喷液冷却和喷气增焓低温热泵涡旋压缩机的对比分析
2018-05-04马麟姚文虎钱坤
马麟,姚文虎,钱坤
(丹佛斯(天津)有限公司,天津 301700)
0 引言
在我国北方寒冷地区,传统的燃煤、燃油取暖方式会产生严重的空气污染,给自然环境带来巨大压力,产生的雾霾给人们生活带来巨大困扰。空气源热泵作为一种清洁节能技术被作为替代传统供热形式的首选技术方案[1-2],并通过京津冀煤改电政策大力推广。
传统空气源热泵技术主要用于长江流域非集中供暖地区,此地区气候特点为最低温度为0 ℃附近。而北方寒冷地区(京津冀)主要气候特点为温度低(极端室外温度-15 ℃),在满足用户舒适度的前提下对于空气源热泵系统提出了更高的要求[3-4]。现在热泵系统的主要问题是随着室外环境温度的降低,压缩机压缩比增大,严重偏离最佳设计值,等熵系数衰减,造成压缩机排气温度迅速上升超过许用范围,功率急剧上升;同时质量流量降低导致制热量严重衰减,既无法达到节能目的也无法满足用户的舒适性需求;普通压缩机由于专注制冷性能,故型线设计压比较低,在低环温制热时由于工况压缩比增大,压缩机严重欠压缩,压缩机旋线芯部压差过大,涡旋齿断裂风险增加。解决上述问题对热泵压缩机设计提出了更高的要求。为解决这些问题,研究人员提出的方案主要集中在制冷剂喷液方案[5-14]和喷气增焓方案[15-17],并取得一系列研究成果。理论模型分析和实验测试结果表明,两种技术方案都可以满足北方寒冷地区热泵系统使用要求。
为解决以上热泵问题,开发了 PSH系列及PCH065涡旋压缩机。PSH系列压缩机采用制冷剂喷液冷却技术控制压缩机排气温度,扩大低环境温度下运行范围。PCH065压缩机采用制冷剂喷气增焓技术,提高低环境温度制热量及制热性能,并通过中间排气技术提高部分负荷系统的制冷性能。同时 2种压缩机对涡旋型线压比都针对制热工况进行优化设计,提高了压缩机可靠性和制热性能。2种压缩机可满足客户低环境温度热泵系统差异化需求。
1 制冷剂喷液及喷气增焓技术介绍
1.1 制冷剂喷液技术
制冷剂喷液技术基本原理为:将中温气液混合态制冷剂喷入涡旋盘内,与原有压缩态的高温制冷剂混合,以达到压缩机在高压比工况下运行时降低排气温度的目的[18]。如图1所示,制冷剂流经冷凝器后分为2路;主路正常节流后进入蒸发器;喷液路制冷剂经过喷液电子膨胀阀节流为中温中压的气液混合态,经压缩机喷液口喷入涡旋盘并与原有制冷剂混合,而后继续压缩,压缩完成后从压缩机排气口排出。从图中可看出,如无喷液,压缩机的排气温度高。
1.2 制冷剂喷气增焓技术
制冷剂喷气增焓技术原理是将一定过热度的中温中压气态制冷剂喷入涡旋盘内,与原有制冷剂混合,对降低排气温度有一定效果[19-20]。主要优点为通过经济器的二次过冷增加制冷量,同时由于喷气状态为中压,功率增加,制冷性能增加。同时由于质量流量的增加也会带来制热量的增加。如图 2所示,制冷剂流经冷凝器后(5)分为2路:主路流量为m,通过经济器于喷气路进行换热二次过冷(5a),后正常节流后进入蒸发器(6);喷气路流量为i,经过喷气电子膨胀阀节流为中温中压的气液混合态制冷剂(5b),而后经过经济器与主流换热成为带一定过热度的气态制冷剂(3),经压缩机喷气口喷入涡旋盘并与原有制冷剂混合(2’),流量为m+i,而后继续压缩,压缩完成后从压缩机排气口排出(4)。从图2中可看出,如无喷气,压缩机排气状态为4’,有降排气温度的效果。同时主路通过经济器内二次过冷增加制冷量,制热时由于流量的增加实现制热量增加。
图1 制冷剂喷液系统
图2 制冷剂喷气增焓系统
1.3 两种技术对比
以上2种技术都在一定程度上解决了涡旋压缩机在高压缩比工况下的设计难点,可以满足热泵在低环境温度下的使用要求。同时由于2种技术各有独特的一面,客户可以根据热泵系统的实际使用要求选择对应技术的涡旋压缩机。喷液压缩机优点:喷射冷媒为气液混合态,所以降低压缩机排气温度效果更明显,在低环境温度工况运行可以达到更高的冷凝压力,更大的运行范围;同时由于只增加喷液阀,不需要经济器,所以系统设计简单,成本低。喷气增焓优点:通过经济器二次过冷及冷凝侧流量的增加,实现制冷工况下制冷量及制冷性能提高,制热工况下制热量提高。
2 带制冷剂喷液冷却的热泵型涡旋压缩机
PSH系列是制冷量为7.5冷吨~15冷吨的新冷媒R410A热泵型涡旋压缩机。该压缩机采用制冷剂喷液冷却技术,在普通涡旋压缩机的基础上增加制冷剂喷液装置设计;当热泵系统在低环境温度下运行排气温度过高时,通过将冷凝器节流后气液混合态的制冷剂经喷液管路喷入压缩机压缩腔,可有效控制并调节排气温度,并对涡旋内容积比及设计强度进行优化,在保证高可靠性的前提下大范围扩展了压缩机的运行范围。应用这个系列压缩机的热泵系统相对于普通空调系统低温环境下的制热性能得到极大的改善,同时在环境温度低的情况下(-20 ℃~-25 ℃)实现高出风出水温度(55 ℃~60 ℃),使用户舒适性得到提高。
图3 PSH涡旋压缩机
图4 PSH涡旋压缩机喷液通道
图5 PSH涡旋压缩机运行范围拓展区域
为简化热泵系统制冷剂喷液控制,PSH系列压缩机控制板增加了喷液控制模块。温度探头探测排气温度,反馈自动调节喷液电子膨胀阀开度,同时通过与热泵系统主控制板的信号传输,实现制冷剂喷液循环的高效可靠控制。具体控制逻辑如下:压缩机排气侧安装温度传感器,喷液控制板可检测传感器反馈的排气温度;当排气温度高于设定值时,控制板内输出信号打开喷液电子膨胀阀开度,并通过设置好的控制程序把排气温度稳定控制在要求范围;当出现电子膨胀阀开启度 100%情况下排气温度依然高于设定值的异常情况时,压缩机报警并进入停机倒计时,一段时间后排气温度依然无法降低,压缩机停机,实现压缩机的自动保护。
图6 PSH涡旋压缩机喷液控制板
图7 PSH喷液控制逻辑
3 带喷气增焓的热泵型涡旋压缩机
PCH065是制冷量为 25冷吨的新冷媒 R410A热泵型涡旋压缩机。该压缩机采用制冷剂喷气增焓技术,在普通涡旋压缩机的基础上增加制冷剂喷气管路设计,将带一定过热度的中温中压气态制冷剂通过喷气通道喷入涡旋盘内,以增加制冷剂流量;结合对经济器的优化设计,二次过冷增加制冷量及制冷系数,制热时由于流量的增加实现制热量增加,并对降低排气温度,实现拓展压缩机低环境温度下运行范围的效果。
热泵涡旋压缩机涡旋盘为满足低环境温度下制热需求,涡旋盘内压比设计普遍高于普通制冷压缩机,这就容易造成在夏季制冷部分负荷工况运行时压缩机设计压比高于工况压比,压缩机过压缩运行,压缩机功率增加,制冷性能下降。PCH065涡旋压缩机针对此问题在排气侧增加了中间排气阀,并在涡旋盘上对应位置增加中间排气孔,实现压缩机在部分符合工况下运行时通过中间排气阀提前排气,改善压缩机过压缩情况,提高低压比部分负荷下制冷性能。
图8 PCH065涡旋压缩机
图9 PCH065涡旋压缩机运行范围拓展区域
图10 PCH065喷气增焓制冷及制热性能提高
图11 PCH065中间排气阀
如图12所示,无中间排气阀压缩机压缩到Pf1开始从主排气阀排气,无用功为浅灰色加灰色部分;带有中间排气阀压缩机压缩到Pf2就可从中间排气阀排气,无用功为灰色部分,相对于无阀压缩机节省灰色部分无用功。同时在高压比情况下由于压差作用中间排气阀关闭,对压缩机高压比工况性能没有负作用。压缩机除霜时液击风险及低温带液启动时可靠性风险也伴随中间提前排气降低涡旋型线的负荷峰值,对压缩机的可靠性起到改善作用。
根据失效率统计结果,高压比失效在热泵涡旋压缩机总失效数量中占很大比例。热泵系统通常会在压缩机排气侧安装温度传感器或压力传感器并配合主控板控制进行保护。但高压比失效率依然很高,主要原因在于:温度传感器安装在排气管侧测量压缩机排气温度,由于环境温度的影响有失真情况,尤其是低环境温度工况运行情况下;热泵系统为避免误判影响,压缩机正常运行一般会设置报警延迟时间和开机检测屏蔽,在异常情况下压缩机由于保护延迟造成失效;PCH065涡旋压缩机针对此问题在静涡旋安装内置温度传感器,可以直接检测压缩机涡旋盘排气部分温度,不受环境温度干扰,同时报警延迟时间短,对于压缩机在低环境温度工况运行可靠性提高可以起到很大作用。
图12 PCH065中间排气阀工作原理
图13 PCH065部分负荷工况性能提高
4 结论
针对低环境温度下热泵应用对涡旋压缩机提出的拓展在低蒸发温度下运行范围及提高制热性能的需求,开发了采用制冷剂喷液冷却技术控制压缩机排气温度、扩大低环境温度下运行范围的PSH系列涡旋压缩机,以及采用制冷剂喷气增焓技术提高低环境温度制热量及制热性能、通过中间排气技术提高部分负荷系统的制冷性能的PCH065涡旋压缩机;对制热工况下两种压缩机的涡旋型线压比进行了优化设计,提高了压缩机可靠性。
基于运行范围大的特点,PSH系列压缩机更适合高出水及出风温度的应用(55 ℃以上);基于性能高、低环境温度值热量提升显著的特点,PCH065更适合 35 ℃~45 ℃出水及出风温度的应用。开发的两种热泵压缩机对于空气源热泵在中国北方应用的大范围普及,提高能源利用率会产生深远的影响。
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