（制冷及低温工程专业论文）低温热泵用涡旋压缩机性能的研究.pdf

摘要 普通空气源热泵系统在使用带补气口的涡旋压缩机后可变为准二级压缩热泵 系统，这种系统可以有效地改善普通热泵系统在低温环境下的制热性能低和运行 可靠性差等问题。本文根据涡旋压缩机准二级压缩热泵系统的研究现状，采用理 论分析和实验验证相结合的方法，对准二级压缩热泵用涡旋压缩机的性能进行了 详细的研究。 本文首先对涡旋压缩机准二级压缩热泵系统进行了详细的介绍。从准二级压 缩热泵系统涡旋压缩机的工作机理出发，分析了压缩机的工作过程。针对涡旋压 缩机固定容积比的特点，以及补气压缩过程持续时间较短且容积变化较大的特点， 建立了包含影响压缩机性能的主要因素且适用于准二级压缩热泵用涡旋压缩机的 数学模型。而后在建立数学模型的基础上，进行了仿真模拟计算，分析了准二级 压缩热泵用涡旋压缩机的特性，并与普通热泵系统用涡旋压缩机的性能进行比较。 推导出准二级压缩热泵用涡旋压缩机最佳辅助进气口的位置，提出合理的准二级 压缩热泵用涡旋压缩机的运行模式，为以后准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论 研究提供了参考依据。 在理论分析的基础上，对压缩机性能实验台进行改造，并设计出准二级压缩 热泵用涡旋压缩机实验方案，对研制的原型机进行了全面的性能测试。通过对实 验结果的分析，验证和修正了理论分析的结果和方法，弄清楚了准二级压缩热泵 用涡旋压缩机的内在规律。结果表明：在冷凝温度不变的情况下随着蒸发温度的 降低，原型机的制热量有所减少，但减少的速度低于普通热泵系统用涡旋压缩机， 压缩机的电功率有所增加，但增加的幅度不大，且压缩机的排气温度也有所降低， 故在低温工况下应用准二级压缩热泵用涡旋压缩机比普通热泵用涡旋压缩机可以 更有效地提高空气源热泵的低温制热性能，是寒冷地区用小型空气源热泵比较适 宜采用的压缩机。 本研究可以有效地改善空气源热泵机组用涡旋压缩机在低温工况下的工作性 能，有助于加快我国热泵行业的发展步伐，扩大空气源热泵的使用范围，并对于 促进暖通空调的可持续发展有重要意义。 关键词：涡旋压缩机，热泵，经济器 a b s t r a c t g e n e r a la i rs o u r c zh e a tp u m p ( a s h p ) w i l lb e c o m eq u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o n h e a tp u m ps y s t e ma f t e ra d d i n gas c r o l lc o m p r e s s o rw i t hs u p p l e m e n t a r yi n l e t s t h i sk i n d o fc y c l ec a ne f f e c t i v e l yi m p m v et h em a i nd e f i c i e n c i e so fc o n v e n t i o n a la i r - s o u r c eh e a t p u m ps u c ha sl o we f f i c i e n c ya n dp o o rr e l i a b i l i t yw h e nr u n n i n gi nc o n d i t i o n so fl o w a m b i e n tt e m p e r a t u r e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t a t u si nq u oo fq u a s i t w os t a g eh e a t p u m ps y s t e mw i t hs c r o l lc o m p r e s s o r , t h ep e r f o r m a n c eo fs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi n q u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m ps y s t e mi sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d ，a n dt h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nf o rt h ep r o t o t y p ei sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h eh e a tp u m ps y s t e mc o u p l e dw i t hs c r o l lc o m p r e s s o ra n di t s w o r k i n gp r i n c i p l ew e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f q u a s i - t w os t a g eh e a tp u m ps y s t e mw i t hs c r o l lc o m p r e s s o r , t h ew o r k i n gp r o c e s so f c o m p r e s s o rw a sa n a l y z e d t h es c r o l lc o m p r e s s o rh a saf i x e dv o l u m e t r i cr a t i oa n di t s d u r a t i o no fc o m p r e s s i n gp r o c e s si s v e r ys h o r ta n dv o l u m eo fw o r k i n gc h a m b e r c o n t i n u o u s l yc h a n g e d b a s e do nt h i sc h a r a c t e r i s t i c ，t h em a t h e m a t i cm o d e lw a ss e tu p t h em a t h e m a t i cm o d e li sf i tf o rs c r o l l c o m p r e s s o ru s i n g i n q u a s i t w os t a g e c o m p r e s s i o nh e a tp u m ps y s t e ma n di n c l u d e st h em a i nc o m p l i c a t i o no fe f f e c t i n g c o m p r e s s o rc a p a b i l i t y t h em a i np e r f o r m a n c e sw e r ec a l c u l a t e db ye m u l a t i n ga n d s i m u l a t i n gf o rs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m p s y s t e ma n dw e r ec o m p a r e dw i t hs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi ng e n e r a lh e a tp u m ps y s t e m t h ec o e f f i c i e n t ss u c ha st h eb e s tp o s i t i o no fs u p p l e m e n t a r yi n l e t sa n dr e a s o n a b l e o p e r a t i o np a t t e r no fs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m p s y s t e ma l lp r o v i d er e f e r e n c e dg i s tf o rf o l l o w i n ga c a d e m i cr e s e a r c h i n go fs c r o l l c o m p r e s s o r b a s e do nt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ec o m p r e s s o rc a p a b i l i t ye x p e r i m e n tr i gw a s m o d i f i e da n dt h ee x p e r i m e n t a lp r o j e c to fs c r o l l c o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t w os t a g e c o m p r e s s i o nh e a tp u m ps y s t e mw a sd e v e l o p e d ，a n dt h ep r o t o t y p ew a st a k e na c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t yt e s t b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm e a s u r e dd a t a , e x p e r i m e n t a l r e s u l tw a sv e r i f i e da n dt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sc o r r e c t e d f u r t h e m l o r e ， t h ei n h e r e n tl a wo fs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o nh e a tp u m p s y s t e mw a sc o m p r e h e n d e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h eh e a t i n gc a p a c i t yo ft h e p r o t o t y p ed e c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo ft h ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，b u tt h ed e c r e a s i n g r a t ei sm u c hs l o w e rt h a nt h a to fs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi ng e n e r a lh e a tp u m ps y s t e m ； t h ee l e c t r i cp o w e ri n p u ti n c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo ft h ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，b u ti t s i n c r e m e n ti sv e r ys m a l l ；t h es c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t w os t a g ec o m p r e s s i o n h e a tp u m ps y s t e mc a ni m p r o v et h eh e a t i n gp e r f o r m a n c e sm o r ee f f i c i e n t l yt h a nt h e s c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi ng e n e r a lh e a tp u m ps y s t e mu n d e rl o wa m b i e n tt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s ，s oi ti sm u c hs u i t a b l et ot h es m a l la i rs o u r c eh e a tp u m p t h i sr e s e a r c hw i l li m p r o v et h ew o r k i n 3 p r i n c i p l ei nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o no f s c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi n a i rs o u r c eh e a tp u m ps y s t e me f f e c t i v e l y , q u i c k e nt h e d e v e l o p m e n tp a c e so fh e a tp u m pi n d u s t r i e s ，a n de x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fa i r - s o u r c e h e a tp u m p ，s oi tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：s c r o l lc o m p r e s s o r , h e a tp u m p ，e c o n o m i z e r 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解墨盗查些盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权型 宣些盘垒可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印 或扫描等手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘。 学位论文作者签名： 签字日期：口呻年占月 导师签名：、矽厦 签字日期：二口。7 年月日 裤日 n 眚衫 第一章前言 第一章前言 1 1 课题目的和意义 随着人类社会的不断发展，可持续性理念日益深入人心，煤炭等常规能源直接燃烧给 环境所带来的负面效应，如大气污染、酸雨和温室效应等日益加剧，迫切要求改善大气环 境、提高空气质量，因此开发高效、清洁的能源技术成为人们关注的焦点。 在全球的能量消耗中，建筑物能耗约占4 0 左右川。而目前我国已经成为仅次于美国 的世界第二大能源消费国，而且能源结构是极不合理的，这种不合理的能源结构导致了严 重的城市污染和能源浪费，极大地制约了我国经济可持续发展的宏伟目标。根据2 0 0 3 年 的统计资料，我国建筑用商品能源消耗占据全国终端能耗的2 7 6 ，且呈逐年上升趋势。 而在整个建筑耗能中，采暖能耗占据了绝大部分，约6 5 。而在我国北方寒冷地区，建筑 采暖长期以来大部分一直依靠燃煤、燃油锅炉房来解决，不仅能源利用效率低，而且对大 气造成了很大的污染。因此，对于以上地区，探寻出一种清洁、节能的取暖方式已成为当 务之急。 目l j i ，国内的主要采暖方式为：以燃料为热源的供暖方式、电热供暖方式和热泵采暖 方式。 ( 1 ) 以燃料为热源的供暖方式 a 燃煤集中采暖是我国北方寒冷地区采用的最主要的采暖方式。这种采暖方式具有建 设速度快，技术要求低，运行费用也相对较低等特点，而且在我国积累了大量的建设和运 行管理的经验。其主要问题在于燃烧产生大量的c 0 2 、s 0 2 、n o x 以及粉尘等有害物，严 重污染空气质量，对人类的身体健康造成了危害。同时，集中供热采暖方式由于外网管道 设计、施工等原因，楼与楼之间、户与户之间甚至每个房间之间，热度是不一样，还有因 为供热距离产生的热损耗，浪费了大量的热能。另外，供热计量困难和无法满足用户按需 供暖也成为集中采暖不得不解决的问题。 b 燃气采暖是指以单户家庭作为采暖主体的独立采暖系统。这种采暖方式是以天然气， 液化石油气和人工煤气为燃料，在我国是一种全新的采暖方式。燃气具有清洁、方便、高 热能等优点。这种采暖方式可以实现自主调节，解决集中供暖热计量困难的问题。但这种 采暖方式运行费用较高。 第一章前言 ( 2 ) 电热供暖方式 电热采暖的供热方式主要包括：分散式直接用电采暖、电热膜采暖、电热地板辐射等 形式。这种采暖方式的主要特点在于使用热阻效应将电能转化为同量的热能用于采暖。此 方式具有使用方便、灵活和易于实现自动化等优点。尽管电采暖不直接耗用煤、天然气和 水等一次能源，而供热过程也不直接造成环境污染，运行费用低，但是用电采暖是直接将 高品位电能转化为低品位的热能，所以一次能源利用效率低。 ( 3 ) 热泵采暖方式 热泵采暖主要是指以电作为动力，利用热泵原理吸收室外空气中的热量，通过压缩机 驱动，推动制冷剂循环，将热量从低温环境送到高温环境，达到制热的目的。这种采暖方 式具有电采暖和燃气分散采暖的所有优点，极少污染，便于控制等，同时它的另外一个完 全不同于其他采暖方式的优点是所获得的热量要远大于主动输入的能量。 从以上的分析可以看出，热泵采暖是新型的满足可持续发展的采暖方式，也将会是未 来建筑采暖方式的优先选择方式。热泵作为一种节能技术受到了世界各国的普遍重视，而 空气源热泵可从环境大气中吸取丰富的低品位能量，使用便利，因此空气源热泵成为热泵 诸多型式中应用最为广泛的一种【2 】。 但是，传统的空气源热泵如果不加任何改进就应用于黄河流域、华北等寒冷地区，它 将无法在冬季j 下常运行，主要表现在：压缩机不能长期安全工作，随着环境温度的降低， 排气温度会不断升高，压缩机的压缩效率大大降低，系统能效，制热量均急剧下降。空调、 热泵用压缩机的压缩比一般在3 5 4 0 的水平，这种型式的压缩机比较适合工作于制冷模 式及温度相对较高的制热模式下，在1 5 的环境中，要求热泵向室内提供4 5 的热水， 这时热泵的蒸发温度与冷凝温度之差接近7 0 ，对于使用r 2 2 的系统，压缩机承受的工作 压比大于1 0 ，这样将会使得压缩机的压缩过程严重偏离等熵过程；随着环境温度的降低， 制冷剂的吸气比容急剧增加，这使得淡季压缩空气源热泵的系统性能随着环境温度的降低 急剧变差。 在能量利用效率和温室效应受到世界各国普遍关注的时代，我们有理由相信热泵技 术的应用范围将会得到更大的扩展。鉴于传统的空气源热泵在低温环境下制热性能和运行 可靠性差的问题，因此国际上将低温空气源热泵技术列入2 1 世纪很有发展前途的5 0 项 技术之一i “。 低温空气源热泵技术的核心就是使机组能够在压力比变化范围比较大的工况下运 行。当然，如果只是为了解决空气源热泵在低温环境下制热性能和运行可靠性差的问题， 第一章前言 可以采用高压比的压缩机或者双级压缩系统，然而系统在较高的环境温度下制热运行时的 系统能效以及制冷运行时的系统能效将大为降低，由于环境温度特别低的情况持续时间一 般较短，因而系统的整体经济性交得非常差。因此，如何兼顾机组在正常的制冷席9 热以及 低温制热工况下运行时的经济性和可靠性，即机组既能保证在室外环境温度相对较高工况 下的性能系数，同时当室外环境温度较低时仍然能长期、安全可靠运行，是本课题研究的 主要目的。 1 2 国内外研究现状与文献综述 1 2 1 国内外低温空气源热泵系统型式的发展现状与进展 由于空气源热泵一机两用的特点，环保高效的优势，因而长期以来许多企业、研究机 构都一直在致力于解决空气源热泵的低温工况下的制热问题。 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空气源热泵【3 4 j ，如图1 - 1 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。此系统型式复杂，采用此技术的障 碍是如何根据实际状况确定制冷剂的组成、充灌量，如何解决制冷剂的泄漏速度差异对系 统热力性能的影响。 图1 1 空气源热泵原理图 第一章前言 8 0 年代初n o b u k a t s ua r a i 提出带闪发器的涡旋压缩机注气系统，并简要分析了其性 能，并指出采取这一措施，在低温工况可以提高制热性能1 5 左右i 5 i 。 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1 6 , 7 1 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。但该方案只是 解决了空气源热泵在低温工况下的运行可靠性问题，而不能保证低温工况下的经济性，总 体上讲此时系统的c o p 下降幅度是非常大的，随着转速的增加还会相应带来噪声的增加、 对压缩机制造工艺要求的提高，此外系统高频运行时的回油问题、电磁兼容问题以及昂贵 的变频器价格都是这一方案大规模推广的一个障碍。 日本k a t s u j i y a m a g a m i 在1 9 9 9 年提出利用燃油、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 2 所示1 8 】。在这个系统中燃气、燃油加热的工 作方式主要有两种：在供暖时停止热泵系统运行，仅启动送风系统，依靠燃料在空调器中的 燃烧器中燃烧，加热流过的空气，从而送出暖风：在供暖时热泵系统仍然运行，室# b e t 组 内的燃气、燃油加热器加热室外蒸发器，制冷剂将吸收到的热量以及压缩机所做的功一并 带到室内。这一系统型式较为复杂，燃油系统需要配备储油罐等辅助设施，因此基于安全 性的考虑，同时系统冬季运行燃烧器投运时，系统获取的是有代价的热源，且也不是百分 之百的能够得到利用，其应用前景并不令人看好。 图1 2 燃油燃气辅助加热热泵空调 慧 罗 芦， 蔓 叛 译 s a m i s m 提出利用中央空调系统的排风或者回风中的热量去改变空气源热泵蒸发器表 面流过的空气的温度，以此改进空气源热泵的低温制热性能【9 1 。 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 第一章前言 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【螂。在冬季，用 放置在室外的空气源热泵冷热水机组制各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。整个系统通过水回路将 空气源热泵和水源热泵组成耦合的双级热泵供暖系统。采用这种系统结构的主要问题在于 极大的增加了系统的投资，同时，低温工况到正常工况之间的连续转化问题是它依然面对 的难题。 2 0 0 0 年马国远教授提出利用带辅助进气口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( 如图1 3 所示) ，并研制出原 型机，通过全面的实验研究发现：原型机能够在1 5 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 l - 切。 图1 3 带辅助进气口的低温空气源热泵系统示意图 低温空气源热泵机组的原理如上图所示，这种热泵系统与常规空气热源热泵循环的区 别就在于增加了补气辅助循环。在冬季制热工况下高压过热制冷剂蒸汽( 状态4 ) 从涡旋 压缩机排出后进入冷凝器，把热量传递给室内空气( 产生制热效果) 后，制冷剂降温变为 饱和或过冷的制冷剂液体( 状态5 ) 。接着，高压过冷制冷剂液体分为两路：一路是补气循 环，制冷剂经膨胀阀l 节流降压，部分气化( 状态8 ) ，同时温度也随之降低，压力变为中 间压力p m 。而后进入经济器，与另一路的高温制冷剂进行热量交换，使其过冷( 状态6 ) 。 而补气回路制冷剂气化后( 状态9 ) 通过压缩机蒸汽喷射口喷入压缩腔。另一路是普通循 环，制冷剂在经济器过冷后( 状态6 ) 经膨胀阀2 节流降压( 状态7 ) ，后进入蒸发器( 状 态1 ) ，在其中低压沸腾，最后通过压缩机吸气口进入吸气腔。从压缩机吸气口吸入的制冷 剂蒸汽被压缩到2 状态，此时压缩腔与蒸汽喷射口相通，此后边补气混合边压缩，直到补 气压力低于压缩腔压力或蒸汽喷射口与压缩腔脱离( 状态3 ) ，补气过程结束，而后继续压 缩到冷凝压力( 状念4 ) ，通过压缩机排气口排出，继续下一个热泵循环。如果没有补气回 第一章前言 路，制冷剂蒸汽从压缩机吸气口吸入后将被直接压缩到冷凝压力( 状态4 ) 。 这种系统较普通热泵系统的主要受益体现在：气态制冷剂的喷射可以降低排气比焓 ( h 4 一h 4 ) ，从而可以降低涡旋压缩机的排气温度( t 4 一t 4 ) ，同时把单级压缩变为准二级压 缩，这样可避免机组应用于低温工况下由于压缩比增大而使系统不能正常工作的问题；而 且，制冷剂的喷射可增加涡旋压缩机的排气量，从而提高热泵系统总的制热量：同时，补 气循环的高压液体在经济器内蒸发( 8 9 ) ，使得主路的高压液体得到进一步过冷( 5 6 ) ，从 而单位制冷量增加，且流经蒸发器的制冷剂质量不变，所以该系统应用于夏季制冷时，总 制冷量将增加；当然，由于制冷剂的喷射，涡旋压缩机补气后的制冷剂量增大，这使压缩 机总的功耗有所增加，不过增长率要小于制热量和制冷量的增加，故系统制热和制冷性能 系数将增加。因此，补气回路的制冷剂喷射除了可提高涡旋热泵系统的变工况低温制热性 能外，对于变工况高温制冷同样适用。 对于空气源热泵而言，衡量改进方案优劣的一个很重要的标准就是：系统是否简单可 靠、易于实施。系统能否兼顾正常工作情况以及极端工作情况下的系统性能。从这个角度 出发，涡旋压缩机准二级压缩热泵系统应该是一个最为经济合理的方案。但是在这一技术 具体工程实施时，还有一系列问题需要解决：如何确定在不同的外界工况条件下最优的涡 旋压缩机辅助进气口位置，准二级压缩热泵用涡旋压缩机如何根据实际情况确定合理的运 行模式等等。本文将就这些问题进行较为详细的理论分析，实验验证，解决这些问题。 1 2 2 准二级压缩制冷循环研究的现状与进展 准二级压缩制冷系统是受二级压缩、一级节流经济器或者二级节流经济器制冷循环可 以提高制冷系统制冷效率的启发，并随着螺杆压缩机的出现在冷冻工程中得到实际应用 1 s - 2 s 1 。对于准二级压缩循环的理论研究，重点首先应该集中于压缩机补气一压缩热力过程 的研究。对于不含中间补气的压缩机而言，压缩过程可以简单概括为一个多变压缩过程。 但是当压缩机增设补气口后，增加了一个补气一压缩的过程，使其压缩过程变得比较复杂。 在文献中前苏联学者a b bb iko b1 2 9 l 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、中问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。 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 第一章前言 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 正比于回路的压力与开始混合式工作腔中的压力【3 0 1 。 在文献p l j 2 】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 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 0 3 1 。 j a i ns i d d h a r t h 和j a i ng a u r a v 定量分析了在应用于空调及制冷场合时，在涡旋压缩机中 应用蒸气喷射技术带来的潜在优势。蒸气喷射将压缩过程划分为两个阶段，减小压缩机功 耗和降低蒸发器吸气流量，从而提高其容量。另外比较了两套均采用涡旋压缩机并且同为 三冷吨容量的系统( 一套使用蒸气喷射技术而另一套则不使用) 。建立了一个多级压缩机 模型，考虑了过压缩和欠压缩并根据一个单级系统得到了验证。详细的数学模拟模型预测 表明，对于空调系统来说c o p 将提高约6 8 ，而压缩机排量将降低1 6 1 3 4 1 。 日本的a s i tk d u t t a 从实验和理论方面研究了液体制冷剂喷射对涡旋压缩机的基本和 实际的影响。在理论分析过程中，在考虑汽缸到吸气口的传热情况下，分析气液混合物的 压缩模型，混合物由压缩和喷射制冷剂组成。为了研究液体制冷剂对压缩机性能的基本影 响，在保持油温稳定的条件下进行实验，并把结果与理论相比较。实验结果表明：喷射增 加了压缩能力，减小了压缩机的频率，而这取决于喷射制冷剂的传热效果。另外，还研究 了在不控制油温的实际运行情况下，液体制冷剂喷射涡旋压缩机的性能。在这种情况下， 由于喷射液降低了润滑油和汽缸的温度，压缩机性能较控制油温时要高m j 。 另外，清华大学的马国远教授提出一种适合寒冷地区使用的热泵空调系统，该系统采 用带辅助进气口的涡旋压缩机，在低温工况时通过辅助进气口向压缩机工作室喷制冷剂， 以此改善热泵内部压缩过程来提高热泵的低温性能。对寒冷地区空调用热泵系统的样机进 行了试验研究，结果表明：在1 0 一1 5 的低温环境中，该系统仍具有较高的制热 能力和供暖温度，能够满足寒冷地区冬季的采暖要求；中问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，因此可以提高系统的制热性能系数，明显降低压缩机的排 气温度。 第一章前言 要想准确揭示准二级压缩热泵用涡旋压缩机工作过程的实质，必须仔细了解准二级压 缩循环的压缩机的内部压缩过程，从压缩机的工作机理出发建立相应的模型，分析各种元 素对准二级压缩热泵用涡旋压缩机的影响。对于准二级压缩热泵用涡旋压缩机，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。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热泵用涡旋压缩机的数学模型是一项具有实际意义的工作。 1 3 本文的研究思路与主要工作 由于目前对于准二级压缩热泵用涡旋压缩机的性能研究还不够深入，对一些关键问题， 如辅助进气口的位置对准二级压缩热泵用涡旋压缩机性能的影响如何还不是很清楚。因 此，本文以准二级压缩空气源热泵系统用涡旋压缩机为例，进行准二级压缩热泵用涡旋压 缩机的理论和实验研究，研究改进准二级压缩热泵用涡旋压缩机制热性能的理论和方法， 从而促进该项技术能够规模应用。整个课题的工作思路如下： ( 1 ) 从准二级压缩热泵系统涡旋压缩机的工作机理出发，考虑到压缩机补气过程时间 较短、容积变化较大的特点，此外，再考虑到补气压力差等因素，建立了包含影响压缩机 性能的主要因素且适用于准二级压缩热泵用涡旋压缩机的数学模型； ( 2 ) 根据所建立的数学模型，对准二级压缩热泵用涡旋压缩机进行仿真模拟计算，从 理论上对准二级压缩热泵用涡旋压缩机和单级压缩热泵系统用涡旋压缩机进行性能对比， 分析准二级压缩热泵用涡旋压缩机的优势； ( 3 ) 在准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论数据的基础上，分析补气口的位置对准二 级压缩热泵用涡旋压缩机性能的影响； ( 4 ) 在理论分析的基础上，设计出准二级压缩热泵用涡旋压缩机实验方案，进行一 系列原型机性能测试，通过对实验结果的分析，验证理论分析的结果和修正理论分析的方 法，弄清楚准二级压缩热泵用涡旋压缩机的内在规律。 本课题的研究成果可以有效改进空气源热泵用涡旋压缩机在环境温度较低的情况下 的工作性能，扩大了空气源热泵的使用范围，这对于暖通空调的可持续发展有重要意义， 同时这一技术对于调整地区能源结构、解决电力结构性过剩以及降低能源消费对环境带来 的负面影响也有较深远的效果。 第一章前言 1 4 本章小结 本章首先分析了进行空气源热泵低温制热性能研究的背景和意义以及造成空气源热 泵在低温制热能力较差的原因，介绍了国内外在改进空气源热泵低温性能发面所作的一些 努力及存在的问题，通过综合的比较，得出带经济器的准二级压缩空气源热泵系统是e l 前 较为经济、有效的改善措施。而后介绍了国内外学者在准二级压缩循环用压缩机方面已有 的理论研究，指出这些研究存在的问题和不足。最后，在此基础上提出本文的主要研究思 路和工作。 第二章准二级压缩熟泵用涡旋压缩机的理论分析 第二章准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论分析 与常规的空气源热泵系统相比，使用带补气口的涡旋压缩机以后，热泵系统的工作特 性会发生一些变化：补气回路的存在使得流过冷凝器的制冷剂流量增加，可以增加涡旋压 缩机的制热量，但是我们关心的不仅仅是涡旋压缩机的制热量，而更加关心的是涡旋压缩 机的制热能效。和准二级压缩热泵用涡旋压缩机的性能直接相关的因素有补气口的位置和 补气压力的大小等因素，如何合理确定这些因素，使得研制的准二级压缩热泵用涡旋压缩 机具有更好的性能? 这些问题是本章的理论分析试图解决的。 本章首先详细分析了准二级压缩热泵涡旋压缩机的工作过程，根据涡旋压缩机固定容 积比的特点以及整个补气混合过程容积变化较大的特点提出能够反映准二级压缩热泵系 统涡旋压缩机工作过程特性的数学模型，推导出准二级压缩热泵用涡旋压缩机的最优的辅 助进气口位置，分析了辅助进气口位置为最优的情况下准二级压缩热泵用涡旋压缩机的制 热性能。 2 1 数学模型的建立 2 1 1 普通涡旋压缩机的工作过程 涡旋式压缩机是回转式压缩机的一种( 图2 - 1 ) 。它发明于1 9 0 5 年，但直到8 0 年代初 才在日本首次应用到制冷及空调领域中【矧。因此，目前还是一种较为新型的制冷压缩机。 涡旋压缩机主要由两个涡旋盘相错1 8 0 0 对置而成，其中一个是固定涡旋盘，而另一个是旋 转涡旋盘，它们在几条直线( 在横截面上则是几个点) 上接触并形成一系列月牙形容积，如 图2 2 所示。 第二章准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论分析 图2 ，1 涡旋压缩机 图2 - 2 涡旋压缩机压缩过程示意图 当偏心轴推动动涡盘中心( 动涡盘基圆中心) 绕静涡盘中心( 静涡盘基圆中心) 作半 径为r 的圆周轨道运动时，这些封闭的容积腔相应地扩大或者缩小，由此实现气体的吸入、 压缩、排出过程。一般的空调、热泵用涡旋压缩机动、静涡盘的涡旋型线为3 圈，吸气结 束时共有三对封闭的压缩腔，对应的主轴转角为o o 其中最外边的一对压缩腔中的气体容积 第二章准二级压缩熟泵用涡旋压缩机的理论分析 就是行程容积；中间的一对压缩腔中的气体容积为主轴旋转一周后的容积；最内的一对压 缩腔为中心压缩腔，为排气腔。当主轴转角增加时，吸气过程开始，三对封闭容积同时缩 小，最内的一对处于排气过程，另两对为压缩过程。当主轴转角增加到排气角0 ，时，中间 一对封闭压缩腔的气体容积，即为压缩终了时的容积，该压缩腔与中心压缩腔相通，构成 最大的中心压缩腔容积；最外的一对压缩腔中的气体容积仍在缩小。气体继续受到压缩， 同时吸气容积仍在增加。此时涡旋压缩机的封闭容积腔只有两对；一对压缩腔与一对排气 腔。当主轴转角进一步增加，直至3 6 0 0 时，又恢复为三对压缩腔，吸气过程结束。 这种压缩机多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容 积效率高达9 0 一9 8 ；没有吸、排气阀，运转可靠，且特别适应于变转速运转和变频 调速技术；动涡盘与主轴等运动件的受力变化小，整机振动小；由于吸排气过程几乎连续 进行，整机噪声很低1 3 6 - 3 s l 。工程上动、静涡盘的最常用的型线一般是圆的渐开线，但是不 同的厂家在靠近排气口附近的型线处理会略有不同，这部分修正的型线直接影响到开始排 气角的位置，由于种种原因，这部分资料很难得到，在本文分析中只进行了涡旋压缩机型 线全部为圆的渐开线的情况的理论分析。 2 1 2 准二级压缩热泵用涡旋压缩机的数学模型 在涡旋压缩机进行压缩时，准二级压缩热泵用涡旋压缩机与常规空气热源热泵用涡旋 压缩机最大的区别在于增加t $ b 气过程，使其影响因素变得较为复杂，不能简单的简化为 多方压缩过程，其压缩过程分为三个阶段，如图2 3 ： 5 t o gp 硫程四m i i 萱环囝 图2 3 带辅助进气口的低温空气源热泵系统 h 第二章准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论分析 2 1 2 1 涡旋压缩机准二级的压缩过程 ( 1 ) 补气前的压缩 当制冷剂蒸气( 状态1 ) 被封入压缩机压缩腔后，压缩过程开始。随着动涡盘的旋转，封 闭的压缩腔达到补气口位置，制冷剂蒸气被压缩到2 状态，一级压缩过程结束。这时，压缩腔 内制冷剂的状态为： 容积比： f 1 - 2 一v t v 2 = ，v 2( 2 1 ) 压力方程： p 22e v 5 1 - 2 ) 。 ( 2 2 ) 温度方程： t 22 正( 己只) ”帅 ( 2 3 ) 压缩功： w i - 2 。h 2 - h , ( 2 4 ) 式中：8 - 一：吸气腔刚开始闭合时工作腔的容积和补气开始时工作腔的容积比，即 补气前的压缩过程的容积比( 无量纲数) v ，吸气腔刚闭合时的制冷剂比容，m 3 k g 1 ，补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的比容，m 3 k g k 涡旋压缩机吸气容积，历3 以补气前的压缩过程结束时工作腔的容积，m 3 只吸气腔刚闭合时的制冷剂压力，l 【p a 只补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的压力，k p a 正吸气腔刚闭合时的制冷剂温度，k t 补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的温度，k 叩v 容积效率 i r 一多方压缩指数 w 一补气前的压缩过程的比压缩功，k j k g | i l ，吸气腔刚闭合时制冷剂的比焓，k j k g ：补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的比焓，k j k g ( 2 ) 中间补气过程 流经经济器的制冷剂蒸汽( 状念9 ) 通过补气口进入压缩机压缩腔，与腔内状念2 的 第二章准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论分析 原有气体进行混合，而后边补气边混合边压缩，直至工作腔与补气i 3 脱离，补气过程结束。 这时工作腔内的气体状态己由补气前的点2 变为补气后的点3 ，质量也由q 。增加到q 。，增 加部分吼。q ，一吼即为补气过程所补进工作腔内的气体量，称为补气量。对于中间补气过 程引入两个基本假定：1 补气过程进行得非常迅速，可认为在瞬间完成；2 认为此过程为 绝热的等容混合过程。应用变工质的热力学第一定律，可得下列方程： 相对补气量：口1 ：生。 q r ! 二垡。璺t 2 ( e 9 - e 2 ) ( 2 5 ) 等容假定： v 2 。( 1 + a ) v ， ( 2 6 ) q b 补气管路制冷剂流量，k g h ； q p 压缩机出口制冷剂流量，k e j h q 一压缩机进口流量，k 蚰 亏补气过程的压力损失系数 v 2 、v 3 点2 、3 的制冷剂比容，m 3 k g r 喃4 冷剂气体常数，l o ( k g + k ) k 一制冷剂等熵指数 最、最点2 、9 的制冷剂压力，k p a 根据经济器的能量平衡方程，经济器能够供给的相对补气量可以表示为： a ：；皇盘( 2 - 7 ) h 9 一h 5 h 5 、h 6 、h 9 点5 、6 、9 $ i i 令i i i ii i i ，l d k g 增加经济器后，涡旋压缩机存在一个充气一压缩过程，而补气过程中的压缩功较难确 定。由于涡旋压缩机的补气过程持续时间很短，因此分析时可将补气过程近似看作是绝热 的。在补气过程中，压缩机工作腔的容积不断缩小，同时由于补气作用又使工作腔内制冷 剂质量持续增加，再考虑到补气压力差和补气孔口通道面积不断变化，致使补气质量流率、 压缩腔内工质数量及其状念参数均不断变化，因此，压缩机的补气一压缩过程实质上是一个 在容积不断变化的变质量系统内进行的非稳定流动过程。 本文把所研究的具有补气一压缩过程的压缩腔容积抽象为如图2 所示的非稳定流热力 系统。设在微元dt 时间内，由旋转压缩引起的工作腔容积变化为d v ，经补气：i l m 补入 的气体质量为d m ，比焓为d h ，温度为t ，从相邻高压工作腔泄漏流入控制体的气体质量 第二章准二级压缩热泵用涡旋压缩机的理论分析 为d m ”，比焓为d h ”，温度为r ，从控制体泄漏流出的气体质量为d m ，比焓为h ，温度为t 。 系统内的质：黜d m s y s ，工质内能增量为d u ，在微元dt 时间内系统与外界交换的 功为6w = p d v 。因为过程进行得很快，系统与外界的热交换量忽略不计即6q = 0 ，不 考虑气体工质的流动动能和位能的变化，并设气体符合理想气体的性质。 图2 - 4 补气过程热力系统图 依质量守恒定律得： d m 。a d m + d m 。一d m 依能量守恒定律得： d ui6 形+ h d i n + h d m ”一h d