機(jī)壓縮比增大，嚴(yán)重偏離最佳設(shè)計(jì)值，等熵系數(shù)衰減，造成壓縮機(jī)排氣溫度迅速上升超過許用范圍，功率急劇上升；同時質(zhì)量流量降低導(dǎo)致制熱量嚴(yán)重衰減，既無法達(dá)到節(jié)能目的也無法滿足用戶的舒適性需求；普通壓縮機(jī)由于專注制冷性能，故型線設(shè)計(jì)壓比較低，在低環(huán)溫制熱時由于工況壓縮比增大，壓縮機(jī)嚴(yán)重欠壓縮，壓縮機(jī)旋線芯部壓差過大，渦旋齒斷裂風(fēng)險增加。解決上述問題對熱泵壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為解決這些問題，研究人員提出的方案主要集中在制冷劑噴液方案[5-14]和噴氣增焓方案[15-17]，并取得一系列研究成果。理論模型分析和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，兩種技術(shù)方案都可以滿足北方寒冷地區(qū)熱泵系統(tǒng)使用要求。

為解決以上熱泵問題，開發(fā)了 PSH系列及PCH065渦旋壓縮機(jī)。PSH系列壓縮機(jī)采用制冷劑噴液冷卻技術(shù)控制壓縮機(jī)排氣溫度，擴(kuò)大低環(huán)境溫度下運(yùn)行范圍。PCH065壓縮機(jī)采用制冷劑噴氣增焓技術(shù)，提高低環(huán)境溫度制熱量及制熱性能，并通過中間排氣技術(shù)提高部分負(fù)荷系統(tǒng)的制冷性能。同時 2種壓縮機(jī)對渦旋型線壓比都針對制熱工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了壓縮機(jī)可靠性和制熱性能。2種壓縮機(jī)可滿足客戶低環(huán)境溫度熱泵系統(tǒng)差異化需求。

1 制冷劑噴液及噴氣增焓技術(shù)介紹

1.1 制冷劑噴液技術(shù)

制冷劑噴液技術(shù)基本原理為：將中溫氣液混合態(tài)制冷劑噴入渦旋盤內(nèi)，與原有壓縮態(tài)的高溫制冷劑混合，以達(dá)到壓縮機(jī)在高壓比工況下運(yùn)行時降低排氣溫度的目的[18]。如圖1所示，制冷劑流經(jīng)冷凝器后分為2路；主路正常節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器；噴液路制冷劑經(jīng)過噴液電子膨脹閥節(jié)流為中溫中壓的氣液混合態(tài)，經(jīng)壓縮機(jī)噴液口噴入渦旋盤并與原有制冷劑混合，而后繼續(xù)壓縮，壓縮完成后從壓縮機(jī)排氣口排出。從圖中可看出，如無噴液，壓縮機(jī)的排氣溫度高。

1.2 制冷劑噴氣增焓技術(shù)

制冷劑噴氣增焓技術(shù)原理是將一定過熱度的中溫中壓氣態(tài)制冷劑噴入渦旋盤內(nèi)，與原有制冷劑混合，對降低排氣溫度有一定效果[19-20]。主要優(yōu)點(diǎn)為通過經(jīng)濟(jì)器的二次過冷增加制冷量，同時由于噴氣狀態(tài)為中壓，功率增加，制冷性能增加。同時由于質(zhì)量流量的增加也會帶來制熱量的增加。如圖 2所示，制冷劑流經(jīng)冷凝器后(5)分為2路：主路流量為m，通過經(jīng)濟(jì)器于噴氣路進(jìn)行換熱二次過冷(5a)，后正常節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器(6)；噴氣路流量為i，經(jīng)過噴氣電子膨脹閥節(jié)流為中溫中壓的氣液混合態(tài)制冷劑(5b)，而后經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器與主流換熱成為帶一定過熱度的氣態(tài)制冷劑(3)，經(jīng)壓縮機(jī)噴氣口噴入渦旋盤并與原有制冷劑混合(2’)，流量為m+i，而后繼續(xù)壓縮，壓縮完成后從壓縮機(jī)排氣口排出(4)。從圖2中可看出，如無噴氣，壓縮機(jī)排氣狀態(tài)為4’，有降排氣溫度的效果。同時主路通過經(jīng)濟(jì)器內(nèi)二次過冷增加制冷量，制熱時由于流量的增加實(shí)現(xiàn)制熱量增加。

圖1 制冷劑噴液系統(tǒng)

圖2 制冷劑噴氣增焓系統(tǒng)

1.3 兩種技術(shù)對比

以上2種技術(shù)都在一定程度上解決了渦旋壓縮機(jī)在高壓縮比工況下的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，可以滿足熱泵在低環(huán)境溫度下的使用要求。同時由于2種技術(shù)各有獨(dú)特的一面，客戶可以根據(jù)熱泵系統(tǒng)的實(shí)際使用要求選擇對應(yīng)技術(shù)的渦旋壓縮機(jī)。噴液壓縮機(jī)優(yōu)點(diǎn)：噴射冷媒為氣液混合態(tài)，所以降低壓縮機(jī)排氣溫度效果更明顯，在低環(huán)境溫度工況運(yùn)行可以達(dá)到更高的冷凝壓力，更大的運(yùn)行范圍；同時由于只增加噴液閥，不需要經(jīng)濟(jì)器，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，成本低。噴氣增焓優(yōu)點(diǎn)：通過經(jīng)濟(jì)器二次過冷及冷凝側(cè)流量的增加，實(shí)現(xiàn)制冷工況下制冷量及制冷性能提高，制熱工況下制熱量提高。

2 帶制冷劑噴液冷卻的熱泵型渦旋壓縮機(jī)

PSH系列是制冷量為7.5冷噸～15冷噸的新冷媒R410A熱泵型渦旋壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)采用制冷劑噴液冷卻技術(shù)，在普通渦旋壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上增加制冷劑噴液裝置設(shè)計(jì)；當(dāng)熱泵系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下運(yùn)行排氣溫度過高時，通過將冷凝器節(jié)流后氣液混合態(tài)的制冷劑經(jīng)噴液管路噴入壓縮機(jī)壓縮腔，可有效控制并調(diào)節(jié)排氣溫度，并對渦旋內(nèi)容積比及設(shè)計(jì)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，在保證高可靠性的前提下大范圍擴(kuò)展了壓縮機(jī)的運(yùn)行范圍。應(yīng)用這個系列壓縮機(jī)的熱泵系統(tǒng)相對于普通空調(diào)系統(tǒng)低溫環(huán)境下的制熱性能得到極大的改善，同時在環(huán)境溫度低的情況下（-20 ℃～-25 ℃）實(shí)現(xiàn)高出風(fēng)出水溫度（55 ℃～60 ℃），使用戶舒適性得到提高。

圖3 PSH渦旋壓縮機(jī)

圖4 PSH渦旋壓縮機(jī)噴液通道

圖5 PSH渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行范圍拓展區(qū)域

為簡化熱泵系統(tǒng)制冷劑噴液控制，PSH系列壓縮機(jī)控制板增加了噴液控制模塊。溫度探頭探測排氣溫度，反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)噴液電子膨脹閥開度，同時通過與熱泵系統(tǒng)主控制板的信號傳輸，實(shí)現(xiàn)制冷劑噴液循環(huán)的高效可靠控制。具體控制邏輯如下：壓縮機(jī)排氣側(cè)安裝溫度傳感器，噴液控制板可檢測傳感器反饋的排氣溫度；當(dāng)排氣溫度高于設(shè)定值時，控制板內(nèi)輸出信號打開噴液電子膨脹閥開度，并通過設(shè)置好的控制程序把排氣溫度穩(wěn)定控制在要求范圍；當(dāng)出現(xiàn)電子膨脹閥開啟度 100%情況下排氣溫度依然高于設(shè)定值的異常情況時，壓縮機(jī)報警并進(jìn)入停機(jī)倒計(jì)時，一段時間后排氣溫度依然無法降低，壓縮機(jī)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的自動保護(hù)。

圖6 PSH渦旋壓縮機(jī)噴液控制板

圖7 PSH噴液控制邏輯

3 帶噴氣增焓的熱泵型渦旋壓縮機(jī)

PCH065是制冷量為 25冷噸的新冷媒 R410A熱泵型渦旋壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)采用制冷劑噴氣增焓技術(shù)，在普通渦旋壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上增加制冷劑噴氣管路設(shè)計(jì)，將帶一定過熱度的中溫中壓氣態(tài)制冷劑通過噴氣通道噴入渦旋盤內(nèi)，以增加制冷劑流量；結(jié)合對經(jīng)濟(jì)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，二次過冷增加制冷量及制冷系數(shù)，制熱時由于流量的增加實(shí)現(xiàn)制熱量增加，并對降低排氣溫度，實(shí)現(xiàn)拓展壓縮機(jī)低環(huán)境溫度下運(yùn)行范圍的效果。

熱泵渦旋壓縮機(jī)渦旋盤為滿足低環(huán)境溫度下制熱需求，渦旋盤內(nèi)壓比設(shè)計(jì)普遍高于普通制冷壓縮機(jī)，這就容易造成在夏季制冷部分負(fù)荷工況運(yùn)行時壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓比高于工況壓比，壓縮機(jī)過壓縮運(yùn)行，壓縮機(jī)功率增加，制冷性能下降。PCH065渦旋壓縮機(jī)針對此問題在排氣側(cè)增加了中間排氣閥，并在渦旋盤上對應(yīng)位置增加中間排氣孔，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在部分符合工況下運(yùn)行時通過中間排氣閥提前排氣，改善壓縮機(jī)過壓縮情況，提高低壓比部分負(fù)荷下制冷性能。

圖8 PCH065渦旋壓縮機(jī)

圖9 PCH065渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行范圍拓展區(qū)域

圖10 PCH065噴氣增焓制冷及制熱性能提高

圖11 PCH065中間排氣閥

如圖12所示，無中間排氣閥壓縮機(jī)壓縮到Pf1開始從主排氣閥排氣，無用功為淺灰色加灰色部分；帶有中間排氣閥壓縮機(jī)壓縮到Pf2就可從中間排氣閥排氣，無用功為灰色部分，相對于無閥壓縮機(jī)節(jié)省灰色部分無用功。同時在高壓比情況下由于壓差作用中間排氣閥關(guān)閉，對壓縮機(jī)高壓比工況性能沒有負(fù)作用。壓縮機(jī)除霜時液擊風(fēng)險及低溫帶液啟動時可靠性風(fēng)險也伴隨中間提前排氣降低渦旋型線的負(fù)荷峰值，對壓縮機(jī)的可靠性起到改善作用。

根據(jù)失效率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高壓比失效在熱泵渦旋壓縮機(jī)總失效數(shù)量中占很大比例。熱泵系統(tǒng)通常會在壓縮機(jī)排氣側(cè)安裝溫度傳感器或壓力傳感器并配合主控板控制進(jìn)行保護(hù)。但高壓比失效率依然很高，主要原因在于：溫度傳感器安裝在排氣管側(cè)測量壓縮機(jī)排氣溫度，由于環(huán)境溫度的影響有失真情況，尤其是低環(huán)境溫度工況運(yùn)行情況下；熱泵系統(tǒng)為避免誤判影響，壓縮機(jī)正常運(yùn)行一般會設(shè)置報警延遲時間和開機(jī)檢測屏蔽，在異常情況下壓縮機(jī)由于保護(hù)延遲造成失效；PCH065渦旋壓縮機(jī)針對此問題在靜渦旋安裝內(nèi)置溫度傳感器，可以直接檢測壓縮機(jī)渦旋盤排氣部分溫度，不受環(huán)境溫度干擾，同時報警延遲時間短，對于壓縮機(jī)在低環(huán)境溫度工況運(yùn)行可靠性提高可以起到很大作用。

圖12 PCH065中間排氣閥工作原理

圖13 PCH065部分負(fù)荷工況性能提高

4 結(jié)論

針對低環(huán)境溫度下熱泵應(yīng)用對渦旋壓縮機(jī)提出的拓展在低蒸發(fā)溫度下運(yùn)行范圍及提高制熱性能的需求，開發(fā)了采用制冷劑噴液冷卻技術(shù)控制壓縮機(jī)排氣溫度、擴(kuò)大低環(huán)境溫度下運(yùn)行范圍的PSH系列渦旋壓縮機(jī)，以及采用制冷劑噴氣增焓技術(shù)提高低環(huán)境溫度制熱量及制熱性能、通過中間排氣技術(shù)提高部分負(fù)荷系統(tǒng)的制冷性能的PCH065渦旋壓縮機(jī)；對制熱工況下兩種壓縮機(jī)的渦旋型線壓比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了壓縮機(jī)可靠性。

基于運(yùn)行范圍大的特點(diǎn)，PSH系列壓縮機(jī)更適合高出水及出風(fēng)溫度的應(yīng)用（55 ℃以上）；基于性能高、低環(huán)境溫度值熱量提升顯著的特點(diǎn)，PCH065更適合 35 ℃～45 ℃出水及出風(fēng)溫度的應(yīng)用。開發(fā)的兩種熱泵壓縮機(jī)對于空氣源熱泵在中國北方應(yīng)用的大范圍普及，提高能源利用率會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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