熱泵空調(diào)的超高能效噴氣增焓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張苗苗

（廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東528311）

1 技術(shù)背景

熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱運(yùn)行時(shí)，制冷劑的蒸發(fā)溫度由環(huán)境溫度決定，蒸發(fā)溫度一定時(shí)，蒸發(fā)壓力就是一定的。在低溫制熱情況下，如欲使冷凝溫度升高，則冷凝壓力就會(huì)升高，此時(shí)壓縮比就增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)有效容積減小，效率下降。同時(shí)，在蒸發(fā)溫度不變的條件下，冷凝溫度的升高將導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度上升，有可能超過(guò)壓縮機(jī)允許的安全運(yùn)行溫度。因此，要突破單級(jí)壓縮制熱在低溫條件下不可能獲得較高冷凝溫度的限制，首先要克服的就是壓縮機(jī)的壓縮比不可能很大以及壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。而當(dāng)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室外環(huán)境溫度變高的同時(shí)，會(huì)使得冷凝壓力升高進(jìn)而使壓縮機(jī)的排氣壓力、排氣溫度升高，同時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重的電控元器件散熱也成為了考驗(yàn)。

2 技術(shù)來(lái)源

為提高多聯(lián)機(jī)空調(diào)熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的制熱量，提升高溫工況的制冷運(yùn)行可靠性，本項(xiàng)目提出了一種噴氣增焓控制技術(shù)，該技術(shù)采用帶中間噴射的渦旋壓縮機(jī)，基于帶經(jīng)濟(jì)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，具有準(zhǔn)兩級(jí)壓縮的特點(diǎn)。拓展機(jī)組的使用范圍到－23～55℃。

3 超高能效噴氣增焓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 超高能效噴氣增焓系統(tǒng)熱力學(xué)設(shè)計(jì)

噴氣增焓壓縮機(jī)比普通壓縮機(jī)多一個(gè)噴射口，使得來(lái)自經(jīng)濟(jì)器的冷媒直接進(jìn)入中壓級(jí)的壓縮腔，提高壓縮機(jī)總排量。同時(shí)其壓縮過(guò)程被補(bǔ)氣過(guò)程分割成兩段，變?yōu)闇?zhǔn)二級(jí)壓縮過(guò)程。噴氣降低排氣溫度，同時(shí)也降低了排氣過(guò)熱度，減少冷凝器的氣相換熱區(qū)的長(zhǎng)度，提高冷凝器的換熱效率，當(dāng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度相差越大會(huì)產(chǎn)生越好的效果，所以在低溫環(huán)境下效果更明顯［2］。

圖1 噴氣增焓系統(tǒng)循環(huán)流程圖

圖2 噴氣增焓系統(tǒng)壓焓圖

噴氣增焓系統(tǒng)分為一次節(jié)流與二次節(jié)流系統(tǒng)，圖1所示系統(tǒng)為目前比較常見(jiàn)的一次節(jié)流系統(tǒng)。參照?qǐng)D2，普通單級(jí)壓縮制冷循環(huán)的工作過(guò)程為1m→2s→3→6→1m。而噴氣增焓系統(tǒng)增加了一路噴射以及經(jīng)濟(jì)器的共同作用，主路的工作過(guò)程為1m→1s→1i→2→4m→5m→1m，輔路的工作過(guò)程為1i→2→3→4i→4g→1i，其中1i為4g與1s的混合點(diǎn)。

為了對(duì)該噴氣增焓系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析［3］，并將之與普通單級(jí)壓縮制冷循環(huán) （后簡(jiǎn)稱普通循環(huán)）做比較，分析該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。首先需做以下假設(shè)：a、經(jīng)過(guò)過(guò)冷器后輔路的冷媒在被壓縮機(jī)吸入前的狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)，即圖2中4g點(diǎn)。b、各換熱器與壓縮機(jī)工作近似絕熱過(guò)程。c、普通循環(huán)與噴氣增焓循環(huán)在蒸發(fā)器處制冷循環(huán)量相同，設(shè)為單位1kg／s，而區(qū)別在于輔路補(bǔ)氣量為αkg／s。

3.1.1 系統(tǒng)制冷量對(duì)比

參照?qǐng)D3，噴氣增焓系統(tǒng)的制冷量為：

普通循環(huán)的制冷量為：

又根據(jù)經(jīng)濟(jì)器的能量平衡關(guān)系，即：

得出，噴氣增焓系統(tǒng)制冷量的增量為：

可以看出噴氣增焓系統(tǒng)制冷量相對(duì)于普通循環(huán)制冷量是有所增加的，而增加量主要取決于兩個(gè)因素，其一為噴射量，其二為經(jīng)濟(jì)器的換熱量。即在系統(tǒng)中間壓力、蒸發(fā)冷凝溫度不變的情況下，經(jīng)濟(jì)器的換熱效果越好，系統(tǒng)的噴射量越大，則噴氣增焓系統(tǒng)相對(duì)于普通系統(tǒng)的制冷增量越明顯。

3.1.2 系統(tǒng)制熱量對(duì)比

噴氣增焓的制熱量計(jì)算中選取有效制熱量，即在冷凝器中的制熱效果，對(duì)應(yīng)圖3的狀態(tài)2→狀態(tài)3，即：

普通系統(tǒng)的制熱量為：

得出噴氣增焓系統(tǒng)制熱量的增量為：

由計(jì)算可以看出，噴氣增焓系統(tǒng)制熱量的增量取決于冷凝器的換熱量、噴射量以及排氣過(guò)熱減少的制熱量。而排氣過(guò)熱的制熱量相對(duì)于整個(gè)冷凝器的冷凝換熱量來(lái)說(shuō)一般比較小，故排氣過(guò)熱減少的換熱量相對(duì)來(lái)說(shuō)一般也較小，故噴氣增焓系統(tǒng)制熱量總體來(lái)說(shuō)是增加的。即在系統(tǒng)中間壓力、蒸發(fā)冷凝溫度不變的情況下，冷凝器換熱效果越好，系統(tǒng)噴射量越大，噴氣增焓系統(tǒng)相對(duì)于普通系統(tǒng)制熱增量越明顯。

3.1.3 壓縮機(jī)耗功對(duì)比

噴氣增焓系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功可分為噴射前與噴射后兩段，即：

普通系統(tǒng)的耗功為：

噴氣增焓系統(tǒng)耗功增加量為：

假設(shè)1i→2，1s→2s兩條絕熱壓縮線近似平行，則有：

于是 （3－10）式可以簡(jiǎn)化為：

為了進(jìn)一步分析，可把制冷劑看作理想氣體，因而其△W表示為：

式中Vk為壓機(jī)排氣量，k為制冷劑氣體的等熵系數(shù)?？梢灾?，當(dāng)中間壓力P1i為冷凝壓力Pk或蒸發(fā)壓力P0時(shí)，相當(dāng)于沒(méi)有噴射。則噴射與普通循環(huán)是等同的，即△W＝0。于是可知△W必然存在一個(gè)極值。故將△W對(duì)P1i求偏導(dǎo)，并令其偏導(dǎo)數(shù)為0，可以得出極值時(shí)壓比為：

此時(shí)的最大耗功差別為：

由此可見(jiàn)噴氣增焓的壓機(jī)耗功由于噴氣的存在，要高于普通循環(huán)的壓機(jī)耗功。且耗功差別與壓機(jī)排量、噴射量、冷凝壓力、制冷劑的絕熱指數(shù)以及中間壓力有關(guān)，且因中間壓力的不同而存在一個(gè)極大值。對(duì)于一般的制冷劑來(lái)說(shuō)，的數(shù)值一般在3左右。

3.1.4 制冷能效系數(shù)對(duì)比

聯(lián)立 （3－1）、（3－8）與 （3－11）式求得噴射循環(huán)的制冷能效系數(shù)：

聯(lián)立 （3－2）、（3－9）可得普通循環(huán)的制冷能效系數(shù)：

對(duì)比 （3－16）式與 （3－17）式可以發(fā)現(xiàn)，噴射循環(huán)比普通循環(huán)式中多出的一部分為，基于數(shù)學(xué)角度的分析可以得知，當(dāng)時(shí)，EER＞EER′。對(duì)比循環(huán)圖中可以發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到上述要求，近似于要求噴射輔路循環(huán)的制冷系數(shù)大于普通循環(huán)的制冷系數(shù)。基于前述的分析可以得知隨著中間壓力的上升，在噴射量基本不變的情況下，噴射回路的制冷量不斷上升，而噴射回路的耗功存在極大值。也就是當(dāng)中間壓力取得合適值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)EER＞EER′的情況。

3.1.5 制熱能效系數(shù)對(duì)比

聯(lián)立 （3－5）、（3－8）與 （3－11）式求得噴射循環(huán)的制冷能效系數(shù)：

聯(lián)立 （3－6）、（3－9）式可得普通循環(huán)的制冷能效系數(shù)：

因壓縮機(jī)排氣過(guò)熱減少的這一段h2s－h(huán)2相對(duì)于h2－h(huán)3較小，為方便對(duì)比近似取其相等。則（3－19）式相對(duì)于 （3－18）式多出的部分為。參照?qǐng)D3系統(tǒng)循環(huán)圖可以看出，此部分近似等同于噴射輔路循環(huán)的制熱系數(shù)。顯然有。故可知噴射循環(huán)的制熱系數(shù)要始終大于普通循環(huán)的制熱系數(shù)。

3.1.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

依照GB／T 18837－2002多聯(lián)式空調(diào) （熱泵）機(jī)組規(guī)定的測(cè)試方法與測(cè)試要求，在名義制冷與制熱工況下，采用空氣焓差法對(duì)一套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)分別運(yùn)行普通循環(huán)與噴氣增焓循環(huán)時(shí)進(jìn)行了能力能效對(duì)比測(cè)試。

A、名義制冷工況測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出，對(duì)于制冷來(lái)說(shuō)，噴氣增焓比普通循環(huán)能力與功率均有提升，與3.1.1與3.1.3中的理論分析相符。而能效EER稍有下降，同樣在3.1.4中有過(guò)類似的分析對(duì)比，在一定的中間噴射壓力下會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。

B、名義制熱工況測(cè)試結(jié)果

從表2中可以看出，對(duì)于制熱來(lái)說(shuō)，噴氣增焓無(wú)論是在能力還是能效上均較普通循環(huán)有較大的提升，這與3.1.2和3.1.5小節(jié)中的分析也是相符合的。

C、低溫制熱工況

為了對(duì)比噴氣增焓與普通循環(huán)在低溫制熱情況下的差別，選取蒸發(fā)側(cè)－15℃干球溫度，冷凝側(cè)20℃干球，15℃濕球進(jìn)行測(cè)試。從表3中可以看出，對(duì)于低溫制熱來(lái)說(shuō)，噴氣增焓無(wú)論是在能力還是能效上均較普通循環(huán)有較大的提升，這與第2節(jié)的理論分析相符合。

表1 普通循環(huán)與噴氣增焓循環(huán)制冷測(cè)試結(jié)果

表2 普通循環(huán)與噴氣增焓循環(huán)制熱測(cè)試結(jié)果

表3 普通循環(huán)與噴氣增焓循環(huán)低溫制熱測(cè)試結(jié)果

3.2 中間噴射量控制技術(shù)

對(duì)于二級(jí)節(jié)流噴氣增焓系統(tǒng)，隨著補(bǔ)氣壓力（中間壓力）的提高，其制熱量逐漸減小，而制熱系數(shù)開始增大，隨后減小，因此，存在最佳中間壓力其中，P1為高壓壓力，P2為低壓壓力。為了獲取最佳的中間噴射壓力，最簡(jiǎn)單的方法，就是在噴射管路增加壓力傳感器，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出目標(biāo)中間壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)輔路電子節(jié)流部件的開度，獲得最佳中間壓力。但該方案成本高，且噴射管路管徑小，設(shè)置壓力傳感器可能加大噴射管路的阻力，造成系統(tǒng)能力損失。

本項(xiàng)目提出的一種控制方法，通過(guò)各傳感器對(duì)系統(tǒng)冷媒狀態(tài)的檢測(cè)，計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行最佳中間壓力，并通過(guò)調(diào)節(jié)二級(jí)節(jié)流電子膨脹閥的開度，獲得最佳中間噴氣壓力。

圖3為本項(xiàng)目提出的基于特寬頻段運(yùn)轉(zhuǎn)全變頻噴氣增焓技術(shù)的多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖3 基于特寬頻段運(yùn)轉(zhuǎn)全變頻噴氣增焓技術(shù)的多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

通過(guò)高壓壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的高壓壓力P1；

通過(guò)低壓壓力傳感器檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的低壓壓力P2；

計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)行最佳中間噴射壓力Pm＝

通過(guò)溫度傳感器17檢測(cè)板換主路冷媒入口溫度T1；

通過(guò)溫度傳感器18檢測(cè)板換主路冷媒出口溫度T2；

通過(guò)溫度傳感器19檢測(cè)板換輔路冷媒入口溫度T3；

通過(guò)溫度傳感器20檢測(cè)板換輔路冷媒出口溫度T4；

根據(jù)P1和T1計(jì)算出板換主路冷媒入口焓值h1；

根據(jù)P1和T2計(jì)算出板換主路冷媒出口焓值h2；

根據(jù)Pm和T3計(jì)算出板換輔路冷媒入口焓值h3和密度ρ；

根據(jù)Pm和T4計(jì)算出板換輔路冷媒出口焓值h4；

檢測(cè)壓縮機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率，根據(jù)壓縮機(jī)的排量，計(jì)算出壓縮機(jī)出口冷媒流量q；

在中間換熱器中，根據(jù)能量守恒，計(jì)算出輔路冷媒流量

qm＝q（h1－h(huán)2）／（h4－h(huán)3）

對(duì)于二級(jí)電子節(jié)流部件，壓降△P＝P1－Pm

可計(jì)算出二級(jí)電子節(jié)流部件的Cv值。

圖4 電子節(jié)流部件廠家提供的閥體開度與Cv值的曲線關(guān)系

圖5 CAM－BD20MISZ－2開度與Cv值之間計(jì)算機(jī)擬合的二次項(xiàng)關(guān)系式

圖6 噴射電子膨脹閥調(diào)節(jié)表

以常用的電子節(jié)流部件為例，圖4為由電子節(jié)流部件廠家提供的閥體開度與Cv值的曲線關(guān)系，通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合，得到開度與Cv值之間的二次項(xiàng)關(guān)系式，如圖5所示。

將目標(biāo)Cv值代入二次項(xiàng)方程中，可得到二次節(jié)流部件的目標(biāo)開度A，計(jì)算目標(biāo)開度與當(dāng)前開度B的差值D，按圖6進(jìn)行開關(guān)閥調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

美的最新一代多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品MDVS系列應(yīng)用了超高能效噴氣增焓技術(shù)，該技術(shù)有效解決了機(jī)組在極限工況下運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并大幅提升了機(jī)組在低溫工況下的制熱能力，推動(dòng)多聯(lián)機(jī)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展向前一步。

美的MDVS系列產(chǎn)品通過(guò)了威凱認(rèn)證檢測(cè)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)達(dá)一年的極限工況長(zhǎng)運(yùn)測(cè)試，測(cè)試氣候分別是吐魯番沙漠干熱氣候、黑龍江漠河極寒氣候、海南三亞鹽堿氣候，并榮獲了威凱頒發(fā)的極限工況長(zhǎng)運(yùn)無(wú)故障證書、長(zhǎng)效節(jié)能證書、耐候性證書。產(chǎn)品也在全球得到廣泛的應(yīng)用，獲得客戶一致好評(píng)。

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