基于制冷剂泄出的涡旋压缩机容量调节技术

王宝龙 韩林俊 石文星 李先庭

(清华大学建筑学院 北京 100084)

近年来，涡旋压缩机以其效率高、噪音低、可靠性高等突出优点[1]在制冷空调领域，尤其是小型系统中得到了广泛的应用。然而，与其他具有固定容积比的压缩机一样，涡旋压缩机的容积比也是一固定参数，所以，在偏离设计工况时，涡旋压缩机会出现过压缩或欠压缩现象[2]，导致压缩机效率下降。而实际的制冷空调系统大部分时间内都运行于非设计工况，从而造成了涡旋压缩机的全年运行效率并不如预期的高。同时，对于一般的制冷(热泵)系统，在非额定工况下，其系统容量也往往与需求值不相匹配，以热泵采暖为例，在室外温度较低时，热泵运行于大压比工况，此时热泵的制热量将出现衰减，而此时房间供热需求往往较大；相反的，室外温度较高时，热泵运行于小压比工况，制热量则会增大，而此时房间供热需求却较小。以上这两个问题在很大程度上影响了涡旋压缩机的实际性能，制约了其进一步发展。

已有研究提出的制冷剂喷射技术较好地解决了涡旋压缩机在大压比工况下容积比效率下降和系统容量不足的问题[3]，为解决小压比工况下涡旋压缩机效率降低和系统容量过大的问题，提出了一种基于制冷剂泄出的涡旋压缩机调节技术，并采用模拟和实验的手段研究了该技术在小压比工况下的调节性能，以期初步验证该技术在工程实际应用中可行性。

1 制冷剂泄出技术

涡旋压缩机制冷剂泄出技术，是指在涡旋压缩机压缩中段的适当位置与制冷系统低压侧之间设置可控的旁通通道。当压缩机需要减容时，打开该旁通道，压缩腔中的部分制冷剂将在压差作用下返回低压侧，而不再被涡旋盘压缩。制冷剂泄出技术不但能够降低压缩机的排量，减小系统的制冷/制热量，还能够减小涡旋压缩机的有效压缩圈数，降低压比和过压缩损失。同时，也可防止压缩机的过电流，能够很好地解决涡旋压缩机制冷系统向小容量和低压比工况的调节问题。需要说明的是，由于该技术中的制冷剂泄出是在制冷剂被压缩之前，所以泄出的制冷剂并不耗费压缩功，这是该泄出技术与普通热气旁通技术的显著不同。

图1 带制冷剂泄出功能的涡旋压缩机制冷系统Fig.1 Refrigeration system of scroll compressor with refrigerant release

图1所示为一种具有制冷剂泄出功能的涡旋压缩机制冷系统示意图。系统包含制冷剂主回路和制冷剂泄出回路。主制冷剂回路由带制冷剂泄出孔的涡旋压缩机、冷凝器、系统膨胀装置和蒸发器依次相连而成。制冷剂泄出回路主要包含单向阀和调节阀，一端设置于压缩机泄出孔，另一端设置于压缩机入口管路上。这一泄出系统的主要优点是由于压缩机入口的压力较低，泄出压差较大，所以制冷剂的泄出流量较大，相应的容量调节范围较宽，但这种制冷剂泄出方式可能导致压缩机吸气温度和排气温度的升高。另外，也可以将泄出管路连接到蒸发器的入口管路上，由于蒸发器入口压力高于压缩机入口，泄出压差相对较小，所以泄出制冷剂流量较小，调节范围相对较窄。当蒸发器及吸气管路压降过大时，可能导致在泄出过程中，压缩腔的压力始终低于蒸发器入口的压力，使得泄出功能不能实现。但向蒸发器入口泄出可有效改善蒸发器的换热性能[4]和带油能力，同时，还能够保证压缩机吸气的过热度，提高系统的控制性能。

2 制冷剂泄出调节技术的模拟分析

为深入研究涡旋压缩机制冷剂泄出技术的调节特性和效果，先对其进行模拟研究。研究所用的模型是在文献[3]所建立的涡旋压缩机制冷剂喷射系统模型的基础上改进而成。模拟针对向压缩机入口泄出的涡旋压缩机制冷剂泄出系统展开。该制冷系统采用的涡旋压缩机和换热器参数如表1、表2所示。

表1 压缩机参数Tab.1 Parameters of compressor

表2 换热器参数Tab.2 Parameters of heat exchangers

图2 理论泄出压缩过程Fig.2 Theoretical p-V diagram for the compression process of the scroll compressor with refrigerant release

图2为具有制冷剂泄出功能的涡旋压缩机压缩过程的理论p-V图。由图可知，当制冷系统的冷凝压力低于涡旋压缩机的排气压力时，压缩机如果不执行泄出功能，高压制冷剂气体将在排气口被绝热节流，造成过压缩损失。而一旦压缩机执行泄出功能，在原有压缩腔封闭后的初始压缩阶段，压缩腔通过泄出管道与制冷系统低压侧保持连通，直至压缩腔逐渐内移至不再与泄出口连通。在此过程中，压缩腔内始终保持较低的压力(理想状态下与泄出管道和系统连接处的压力相等)，直至泄出结束时，压缩机才开始真正有效的压缩。所以涡旋压缩机的有效压缩圈数减少，排气压力降低，过压缩损失降低或消除。同时，由于压缩过程中压缩腔容积逐渐减小，而采用制冷剂泄出时，涡旋压缩机的有效吸气容积为泄出结束时的压缩腔容积，因此，压缩机排量减小，系统制冷剂流量降低。

图3 模拟泄出压缩过程(相同蒸发器、冷凝器进口水温)Fig.3 Simulated p-V diagram for the compression process with and without release (the inlet temperatures of glycol of condenser and evaporator keep constant)

图3为相同蒸发器、冷凝器入口水温工况下制冷剂泄出对涡旋压缩机压缩过程影响的模拟结果。可以看出：制冷剂泄出确实延迟了涡旋压缩机的开始压缩时间，降低了压缩机的内压比，减小了过压缩损失，由此提高了压缩机的绝热压缩效率。此外，可以看到由于系统制冷剂循环量的降低导致蒸发温度有所上升，冷凝温度有所下降，可以预见系统的EER或COP必然得以提高。

图4所示为冷凝温度保持40℃、蒸发温度在0℃～20℃变化时，制冷剂泄出对涡旋压缩机及其所属制冷/热泵系统性能影响的模拟结果。为便于对比，这些参数均以相对值的形式表示，对比参数为冷凝温度40℃，蒸发温度5℃，无泄出工况的系统性能。

图4 制冷剂泄出对涡旋压缩机制冷系统性能的影响Fig.4 Effects of refrigerant release on the performance of refrigeration system with scroll compressor (numerical)

由图可知，压缩机吸气口的制冷剂泄出能够大幅度减小压缩机功耗，且随着蒸发温度的提升，功率逐渐减小，在20℃的蒸发温度下，功率值降至无泄出状态的一半。在等熵压缩效率上，无泄出状态下，随着蒸发温度的提升，等熵效率逐渐下降，而制冷剂泄出能够有效地提升该效率，在20℃的蒸发温度下，提升额达40%。

在系统性能上，制冷剂泄出能够有效地减小系统制冷剂的循环量和制冷/制热量。在这里设计的参数下，随蒸发温度的不同，带泄出功能机组的制冷/热量最低可达无泄出功能机组的55%～59%，意味着在恰当的控制制冷剂泄出管路阻力的情况下，系统的容量可在50%～100%之间进行连续调节。

在系统能效比上，小压比工况下(譬如：蒸发温度大于8℃)，制冷剂泄出能有效提高系统能效水平，最高提高幅度可达20%左右；而在系统压比较高时(蒸发温度小于8℃)，制冷剂泄出并未提高系统的能效水平，反而有所下降。这与上文所述的压缩机效率变化规律吻合：由于系统的蒸发、冷凝温度一定，所以系统能效比只与压缩机效率相关；在小压比工况下，制冷剂泄出能够提高压缩机效率，因此能提升系统能效比；而大压比工况下，制冷剂泄出并不能提升压缩机效率，反而会使其降低，故此时，系统能效比也有所下降。

由以上的模拟结果分析可见，制冷剂泄出能较大幅度地向下调节涡旋压缩机制冷系统的容量，同时，还能够有效提高涡旋压缩机在小系统压比工况下的运行效率，由此提高了小压比工况的系统能效水平。

3 制冷剂泄出调节技术的实验研究

为验证制冷剂泄出技术的实际效果和模拟结果的正确性，对制冷剂泄出技术进行了实验研究。测试实验台采用的涡旋压缩机和换热器参数如表1所示。测试工况为固定冷凝温度40℃，蒸发温度分别为1.7℃、6.1℃、11℃，其中每种工况均测试无泄出和带泄出两种状态下的各项参数，包括系统制热/冷量、压缩功耗、主回路制冷剂流量，制冷剂流量和压缩机功率值分别由流量计和变频器直接测量，系统制热/冷量由水侧的得/失热量间接测量。为便于对比，如模拟结果一样，实验测试结果也以相对形式给出，对比参数为蒸发温度6.1℃的对应参数。

图5为不同工况下，制冷剂泄出对涡旋压缩机制冷系统性能影响的实验结果。由图可知，制冷剂泄出大幅度地降低了系统制冷剂流量和制热/冷量，实验工况中最大降幅达32%，同时提升了系统的能效比，最大升幅达45%，压缩机功率也大幅度降低，并且由系统能效比的提升量可知，压缩机效率也势必得到了大幅度的提升。

制冷剂泄出对系统容量卸载量的实验值比模拟值小，主要原因在于，实验中泄出通道的实际阻力大于模拟中的值，造成制冷剂的泄出量没有模拟值大，从而导致了卸载量的降低。由此可见，进一步降低泄出通道的阻力将是提升制冷剂泄出技术实际性能的关键。此外，可考虑通过加设动力部件的方法提高制冷剂泄出量，增大系统制冷/热量的卸载量，例如文献[5]提出的利用喷射器强化制冷剂泄出功能的方案。

至此，实验结果验证了制冷剂泄出能较大幅度地向下调节涡旋压缩机制冷系统的容量，同时，还能够有效提高涡旋压缩机在小系统压比工况下的运行效率，提升系统在小压比工况下的能效水平。

图5 制冷剂泄出对涡旋压缩机制冷系统性能影响的实验结果Fig.5 Effects of refrigerant release on the performance of refrigeration system with scroll compressor (experimental)

4 结论

基于前期研究提出了一种新型的制冷系统容量调节技术——涡旋压缩机制冷剂泄出技术，并对其进行了模拟和实验研究。模拟和实验结果均表明：1)制冷泄出技术能有效降低涡旋压缩机在过压缩工况下的内压缩损失，提高压缩机的运行效率；2)制冷剂泄出能较大幅度地向下调节涡旋压缩机制冷系统的容量，同时，还能够有效地提升系统在小压比工况下的能效水平。

[1]彦启森, 石文星, 田长青. 空气调节用制冷技术[M]. 北京: 建筑工业出版社, 2004, 65.

[2]李连生. 涡旋压缩机[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998,148.

[3]王宝龙. 制冷剂喷射涡旋压缩机及其应用研究[D]. 北京: 清华大学建筑技术科学系, 2006.

[4]Man-o T, Tanino M, Okazaki T, et al. Beijing: The Enhanced Heat Transfer in the Plate-Type Evaporator by Using an Ejector for Recirculation[C]// International Congress of Refrigeration 2007, Beijing, ICR07-B2-931.

[5]王宝龙, 石文星, 李先庭, 等. 主回路上设有喷射器的容量可调涡旋压缩机制冷系统:中国, 200710178486.8[P].2008-04-30.