吸气喷液对涡旋压缩机及系统性能的影响

殷翔　孙帅辉　曹锋　束鹏程（西安交通大学能源与动力工程学院　710049　西安）

吸气喷液对涡旋压缩机及系统性能的影响

殷翔孙帅辉曹锋束鹏程
（西安交通大学能源与动力工程学院710049西安）

为了研究吸气喷液冷却对涡旋压缩机及制冷系统性能的影响，本文搭建了吸气喷液回路实验台，并建立了含有泄漏和换热损失的数学模型。研究了不同喷液流量和不同压比下，压缩机排气温度和系统制冷量以及COP的变化情况。数值计算结果和实验结果吻合程度较高，在低喷液量下，误差在2.5％左右；在高喷液量下，误差在10％左右。结果显示：排气温度随喷液量增大而降低，COP随喷液量有微小提升后降低。喷液量较小时，可使排气温度降低14℃，而系统COP微小提升0.6％；喷液使得排气温度降低42℃时，可保证系统COP降低小于5％；高压比下，吸气喷液系统COP存在最佳值，且压比越高COP降低幅度越小，吸气喷液可以有效的用于降低压缩机排气温度。

涡旋压缩机；吸气喷液；排气温度；COP

涡旋压缩机因其自身高性能、小体积、高可靠性和稳定性的特点广泛应用于制冷行业，涡旋压缩机的换热研究和性能研究一直是制冷系统中研究的重点之一。在高压比和高吸气温度下，涡旋压缩的排气温度将会很高，导致压缩机不能正常工作，而在其他性能要求不是很高的情况下，若采用外冷、经济器等方法将增加系统复杂性，提高设备成本，吸气喷液在这种条件下将是一个很好的选择。

吸气喷液冷却是通过降低吸气温度达到降低排气温度的目的。吸气温度的降低，吸气过热的消除，使得压缩机容积效率提高。国内外众多学者对吸气冷却方式做了相关研究。Jacobs J J［1］最早采用R22热管方式研究活塞压缩机吸气冷却，得出吸气温度每降低5.55％，系统COP提高1.9％的结论。Afjei T等［2］通过在吸气管喷入制冷剂液体降低涡旋压缩机的排气温度，提高压缩机应用范围。研究表明，吸气干度的降低导致压缩机容积效率和压缩效率降低，但能量效率得到提升。Ooi K T等［3］采用数值方法研究高压腔吸气管换热，指出高压侧对流换热系数较小，热阻较大。材料对换热的影响很小。在理论模型方面，Dutta A K等［4］提出了关于气液混合的三种模型：液滴模型、均相模型和液击模型，结果表明，吸气过程中喷入液滴的过程，采用液滴模型和均相模型计算结果与实验结果吻合较好，而液体含量较大时，液击模型更准确。Winandy E L等［5］则通过实验研究了喷气和喷液对压缩机性能的影响，结果表明随着喷气比率的提高，压缩机的制冷量和功都相应增大，而系统COP变化不大；喷液可有效降低压缩机排气温度，喷液比率每上升1％，排气温度降低1.2℃。Park Y C等［6］和Cho H等［7］研究了变转速时，喷液对系统性能的影响，结果指出在高转速时，喷液可以提高系统的性能并降低排气温度，而在低转速下由于泄漏等原因导致系统性能降低。Wang B L等［8-10］理论和实验研究了喷气和喷液机理及对系统性能的影响，指出喷液过程不是一个瞬时过程，而是一个绝热节流及等压混合的过程，带有喷射技术的压缩机达到最大效率时，内压比小于外压比。张华俊等［11］理论分析了不同制冷剂的吸气喷液循环，结果指出吸气喷液可有效降低压缩机的排气温度，不同制冷剂COP的变化趋势有所差异，当制冷剂为R22或R717时，COP存在最佳点。费继友等［12］在空气源热泵机组上研究吸气喷液的影响，实验结果显示，当环境温度低于20℃，排气温度降低超过10℃，同时制热量下降5％，COP下降小于7％。Cao Feng等［13］采用理论结合实验的方法研究吸气喷液对热泵性能的影响，推导了吸气喷液下排气温度、制热量和能效比的公式并得到实验验证，指出蒸发温度在-15～20℃之间，吸气喷液可以在保证性能的前提下有效降低排气温度。王枫等［14］研究了喷液对半封闭式压缩机性能的影响，指出喷液率的变化与制冷量及温度的变化不是简单的线性比例关系，喷液毛细管的合理选择，可以优化喷液量，在确保性能的前提下降低排气温度。但是其主要采用实验手段，缺乏一定的理论支持，且其他工况的应用推广性较弱。赵远扬等［15］研究了喷水对涡旋空气压缩机工作特性的影响，指出在压比为2.0时，能使排气温度降低40 K。空压机水冷只涉及传热而不涉及传质，对系统影响也较为单一。而在制冷系统中，单从降低排气温度评判方法的可行性远远不够，实际应用中系统COP、制冷量等性能的影响还有待进一步考究。吸气喷液技术在理论计算方面，多忽略了泄漏和吸气过热的影响，一定程度的偏离了实际过程。鉴于此，吸气喷液冷却具有一定研究价值。

本文搭建了涡旋压缩机的吸气喷液系统实验台和数学模型，在变压比和变喷液量的条件下研究各项参数的性能；同时考虑泄漏的影响，数值计算和实验研究了吸气喷液的各项性能参数，验证了吸气喷液模型。分析了喷液量在各个压比下对压缩机性能的影响，为吸气喷液冷却的优化和应用提供一定的参考意义。

1　实验装置

图1所示为吸气喷液回路实验台，喷液支路从过冷器后节流阀前引出，工质依次经过视液镜、涡轮流量计、节流阀后成为两相流体，流进吸气管进入压缩机吸气腔。喷液处安装有温度和压力传感器，获得喷液焓值。

喷液支路设有微量调节阀和微小流量计，型号分别为US-126P和LGWY-2，实验设计最小喷液量为0.015 m3/h，且管径较小约2 mm，以保证喷液在湍流区。由于流量计的通径较小，高的压降致使流量计很容易被杂质卡死，故而需从过滤器后引液，喷液支路的视液镜用以观测喷液是否为纯液。

图1　吸气喷液冷却实验台Fig.1 The experiment of the cooling under suction injection

吸气喷液冷却主要用于高压比和高吸气温度下压缩机排气温度过高的问题。本文实验工况环境温度控制在35℃，蒸发压力在481～625 kPa之间，对应的蒸发温度为-1～7.2℃。

2　数学模型

2.1控制方程

喷液条件下，压缩机吸气腔内大多情况下为气液两相的相变过程，涉及传质计算。考虑计算可实现性，本文作以下简化假设：1）忽略油的影响；2）控制体内的气体假设为均态，泄漏和换热都是瞬时均匀的；3）两相流体认为液滴被气相包围，即控制容积壁面只与气相换热，液相通过与气相的换热而蒸发；也即忽略液相与壁面之间的传热过程；4）忽略动能势能的影响。

涡旋压缩机在一个旋转周期内，诸多参数（如泄漏线长度）是随转角变化着的，以转角作为自变量可方便研究，此时，开口系的能量和质量守恒方程为：

式中：u为工质的内能，J；θ为压缩机转角，rad；m为质量，kg；为控制容积单位时间内与外界交换的热量，J；ω为角速度，rad/s；为进入控制容积的质量流量，kg/s；为流出控制容积的质量流量，kg/s。p为压力，Pa；V为压缩腔体积，m3。工质各个状态参数之间的关系通过调用NIST获得。

2.2泄漏模型

泄漏损失是不可逆损失，产生的热量耗散等对压缩机的各项性能都有一定影响。不考虑泄漏的等熵模型和考虑泄漏的实际模型，计算结果和各项参数变化关系都将产生较大区别。考虑泄漏可使得计算模型的结果更贴近实际过程。因此建立与选择泄漏模型至关重要，其中，处理好泄漏过程是模型建立的关键之一。

控制体积内的泄漏情况与流体状态及相邻工作腔的状态有关，工作流体有两相和单相，故而泄漏大致分单相与单相的泄漏、单相漏入两相、两相漏入单相和两相之间的泄漏。压缩过程是一个增压增温的过程，工质焓值不断升高，因而两相漏入单相是不存在的。对于单相漏入单相和单相漏入两相的情况，本文按可压缩流体喷管模型计算泄漏流量，不予详细描述。

而两相流体之间的泄漏采用文献［16］给出的拟合关系式：

式中：Cd为流量系数；k为平均绝热系数；p为压力，Pa；v为比容，m3/kg；g为重力常数；x为上下游流体平均干度；下标up表示上游；下标do表示下游。

涡旋压缩机的泄漏主要有内泄漏和外泄漏，内泄漏是工作腔之间的泄漏，外泄漏则是压缩机与外界之间的泄漏。在考虑泄漏的计算中，所需求得参数为泄漏线长度，泄漏分切向泄漏和径向泄漏，切向泄漏线长度即为涡圈的高度，而径向泄漏线长度相对比较复杂，径向泄漏有3种形式：1）相邻高压腔泄入；2）泄入相邻低压腔；3）与外界的泄漏。每种形式在吸气、压缩、排气每个阶段，泄漏线长度又有所不同。这里给出相邻高压腔泄入的泄漏线长度分析，其他两种形式与之相似。

当θ*≤θ≤θ*+2π时，

控制容积处于排气腔，不存在压力更高的气体，泄漏线长度为0。

式中：L为泄漏线长度，m；rb为基圆半径，m；φ为渐开线展角，rad；φe为压缩终点渐开线展角，rad；θ*为排气转角，rad。

2.3传热模型

传热模型主要考虑工质和控制容积四个壁面之间的换热，具体包括：静盘下壁面、动涡圈壁面和静涡圈壁面。换热模型中，根据已知参数计算换热量，最重要的是换热系数的计算选择。涡旋压缩机内部压缩腔形状不规则，类似月牙，很难测定压缩腔壁面换热系数，目前研究中多采用螺旋管的换热系数近似计算压缩腔换热。文献［17］采用矩形运动机构模拟涡旋压缩机压缩腔容积变化，大量实验数据拟合而成的关系式具有一定的适用性，本文采用此关联式计算制冷剂侧的换热系数：

式中：D为当量直径，m；λ为导热系数，W/（m. K）；Re为雷诺数；Pr为普朗特数；St为斯特劳哈数。

动静涡圈壁面温度采用线性假设，各个壁面换热量之和便是控制容积和外界之间的换热量。

2.4求解方法

假设一个吸气量，为了方便计算，首先在不考虑泄漏和换热下，计算理想模型，获得初值。确定一个转角步长，依次调用制冷剂物性参数、几何模型、泄漏模型、传热模型，从θ=0°时，利用Runge-Kutta进行计算下一个转角控制容积内能，从而获得温度、压力等参数，并与上一转角对比获得误差值，直到满足计算转角条件和计算误差条件。其次，计算压缩机吸气量并与假设吸气量对比，修正假设吸气量直至假设吸气量与实际计算吸气量差值小于0.001。通过获得的吸气流量、喷液流量、温度、压力等参数计算系统制冷量及COP。

3　结果讨论

3.1吸气喷液性能分析

吸气喷液量对涡旋压缩机的性能影响是比较大的，不同喷液量时，吸气状态参数不同，吸气流量也不同。喷液量较大时，吸气温度降低，比体积降低，压缩机的实际吸气流量增大，但是流经蒸发器的工质流量和压缩机功率变化不一定是单调的，所以制冷量和COP的变化情况单凭分析是不能确定的。

本小节分析是在蒸发温度为1℃，压比为4.17工况下进行。系统的制冷量与流经蒸发器的质量流量是密切关联的，图2给出系统各部件质量流量随喷液量的变化关系。可以看出，实验与模拟计算的总质量流量都是随喷液量增加而增加，因为喷液量降低了，吸气温度、吸气密度变大，单位容积的质量增加。喷液量为0.015 m3/h和0.085 m3/h时，相对于不喷液时压缩机吸气量分别增加了8％和33％。在低喷液量下，计算值和实验值差异很小，误差在2.5％左右；喷液量较大时，计算值误差变大，最大误差为10％。因为在低喷液量下，两相模型更接近均相模型，在高喷液量下，模型离均相模型较远，误差较大。

图2　总质量流量和蒸发器质量流量随喷液量变化关系Fig.2 The change of the total mass flux and evaporator mass flux with the injection mass flux increasing

由于总质量流量增加幅度不同，而蒸发器质量流量等于总质量流量与喷液量的差值，所以蒸发器质量流量变化趋势也不是单调的。实验工况下，蒸发器的质量流量（图2）在0～0.025 m3/h这一段喷液量下，变化差异很小，下降幅度约0.2％，喷液量达0.085 m3/h时，降幅较多，约11.6％。蒸发器质量流量的变化即为制冷量的变化，制冷量不存在最佳值，那是因为实际吸气管和压缩机高压壳体焊接在一起，吸气管吸收了管壁的温度，混合流体吸收热量焓值增大，导致吸气流量的增加幅度小于喷液流量的增加幅度，故而蒸发器质量流量有所降低。

吸气喷液冷却的主要目的是降低高吸气温度及高压比工况下的排气温度，图3给出了排气温度与喷液量的变化关系，可以看出，随着喷液量的增加，排气温度大幅度降低，效果是可见的。相比无喷液工况，喷液量为0.015 m3/h时，排气温度降低了14℃；喷液量为0.085 m3/h时，排气温度降低了58℃。计算值和实验值总体变化趋势一致，喷液量较大时，误差较大，主要原因是在大喷液量工况下，喷液后流体含液量较高，在两相区换热计算误差较大，吸气温度计算误差较大，导致排气温度误差较大。输入功率的计算值和实验值都是随喷液量增大缓慢降低的（图3），从无喷液到喷液量为0.015 m3/h和0.085m3/h，功率分别降低了0.8％和2％。即虽然吸气喷液造成压缩机的流量增大，但由于吸气温度的降低，压缩机的功率仍是降低的。计算值和实验值的吻合程度较高，最大误差为2.5％。

图3　排气温度和功率与喷液量的变化关系Fig.3 The change of discharge temperature with the injection mass flux increasing

实验和数值计算的制冷量和COP随喷液量的变化关系对比情况如图4所示。实验工况下，喷液量从0增加到0.015 m3/h时，系统的制冷量有微小降低，而系统的COP有微小升高，升高幅度为0.6％。涡旋压缩机采用高压腔设计，排气先流经电机对电机冷却后流出压缩机，提升了电机效率，使得功率的降低幅度略大于制冷量的降低幅度，COP有微小提升。当喷液量升高到 0.085 m3/h时，系统 COP下降了10.6％。制冷量和COP的计算与实验值的差异与图2蒸发器质量流量的计算值与实验值差异相似，在低喷液量下误差比较小，在高喷液量下误差较大。

纵观系统排气温度、制冷量和排气温度与喷液量的变换关系，当喷液量为0.015 m3/h时，排气温度降低了14℃，COP升高了0.6％，制冷量降低了0.2％；当喷液量为0.25m3/h时，排气温度降低了23℃，COP升高了0.4％，制冷量降低了0.4％；喷液量为0.055 m3/h时，相对不喷液，排气温度降低了42℃，COP降低了4.2％，制冷量降低了5.4％。总的来说，在保证系统COP的前提下（系统 COP降低小于5％），选取喷液量为0.055 m3/h，可使排气温度降低了42℃（约降低了不喷液下排气温度的1/3），制冷量降低约5％。喷液效果在保证COP降低小于5％的前提下，对排气温度的降低效果是可观的。

图4　制冷量和COP与喷液量的变化关系Fig.4 The change of cooling capacity and cop with the injection mass flux increasing

3.2压比变化的影响

涡旋压缩机的内容积比是固定的，压比的变化会使压缩机产生过压缩和欠压缩，从而造成压缩机功率的上升。本文分析压比对吸气喷液系统的影响，实验中是保持排气压力不变，通过降低蒸发压力来实现压比的变化。

不同压比下排气温度随喷液量的变化关系如图5所示。在没有喷液时，蒸发温度越低，排气温度越高。随着喷液量的增加，排气温度都有所降低，但降低幅度不同。当喷液量为0.015 m3/h时，压比为3.43（饱和温度7.2℃）和4.45（饱和温度-1℃）的排气温度相对不喷液分别降低了8.8℃和11.9℃，高压比下排气温度降低的更多。

系统在不同压比下，系统COP随喷液量的变化关系如图6所示。在压比较低时，系统的COP随喷液量下降而下降，而在压比较高时，系统COP在低喷液量区域有微小上升，存在一个最佳值。喷液量从0升高到0.015 m3/h，不同压比下系统COP的变化值分别为：-1.9％、-1.2％、-0.86％、0.1％、0.6％。这种变化趋势说明：当压比越大时，COP的降低幅度越小，能在更大喷液量下保持COP不降低。在高压比下，能有效降低排气温度，保证系统COP降幅较小甚至有微小升高。

图5　不同压比下排气温度随喷液量的变化关系Fig.5 The change of discharge temperature with the injection mass flux increasing under different pressure ratio

图6　不同压比下系统COP与喷液量变化关系Fig.6 The change of COP with injection mass flux increasing under different pressure ratio

4　结论

本文设计了一种吸气喷液冷却的涡旋压缩机样机系统，采用数值结合实验的研究方法分析了不同喷液量下的系统性能变化，分析了带泄漏模型的性能变化，得到以下结论：

1）计算值和实验值吻合程度较好，功率最大误差为2.5％；蒸发器质量流量、制冷量、COP最小误差2.5％左右，最大误差10％左右。都是在低喷液量下误差较小，在高喷液量下误差较大，主要是计算两相工质状态的均相模型在高喷液量下误差较大造成的。

2）研究工况下，喷液量较小时，排气温度降低14℃时可使得COP升高0.6％，制冷量降低0.2％。喷液量为0.055 m3/h，排气温度降低约42℃，COP降低不足5％，制冷量降低约5％。因而可选取0.055 m3/h的喷液量作为最佳喷液量。吸气喷液冷却效果是可见的，较小幅度降低排气温度可保证COP不降低，大幅度降低排气温度系统性能微小降低。吸气管和高压腔的高温壁面传热造成的影响对吸气喷液系统性能的影响是比较大的，缓解此处的传热可以在更大喷液量下保持COP不降低。

3）在高压比下吸气喷液能在较大喷液流量下保持系统COP不降低，压比越大系统COP下降幅度越小。所以在高压比下，吸气喷液的效果更具优势。

［1］Jacobs J J.Analytic and experimental techniques for evaluating compressor performance losses［C］//Proceeding of International Compressor Engineering Conference at Purdue.Purdue：Purdue Unversity，1976：116-123.

［2］Afjei T，Suter P，Favrat D.Experimental analysis of an inverter-driven scroll compressor with liquid injection［C］// Proceeding of International Compressor Engineering Conference at Purdue.Purdue：Purdue Unversity，1992：541-550.

［3］Ooi K T，Zhu J.Convection heat transfer in a scroll compressor chamber：A 2rd simulation［J］.International Journal of Thermal Science，2004，43（7）：677-688.

［4］Dutta A K，Yanagisawa T，Fukuta M.An investigation of the performance of a scroll compressor under liquid refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2001，24（6）：577-587.

［5］Winandy E L，Lebrun J.Scroll compressors using gas and liquid injection：experimental analysis and modelling［J］. International Journal of Refrigeration，2002，25（8）：1143-1156.

［6］Park Y C，Kim Y，Cho H.Thermodynamic analysis on the performance of a variable speed scroll compressor with refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2002，25（8）：1072-1082.

［7］Cho H，Chung J T，Kim Y.Influence of liquid refrigerant injection on the performance of an inverter-driven scroll compressor［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（1）：87-94.

［8］Wang B L，Li X T，Shi W X，et al.Design of experimental bench and internal pressure measurement of scroll compressor with refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2007，30（1）：179-186.

［9］Wang B L，Shi W X，Li X T.Numerical analysis on the effects of refrigerant injection on the scroll compressor［J］. Applied Thermal Engineering，2009，29（1）：37-46.

［10］Wang B L，Shi W X，Li X T，et al.Numerical research on the scroll compressor with refrigeration injection［J］. Applied Thermal Engineering，2008，28（5/6）：440-449.

［11］张华俊，冯倩莹，杨森，等.制冷压缩机吸气喷液循环性能分析［J］.制冷与空调（北京），1998（1）：8-10. （Zhang Huajun，Feng Qianying，Yang Sen，et al.The performance analysis of refrigeration compressor suction liquid discharge cycle［J］.Refrigeration and Air-conditioning，1998（1）：8-10.）

［12］费继友，曹锋，邢子文，等.吸气喷液对空气源热泵热水器性能的影响［J］.西安交通大学学报，2008，42 （7）：818-822.（Fei Jiyou，Cao Feng，Xing Ziwen，et al. Influence of suction stream liquid refrigeration injection on the performance of an air source heat pump water heater ［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2008，42（7）：818-822.）

［13］Cao Feng，Fei Jiyou，Xing Ziwen，et al.Study on performance of a heat pump water heater using suction stream liquid injection［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29 （14/15）：2942-2948.

［14］王枫，郭强，李连生.半封闭活塞式制冷压缩机喷液的研究［J］.制冷学报，2010，31（5）：29-33.（Wang Feng，Guo Qiang，Li Liansheng.Study on liquid refrigerant injection of semi-hermetic reciprocating refrigeration compressor［J］.Journal of refrigeration，2010，31（5）：29-33.）

［15］赵远扬，李连生，束鹏程.喷水涡旋空气压缩机工作特性的研究［J］.西安交通大学学报，2004，38（9）：887-890.（Zhao Yuanyang，Li Liansheng，Shu Pengcheng. Performance study of water-injection scroll air compressor ［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2004，38（9）：887-890.）

［16］Wang B L，Shi W X，Han L T，et al.Optimization of refrigeration system with gas-injected scroll compressor［J］. International Journal of Refrigeration，2009，32（7）：1544-1554.

［17］Jang K，Jeong S.Experimental investigation on convective heat transfer mechanism in a scroll compressor［J］.International Journal of Refrigeration，2006，29（5）：744-753.

About the corresponding author

Cao Feng，male，Ph.D./professor，doctoral supervisor，director of Compressor Institute，Department of Compressor Engineering，Xi'an Jiaotong University，+86 13571825806，E-mail：fcao@ mail.xjtu.edu.cn.Research fields：special compressor，cooling and heat pump，double screw oil-gas mixture pumps.

Research on Performance of Scroll Compressor and System under Suction Injection

Yin Xiang Sun Shuaihui Cao Feng Shu Pengcheng
（School of Energy and Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049，China）

In order to analyze the relationship between the suction injection and the performance of the scroll compressor，the suction injection circuit was set up.And the mathematic model，containing the loss of leakage and heat exchange，was established at the same time. The discharge temperature and the refrigerating capacity and the COP of the system were investigated when the injection flow rate and the pressure ratio were varied.The result of the simulation was in reasonable agreement with the experimental data.The error was 2.5％at the low injection flow，and 10％at the high flow.It was also found that the discharge temperature decreased and the COP slightly increased then went down，when the injection flow increased.The COP of the system increased by 0.6％，while the discharge temperature decreased by 14℃at the condition of the low injection flow.When the discharge temperature decreased by 42℃，the decline in the COP was less than 5％.Additionally，there existed an optimal value of the COP in the suction injection circuit when the injection flow varied at the high pressure ratio.Furthermore，the higher the pressure ratio was，the lower the COP decreased.As a result，the suction injection could put into use to decrease the discharge temperature.

scroll compressor；suction injection；discharge temperature；COP

TQ051.5；TB657

A

0253-4339（2015）05-0010-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.010

2015年1月13日

简介

曹锋，男，教授，博士生导师，压缩机研究所所长，西安交通大学压缩机工程系，13571825806，E-mail：fcao@mail.xjtu.edu. cn。研究方向：特种压缩机及制冷技术、热泵技术、双螺杆油气混输泵技术的研究。