热泵空调的超高能效喷气增焓系统设计

2018-07-10张苗苗

制冷 2018年2期

张苗苗

（广东美的暖通设备有限公司，广东528311）

1 技术背景

热泵空调系统制热运行时，制冷剂的蒸发温度由环境温度决定，蒸发温度一定时，蒸发压力就是一定的。在低温制热情况下，如欲使冷凝温度升高，则冷凝压力就会升高，此时压缩比就增大，导致压缩机有效容积减小，效率下降。同时，在蒸发温度不变的条件下，冷凝温度的升高将导致压缩机排气温度上升，有可能超过压缩机允许的安全运行温度。因此，要突破单级压缩制热在低温条件下不可能获得较高冷凝温度的限制，首先要克服的就是压缩机的压缩比不可能很大以及压缩机排气温度过高的问题。而当热泵空调系统制冷运行时，当室外环境温度变高的同时，会使得冷凝压力升高进而使压缩机的排气压力、排气温度升高，同时发热严重的电控元器件散热也成为了考验。

2 技术来源

为提高多联机空调热泵系统在低温工况下的制热量，提升高温工况的制冷运行可靠性，本项目提出了一种喷气增焓控制技术，该技术采用带中间喷射的涡旋压缩机，基于带经济器的系统设计原理，具有准两级压缩的特点。拓展机组的使用范围到－23～55℃。

3 超高能效喷气增焓系统设计

3.1 超高能效喷气增焓系统热力学设计

喷气增焓压缩机比普通压缩机多一个喷射口，使得来自经济器的冷媒直接进入中压级的压缩腔，提高压缩机总排量。同时其压缩过程被补气过程分割成两段，变为准二级压缩过程。喷气降低排气温度，同时也降低了排气过热度，减少冷凝器的气相换热区的长度，提高冷凝器的换热效率，当蒸发温度和冷凝温度相差越大会产生越好的效果，所以在低温环境下效果更明显［2］。

图1 喷气增焓系统循环流程图

图2 喷气增焓系统压焓图

喷气增焓系统分为一次节流与二次节流系统，图1所示系统为目前比较常见的一次节流系统。参照图2，普通单级压缩制冷循环的工作过程为1m→2s→3→6→1m。而喷气增焓系统增加了一路喷射以及经济器的共同作用，主路的工作过程为1m→1s→1i→2→4m→5m→1m，辅路的工作过程为1i→2→3→4i→4g→1i，其中1i为4g与1s的混合点。

为了对该喷气增焓系统进行热力学分析［3］，并将之与普通单级压缩制冷循环（后简称普通循环）做比较，分析该系统的优势。首先需做以下假设：a、经过过冷器后辅路的冷媒在被压缩机吸入前的状态达到饱和状态，即图2中4g点。b、各换热器与压缩机工作近似绝热过程。c、普通循环与喷气增焓循环在蒸发器处制冷循环量相同，设为单位1kg／s，而区别在于辅路补气量为αkg／s。

3.1.1 系统制冷量对比

参照图3，喷气增焓系统的制冷量为：

普通循环的制冷量为：

又根据经济器的能量平衡关系，即：

得出，喷气增焓系统制冷量的增量为：

可以看出喷气增焓系统制冷量相对于普通循环制冷量是有所增加的，而增加量主要取决于两个因素，其一为喷射量，其二为经济器的换热量。即在系统中间压力、蒸发冷凝温度不变的情况下，经济器的换热效果越好，系统的喷射量越大，则喷气增焓系统相对于普通系统的制冷增量越明显。

3.1.2 系统制热量对比

喷气增焓的制热量计算中选取有效制热量，即在冷凝器中的制热效果，对应图3的状态2→状态3，即：

普通系统的制热量为：

得出喷气增焓系统制热量的增量为：

由计算可以看出，喷气增焓系统制热量的增量取决于冷凝器的换热量、喷射量以及排气过热减少的制热量。而排气过热的制热量相对于整个冷凝器的冷凝换热量来说一般比较小，故排气过热减少的换热量相对来说一般也较小，故喷气增焓系统制热量总体来说是增加的。即在系统中间压力、蒸发冷凝温度不变的情况下，冷凝器换热效果越好，系统喷射量越大，喷气增焓系统相对于普通系统制热增量越明显。

3.1.3 压缩机耗功对比

喷气增焓系统压缩机耗功可分为喷射前与喷射后两段，即：

普通系统的耗功为：

喷气增焓系统耗功增加量为：

假设1i→2，1s→2s两条绝热压缩线近似平行，则有：

于是（3－10）式可以简化为：

为了进一步分析，可把制冷剂看作理想气体，因而其△W表示为：

式中Vk为压机排气量，k为制冷剂气体的等熵系数。可以知道，当中间压力P1i为冷凝压力Pk或蒸发压力P0时，相当于没有喷射。则喷射与普通循环是等同的，即△W＝0。于是可知△W必然存在一个极值。故将△W对P1i求偏导，并令其偏导数为0，可以得出极值时压比为：

此时的最大耗功差别为：

由此可见喷气增焓的压机耗功由于喷气的存在，要高于普通循环的压机耗功。且耗功差别与压机排量、喷射量、冷凝压力、制冷剂的绝热指数以及中间压力有关，且因中间压力的不同而存在一个极大值。对于一般的制冷剂来说，的数值一般在3左右。

3.1.4 制冷能效系数对比

联立（3－1）、（3－8）与（3－11）式求得喷射循环的制冷能效系数：

联立（3－2）、（3－9）可得普通循环的制冷能效系数：

对比（3－16）式与（3－17）式可以发现，喷射循环比普通循环式中多出的一部分为，基于数学角度的分析可以得知，当时，EER＞EER′。对比循环图中可以发现，要达到上述要求，近似于要求喷射辅路循环的制冷系数大于普通循环的制冷系数。基于前述的分析可以得知随着中间压力的上升，在喷射量基本不变的情况下，喷射回路的制冷量不断上升，而喷射回路的耗功存在极大值。也就是当中间压力取得合适值时，会出现EER＞EER′的情况。

3.1.5 制热能效系数对比

联立（3－5）、（3－8）与（3－11）式求得喷射循环的制冷能效系数：

联立（3－6）、（3－9）式可得普通循环的制冷能效系数：

因压缩机排气过热减少的这一段h2s－h2相对于h2－h3较小，为方便对比近似取其相等。则（3－19）式相对于（3－18）式多出的部分为。参照图3系统循环图可以看出，此部分近似等同于喷射辅路循环的制热系数。显然有。故可知喷射循环的制热系数要始终大于普通循环的制热系数。

3.1.6 实验结果分析

依照GB／T 18837－2002多联式空调（热泵）机组规定的测试方法与测试要求，在名义制冷与制热工况下，采用空气焓差法对一套多联机系统分别运行普通循环与喷气增焓循环时进行了能力能效对比测试。

A、名义制冷工况测试结果

从表1中可以看出，对于制冷来说，喷气增焓比普通循环能力与功率均有提升，与3.1.1与3.1.3中的理论分析相符。而能效EER稍有下降，同样在3.1.4中有过类似的分析对比，在一定的中间喷射压力下会出现这样的情况。

B、名义制热工况测试结果

从表2中可以看出，对于制热来说，喷气增焓无论是在能力还是能效上均较普通循环有较大的提升，这与3.1.2和3.1.5小节中的分析也是相符合的。

C、低温制热工况

为了对比喷气增焓与普通循环在低温制热情况下的差别，选取蒸发侧－15℃干球温度，冷凝侧20℃干球，15℃湿球进行测试。从表3中可以看出，对于低温制热来说，喷气增焓无论是在能力还是能效上均较普通循环有较大的提升，这与第2节的理论分析相符合。

表1 普通循环与喷气增焓循环制冷测试结果

表2 普通循环与喷气增焓循环制热测试结果

表3 普通循环与喷气增焓循环低温制热测试结果

3.2 中间喷射量控制技术

对于二级节流喷气增焓系统，随着补气压力（中间压力）的提高，其制热量逐渐减小，而制热系数开始增大，随后减小，因此，存在最佳中间压力其中，P1为高压压力，P2为低压压力。为了获取最佳的中间喷射压力，最简单的方法，就是在喷射管路增加压力传感器，根据系统运行参数计算出目标中间压力，通过调节辅路电子节流部件的开度，获得最佳中间压力。但该方案成本高，且喷射管路管径小，设置压力传感器可能加大喷射管路的阻力，造成系统能力损失。

本项目提出的一种控制方法，通过各传感器对系统冷媒状态的检测，计算出系统运行最佳中间压力，并通过调节二级节流电子膨胀阀的开度，获得最佳中间喷气压力。

图3为本项目提出的基于特宽频段运转全变频喷气增焓技术的多联式空调机组系统简图。