热泵用涡旋压缩机补气位置特性研究

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

关键字：热泵空调；涡旋式压缩机；补气増焓；补气位置

符号说明：

w2-3——补气过程单位耗功，kJ/kg；

p2——补气前的压力，kPa；

v2——补气前的比容，m3/kg；

p3——补气结束后的压力，kPa；

v3——补气结束后的比容，m3/kg；

α——相对补气量；

κ——等熵指数；

T7——补气温度，K；

Rg——气体常数，kJ/（kg·K）；

me——总质量流量，kg/h；

ms——吸气质量流量，kg/h。

0 引言

冬季工况下，传统的汽车空调大多采用PTC（Positive Temperature Coefficient）对乘员舱加热，耗能严重，极大缩短了电动汽车的行驶里程[1]。而热泵系统以其较高的效率成为替代方案，研究表明，热泵系统代替PTC供暖可以大幅度减少电动汽车的耗能[2-4]。但对于热泵系统而言，同样面临着一些问题。冬季工况下，随着蒸发温度的降低，系统的制冷剂流量减少，制热量以及制热性能系数COP降低，压缩机排气温度升高，影响系统运行的稳定性和可靠性。通过研究发现，补气増焓系统可以有效地解决热泵系统所面临的问题[5-6]。

许多学者对补气増焓系统、制冷剂、补气状态以及补气孔等进行了大量研究。Heo等[7]通过实验的方法，分析并对比经济器系统（SC）、两级节流经济器系统（DESC）、闪蒸器系统（FT）和闪蒸器经济器系统（FTSC）4种蒸汽喷射技术的制热性能。结果表明：FT、FTSC、DESC的平均加热能力分别比SC高14.4%，6.0%和3.8%，但是4种循环的平均COP是相当的。通过Xu等[8]的研究发现，在补气増焓系统中，制冷剂R1234yf可以在-25℃的蒸发温度下运行，R1234yf / R32混合物可以在-20℃的蒸发温度下运行，其制热COP都要高于其他制冷剂在此工况下的制热COP。并且与无补气相比，制热量和制热COP分别提高16%～20%和13%～16%。Kim等[9]通过对液体喷射、两相喷射以及蒸汽喷射3种喷射方式的研究发现，两相喷射会更有效地提高COP和降低排气温度。Qin等[10]通过实验的方法，研究了2台补气口形状不同的涡旋式压缩机性能，实验结果表明，3组补气孔的压缩机性能优于单对补气孔的压缩机性能。李海军等[11-12]通过理论分析，研究了补气在吸气口的过程。结果表明，补气增加了制冷剂流量，增加了制热量以及COP，降低了排气温度。一些学者[13-14]认为补气的最佳位置在压缩机吸气腔封闭时第一个啮合点处，并且补气能够有效地降低排气温度，增加制热量以及系统COP。

上述主要对补气系统类型、制冷剂种类、补气状态、补气孔数量以及补气位置等方面进行了研究。目前对于补气孔位置的研究只涉及补气在吸气口过程以及补气在压缩腔过程。针对一些型线较短的压缩机，补气孔位置需要设计在吸气腔内，但上述研究中缺少对于补气孔位置在吸气腔的研究，并且缺乏补气在吸气腔之前补气位置对热泵性能影响的对比。针对上述问题，本文建立了一款涡旋式压缩机的几何模型，补气位置分别在吸气口、吸气腔和压缩腔，并通过数值计算的方法研究了不同补气位置对压缩机及系统性能的影响，并且确定最佳补气位置。

1 数值模型的建立

1.1 补气位置

为了研究不同补气孔位置对热泵系统性能的影响，首先建立了涡旋式压缩机的几何模型，并根据补气位置确定3个补气位置转角，如表1所示。

表1 补气位置 （°）

3种不同补气位置示意如图1所示。如图所示，补气位置1为补气在吸气口过程，即吸气与补气在吸气口混合后进入压缩机；补气位置2为补气在吸气腔过程，即一部分补气与吸气在吸气口混合后进入压缩机，另一部分边补气边压缩；补气位置3为补气在压缩腔过程，即压缩机完成一级压缩后进行边补气边压缩过程。

图1 3种补气位置随转角变化

1.2 物理模型

建立3种补气过程的热力学模型：

（1）补气在吸气口模型

补气在吸气口即补入的制冷剂与吸入的制冷剂在吸气口进行混合，混合之后再进入压缩机进行压缩。此过程为一个混合过程，以压缩机旋转一周为一个循环，假设此过程为一个等容充气过程，取压缩机刚刚闭合后的吸气腔为控制体，则控制方程为：

其中假设整个过程中没有热量损失，并且整个计算过程中忽略动能和位能的影响，即，并且δ Wi=0。从上述公式中求得补气后压缩腔内制冷剂的各个状态参数。

（2）补气在压缩腔的模型

补气在压缩腔的过程为变容积、变质量、变温度、变压力的非稳定流动压缩过程，各参数均随着曲轴转角而发生变化，是曲轴转角的函数。根据多变压缩过程的热力学过程，以压缩腔为控制容积计算整个过程，模型的控制方程为：

则补气-压缩过程的微分方程：

补气在压缩腔内的单位压缩功可表示为[15-23]：

其中相对补气量定义为：

（3）补气在吸气腔的模型

补气在吸气腔的过程为在一定转角范围内，补气与吸气进行混合进入压缩机，在剩余的转角范围下，进行边补气边压缩的过程，故此过程的热力模型是上面2种补气方式的结合。

补气过程结束后，进行正常的等熵压缩过程，从而完成对3种补气过程的热力模型的建立。

2 数值计算结果分析

为了研究在冬季工况下补气增焓技术在热泵系统中的效果，选择了表2中的计算工况。

表2 计算工况

本文通过数值计算的方法对3种补气过程以及无补气过程进行研究，针对系统的制热量Qh、压缩功W、能效比EER、排气温度te以及排气压力Pe等方面进行分析，总结有补气过程相对于无补气过程的优缺点，获得3种补气过程各自的优缺点，最终确定最佳补气位置。

2.1 热力学过程

选择蒸发温度-5℃，冷凝温度为43℃的工况，通过分析整个热力过程获得无补气以及3种补气过程的热力特点，图2为无补气过程以及3种补气过程在所选工况下的p-h曲线。

图2 无补气以及3种补气过程的p-h曲线

从图可见，有补气过程在冷凝器出口分成2条支路：补气支路和蒸发器支路。补气支路首先进行节流降温降压过程，并与蒸发器支路制冷剂换热后进入压缩机。蒸发器支路制冷剂换热后经过节流后进入蒸发器。与无补气过程相比可以得出，蒸发器进口焓值降低，单位质量制冷量增加。增加了中间补气过程，压缩机排气压力升高，缓解欠压缩情况。

2.2 不同补气位置对系统性能的影响

为了研究不同补气位置对系统性能的影响，本文分析了有补气过程以及无补气过程的制热量Qh、压缩功W以及能效比EER随着蒸发温度t0变化的规律。其中无补气以及3种补气方式的制热量分别为 Qh0，Qh1，Qh2，Qh3，压缩功分别为W0，W1，W2，W3，能效比分别为 EER0，EER1，EER2，EER3。有补气相对于无补气的制热量增量分别为ΔQh1，ΔQh2，ΔQh3，压缩功增量分别为ΔW1，ΔW2，ΔW3，EER 增量分别为ΔEER1，ΔEER2，ΔEER3。

图3～5分别给出了有补气以及无补气的Qh、W以及EER随t0的变化情况。

图3 制热量Qh随着t0的变化

其中，图 3（a）、4（a）、5（a）分别为 3 种补气位置以及无补气的Qh，W以及EER随蒸发温度变化的曲线，图 3（b）、4（b）、5（b）分别为 3种补气方式相对于无补气方式的Qh，W以及EER增加百分比。

图4 W随t0的变化

图5 EER随t0的变化

从图 3（a）、4（a）、5（a）中可以得出以下结论：制热量方面，Qh1，Qh2，Qh3均大于 Qh0。压缩功方面，W1，W2均大于 W0，W3≈ W0。能效比方面，EER3＞EER2＞EER1＞EER0。随着 t0降低，Qh减少，W1和W3减少，W2增加，EER下降。

由于补气过程经过冷凝器的制冷剂流量增加，但是排气焓值降低，两者综合结果造成Qh1，Qh2，Qh3均大于Qh0。有补气过程的制冷剂流量增加，造成了压缩机的压缩功增加，同时增加了补气过程的耗功，但减小了压缩机的欠压缩耗功，综合3方面结果得到压缩功的变化规律。由于EER=Qh/W，而Qh1相对比较低，W1相对比较高，故EER1相对比较低；Qh1相对较高，W2相对较高，故EER2相对比较高；Qh3相对较低，W3比较低，故EER3相对比较高。且随着t0的降低，压缩机吸入的制冷剂流量减少，造成Qh减少，EER下降。

从图 3（b）、4（b）、5（b）中可以得出以下结论：制热量增量ΔQh1＞ ΔQh2＞ ΔQh3，且随着 t0降低，制热量增量是降低的。随着t0降低，ΔW1和ΔW3减少，ΔW2增加。ΔEER1和ΔEER3是近乎不变的，ΔEER2是减小的。

在相同的补气量、相同的计算工况下，制冷剂的流量是相等的，但补气在吸气腔的排气温度相对于其他两种补气方式来说要高，所以补气在吸气腔中的制热量增量要大。随着t0下降，制冷剂流量减少，压缩功减少，但增加补气过程造成压缩功增加，两者综合结果得到ΔW1和ΔW3减少，ΔW2增加。另外，随着t0下降，Qh变化情况与W变化情况同时作用，造成ΔEER1和ΔEER3是近乎不变的，ΔEER2是减小的。

3种补气方式从性能方面的研究结果表明，以增加制热量为目的，补气位置选择应该选择在吸气腔；以增加能效比为目的的，补气位置应该选在压缩腔和吸气腔。

2.3 不同补气位置对排气温度的影响

热泵系统在低温环境下运行时会造成压缩机的排气温度过高，从而影响压缩机的运行安全以及系统的稳定。文章针对补气和无补气过程对排气温度te的影响进行分析。图6为有补气与无补气过程在蒸发温度为-5，-20 ℃，冷凝温度为43 ℃工况下的p-h图。图7给出了有补气与无补气的排气温度te随t0变化的情况。其中，无补气以及3种补气方式的排气温度分别为te0，te1，te2，te3。

图6 2种蒸发温度下无补气与3种有补气的p-h曲线

图7 排气温度te随t0的变化

图6（a）为蒸发温度为-5℃的工况下，有补气与无补气p-h图，图6（b）为蒸发温度为-20℃的工况下，有补气与无补气的p-h图。图7（a）为3种补气方式以及无补气的te随着t0变化的曲线，图7（b）为3种补气方式相对于无补气方式的te降低的温度差。

从图6和图7中可以得到：（1）有补气过程的蒸发器进口焓值要低于无补气过程的蒸发器进口焓值，因此，有补气过程的单位制冷量要高于无补气过程的单位制冷量。（2）在假设补气状态相同的情况下，te3＜te1＜te2＜te0。（3）随着 t0降低，te是升高的。（4）随着t0降低，te降低幅度增加。

增加补气之后提高了压缩机的等熵效率，从而实现排气温度的降低。并且因为三种不同的补气过程导致补气后状态点位置不同，最终导致te3＜te1＜te2。随着 t0的降低，蒸发压力下降，但是冷凝压力不发生变化造成te升高的现象。

从排气方面考虑，补气孔开在压缩腔或者补气在吸气口比较合适。

2.4 补气位置对压缩机排气压力的影响

对于涡旋式压缩机来说，其存在内压缩和外压缩过程，内压缩跟压缩机结构有关系，外压缩为压缩结束到冷凝压力的过程，此过程为欠、过压缩，欠、过压缩是压缩机为了达到所需工况额外消耗的功。对于有补气过程，由于在压缩机中补入了制冷剂气体，提高了压缩机压缩终了时的压力，针对冷凝压力高的情况，可以减少欠压缩过程的功。图8给出了有补气与无补气的排气压力Pe的变化情况。其中，无补气以及3种补气方式的排气压力分别为 Pe0，Pe1，Pe2，Pe3，无补气以及 3 种补气方式的排气压力增量分别为ΔPe1，ΔPe2，ΔPe3。

图8 排气压力随t0的变化

其中图8（a）为3种补气方式以及无补气的Pe随着t0变化的曲线，图8（b）为3种补气方式相对于无补气方式的Pe增加百分比。此Pe为压缩机压缩结束时压缩腔内的压力。

从图 8（a）中可以得到：Pe1，Pe2，Pe3均大于Pe0，原因是补气过程增加了压缩机的制冷剂流量。对于在蒸发压力为1.1 MPa的工况下，3种补气方式减少了压缩机的欠压缩耗功。另外，随着t0降低，Pe下降，这是由于随着t0降低，蒸发压力随着下降的原因。

从图8（b）中可以得到：在相同补气量下的3种补气方式中，Pe2＞Pe3＞Pe1。因为补气在吸气口的过程为一个简单的混合增压的过程，混合后的气体压力变化相对比较小，而补气在压缩腔的制冷剂进行边补气边压缩的过程，补气过后腔内压力变化比较大。另外，随着t0降低，ΔPe1和ΔPe3降低，而ΔPe2变化不是很明显，因为补气在吸气腔和吸气口存在混合增压的部分，随着蒸发温度的降低，混合后的压力变化比较明显。而对于补气在压缩腔的情况，补气过程相对稳定，补气过程后的压力增加百分比基本保持不变。

综合以上结论，补气在压缩腔和吸气腔相对于补气在吸气口来说更能够缓解压缩机的欠压缩情况。同时针对低温热泵工况，补气在压缩腔更加能够保证欠压缩情况的缓解。

3 结论

（1）从性能方面来看，3种补气过程相对无补气过程能够有效增加制热量Q以及能效比EER。并且补气在吸气腔和补气在压缩腔相比补气在吸气口来说能够最大程度的增加制热量以及能效比EER。补气在吸气腔制热量能够增加8%～8.5%，EER增加12%～14%，补气在压缩腔能够制热量增加5.7%～7.5%，EER增加15%。

（2）从排气温度方面来看，3种补气方式都能够有效地降低排气温度，并且补气在压缩腔排气温度降低5～8 ℃，补气在吸气口排气温度降低4～6 ℃，补气在吸气腔排气温度降低 2.8～3.2 ℃。随着蒸发温度的降低，补气能够更加有效的降低排气温度。

（3）从排气压力方面来看，3种补气方式能够有效地增加排气压力，从而降低欠压缩过程的功耗。其中补气在压缩腔和补气在吸气腔相对于补气在吸气口更能够有效地提高排气压力，缓解欠压缩情况。