（机械工程专业论文）中间补气涡旋压缩机设计及试验研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 涡旋压缩机是二十世纪九十年代以来倍受重视并迅速发展的一种容积式压缩机。它 具有效率高，振动小，噪声低，重量轻和尺寸小等突出特点。广泛应用于制冷空调和低 温冷冻领域。但现有涡旋压缩机受运行范围的约束，当蒸发器所处环境温度过低时，压 缩机处在低于正常设计使用蒸发温度范围的工况条件下工作，吸气压力很低，吸气比容 降低，系统单位循环量大大减少，因此压缩机的能力和效率迅速下降；当吸排气压缩比 增大时，压缩机排气温度会迅速上升，压缩机的能力和效率下降到一定程度时，继续工 作就没有节能效果了；而且排气温度高于一定值时，冷冻油粘度下降易导致压缩机故障， 压缩机无法继续工作。 本文根据具有补气功能的涡旋压缩机的研究现状，采用理论研究和实验检验相结合 的方法，对具有补气功能的涡旋压缩机的性能进行详细的研究。从具有补气功能的涡旋 压缩机的工作机理出发，分析压缩机的工作过程。针对涡旋压缩机设定固定容积比以及 补气压缩过程持续时间较短且容积变化较大的特点，建立包含影响压缩机性能的主要因 素且适用于具有补气功能的涡旋压缩机数学模型。然后对补气口位置及尺寸进行模拟计 算，推倒出具有补气功能的涡旋压缩机最佳补气口的位置，提出合理的具有补气功能的 涡旋压缩机的运行模式，为具有补气功能的涡旋压缩机的理论研究提供参考依据。 在理论研究的基础上，改进现有的制冷压缩机性能实验设备，并设计出中间补气涡 旋压缩机实验方案，对中间补气涡旋压缩机型号为c s b r l 8 0 h 3 8 qc s h p 机) 进行全点 实验。通过对实验结果的分析，验证和修正理论研究的结果和方法，揭示了具有补气功 能的涡旋压缩机的运行规律。结果表明，在冷凝温度不变的情况下随着蒸发温度的降低， 补气功能的涡旋压缩机样机的制冷量有所减少，但衰减的速度低于普通空调用涡旋压缩 机，压缩机的输入功率有所增加，但整机能效比( c o p ) 有所增加，而且排气温度有一 定幅度的降低根据试验结果可知：在低温工况下应用具有补气功能的涡旋压缩机比普 通空调用涡旋压缩机可以更有效地提高空气源热泵产品的低温制热性能，可以作为向冬 季环境温度较低的地区开发热泵产品可选的压缩机产品。 具有补气功能的涡旋压缩机产品化有助于加快我国热泵行业的发展脚步，扩大热泵 产品的使用区域，顺应了国家节能减排的要求，对于促进暖通空调的可持续发展有重要 意义。 关键词：中间补气涡旋压缩机；设计；试验；能效 中问补气涡旋压缩机设计及试验研究 d e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h em i dg a s i n j e c t i o ns c r o l l c o m p r e s s o r a b s t r a c t a sad i s p l a c e m e n tc o m p r e s s o r , s c r o l lc o m p r e s s o ri s g e t t i n gg r e a ta t t e n t i o na n d d e v e l o p i n gr a p i d l y s i n c e19 9 0 s i ti s 谢t l lh i g h - e f f i c i e n c y ，l o w - v i b r a t i o n , l o w - n o i s e ， l o w - w e i g h ta n ds m a l l d i m e n s i o na n di sw i d e l yu s e di nr e f r i g e r a t i n ga i r - c o n d i t i o n i n ga n dl o w t e m p e r a t u r ef r e e z i n gf i e l d h o w e v e r , a tp r e s e n tt h eo p e r a t i n gr a n g eo fs c r o l lc o m p r e s s o r l i m i t si t sa p p l i c a t i o n w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r eo ft h ee v a p o r a t o ri sl o w , t h ec o m p r e s s o r i si nf a c tw o r k i n gi nt h ec o n d i t i o no fl o w e rt h a nt h ed e s i g n e de v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，w h i c h m e a n sl o ws u c t i o np r e s s u r e ，l o ws u c t i o nv o l u m ea n dt h ed e c r e a s eo ft h eu n i tc i r c u l a t i o n a m o u n ti nt h es y s t e m , r e s u l t i n gi nt h es h a r pd e c l i n eo ft h ec o m p r e s s o r s c a p a b i l i t ya n d e f f i c i e n c y w i t l lt h er a t i oo ft h es u c t i o na n dd i s c h a r g eg e t t i n gl a r g e r , t h ed i s c h a r g e t e m p e r a t u r eo ft h ec o m p r e s s o rw i l li n c r e a s er a p i d l y w h e nt h ec o m p r e s s o r sc a p a b i l i t ya n d e f f i c i e n c yd e c r e a s et oa ne x t e n t , i tw i l ll o s ei t se n e r g y s a v i n ge f f e c t f u r t h e r m o r e , i ft h e d i s c h a r g et e m p e r a t u r ei sa b o v eac e r t a i nv a l u e ，t h ev i s c o s i t yo ft h ef r o z e no i lw i ud e c r e a s e w h i c hl e a dt ot h ec o m p r e s s o r su n a b l et oc o n t i n u ew o r k i n g b a s e do nt h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so fs c r o l lc o m p r e s s o rw i t hg a s i n j e c t i o nf u n c t i o n t h e e s s a yc o n d u c t sad e t a i l e ds t u d yo ft h ep e r f o r m a n c eo fg a s i n j c c t i o nf u n c t i o n a ls c r o l l c o m p r e s s o rb yc o m b i n i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t f r o mt h ew o r k i n g m e c h a n i s mo ft h es c r o l lc o m p r e s s o r 、析t 1 1g a s i n j e c t i o nf u n c t i o n , t h ee s s a ya n a l y z e st h e w o r k i n gp r o c e s so ft h ec o m p r e s s o r i nv i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c st h a tt h es c r o l lc o m p r e s s o ri s d e s i g n e dw i t hf i x e dv o l u m er a t i o ，t h ep r o c e s so fg a si n j e c t i n ga n dc o m p r e s s i n gl a s t ss h o r t t i m e ，a n dt h ev o l u m ec h a n g e sg r e a t l y ，t h i se s s a ys e t su pam a t h e m a t i cm o d e l ，w h i c hi n c l u d e s t h em a i nf a c t o r st h a tc a na f f e c tt h ec a p a b i l i t yo ft h ec o m p r e s s o r , a n dw h i c hc a l lb eu s e di nt h e s c r o l lc o m p r e s s o rw i t hg a s - i n j e c t i o nf u n c t i o n f u r t h e r m o r e ，t h ee s s a ya l s oc o n d u c t sa s i m u l a t e dt e s tt ot h ep o s i t i o na n dd i m e n s i o no ft h eg a si n j e c t i n gi n l e t ，c o n c l u d e st h ep e r f e c t p o s i t i o n , a n dp o i n t so u tar e a s o n a b l eo p e r a t i n gm o d e lf o rt h es e m i lc o m p r e s s o rw i t h g a s i n j e c t i o nf u n c t i o n , w h i c hc a np r o v i d ea t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho ft h es c r o l l c o m p r e s s o rw i t l lg a s i n j e c t i o nf u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ee s s a yp u t sf o r w a r d san e w t e s tp r o g r a mf o rt h e m i d g a s i n j e c t i o n s c r o l l c o m p r e s s o rb yi m p r o v i n ge x i s t i n gf r e e z i n gc o m p r e s s o rt e s t e q u i p m e n t ，a n dc o n d u c t sa l la l lp o i n t st e s to nam i dg a s - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o r t y p e c s b r i8 0 h 3 8 q ( 5 p h ) a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l to ft h et e s t , t h ee s s a yv e r i f i e sa n da m e n d s i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 t h ec o n c l u s i o na n dm e t h o d so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dr e v e a l st h eo p e r a t i n gr e g u l a ro f t h es c r o l lc o m p r e s s o r 诹t hm i dg a s - i n j e c t i o nf u n c t i o n t h er e s u l ts h o w su n d e rt h ec o n d i t i o no f f i x e dc o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e ，w h e ne v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r eg e t sl o w e r , t h ef r e e z i n g c a p a b i l i t yo ft h eg a s i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o rw i l lr e d u c e ，b u ti t ss p e e di sl o w e rt h a nt h e s c r o l lc o m p r e s s o rf o r t h eg e n e r a la i r - c o n d i t i o n e r d u r i n gt h i st i m e ，t h ei n p u tp o w e ri n c r e a s e s ， b u tt h ec o po ft h ec o m p r e s s o ra l s oi n c r e a s e s , a n dt h ed i s c h a r g et e m p e r a t u r ed e c r e a s e st oa n e x t e n t c o n c l u d e df r o mt h et e s t , u n d e rl o w e rt e m p e r a t u r ew o r k i n gc o n d i t i o n , t h es c r o l l c o m p r e s s o rw i 也g a s - i n j e c t i o nf u n c t i o nc a nm o r ee f f e c t i v e l yi m p r o v et h el o w - t e m p e r a t u r e h e a t i n gc a p a b i l i t yo ft h ea i r - s o u r c eh e a t i n gp u m pp r o d u c t st h a nt h es c r o l lc o m p r e s s o ru s e di n g e n e r a la i r - c o n d i t i o n e r s ot h eh e a t i n gp u m pp r o d u c t sa d o p t e dw i t l lt h i sk i n d o fc o m p r e s s o ri s v e r yf a v o r i a b l ei nt h ep l a c ew h e r et h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei sl o w e ri nw i n t e r t h ep r o d u c t i o no fs c r o l l 哪r e $ s o rw i t hg a s - m j e c t i o nf u n c t i o nc a l ls p e e du pt h e d e v e l o p m e n to fh e a t i n gp u m pi n d u s t r y e x p a n d i n gh c a t i n gp u m pp r o d u c t su s i n gs c o p em e e t s t h er e q u i r e m e n t so fe n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o n - r e d u c t i o np o l i c y ，w h i c hi sm e a n i n g f u lf o rt h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fh v a c k e yw o r d s ：m i dg a s i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o r ：d e s i g mt e s t ：c o p i l l 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：望! 蛩歪 垒塑丝匡逮拙缝讧五五缝堑立 作者签名：2 k 歪銎噍1 日期： 丝1 2 年- 止月且日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：翌12年上月二l 日 日期：竺1 2年上月z _ 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 l j - 月l j昌 改革开放3 0 年来我国经济飞速发展，人民收入水平增加、生活质量不断提高。经 济快速增长的同时，不可再生资源的消耗和环境的恶化可谓代价巨大。国家领导人在总 结改革开放前3 0 年取得骄人成就的同时也重点提及能源和环境问题，可持续发展的理 念日益深入人心。众所周之，石油、煤炭、天然气等不可再生能源直接燃烧给环境带来 了极大的负面影响，如大气污染、酸雨、温室效应、全球变暖、冰川融化、海平面提高、 气候变化异常、自然灾害频发，迫切要求改善大气环境、提高空气质量，因此开发效率 高、清洁的能源技术成为人类关注的焦点。 在全球的能量消耗中建筑物能耗约占4 0 【l 】，而我国是仅次于美国的世界第二大能 源消费国，而且能源结构是极其不合理，导致了严重的环境污染和能源浪费，已成为影 响我国经济可持续发展的重大因素。2 0 0 3 年以后房地产业快速发展，成为地方提高g d p 的重要经济手段。地产业的迅猛发展，必然带来建筑能耗的猛增。而在整个建筑耗能中， 采暖能耗占据了绝大部分，约为6 5 。在我国北方寒冷地区，建筑采暖长期以来大部分 一直依靠燃煤、燃油锅炉房来解决，不仅能源利用率低，而且对大气造成了很大的污染。 因此，对于以上地区，探寻出一种清洁、节能的取暖方式已成为当务之急。 目前，国内的主要采暖方式有：以燃料为热源的供暖方式、电热供暖方式和热泵采 暖方式。 ( 1 ) 以燃料为热源的供暖方式 a 燃煤集中供暖是我国北方寒冷地区采用的最主要的采暖方式。这种 方式具有建设速度快、技术要求低、运行费用也相对较低等特点，而且在我 国积累了大量的建设和运行管理的经验。其主要问题在于燃烧产生大量的温 室气体、有毒气体以及粉尘等有害物质，严重污染空气质量，对人类的身体 健康造成了危害。同时，集中供暖采暖方也存在能源利用率低、供暖计量困 难和无法满足用户按需供暖等诸多问题。 b 燃气采暖是指以单户家庭作为采暖主体的独立采暖系统。这种采暖 方式是以天然气、液化石油气和人工煤气为燃料，在我国是一种全新的采暖 方式，尚未普及。虽然燃气具有清洁、方便、高热能等优点，但这种采暖方 式运行费用较高。 ( 2 ) 电热采暖方式 电热采暖方式是直接将高品位电能转化成低品位的热能，能源利用率低。 ( 3 ) 热泵采暖方式 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 热泵采暖主要是指已电能作为动力，利用热泵原理吸收低位( 室外空气) 的热 能，通过压缩机驱动，以制冷剂为载体将热量从低温环境送至高温环境，达到 制热的目的。该种方式具有电采暖和燃气采暖的全部有点，无毒无污染、便于 控制，能效比高，可以实现制热需求和节能需求。 综上三种方式可以看出，热泵采暖是最优的采暖方式。在二十世纪7 0 年代第二石 油危机爆发之后，欧美等发达国家热泵技术迅速崛，热泵采暖成为发达国家主要的供暖 方式。目前热泵空调机组作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视，而空气源热泵 可以从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用便利，因此空气源热泵成为热泵诸多型 式中应用最为广泛的一种雎1 。同时空气源热泵无需辅助热源，具有高效节能、对使用地 不产生污染、能实现一机两用等特点。然而，长期以来的理论和实践均表明：传统的空 气源热泵的使用区域只能局限在长江中下游、西南、华南地区，如果将传统的空气源热 泵系统应用于黄河流域、华北、西北等地区，空气源热泵很难在这一地区长期安全、可 靠、经济运行口3 ，主要表现在： 1 )空气源热泵的制热量随着外温的下降而迅速下降，而建筑物的需热 量却随着外温的下降而迅速上升，当环境温度较低时，系统的制热量将非 常小，以至不依靠辅助热源将无法满足用户的采暖需求； 2 )随着环境温度的进一步降低，压缩机的压缩过程严重偏离正常工作 过程，系统循环量减小、吸气比容增大、输气系数下降导致系统能效迅速 下降、排气温度急剧升高，如果长期运行将会严重危害压缩机的安全h 1 ； 3 )随着环境温度的下降，蒸发器表面凝露或结霜，使空气流经蒸发器 时阻力增大、流量减小，结霜更会导致传热面积的减少和蒸发温度的下降， 从而影响到换热效果，严重时会使热泵无法工作嘲； 4 )压缩机启动困难。空调、热泵用压缩机的压缩比一般在3 5 , - - 4 0 的水平，这种型式的压缩机比较适合工作于制冷模式及温度相对较高的制 热模式下，在- 1 5 的环境中，要求热泵向室内提供4 5 。c 的热水，这时热泵 的蒸发温度与冷凝温度之差接近7 0 ，对于使用r 2 2 的系统，压缩机承受 的工作压比大于1 0 ，这样将会使得压缩机的压缩过程严重偏离等熵过程。 因此，传统的空气源热泵不做任何改进就推广到寒冷地区是不可行的。 在能量利用效率和温室效应受到世界各国普遍关注的时代，我们有理由相信热泵技 术的应用范围将会得到更大的扩展。鉴于传统的空气源热泵在低温环境下制热性能和运 行可靠性差的问题，因此国际上将低温空气源热泵技术列入2 1 世纪很有发展前途的5 0 项技术之一【l 】。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 本课题取自大连三洋压缩机有限公司开拓超低温热泵空调市场而设立的研究项目。 低环境温度空气源热泵技术的核心就是使机组能够在压力比变化范围比较大的工况下 运行。当然，如果只是为了解决空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可靠性差的问 题，可以采用高压比的压缩机或者双级压缩系统，然而系统在较高的环境温度下制热运 行时的系统能效以及制冷运行时的系统能效将大为降低，由于环境温度特别低的情况持 续时间一般较短，因而系统的整体经济性变得非常差。中间补气涡旋压缩机产品兼顾了 机组在正常的制冷制热以及低温制热工况下运行时的经济性和可靠性，即机组既能保 证在室外环境温度相对较高工况下的性能系数，同时当室外环境温度较低时仍然能长 期、安全可靠运行。本课题的研究目的是利用理论研究与试验验证相结合的方法，对具 有补气功能的涡旋压缩机的性能进行详细的研究，为中间补气涡旋压缩机产品的市场化 推广提供设计依据。 一3 一 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 国内外研究现状与文献综述 1 1 国内外低温空气源热泵系统型式的发展现状与进展 由于空气源热泵一机两用的特点，环保高效的优势，因而长期以来许多企业、研究 机构都一直在致力于解决空气源热泵的低温工况下的制热问题。 1 1 1 增加冷凝器侧制冷剂流量 ( 1 ) 开利公司研制出两种类型的使用非共沸工质的带精馏塔的空气源热泵1 ，如 图1 1 所示。随着环境温度的变化可以改变参加循环的制冷剂组分，在低温环境温度下 制热运行时可以通过精馏塔除去混合物中大部分低压力组分，把制冷剂改成更具有挥发 性的混合物，室外温度较高时让这部分低压组分的制冷剂参与循环，从而有效地扩大了 系统的工作范围，使机组在各个工况下的经济性均可得到极好兼顾。此系统型式复杂， 采用此技术的障碍是如何根据实际状况确定制冷剂的组成、充灌量，如何解决制冷剂的 泄漏速度差异对系统热力性能的影响。 ( 2 ) 随着变频技术在空调器行业的应用，推出了变频低温空气源热泵，在低温环 境下工作时，通过采用变频技术提高压缩机转速来增加机组的循环工质流量来提高制热 量，此时考虑到涡旋压缩机必然会产生高排气温度，为此系统采取了在低温工况下投用 喷液旁路循环的保护措施，在涡旋压缩机的压缩腔中直接喷入从冷凝器来的液体制冷 剂。但该方案只是解决了空气源热泵在低温工况下的运行可靠性问题，而不能保证低温 工况下的经济性，总体上讲此时系统的c o p 下降幅度是非常大的，随着转速的增加还会 相应带来噪声的增加、对压缩机制造工艺要求的提高，此外系统高频运行时的回油问题、 电磁兼容问题以及昂贵的变频器价格都是这一方案大规模推广的一个障碍删。 图1 1 a 变量热泵制冷剂的蒸发分离 f i g 1 1 ae v a p o r a t i n gs e p a r a t i o no f r e f r i g e r a n ti nv a r i a b l eh e a tp u m p 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图1 1 b 可变制冷剂、级内压缩热泵 f i g 1 1 bc o m p r e s s i n gh e a tp u m pw i t hr e f r i g e r a n tv a r y i n g 1 1 2 提高蒸发器侧温度 为了能够合理解决低温环境条件下a s h p 系统的稳定运行及有效制热量不足的问题， 文献 1 经过反复论证和试验，对单级压缩热泵系统的热力学循环进行了改进，提出并 采用了一种新的a s h p 流程。 图1 2 新型a s h p 系统流程 f i g 1 2t h ef l o wc h a r t o f t h en e wa s h p 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 图1 2 是这种改进的a s h p 系统示意图。该系统包括：一个压缩机，一个室内换热 器，一个室外换热器，一个四通阀，两个膨胀阀和一个气液分离器。该系统通过一个位 于压缩机排气管路上的分流阀，将上述部件连成一个主循环回路和一个分流循环回路， 两个循环分别采用不同的膨胀阀。两个循环回路中的制冷剂，交汇于位于压缩机吸气管 路上的气液分离器。当环境温度较低时，分流循环回路中的制冷剂能够调节压缩机吸入 的制冷剂的状态，使得压缩机能够吸入密度较大的气态制冷剂。 1 1 3 辅助加热增加制热量 日本k a t s u j iy a m a g a m i 在1 9 9 9 年提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的热泵空调 器来解决低温工况下制热性能差的问题，如图1 3 所示n 0 1 。在这个系统中燃气、燃油加 热的工作方式主要有两种：在供暖时停止热泵系统运行，仅启动送风系统，依靠燃料在 空调器中的燃烧器中燃烧，加热流过的空气，从而送出暖风；在供暖时热泵系统仍然运 行，室外机组内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将吸收到的热量以及压缩 机所做的功一并带到室内。这一系统型式较为复杂，燃油系统需要配备储油罐等辅助设 施，因此基于安全性的考虑，同时系统冬季运行燃烧器投运时，系统获取的是有代价的 热源，且也不是百分之百的能够得到利用，其应用前景并不令人看好。 室 内 舰 爻 换 嚣 空 外 臻 义 臻 罐 图1 3 燃油燃气辅助加热热泵空调 f i g 1 3h e a tp u m pf o ra i rc o n d i t i o n i n gw i t hk e r o s e n e f i r e db u r n e r 哈尔滨建筑科技大学马最良教授提出采用空气源热泵与水一水热泵或水一空气热 泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化问题n 。在 冬季，用放置在室外的空气源热泵冷热水机组制备1 0 , - 一2 0 c 的温水，通过水环路送至 室内的水一空气热泵或水一水热泵系统从水中提取热量，以求达到供暖目的。整个系统 大连理工大学专业学位硕士学位论文 通过水回路将空气源热泵和水源热泵组成耦合的双级热泵供暖系统。采用这种系统结构 的主要问题在于极大的增加了系统的投资，同时，低温工况到正常工况之间的连续转化 问题是它依然面对的难题。 1 1 4 采用双级或多级复叠式压缩降低单级压缩比 采用双级压缩可以减小单级压缩机的压比，不同的单级压缩采用不同的工质来满足 整体压比较高的系统。 图l 。4 是为了实现能在我国北方冬季寒冷天气条件下供热的双级压缩空气源热泵系 统图。该系统图由高温环路( 带h 字母) 和低温环路( 带l 字母) 组成，根据室外环境变化 选择相应的供热循环系统来满足室外供暖需求n 纠朝。 lz 图卜4 双级压缩空气源热泵系统 f i g 1 - 4t h et w o - s t a g ec o m p r e s s i o na i r - s o u r c eh e a tp u m ps y s t e m 1 1 5 降低压缩机排气温度 针对空气源热泵在寒冷地区运行，由于蒸发温度、蒸发压力的下降，压缩比增大， 系统压缩过程严重偏离正常压缩过程，导致机组排气温度急剧上升的问题，有人提出了 涡旋压缩机的喷液冷却系统n 刀，其流程图如图1 5 所示。 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 图1 5 涡旋压缩机喷液冷却系统流程 f i g 1 5t h es c r o l lc o m p o s e rw i t hl i q u i dr e f r i g e r a n ti n j e c t i o n 1 1 6 采用中间补气热泵系统 为解决低温制冷时机组的性能与投资关系问题，在8 0 年代中期有学者提出了带经 济器的中间补气热泵系统，并在螺杆机组中得到成功应用n 眈2 i 。研究指出这种系统在低 温工况下的节能效果显著，在一3 0 的工况下，该系统完全可以取代双级压缩系统。但 是由于螺杆机组容量一般较大，同时这种系统相对于二级压缩系统的优点随着蒸发温度 的上升将逐渐趋于下降，因而这种中级补气热泵系统的研究长期以来一直局限于低温制 热的情况，其制冷工况的可行性一直未能得到足够的关注。 2 0 0 0 年北京工业大学马国远教授提出利用带辅助进气口的涡旋压缩机实现带经济 器的中间补气空气源热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能( 如图1 6 所 示) ，并研制出原型机，通过全面的实验研究发现：原型机能够在- 1 5 的低温环境中 稳定可靠运行，具有足够的制热量，能够满足低温环境的采暖要求口蚴1 。 5 l o gp ( a j 流程囝m lf 蜃环囝 h 图1 6 准二级涡旋压缩机热泵系统示意图 f i g 。1 6t h ef l o wc h a r to fq u a s it w o - s t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m ps y s t e mw i t hs c r o l lc o m p r e s s o r 一8 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 低温空气源热泵机组的原理如上图所示，这种热泵系统与常规空气热源热泵循环的 区别就在于增加了补气辅助循环。在冬季制热工况下高压过热制冷剂蒸汽( 状态4 ) 从 涡旋压缩机排出后进入冷凝器，把热量传递给室内空气( 产生制热效果) 后，制冷剂降 温变为饱和或过冷的制冷剂液体( 状态5 ) 。接着，高压过冷制冷剂液体分为两路：一 路是补气循环，制冷剂经膨胀阀1 节流降压，部分气化( 状态8 ) ，同时温度也随之降 低，压力变为中间压力p i n 。而后进入经济器，与另一路的高温制冷剂进行热量交换，使 其过冷( 状态6 ) 。而补气回路制冷剂气化后( 状态9 ) 通过压缩机蒸汽喷射口喷入压 缩腔。另一路是普通循环，制冷剂在经济器过冷后( 状态6 ) 经膨胀阀2 节流降压( 状 态7 ) ，后进入蒸发器( 状态1 ) ，在其中低压沸腾，最后通过压缩机吸气口进入吸气 腔。从压缩机吸气口吸入的制冷剂蒸汽被压缩到2 状态，此时压缩腔与蒸汽喷射口相通， 此后边补气混合边压缩，直到补气压力低于压缩腔压力或蒸汽喷射口与压缩腔脱离( 状 态3 ) ，补气过程结束，而后继续压缩到冷凝压力( 状态4 ) ，通过压缩机排气口排出， 继续下一个热泵循环。如果没有补气回路，制冷剂蒸汽从压缩机吸气口吸入后将被直接 压缩到冷凝压力( 状态4 ) 。 这种系统较普通热泵系统的主要受益体现在：气态制冷剂的喷射可以降低排气比焓 ( h 4 一h 4 ) ，从而可以降低涡旋压缩机的排气温度( t 4 一t 4 ) ，同时把单级压缩变为准 二级压缩，这样可避免机组应用于低温工况下由于压缩比增大而使系统不能正常工作的 问题；而且，制冷剂的喷射可增加涡旋压缩机的排气量，从而提高热泵系统总的制热量； 同时，补气循环的高压液体在经济器内蒸发( 8 9 ) ，使得主路的高压液体得到进一步过 冷( 5 6 ) ，从而单位制冷量增加，且流经蒸发器的制冷剂质量不变，所以该系统应用于 夏季制冷时，总制冷量将增加；当然，由于制冷剂的喷射，涡旋压缩机补气后的制冷剂 量增大，这使压缩机总的功耗有所增加，不过增长率要小于制热量和制冷量的增加，故 系统制热和制冷性能系数将增加。因此，补气回路的制冷剂喷射除了可提高涡旋热泵系 统的变工况低温制热性能外，对于变工况高温制冷同样适用。 1 1 7 总结 对于空气源热泵而言，衡量改进方案优劣的一个很重要的标准就是：系统是否简单 可靠、易于实施。系统能否兼顾正常工作情况以及极端工作情况下的系统性能。从这个 角度出发，中间补气涡旋压缩机应用于低温热泵系统应该是一个最为经济合理的方案。 但是在这一技术具体工程实施时，还有一系列问题需要解决：如何确定在不同的外界工 况条件下最优的涡旋压缩机辅助进气口位置，中间补气涡旋压缩机如何根据实际情况确 定合理的运行模式等等。本文将就这些问题进行较为详细的理论研究、试验验证，以解 决这些问题。 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 1 2 中间补气热泵系统的研究现状综述 中间补气压缩制冷系统是受二级压缩、一级节流经济器或者二级节流经济器制冷循 环可以提高制冷系统制冷效率的启发，并随着螺杆压缩机的出现在冷冻工程中得到实际 应用n 8 。矧。对于中间补气循环的理论研究，重点首先应该集中于压缩机补气一压缩热力 过程的研究。对于不含中间补气的压缩机而言，压缩过程可以简单概括为一个多变压缩 过程。但是当压缩机增设补气口后，增加了一个补气一压缩的过程，使其压缩过程变得 比较复杂。 1 2 1 国内研究现状 文献 1 9 将理想气体状态方程以及等熵压缩过程方程引入到中间补气过程的能量 平衡方程，但是该文没有考虑补气过程压缩机工作腔容积变化的问题，而是简单的用一 个等容混合一绝热增压过程来分析这一实际容积变化较大，补气过程持续时间较长的补 气混合过程，此外，该文推导出的补气量的计算公式也存在一定的问题，将补气量简单 的正比于回路的压力与开始混合式工作腔中的压力。 在文献口5 瑚1 比较详细地考虑了补气过程的容积变化较大的特点以及压缩机泄漏、喷 油以及油的导热等影响因素对系统制冷性能的影响，分析了不同制冷工质、压缩机转速、 补气孔口大小等因素对系统制冷量和制冷系数等的影响，得到了中间补气制冷系统的性 能变化以及中间补气制冷系统设计时应该注意的事项。但该研究的主要不足之处是：文 章的分析只集中于系统的制冷性能，而对于中间补气热泵系统的制热性能如何变化没有 涉及。 文献 2 3 - 2 5 把压缩机补气经济器系统应用在涡旋压缩机上，并成功研制出原型机。 通过试验发现原型机可以在一1 5 的低温环境中稳定、可靠地运行，具有足够的制热量， 能够满足低温环境的采暖需求。并得出中间压力7 8 b a r 是比较适宜的中间补气压力。 文献 2 9 - 3 1 对中间补气经济器系统进行了进一步的理论分析和试验研究。提出涡 旋压缩机辅助回路最优的补气的位置位于第二工作腔的起始段，压缩机辅助进气口大小 对于系统的热力性能影响较小，辅助回路流量调节元件的类型对准二级压缩热泵系统的 热力性能影响较大；取消压缩机内部的止回装置，简化了压缩机改进的工作量。 文献 3 2 - 3 3 提出了结构流程更为简单的闪发器前节流系统，并与闪发器后节流系 统和常规经济器系统进行比较，得出：闪发器前节流系统的性能均高于其他两种系统； 通过试验得出闪发器系统的最佳补气压力为9 5 l o b a r ；并提出闪发器系统与普通单 级压缩系统的最佳切换区域为一1 0 一5 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 2 国外研究现状 在文献 3 4 中首次提出螺杆压缩机准二级压缩循环这一概念。作者分析了循环的特 点，得出了经济器、中间补气过程的能量平衡方程，并把压缩机补气过程假定为一个简 单的“先等容混合，后绝热压缩 的过程，由此得到了反映该循环主要特征的一些数学 模型。 文献 3 5 从实验和理论方面研究了液体制冷剂喷射对涡旋压缩机的基本和实际的 影响。在理论分析过程中，在考虑汽缸到吸气口的传热情况下，分析气液混合物的压缩 模型，混合物由压缩和喷射制冷剂组成。为了研究液体制冷剂对压缩机性能的基本影响， 在保持油温稳定的条件下进行实验，并把结果与理论相比较。实验结果表明：喷射增加 了压缩能力，减小了压缩机的频率，而这取决于喷射制冷剂的传热效果。另外，还研究 了在不控制油温的实际运行情况下，液体制冷剂喷射涡旋压缩机的性能。在这种情况下， 由于喷射液降低了润滑油和汽缸的温度，压缩机性能较控制油温时要高。 文献 3 6 中定量分析了在应用于空调及制冷场合时，在涡旋压缩机中应用蒸气喷射 技术带来的潜在优势。蒸气喷射将压缩过程划分为两个阶段，减小压缩机功耗和降低蒸 发器吸气流量，从而提高其容量。另外比较了两套均采用涡旋压缩机并且同为三冷吨容 量的系统( 一套使用蒸气喷射技术而另一套则不使用) 。建立了一个多级压缩机模型， 考虑了过压缩和欠压缩并根据一个单级系统得到了验证。详细的数学模拟模型预测表 明，对于空调系统来说c o p 将提高约6 8 ，而压缩机排量将降低1 6 。 文献 3 7 对带经济器的补气双杠变频旋转式压缩热泵系统进行了试验研究，比较了 在不同的室外温度和压缩机频率下，带补气的系统与不带补气的系统的制热性能，试验 结果表明，在室外温度为一1 5 的工况下，随着压缩机频率的不同，带补气的系统比不 带补气的系统的制热量和c o p 都分别增长了2 卜2 4 和4 卜8 4 。总的质量流量要比 不带补气的系统增加了3 l 一3 8 。在试验中，随着室外温度的变化，补气系统的c o p 和 制热量比不补气的系统分别提高了p - 8 和8 3 0 。在室外温度较低，压缩机频率较高 的情况下，补气系统的效率更明显。补气系统的平均制热量要比不补气系统的增长了l l 一2 3 ，在相同热量下的c o p 也增长了2 8 3 5 。 要想准确揭示中间补气涡旋压缩机工作过程的实质，必须仔细了解适用于准二级压 缩循环的中间补气涡旋压缩机的内部压缩过程，从压缩机的工作机理出发建立相应的模 型，分析各种元素对中间补气涡旋压缩机的影响。对于中间补气涡旋压缩机，由于“补 气一压缩”过程是一个十分复杂的过程，不能简单地简化为稳定流动的绝热压缩过程， 并且补气压力的大小、补气口的位置等因素对系统的性能有着很大的影响。综合分析以 中间补气涡旋压缩机设计及试验研究 上，通过对对中间补气压缩机的工作过程的理论研究可以发现存在许多问题和不足，因 此建立合理的中间补气涡旋压缩机的实验方案是一项具有实际意义的工作。 1 3 本文的研究思路与主要工作 由于目前对于中间补气涡旋压缩机的性能研究不够深入，对一些关键问题，如补气 口的位置对涡旋压缩机性能的影响还不是很清楚。因此，本文对以中间补气涡旋压缩机 为研究对象，进行中间补气涡旋压缩机的辅助喷射口设计和压缩机实验方案设计，研究 改进中间补气涡旋压缩机制热性能的方法，从而促进该项技术能够规模应用。本课题的 研究思路主要如下： 1 )从中间补气的工作机理出发，考虑到压缩机补气过程时间较短、容 积变化较大的特点，此外，再考虑到补气压力差等因素，研究包含影响压 缩机性能的主要因素； 2 )在理论研究的基础上，对中间补气口尺寸及位置进行设计计算，得 出最佳的补气口位置及开口尺寸，为产品化的进程奠定基础； 3 )在理论研究的基础上，设计出中间补气涡旋压缩机的实验方案，对 原型机进行一系列的性能测试，通过对实验结果的分析，验证理论研究的 结果和修正理论研究的方法，揭示中间补气涡旋压缩机的内在规律。 本课题的研究成果