制冷剂在涡旋压缩机喷射过程

一 前言

建设节约型社会是我国目前的重要任务，然而我国目前的建筑能耗已高达全国总能耗约20%，其中，采暖和空调能耗约占建筑能耗的85%[1]。随着我国采暖空调系统数量迅速增长，其能耗在总能耗中的比例将进一步增大，这直接加大能源供需矛盾，威胁国家能源安全。热泵是一种冷热同源的设备，不但能满足同一房间不同时间的制冷和采暖需求，而且还可通过热回收技术满足不同房间同一时间的制冷和采暖需求。

然而，目前的热泵系统普遍采用具有固定容积比的回转式压缩机，当实际运行工况远远偏离设计工况，压缩机效率明显下降。同时，由于热泵系统的换热器是在标准设计工况下配置，当设计工况与运行工况相差较大时，换热器效率也将出现较大的下降。上述原因综合造成热泵系统偏离设计工况时系统性能的下降，甚至不能正常工作。因此，研究热泵系统在大范围变工况运行时的适应性是热泵研究的重要课题。分析造成热泵系统大压比工况性能下降的原因及现有的解决办法[2]可以发现：制冷剂喷射技术是一项能有效提高热泵系统大压比工况适应性的综合技术手段。

根据喷射口制冷剂状态的不同，制冷剂喷射可分为液态制冷剂喷射(图1)和气态制冷剂喷射(图2)两类。气态制冷剂喷射系统又称经济器系统。

由液态制冷剂喷射系统的基本原理可以看出：液态制冷剂喷射能降低排气比焓，从而降低压缩机的排气温度，保证压缩机的安全运行。同时，由于压缩机内油温的降低，油的密封性变好，提高了压缩机的容积效率。另外，压缩机出口比焓的降低也提高了冷凝器的冷凝效率。气态制冷剂喷射除包含液态制冷剂喷射的所有优点外，还降低了蒸发器进口的比焓，提高了蒸发器内单位制冷剂换热量。因此，制冷剂喷射对于提高热泵系统在大压比工况下的性能有重要意义。

然而，实现制冷剂喷射热泵系统优化设计和控制的前提条件是对涡旋压缩机制冷剂喷射过程的物理实质的深入了解和对制冷剂喷射对涡旋压缩机内部参数和性能的影响规律的全面认识，以及在此基础上的以压缩机效率为目标的制冷剂喷射参数的优化研究。与无喷射涡旋压缩机的定质量多变压缩过程不同，具有制冷剂喷射的涡旋压缩机的压缩过程具有明显的变质量特征。制冷剂喷射过程的时间和热力学过程需要进一步深入研究。因此，本研究的目标在于研究分析涡旋压缩机制冷喷射压缩过程的物理实质，全面考察制冷剂喷射对涡旋压缩机内部参数和性能的影响并分析压缩机效率最高时的喷射条件。

二 研究方法

本文采用模拟仿真和实验相结合的方法对涡旋压缩机制冷剂喷射过程进行研究。

研究建立了内压缩过程动态测量和系统性能测量两个层面的实验台，用于研究制冷剂喷射对涡旋压缩机内压缩过程和涡旋压缩机制冷系统宏观性能的影响。

涡旋压缩机动态内压测量系统是否能够及时拾取被测压力信号的高频分量是动态测量成败的关键。因此，在动态内压测量系统的设计中要谨慎进行被测压力信号的频谱分析，恰当设计压力引导系统，准确选择压力传感器的类型和结构。经研究，制冷剂喷射涡旋压缩机内压缩过程测量系统如图3所示。以上述方法建成的涡旋压缩机及其测试系统为基础，配置其他部件构成系统，再设置相应的实验工况保证系统，则构成制冷剂喷射涡旋压缩机系统实验台，如图4所示。

建立反映制冷剂喷射对内压缩过程影响的涡旋压缩机动态模型是开展制冷剂喷射涡旋压缩机研究的核心工作。由于涡旋压缩机内压缩过程中的只有压力一个动态参数可以测量，因此，对涡旋压缩机动态压缩过程的建模相对与普通系统的模拟更具有其不可替代性。

本研究建立了一个适于在涡旋压缩机制冷剂喷射研究中使用的压缩机模型，其特征在于：适用于气相、两相和液相制冷剂喷射研究和吸气两相研究;包含从吸气到排气全过程;可用于含有/不含有背压结构的涡旋压缩机等。

公式(1)、(2)所示分别为压缩腔内气态制冷剂[3]和液态制冷剂的能量控制方程。结合质量控制方程和其他辅助模型，可以建立涡旋压缩机的动态模型。将动态喷射涡旋压缩机模型与系统其他部件耦合求解，便可实现制冷剂喷射系统仿真。

三 结果与讨论

3.1 涡旋压缩机制冷剂喷射过程的特征

目前，较多的文献将涡旋压缩机制冷剂喷射过程当作两级压缩中间补制冷剂的过程处理，即：压缩机首先按照等熵压缩到一定压力后停止转动，制冷剂喷射口打开，中间压力制冷剂通过喷射口进入压缩腔，喷射一定量的制冷剂后喷射口关闭，压缩机再进行等熵压缩直至结束。并且对于中间混合过程的认识也不尽相同，有些研究者认为是“等压混合”，有些研究者则认为是“等容混合”

实际上，对于涡旋压缩机这类回转式压缩机，从喷射过程的几何特征上讲，制冷剂喷射不可能在瞬间完成，喷射过程将持续3π/2~2π。对于涡旋压缩机制冷剂喷射过程的测试和模拟仿真均表明涡旋压缩机的制冷剂喷射过程贯穿了压缩过程的较长时间，并且喷射参数自身及其对压缩机内部参数的影响也随着喷射过程的进行发生变化。

图5所示为蒸发压力为0.33MPa、冷凝压力为1.51MPa、喷射压力为0.65MPa工况下，有/无制冷剂喷射时腔内压力随转角的变化。实验和仿真结果非常吻合，并且都表明制冷剂喷射并未造成如“瞬态喷射”所预计的对压缩腔压力强烈而短暂的冲击影响，实际喷射对压缩腔压力的影响是缓变而长期的。

图6所示为制冷剂喷射对压缩腔内各参数的影响的仿真结果。可以看到，除腔内压力外，制冷剂喷射同样造成腔内制冷剂温度和腔内制冷剂量等参数的长时间连续变化。

综上所述，无论是从喷射的几何特征，还是喷射对腔内参数的影响以及喷射参数自身的变化来看，都不能将涡旋压缩机的喷射过程当作“瞬态喷射”来处理。涡旋压缩机的制冷剂喷射过程具有鲜明的时变特征。

实际上，对于喷射口面积很小的涡旋压缩机而言，喷射过程中喷射口对制冷剂的节流作用非常明显，而且进入压缩机的制冷剂的压力与腔内压力相差无几，两者随后发生“等压混合”。因此，考虑到喷射过程的腔内压力和喷射流量的变化，涡旋压缩机制冷剂喷射过程是一个变参数的“绝热节流+等压混合”过程。其示意过程如图7所示：喷射口的制冷剂A绝热节流到与腔内压力相等的C点，随后与腔内制冷剂B等压混合至D点，经一个微元时间步长被压缩至B1点，再与节流到当前压力下的喷射制冷剂C1等压混合到D1再被压缩进入下一步。