（化工过程机械专业论文）中间补气涡旋压缩机及其循环系统的研究.pdf

摘要 带有中间补气的涡旋压缩机可以有效的改变空气源热泵在低温环境下的制 热性能和运行可靠性。本文根据中间补气涡旋压缩机的工作原理及准二级压缩热 泵系统的研究现状，采用理论分析，优化与仿真计算和实验验证相结合的方法， 对带闪发器的中间补气涡旋压缩机的性能进行了详细的研究与分析。 本文阐述了热泵空调用涡旋压缩机的研究背景，分析了国内外对涡旋压缩机 及低温环境下热泵系统研究的现状，总结了涡旋压缩机在热泵系统的作用；阐述 了中间补气热泵空调系统的原理，分析了中间补气涡旋压缩机的结构特点；提出 了传统补气与新型补气的不同结构并分析了其各自的优缺点；建立了数学方程描 述了其工作特性。 阐述了空调熟泵系统在低温空气源环境下的运行特点，提出了增设经济器后 改善了制热c o p ，并比较了闪发器系统和经济器系统的特点；对于准二级压缩 热泵循环，增设经济器之后，与常规的空气源热泵循环相比，使压缩机增加了一 个补气压缩过程；以带闪发器的涡旋压缩机热泵系统为例，详细分析了增设补 气口后涡旋压缩机的工作过程，并建立了适用于闪发器热泵系统的数学模型；对 带闪发器系统的中间补气进行了热力分析，确定了各状态点的焓值，得出了机组 的主要性能指标。 以所选样机为例对补气节流的数学模拟进行了计算分析，得出了辅助进气口 的位置对闪发器系统性能的影响；对闪发器前节流系统和单级压缩系统模拟仿真 的计算结果进行比较，确定了闪发器与单级压缩系统最佳切换区域i 以闪发器型 中间补气系统为基础，以谷轮公司生产的z r 系列3 4 - k 3 型涡旋压缩机为原型机， 建立了实验测试平台。考核了原型机在低温工况下的运行和工作状况，并检验了 改制后原型压缩机的性能，全面的测试了原型机在低温工况下的制热性能，弄清 楚了闪发器中间补气涡旋压缩热泵机组的内在规律。 关键词：热泵空调；涡旋压缩机；中间补气；经济器；仿真 中间补气涡旋压缩机及其循环系统的研究 a b s t r a c t t h es c r o l lc o m p r e s s o rh a v i n gc e n t r es u p p l e m e n tg a sb e i n ga b l et ot a k et h es y s t e m b ee f f e c t i v eu n d e rl o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tt oc h a n g ea i rs o n r t h e a tp u m pt o h e a tu paf u n c t i o na n dt on l nr e l i a b i l i t y s y s t e m a t i cr e s e a r c ho f f e v e ro f t h em a i nb o d y o fab o o kb e i n gc o m p r e s s e da c c o r d i n gt oc e n t r es u p p l e m e n tg a ss c r o l lc o m p r e s s o r o p e r a t i n gp r i n c i p l ea n da c c u r a t et w os t a g ep u m pc u r r e n ts i t u a t i o n , h a sa d o p t t h e o r e t i c a la n a l y s i s , h a so p t i m i z e dw i t hm e t h o do f i n t e g r a t i o no f s i m u l a t e dc a l c u l a t i o n w i t he x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n , h a sc a r r i e do u td e t a i l e dr e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h e f u n c t i o nt a k i n gl i g h t n i n gt os e n do u tt h ei m p l e m e n tc 七a l t r es u p p l e m e n tg a ss c r o l l c o m p r e s s o r 髓er e s e a r c hb a c k g r o u n dt h em a i nb o d yo fab o o kh a sb e e ns e tf o n hh e a t i n gu p t h ep u m pa i r - c o n d i t i o n i n gu s ee d d yc o m p r e s s i o ne n g i n e , h a sa n a l y s e dt h ec u r r e n t s i t u a t i o nf e v e ro fi s s u i n ga th o m ea n da b r o a dt ot h ee d d yc o m p r e s s i o ne n g i n ea n dt h e l o wt e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tp u m ps y s t e mr e s e a r c h ，h a ss u m m e du pt h ee d d y c o m p r e s s i o ne n g i n ee f f e c ti nh e a tp u m ps y s t e m ；h a v es e tf o r t hc e n t r es u p p l e m e n tg a s h e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mp r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ch a v i n g a n a l y s e dt h ec e n t r es u p p l e m e n tg a se d d yc o m p r e s s i o ne n g i n e ；h a v eb r o u g h tf o r w a r d t h et r a d i t i o ns u p p l e m e n tg a ss t r u c t u r ed i f f e r e n tf r o mn 州m o d e lt os u p p l e m e n tg a s a n dh a v ea n a l y s e dw h o s er e s p e c t i v ee x c e l l e n ts h o r t c o m i n g ；h a v eb u i l tm a t h e m a t i c s e q u a t i o nh a v i n gd e s c r i b e dw h o s ep e r f o r m a n c ed a t a h a v es e t 南m lt h ea i r - c o n d i t i o n i n gh e a tp u m ps y s t e mo p e r a t i o n a lf e a t u r eu n d e r l o wt e m p e r a t u r ea i rs o u r c ee n v i r o n m e n t ，h a v es u g g e s t e dt h a tt h ei m p l e m e n tq u e e n h a si m p r o v e dh o tc o po fs y s t e mi n c r e a s i n gs e t t i n gu pe c o n o m y , a n dh a v ec o m p a r e d f l a s h i n gt os e n do u ti m p l e m e n ts y s t e ma n dt h es y s t e m a t i cc h a r a c t e r i s t i co fe c o n o m y i m p l e m e n t ；t h a tt h et w os t a g ec o m p r e s s e sh e a tp u m pc i r c u l a t i o nt oc e r t a i n t y ， i n c r e a s eh a sm a d eac o m p r e s s i o ne n g i n ei n c r e a s eb yas u p p l e m e n tg a sc o m p r e s s i o n p r o c e s sa f t e rs e t t i n gu pt h ee c o n o m yi m p l e m e n t , c o m p a r e dw i t hr o u t i n ea i rs o u r c e f e v e rp u m pc i r c u l a t i o n ；h a v et a k e nt a k i n gl i g h t n i n gt os e n do u tt h ei m p l e m e n te d d y c o m p r e s s i o ne n g i n eh e a tp u m ps y s t e ma se x a m p l e ，h a v ea n a l y s e dt h em a t h e m a t i c m o d e lh a v i n gi n c r e a s e dt h ec o u r s eo fw o r k , a n db u i l d i n g - u ps e t t i n gu pt h et o n i f y i n g q im o u t hq u e e ne a d yc o m p r e s s i o ne n g i n ea p p l y i n gt ol i g h t n i n gs e n do u ti m p l e m e n t h e a tp u m ps y s t e md e t a i l e d l y ；c e n t e rs u p p l e m e n tg a sh a sc a r r i e do u th e a t i n gp o w e r a n a l y s i so nt ot a k i n gl i g h t n i n gt os e n do u ts y s t e m a t i cc e n t r eo fi m p l e m e n t ，h a s a s c e r t a i n e dt h eh e a tc o n t e n tv a l u et h a te v e r ys t a t ep u t s ，t h em a i nf u n c t i o ni n d e x h a v i n gr e a c h e da na i r c r a f 【c r e w h a v ec a r r i e do u tt h ea n a l y s i ss e c r e t l ys c h e m i n ga g a i n s to nt h em a t h e m a t i c s s i m u l a t i o na d d i n gs u p p l e m e n t a lt h ei n t e g r i t ys t r e a m ，h a v er e a c h e da ni m p a c to ft h e l o c a t i o na s s i s t i n ga na i ri n l e to v e rl i g h t n i n gh a i ri m p l e m e n ts y s t e mf u n c t i o nw i t hw h a t b ec h o s e nam o d e lm a c h i n ef u rt h ee x a m p l e ；t h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o nb e a rf r u i t s e n d i n go u ti m p l e m e n tf r o mo r i f i c i n gs y s t e ma n dc o m p r e s s i n gs y s t e mi m i t a t es i n g l e s t a g eh a sc a r r i e do u tc o m p a r i s o no nl i g h t n i n g ，h a sa s c e r t a i n e ds y s t e mb e s tf l a s h i n gt o s e n do u ta ni m p l e m e n ta n dc o m p r e s s i n gs i n g l es t a g eb e i n gs u r et oc h a n g ea r e a ； d e p e n do nt h ef o r m u l at e s t i n gt h a tt h ed a t ab a s i si n t e n d st oh a v ea g r e e dw e l lw i t ho u t t h ee l e c t r i c i t ye f f i c i e n c ya p p l y i n gt ol i g h t n i n gs e n do u ti m p l e m e n tf e v e r p u m ps y s t e m o nt h a t ；t a k ef l a s h i n gt os e n do u ti m p l e m e n tt y p ec e n t r es u p p l e m e n tg a ss y s t e ma s b a s i s r e f e r e n c ex i a l lj i a o t o n gu n i v e r s i t yh a sd e v e l o p e do u tt h ee d d yc o m p r e s s i o n e n g i n ef l a s h i n gt os e n do u ts y s t e m a t i cp r o t o t y p eo fi m p l e m e n th e a tp u m pm a c h i n e , o p e r a t i o na n dw o r k i n gc o n d i t i o nh a v i n gc h e c k e dp r o t o t y p em a c h i n eu n d e rl o w t e m p e r a t u r ew o r k i n gc o n d i t i o n , h a v ej o i n e dac h e c k o u tb e i n gc h a n g e dt om a n u f a c t u r e q u e e np r o t o t y p em a c h i n et h ec o m p r e s s i o ne n g i n ef u n c t i o n , h a st e s t e dt h eh o ts y s t e m f u n c t i o nt h a tp r o t o t y p em a c h i n eg o e sd o w ni nl o wt e m p e r a t u r ew o r k i n gc o n d i t i o na l l r o u n d ，h a sm a d et h ei n h e r e n tl a wf l a s h i n gt os e n do u tt h ei m p l e m e n tc e n t r e s u p p l e m e n tg a sh e a to f c o m p r e s s i n gp u m ps y s t e ma i r e r a rc r e wd e a r k e y w o r d s ：h e a tp u m pa i r - c o n d i t i o n i n g ；s c r o l lc o m p r e s s o r ；c e n t r es u p p l e m e n tg a s ； e c o n o m yi m p l e m e n t ；s i m u l a t i o n 1 1 i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 珐毛建 日期；声。吵年多月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：三争童珠日期：。归多月彦日 导师签名：主、1 彳莎夸日期：。7 年多月日 硕士学位论文 第一章绪论 由于涡旋式压缩机是以其效率高，体积小，质量轻，噪声低、结构简单且运 转平稳等特点i ，被广泛应用于空调热泵系统中。因此对空调热泵用涡旋压缩机 的工作过程、整体性能，循环系统及其系统的合理匹配研究就显得十分的重要 1 1 研究背景 1 1 涡旋压缩机的发展历史 涡旋式流体机械的工作原理最初是由法国人l e o nc r e u x 于1 9 0 5 年提出并在 美国注册专利【1 1 的由于没有数控加工技术和缺乏对轴向力平衡问题的妥善解决 方法，因而长期未能完成其实用化。进入7 0 年代，美国a d l 公司完成富有成 效的研究，首先解决了涡旋盘端部磨损补偿的密封技术。并在此基础上与瑞士合 作开发了多种工质的涡旋式压缩机样 机涡旋式制冷空调压缩机的真正规模 生产始于日本1 9 8 1 年日本三电 ( s 舳r ) 公司开始生产用于汽车空 调的涡旋式压缩机，1 9 8 3 年日立公司开 始生产2 5 h p 用于房间空调的涡旋式 压缩机。此外，在美国，自考普兰 ( c o p e l a n d ) 公司1 9 8 7 年建立制冷空调用 涡旋压缩机生产线推出其产品后， c a r r i e r 、t r a n e 、t e c u m s e h 等公司也分 别开始研究并生产新型的涡旋压缩机。 压缩机的整体结构如图1 1 所示。 进入9 0 年代，涡旋压缩机的系列化产品 相继问世。日本松下电器公司生产出家 用空调用小型全封闭压缩机，东芝公司 推出列车空调用压缩机，c a r r i e r 公司推 出在冷水机组上并联使用的涡旋压缩机。 l 霄压密封2 压盖3 捧气阁组4 静盘碣i 盘6 十宇环 图1 全封闭涡旋压缩机结构示意围 国内研究工作开始于上世纪8 0 年代后期，主要研究单位是西安交通大学、 兰州理工大学涡旋研究所、原机械工业部合肥通用机械研究所等科研院所。经过 多年的努力，已研制出多系列汽车空调涡旋压缩机、涡旋空气压缩机、天然气涡 中间补气涡旋压缩机及其循环系统的研究 旋压缩机、无油润滑涡旋压缩机等，国内涡旋压缩机理论研究和生产实践都取得 了巨大的成果。广州万宝压缩机股份有限公司引进了日立的一条年产1 2 万台空 调用全封闭涡旋压缩机的生产线，西安大金庆安压缩机有限公司和日立大金工业 株式会社合作年产1 0 万台柜式空调压缩机，c o p l a n d 公司在苏州建立了生产1 0 0 万台5 h p 涡旋压缩机的生产线，大连三洋( s a n y o ) 公司也一直致力于制冷空调 涡旋压缩机的研究。 1 1 2 空调用涡旋压缩机的产品生产现状 对于空调用涡旋压缩机，美国的c o p e l a n d 公司是全球最大的涡旋压缩机制 造商。截止至2 0 0 2 年，全球累计有2 8 0 0 万台c o p e l a n d 制造的涡旋压缩机，在 全球涡旋压缩机的年总产量约为6 0 0 万台。c a r l y l e - - c a r r i e r 公司于9 2 年开始 推出2 9 h p 的涡旋压缩机，目前年产量己达1 0 0 万台。t r a n e 公司于9 2 年开始 生产7 5 i 5 h p 的涡旋压缩机，同年d a n f o s s m a n e u r o p 公司也推出了7 5 3 0 h p 的涡旋压缩机。在日本，d a i k i n 、h i t a c h i 、m a t s u s h i t a 、m i t s u b i s h ie l e c t r i c 、 删i 、s a n d e n 、s a n y o 和t o s h i b a - c a r r i e r 等公司都致力于生产涡旋压缩机，但 数量上没有一家可以与c o p e l a n d 公司竞争。韩国的c e n t u r y 公司生产5 款1 5 5 0 h p 的涡旋压缩机，l ge l e c t r o n i c s 在世界各地的工厂都已经有涡旋压缩机生 产线准备上市。瑞典的a t l a s 公司，日本的岩田涂装、三井精机公司等在制冷空 调涡旋压缩机方面也具有一定的生产能力。 1 2 国内外理论研究现状 1 2 1 涡旋型线的理论研究 涡旋压缩机能够正常工作的条件就是动涡旋盘与静涡旋盘在压缩腔内能够 啮合，而基于涡旋体直壁等高的形状特性，在几何计算时完全可以仅讨论其投影 的涡旋线，即把空间啮合问题转化为平面啮合问题哪。 涡旋型线的设计是决定涡旋压缩机性能的根本因素，并且一直是各国学者研 究的热点。目前涡旋型线的研究和设计大都是基于特定的几何轮廓曲线，来研究 其啮合特性和介质压缩机理，并进行参数的设计和优化。 在圆渐开线理论方面，文献n 卅首先作了详细的研究，建立了涡旋压缩几何 和力学模型，分析了压缩过程；并对线段渐开线、正多边形渐开线进行了一定的 探讨。文献“1 从微分几何理论角度出发，利用平面曲线的特性方程，研究了圆渐 开线的型线理论，指出获取高效型线的两种途径，并为优化研究的可能性奠定了 基础。文献删在集成现有的研究理论上，全面的建立了涡旋压缩整个工作过程 的数学和热力学性能分析、泄漏模型，在工作腔之间的压力非线性耦合问题上， 2 硕士学位论文 采用n e w t o n - r a p h s o n 算法进行了分析 在线段渐开线理论方面，文献”1 在e m o r i s h i t a 研究的基础上对线段渐开 线进行了深入的探讨、分析和补充，导出了容积表达式，分析了动力特性，完善 了线段渐开线理论。文献嘲则研究了一系列半圆渐开线的几何特性和热力、动力 解析关系式，建立了基于半圆渐开线的型线理论，并制造出样机进行了实验研究。 文献1 ”1 则进一步完善了基于半圆渐开线的型线理论，并提出了阿基米德螺线作 为涡旋型线及其相关几何理论 在代数螺线型线理论方面，文献n 2 1 进行了详尽的研究，建立的型线被称之为 日立型线；9 4 年又研究出新型的涡旋型线，以加速螺线为基准线，采用包络法 生成内外涡旋型线文献对日立型线的理论谬误进行了研究更正，以更简单的 内外法向等距线法生成涡旋型线。文献“1 提出了混杂型线的几何理论及其生成方 法。文献陋“详细描述了作为涡旋型线的共轭型线的特点，引出了节曲线的概念， 推导了所谓通用型线的控制方程，指出了常用型线方程在通用型线控制方程中的 表现形式 1 2 2 涡旋型线的修正 在用单刀双面切肖方法加工时，刀具圆和涡圈始端常发生干涉。会使涡旋始 端形成尖角，易于变形损坏，另一方面余隙容积会使排气过程稳定性降低，增加功 耗，产生气流脉动和噪声。所以常常对涡旋始端进行修正，从而改善型线的加工特 性、压缩机的力学性能和热力学性能。 文献m 1 在对涡旋压缩性能研究的基础上，提出了一种修正型线理论，在基圆 渐开线的起始端基于加工和改善排气角的考虑，利用两段圆弧进行修正，即 p 盱( p e r f e c tm e s h i n gp r o f i l e ) 涡旋型线。文献睁嘲通过图解法和共轭曲线法对 圆渐开线的型线修正理论进行了详细的分析，并首次提出了修正展角的概念，p m p 型线能够较好的改善压缩性能。而后，各国研究人员在此基础上提出了各种改进 方案并加以理论论证，形成了一系列改进型线理论。基圆渐开线修正理论包括无 余隙修正理论和有余隙修正理论，其中无余隙修正理论分为e a ( e q u a la n g l e m o d i f i c a t i o n ) 类修正理论和u a ( u n e q u a la n g l em o d i f i c a t i o n ) 类修正理论，而 有余隙修正理论又分为队一s a ( s y m m e t r i ca r cm o d i f i c a t i o n ) 修正理论和 e 一s a l ( s y - 咖e t r i ca r c & l i n em o d i f i c a t i o n ) 修正理论。在基圆渐开线型线修 正上，日本三菱重工近期的研究成果体现在：文献叫以基圆渐开线构成的啮合涡 旋体上缘做成被分割为多个部位且这些部位的高度在涡旋方向的中心侧低、在外 周端侧高的阶梯形状，来提高压缩比和性能。文献o 嘲研究了平面旋转机械的啮 合原理，在p m p 型线理论的基础上进行了深入的研究，引入了修正角( c o r r e c t i o n a n g l e ) 概念，从而使排气角从负值变化到正值，导出了轮廓型线的各种变化形式， 3 中间补气涡旋压缩机及其循环系统的研究 利用理论推导和数值模拟两种数学手段，对p m p 型线的各种修正形式进行研究， 得出最优修正型线。文献嗌1 对等1 3 角圆弧类涡旋修正齿型进行了深入研究，得出 齿端生成方法、齿型特点及齿端修正参数的通用表达式，采用控制容积法导出了 工作腔容积随动盘转角变化的解析计算式，提出了动态的径向和切向气体作用力 面积的精确计算和简化计算方法。文献嘲设计的一种由基于不同的基圆和起始点 的两条或多条基圆渐开线构成的涡旋型线，旨在提高容积效率和可靠性。文献陆1 提出了有助于提高压缩机性能的从l 修正型线，并建立了基于此的几何理论哺1 。 文献。”1 提出了关于渐开线型线始端多对圆弧修正和双涡圈完全啮合型线修正 理论研究 1 2 3 工作过程热动力学分析 对涡旋压缩机进行热动力学分析的目的在于降低各种损失，提高压缩机的工 作效率和可靠性。工作过程热力学特性的研究主要集中在工质的泄漏和传热方面 上。 文献假设压缩机的各泄漏通道只存在油的单相泄漏，并采用平板间平行间 隙流动模型计算压缩机的周向和径向泄漏量。文献1 采用和滚动活塞式压缩机径 向间隙相类似的泄漏研究，用有摩擦截面恒定管内绝热流动模型，计算工作腔轴 向和径向的问隙泄漏。文献o ”模拟工作腔内的轴向和径向间隙的泄漏工作条件， 对腔内气体的泄漏状态进行实测，结果表明工作腔内制冷剂的泄漏过程和不可压 缩粘性流体的完全紊流模型相吻合。文献蚴采用可视化技术对滚动活塞式制冷压 缩机的径向间隙泄漏进行了观察，发现泄漏并不同于以往的假设，它是润滑油的 泄漏造成制冷剂从油中逸出的间接泄漏。文献1 对各泄漏通道内介质的流态进行 了分析，提出了确定泄漏间隙内的流态判别准则，并对不同流态下介质的泄漏量 进行了计算。文献m 1 认为涡旋盘和周围工质之间的对流换热系数非常大，工作腔 壁面的温度等于工作介质温度。文献油1 考虑热传导和对流换热，并计算了工质的 传热量，其中吸、排气管中的对流换热系数按管内紊流准则式计算，工作腔内则 采用j r 方程。文献啪1 在传热模型中考虑了气体和金属、金属和金属、金属和大 气以及气体和润滑油之间的热交换，但没有说明采用的方法和具体的计算公式。 文献呻1 采用可视化技术，对工作腔内工质的流场进行实测，发现流场中有大量的 环流啪1 。 此外，还有许多文献研究了涡旋压缩机性能的模拟，在此不再做更多介绍 1 2 4 其他研究现状 对于以涡旋压缩为主的空调热泵系统，为了改善压缩机的工作性能以及使压 缩机在低温空气源环境下保证经济性运行，国内外在此系统方面也做了大量的研 4 硕士学位论文 究。 1 2 4 1 采用非共沸工质 由开利公司研制出两种类型的使用非共沸工质的带精馏塔的低温空气源热 泵。”3 系统，如图l2 图1 3 所示。随着环境温度的变化可以改变参加循环的制冷 剂组分，在低温环境温度下制热运行时可以通过精馏塔除去混合物中大部分低压 图1 2 变量热泵制冷剂的蒸发分离图1 3 可变制冷剂、级内压缩热泵 力组分，把制冷剂改成更具有挥发性的混合物，室外温度较高时让这部分低压组 分的制冷剂参与循环，从而有效地扩大了系统的工作范围，使机组在各个工况下 的经济性均可得到极好兼顾。 1 2 4 2 采用变频技术 随着变频技术在空调器行业的应用，推出了变频低温空气源热泵，在低温环 境下工作时，通过采用变频技术 提高压缩机转速来增加机组的 循环工质流量来提高制热量，此 时考虑到涡旋压缩机必然会产 生高排气温度，为此系统采取了 在低温工况下投用喷液旁路循 环的保护措施“l 】，在涡旋压缩 机的压缩腔中直接喷入从冷凝 器来的液体制冷剂。 1 2 4 3 采用辅助加热器 室 内 熟 交 换 器 司。 图1 4 燃油燃汽辅助加热热泵空调 室 外 热 交 换 器 通过采用辅助加热器来提高机组的蒸发温度，解决由于蒸发温度过低和外压 缩比过大而造成的系统制冷剂循环量不足以及欠压缩问题，改善机组的运行环 境。日本k a t s u j iy a m a g a m i 提出利用燃油、燃气燃烧器辅助加热的热泵空调器来 解决低温工况下制热性能差的问题，如图1 4 所示嘲 5 嚣瓣坦 中间补气涡旋压缩机及其循环系统的研冤 1 2 4 4 采用带双压缩机的双级压缩系统 哈尔滨建筑科技大学马最良提出采用空气源热泵与水一水热泵或水一空气 热泵组成耦合的双级热泵供暖系统来解决在寒冷地区低温制热时热泵性能恶化 问题汹1 。在冬季，用放置在室外的空气源热泵冷热水机组制备1 0 2 0 的温水， 通过水环路送至室内的水一空气热泵或水一水热泵系统从水中提取热量，以求达 到供暖目的。 1 2 4 5 采用经济器系统 国内在8 0 年代中期就有学者提出了带经济器的准二级压缩系统，并在螺杆机 组中得到成功应用“。文献提出利用带辅助进气1 3 的涡旋压缩机实现带经济 器的准二级压缩空气源热泵系统来提高空气源热泵在低温工况下的制热性能，并 研制出原型机，通过全面的实验研究发现；原型机能够在一1 5 2 的低温环境中稳 定可靠运行，具有足够的制热量，能够满足低温环境的采暖要求。 1 2 4 6 准二级压缩循环理论研究 ( 1 ) 在文献m 中前苏联学者a b bh k ob 于1 9 7 6 年首次提出螺杆压缩机 准二级压缩循环这一概念。作者分析了循环的特点，得出了经济器、中间补气过 程的能量平衡方程，并把压缩机补气过程假定为一个简单的“先等容混合，后绝 热压缩”的过程，由此得到了反映该循环主要特征的一些数学模型。 ( 2 ) 在文献中国内学者邬志敏将理想气体状态方程以及等熵压缩过程方程 引入到中间补气过程的能量平衡方程，但是该文没有考虑补气过程压缩机工作腔 容积变化的问题，而是简单的用一个等容混合一绝热增压过程来分析这一实际容 积变化较大，补气过程持续时间较长的补气混合过程，此外，该文推导出的补气 量的计算公式也存在一定的问题，将补气量简单的正比与辅助回路的压力与开始 混合式工作腔中的压力。 ( 3 ) 在文献1 中比较详细地考虑了补气过程的容积变化较大的特点以及压缩 机泄漏、喷油以及油的导热等影响因素对系统制冷性能的影响，分析了不同制冷 工质、压缩机转速、补气孔口大小等因素对系统制冷量和制冷系数等的影响，得 到了准二级压缩制冷系统的性能变化以及准二级压缩制冷系统设计时应该注意 的事项。但该研究的主要不足之处是：文章未考虑过压缩、欠压缩这个在经济器 系统中起至关重要影响的因素的分析；另外，文章的分析只集中于系统的制冷性 能，而对于准二级压缩系统的制热性能如何变化没有涉及。 ( 4 ) 在文献“6 1 中作者详细分析了涡旋压缩机经济器系统的工作循环，计算出 了该循环在低温工况下的主要性能，找出了最适宜的中间压力，并以过冷器型经 济器系统为基础，设计和研制出了寒冷地区用空调机组的工作系统的原型机，通 过全面的实验研究发现：原型机能够在一1 5 低温环境中稳定可靠运行；中间补 气可以增加制热量和压缩机功率，但制热量的增加速度较快，因此可以提高系统 6 硕士学位论文 的制热性能系数，明显降低压缩机的排气温度。在文献酬中还提到采用涡旋压缩 机经济器系统的意图不同，其适宜的设计参数和方案也不同：着意图是为了增加 制冷量和提高系统的性能系数，那么相对补气压力的适宜值约为1 2 ；若意图是 为了增加制热量和降低排气温度，则应选用较高的补气压力 ( 5 ) 在文献嘞1 中作者详细分析了涡旋压缩机准二级压缩热泵系统压缩机的工 作过程，并以辅助回路节流元件为热力膨胀阀的情况对涡旋压缩机准二级压缩热 泵系统的性能进行了理论分析，推导出了最优的辅助进气口位置，以及系统在辅 助进气口位置为最优的情况下的系统制热、制冷性能，同时还考虑了补气口大小、 类型和辅助回路节流元件的类型等一些因素对准二级压缩热泵性能的影响。作者 在理论分析的基础上并进行了实验验证，从而得出结论：准二级压缩热泵系统制 热模式下的制热量和制冷模式下的制冷量均比单级压缩热泵系统高；在大部分制 热模式下运行时准二级热泵系统的能效要比单级压缩热泵系统好，且随着环境温 度的降低，制热量和制热效率改进的幅度有所增加，然而在大部分制冷模式下准 二级热泵系统的能效则比常规系统略差；对于涡旋压缩机准二级压缩热泵，其最 优的辅助进气口位置位于吸气腔刚刚闭合时第二工作腔的起始段；压缩机辅助进 气口的大小对准二级压缩热泵经济器系统的热力性能影响小。要想准确揭示准二 级压缩热泵系统工作过程的实质，必须从涡旋压缩机的工作机理出发建立相应的 数学模型。对于准二级压缩热泵系统，由于补气一压缩过程是一个十分复杂的过 程，不能简单地简化为稳定流动的绝热压缩过程，并且补气压力的大小、补气口 的位置等因素对系统的性能有着很大的影响。另外，涡旋压缩机是一个具有固定 内容积比的压缩机，因而只有在设计工况下其压缩过程才不会发生过压缩或欠压 缩。综合分析以上建立的准二级压缩模型可以发现存在许多问题和不足，因此建 立包含影响压缩机性能的主要因素且适用于准二级压缩系统的数学模型是一项 具有实际意义的工作。 3 关键技术进展 对于热泵空调用涡旋压缩机及其系统的研究一直是工程师们研究的一个重 点领域和热门方向，其关键技术主要有如下几个方面。 3 1 改进机构简化工艺 1 3 1 1 柔性机构的采用 采用柔性机构能有效地减少泄漏和摩擦损失，增强压缩机承受固体杂质和液 滴的能力，同时并降低加工精度和装配精度的要求。一般地柔性机构分为两大类： 轴向的柔性机构，径向的柔性机构轴向柔性机构也分为二类，一种是静盘采用 被悬挂在机架上，它由背面的高压气体弹性地支撑着；另一种是在动盘上开适当 的小孔，在一定角度范围连通压缩腔与背压腔，气体通过小孔窜流，从而实现背 7 中问补气涡旋压缩机及其循环系统的研究 压自调节，在此柔性机构中，静盘沿径向刚性固定，而动盘则沿轴向是柔性的。 径向柔性机构也分为二类：一种是偏心衬套机构，当偏心衬套围绕曲柄杆摆动时， 旋转半径做出相应变化；另一种为滑块机构，当滑块在曲柄轴中运动时，旋转半 径将会变化，一旦采用了径向柔性机构，旋转半径就要由两涡旋壁相互吻合情况 来决定了，偏心衬套机构比滑块机构更易于加工。 1 3 1 2 端面密封机构 由于加工和装配误差，往往造成一涡旋盘顶部与另一涡旋盘底部之问形成间 隙，气体通过此间隙形成径向泄漏，为了减少此泄漏量，通常在涡旋型线顶部开 有一密封槽，其槽宽略大于密封元件，密封元件嵌入其槽内且与槽底面保持一定 的轴向间隙，借助气体压力使其紧贴于涡旋盘底面。 1 ，3 1 3 带引射器和经济器的中间补气结构 通过合理设计专用的涡旋式压缩机及中间补气孔，采用经济器可减少制冷循 环的压缩不可逆损失；采用引射器代替节流阀，部分回收工质从高压到低压过程 的膨胀功，可增加制冷量。通过热力学分析，确定带引射器和经济器的制冷循环 系统合理的补气压力，可以得到较高的循环效率。在较低蒸发温度下，该系统可 以明显降低压缩机的排气温度，有利于系统稳定运行】。 1 3 1 4 强化冷却 涡旋压缩机的压力比在一定程度上是受工作温度所制约，特别在无油压缩机 中，加强冷却是提高轴承与工作型线寿命的关键，日本岩田涂装机工业株式会社 在这方面研究取得了突破，他们在动、静涡旋盘上设计夹层且作成开式，一方面 切断了工作腔热量直接传到轴承上，提高轴承工作寿命；另一方面加强风冷对气 体直接冷却，这种压缩机造价较高。另外多数空气涡旋压缩机采用喷液冷却，控 制喷液的温度可使压缩机在良好的工况下运行，喷进工作腔的液体由分离器或后 净化器分离循环使用。 1 3 2 整体优化理论的研究 涡旋压缩机在原理上有许多优点，然而要使这些优点真正反映在产品中，则 必须有正确合理的设计方案和高精度的加工及严格的装配工艺，其中设计方案是 否合理尤为重要采用优化设计方法，以能够正确反映压缩机实际工作过程的数学 模型为基础，利用计算机求解，得到压缩机性能参数与各设计变量问的相互关系， 再运用适当的寻优方法可得出最优的设计方案嘲。 ( 1 ) 变频技术的应用 变频涡旋压缩机是基于定速涡旋压缩机结构机而开发的，相比定速涡旋压缩 机还具有如下优点：( a ) 可以软起动，起动电流小，降低对供电系统的干扰；c o ) 能 力调节范围广，能实现空调的连续调节，提高了空调的舒适运行和温度控制精度， 并达到节能运行的目的；( c ) 避免了经常开、停压缩机，振动、噪声更小，压缩机 3 的使用寿命更长；( 田独特的压差供油方式，使压缩机在不同的频率运行时，均 能确保有充足的润滑。变频技术有两种：交流变频和直流变频汹1 。 ( 2 ) 多机并联调节 当系统需要的制冷量变化范围较大时，采用多台压缩机并联进行制冷量调节 是比较高效、经济的调节方式，并且可以减少单台压缩机的停机次数。系统中必 须要有油平衡管和气平衡管，排气管上应安装单向阎，总吸气管应有吸气过滤器 和气液分离器；多台并联运行时对自动控制部分要求严格，如电动机保护器的触 点应串联，以确保当某台压缩机出现保护时所有压缩机均应停机；压力控制器采 用人工手动复位，可靠性较高；开停间隔的控制应注意控制温度的设定 ( 3 ) 变容量旁通调节 旁通调节的主要原理是：在负荷下降使吸气压力降低时，将压缩机排出的气 体旁通一部分到低压侧，用于补偿因负荷下降而减少的蒸发器回气量，保持压缩 机连续运行所必需的最低吸气压力。它能使压缩机的能力与蒸发器的实际负荷相 适应，在蒸发器负荷下降时，来自高压侧的热气为其提供一个虚负荷在系统管 路的布置上主要考虑了三个方面的问题：( a ) 吸气过热度不能太高；( b ) 不能造成 液击；( c ) 不影响系统回油。 “) 数码涡旋技术 艾默生集团旗下的艾默生环境优化技术事业部研发生产的数码涡旋压缩机， 突破传统的变频空调技术，不通过控制电源的频率来调节系统能量的输出，而是 创造性地通过压缩机的动静涡旋盘的离合来控制系统的制冷剂流量，从而达到控 制系统的能量输出，所以整个系统更加节能，更简单可靠。数码涡旋技术的优点 为：( a ) 温控精确、调温快；( b ) 优良的季节能效比；( c ) 卓越的除湿性能；( d ) 电磁干扰非常小；( e ) 良好的回油控制 1 4 课题的来源与主要研究内容 1 4 1 课题的来源和目的 本课题属于自选课题，得到了教育部高等学校博士学科点专向科研基金项目 2 a b r o r 2 口a 当不忽略壁厚时，中心排气腔的壁厚所占的面积为： 3 9 中间朴气涡旋压缩机及其循环系统的研究 日皇尝皇詈詈曼皇曼喜曼曼皇蔓量曼曼置e 曼皇e 曼曼曼詈鼻鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼寡! ! 曼曼量曼曼皇曼曼曼皇皇置曼皇鼍皇曹笪曼量i = 【扣3 卺一【扣3 矗一- 口2 d i 3 棚) 2 + 3 ，- 。 oo二) s ：，= 【丢咖3 】毛7 a o + a 一i 1 彩3 】i 一甜口毫石棚2 + 三如3 ， s = 2 ( s l 慑3 ) - $ 1 2 o p 0 b = 2 ( 墨l s 3 ) - s 1 2 0 护 1 ) 腔体积为： 巧= 庀p ( 尸一丑沙【( 万一1 ) 卜口万 3 2 7 式中：0 _ 压缩机的转角 第一压缩腔的容积计算要分0 口 矿( 矿为开始排气角) 和矿口2 石两种 情况： 当0 占 f 7 的限制，如果在经济器换热以后，