涡旋压缩机制冷剂喷射过程
摘要：本文利用实验和模拟方法研究了制冷剂喷射对涡旋压缩机内部参数和性能的影响。文章揭示了涡旋压缩机制冷剂喷射过程的热力学实质；全面考察了制冷剂喷射对涡旋压缩机性能的影响规律，并提出了以压缩机效率为优化目标的制冷剂喷射的最优喷射压力的概念。
1 引言
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。
2 研究方法
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。
3 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。
至此，本节已经研究了制冷剂喷射过程的时间特征和热力学特征，得出一个重要结论：制冷剂的喷射过程是一个连续变参数的“绝热节流＋等压混合”时变过程。
3.2 制冷剂喷射参数对涡旋压缩机性能的影响
制冷剂喷射参数主要包括喷射状态、喷射口参数和压缩机特性。喷射状态主要是指喷射压力和喷射比焓。喷射口参数主要包括喷射口面积、喷射口位置和是否采用单向阀三个因素。对于给定的压缩机，压缩机特性主要是指压缩机转速。实际上，制冷剂喷射过程中直接影响压缩机性能的因素主要有三个：喷入制冷剂的状态、喷入量和喷入位置。喷入制冷剂的状态由喷射制冷剂比焓决定。因为无论喷射压力是多少，喷射到腔内的制冷剂的压力将与此时腔内的压力相等，所以喷入制冷剂的状态由喷射制冷剂的比焓和此时的腔内压力决定。喷入位置由喷射口参数确定。改变喷射口三个参数将能改变喷入制冷剂量在喷射过程中的分布，最终影响喷射压缩机的性能。而喷入量受到上述各个因素的影响。
容积效率和压缩机总效率是在工程计算中压缩机两个最为重要的参数。对于全封闭压缩机，压缩机总效率包含了压缩机的电机效率、机械效率和指示效率。电机效率和机械效率与压缩机运转频率等有较大关系，而受其他因素影响较小，因此，当压缩机频率恒定时，指示效率的变化即可表征压缩机总效率的变化。相对于无喷射压缩机，喷射压缩机由于有中间制冷剂加入或者泄出，不可能用常用的关系式[4]来描述压缩机的容积效率和指示效率，所以必须给出新的定义。
定义1：制冷剂喷射压缩机的容积效率是指压缩机排气制冷剂流量中扣除喷入制冷剂流量后与压缩机理论输气量的比值。用于表征制冷剂喷射压缩机的制冷剂输运效率。即
其中，minj为压缩机喷射制冷剂流量。
定义2：制冷剂喷射压缩机的指示效率是指将吸气口和喷射口进入压缩机的制冷剂等熵压缩到排气压力所需功率与实际内压缩功率的比值。它是制冷剂喷射压缩机压缩过程接近等熵压缩过程的标识。由 下式表示：
其中，hdis,isen,pocket(θ)为压缩过程转角为θ时，喷入制冷剂从腔内压力等熵压缩至排气压力时的比焓，由于腔内压力随转角变化，因此hdis,isen,pocket(θ)也随转角变化。hinj为喷射制冷剂比焓。分析可以发现：式(3)和(4)是对压缩机容积效率和指示效率更为通用的定义式，是对传统定义的延伸和拓展。
喷射压力是指喷射口前的制冷剂压力。图8给出了喷射压力对压缩机性能的影响结果。
图8(a)为蒸发温度-10℃时喷射过程的p-V曲线。可以看出，压缩过程的多变指数随喷射压力的提高逐渐增加(曲线变陡);当喷射为逆向(抽气)时，多变指数小于无喷射状态。
图8(b)为压缩机相对功率随喷射压力的变化关系。可见，压缩机功率随喷射压力的增加逐渐提高，但增加速度受喷射流量限制而逐渐减小;当喷射过程为放气时，压缩机功率小于无喷射时的功率。
图8(c)所示为p-h曲线随喷射压力的变化情况。由于喷射制冷剂比焓小于压缩腔内制冷剂比焓，故随喷射制冷剂流量的增加，压焓曲线逐渐向内侧偏转，导致排气比焓降低、温度下降。
从图8(d)中可以看出，随喷射压力的增加，腔内压力也增加，导致外泄漏增加，容积效率降低。
图8(e)为压缩机指示效率随喷射压力的变化情况。从中可以发现：喷射压力的改变对于不同工况的影响完全不同。对于低温工况，随喷射压力的增加指示效率逐渐增加，但上升趋势逐渐减缓;当蒸发温度为-10℃时，随着喷射压力的提高，压缩机指示效率先上升后下降，在喷射压力为0.9MPa时取得最大效率;而在高温工况下，喷射压力增加时，其指示效率刚开始几乎不变，而后迅速下降。
将图8(e)扩大计算范围并整理成内压比与外压比的比值的函数，并绘制成图8(f)，可以看出，三种工况下压缩机均在内外压比之比为0.78~0.83时取得最大指示效率。
实际上，制冷剂喷射导致压缩机指示效率提高的关键在于内容积比效率的提高。假设无制冷剂喷射时压缩机的指示效率为：
其中Pth为无喷射等熵压缩功率，Pin为无喷射实际压缩功率。采用制冷剂喷射后，等熵压缩功率和实际功率变为有喷射等熵压缩功率和有喷射实际压缩功率，分别增加∆P1和∆P2，此时压缩机指示效率为：
由比例的拆分定律可知，欲使 ，则需要满足
即喷射导致压缩机指示效率增加的充要条件是：喷射增加的等熵功率与增加的实际功率的比值大于压缩机无喷射时的等熵效率。可以看到，随着喷射压力的不断变化，压缩机的指示效率也随之发生变化。喷射过程中压缩机的最大指示效率点应该满足式(7)的微分形式：
式中的pinj,opt,ind是指在喷射过程中压缩机的指示效率达到最大时的喷射压力。此时，压缩机的内外压比之比有重要含义。
定义3：最优喷射内外压比之比表示当喷射过程中压缩机达到最大指示效率时压缩机的内压比与外压比的比值。即
当压缩过程为理想的等熵过程时，实际压缩线将与等熵线重合，当内排气压力小于外排气压力时(欠压缩)，喷射导致等熵功率增加量一定大于实际功率的增加量，即ΔP1/ΔP1>1，而此时压缩机的指示效率小于1，故随着内排气压力的提高，压缩机的指示效率将持续增加;当内压比等于外压比时，压缩机的指示效率达到最大(=1)，如果此时再增加喷射，将导致实际功率增加量大于等熵功率增加量，指示效率降低;进而，当压缩机处于过压缩时，增加喷射也将造成指示效率降低。由此，等熵压缩过程的最大指示效率将出现在内外压比相等的喷射状态，即：对于压缩过程较为接近等熵压缩的涡旋压缩机而言，喷射使压缩机内、外压比相等时压缩机的指示效率达到最大。
至此，制冷剂喷射压力对涡旋压缩机内部参数及其性能影响的研究已基本完成，研究提出了以压缩机效率为优化目标的制冷剂喷射的最优喷射压力的概念。由于篇幅所限，其他制冷剂喷射参数对涡旋压缩机性能的影响在此不再赘述。
4 结论
本研究以模拟仿真为基本手段，结合实验结果，分析了涡旋压缩机制冷剂喷射过程的特征，揭示其制冷剂喷射过程的热力学实质，澄清目前人们对涡旋压缩机制冷剂喷射过程不够准确的认识。以此为基础，全面研究了制冷剂喷射特征参数对涡旋压缩机性能的影响，提出了以压缩机效率为优化目标的制冷剂喷射的最优喷射压力的概念，为制冷剂喷射系统的优化设计与控制奠定基础。
参考文献
[1] 张国强, 龚光彩, Faribo rz H, 等. 能源、环境与制冷空调. 制冷学报, 2000, (3): 1-6
[2] 王宝龙. 制冷剂喷射涡旋压缩机及其应用研究[博士学位论文]. 北京: 清华大学建筑技术科学系, 2006
[3] 李连生. 涡旋压缩机. 北京: 机械工业出版社, 1998.3
[4] 彦启森, 石文星, 田长青. 空气调节用制冷技术. 北京: 建筑工业出版社, 2004
