殷翔　孫帥輝　曹鋒　束鵬程（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院　710049　西安）

吸氣噴液對(duì)渦旋壓縮機(jī)及系統(tǒng)性能的影響

殷翔孫帥輝曹鋒束鵬程
（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院710049西安）

為了研究吸氣噴液冷卻對(duì)渦旋壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)性能的影響，本文搭建了吸氣噴液回路實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并建立了含有泄漏和換熱損失的數(shù)學(xué)模型。研究了不同噴液流量和不同壓比下，壓縮機(jī)排氣溫度和系統(tǒng)制冷量以及COP的變化情況。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高，在低噴液量下，誤差在2.5％左右；在高噴液量下，誤差在10％左右。結(jié)果顯示：排氣溫度隨噴液量增大而降低，COP隨噴液量有微小提升后降低。噴液量較小時(shí)，可使排氣溫度降低14℃，而系統(tǒng)COP微小提升0.6％；噴液使得排氣溫度降低42℃時(shí)，可保證系統(tǒng)COP降低小于5％；高壓比下，吸氣噴液系統(tǒng)COP存在最佳值，且壓比越高COP降低幅度越小，吸氣噴液可以有效的用于降低壓縮機(jī)排氣溫度。

渦旋壓縮機(jī)；吸氣噴液；排氣溫度；COP

渦旋壓縮機(jī)因其自身高性能、小體積、高可靠性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于制冷行業(yè)，渦旋壓縮機(jī)的換熱研究和性能研究一直是制冷系統(tǒng)中研究的重點(diǎn)之一。在高壓比和高吸氣溫度下，渦旋壓縮的排氣溫度將會(huì)很高，導(dǎo)致壓縮機(jī)不能正常工作，而在其他性能要求不是很高的情況下，若采用外冷、經(jīng)濟(jì)器等方法將增加系統(tǒng)復(fù)雜性，提高設(shè)備成本，吸氣噴液在這種條件下將是一個(gè)很好的選擇。

吸氣噴液冷卻是通過(guò)降低吸氣溫度達(dá)到降低排氣溫度的目的。吸氣溫度的降低，吸氣過(guò)熱的消除，使得壓縮機(jī)容積效率提高。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)吸氣冷卻方式做了相關(guān)研究。Jacobs J J［1］最早采用R22熱管方式研究活塞壓縮機(jī)吸氣冷卻，得出吸氣溫度每降低5.55％，系統(tǒng)COP提高1.9％的結(jié)論。Afjei T等［2］通過(guò)在吸氣管?chē)娙胫评鋭┮后w降低渦旋壓縮機(jī)的排氣溫度，提高壓縮機(jī)應(yīng)用范圍。研究表明，吸氣干度的降低導(dǎo)致壓縮機(jī)容積效率和壓縮效率降低，但能量效率得到提升。Ooi K T等［3］采用數(shù)值方法研究高壓腔吸氣管換熱，指出高壓側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)較小，熱阻較大。材料對(duì)換熱的影響很小。在理論模型方面，Dutta A K等［4］提出了關(guān)于氣液混合的三種模型：液滴模型、均相模型和液擊模型，結(jié)果表明，吸氣過(guò)程中噴入液滴的過(guò)程，采用液滴模型和均相模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而液體含量較大時(shí)，液擊模型更準(zhǔn)確。Winandy E L等［5］則通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了噴氣和噴液對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，結(jié)果表明隨著噴氣比率的提高，壓縮機(jī)的制冷量和功都相應(yīng)增大，而系統(tǒng)COP變化不大；噴液可有效降低壓縮機(jī)排氣溫度，噴液比率每上升1％，排氣溫度降低1.2℃。Park Y C等［6］和Cho H等［7］研究了變轉(zhuǎn)速時(shí)，噴液對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果指出在高轉(zhuǎn)速時(shí)，噴液可以提高系統(tǒng)的性能并降低排氣溫度，而在低轉(zhuǎn)速下由于泄漏等原因?qū)е孪到y(tǒng)性能降低。Wang B L等［8-10］理論和實(shí)驗(yàn)研究了噴氣和噴液機(jī)理及對(duì)系統(tǒng)性能的影響，指出噴液過(guò)程不是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，而是一個(gè)絕熱節(jié)流及等壓混合的過(guò)程，帶有噴射技術(shù)的壓縮機(jī)達(dá)到最大效率時(shí)，內(nèi)壓比小于外壓比。張華俊等［11］理論分析了不同制冷劑的吸氣噴液循環(huán)，結(jié)果指出吸氣噴液可有效降低壓縮機(jī)的排氣溫度，不同制冷劑COP的變化趨勢(shì)有所差異，當(dāng)制冷劑為R22或R717時(shí)，COP存在最佳點(diǎn)。費(fèi)繼友等［12］在空氣源熱泵機(jī)組上研究吸氣噴液的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃，排氣溫度降低超過(guò)10℃，同時(shí)制熱量下降5％，COP下降小于7％。Cao Feng等［13］采用理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法研究吸氣噴液對(duì)熱泵性能的影響，推導(dǎo)了吸氣噴液下排氣溫度、制熱量和能效比的公式并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，指出蒸發(fā)溫度在-15～20℃之間，吸氣噴液可以在保證性能的前提下有效降低排氣溫度。王楓等［14］研究了噴液對(duì)半封閉式壓縮機(jī)性能的影響，指出噴液率的變化與制冷量及溫度的變化不是簡(jiǎn)單的線性比例關(guān)系，噴液毛細(xì)管的合理選擇，可以?xún)?yōu)化噴液量，在確保性能的前提下降低排氣溫度。但是其主要采用實(shí)驗(yàn)手段，缺乏一定的理論支持，且其他工況的應(yīng)用推廣性較弱。趙遠(yuǎn)揚(yáng)等［15］研究了噴水對(duì)渦旋空氣壓縮機(jī)工作特性的影響，指出在壓比為2.0時(shí)，能使排氣溫度降低40 K。空壓機(jī)水冷只涉及傳熱而不涉及傳質(zhì)，對(duì)系統(tǒng)影響也較為單一。而在制冷系統(tǒng)中，單從降低排氣溫度評(píng)判方法的可行性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)COP、制冷量等性能的影響還有待進(jìn)一步考究。吸氣噴液技術(shù)在理論計(jì)算方面，多忽略了泄漏和吸氣過(guò)熱的影響，一定程度的偏離了實(shí)際過(guò)程。鑒于此，吸氣噴液冷卻具有一定研究?jī)r(jià)值。

本文搭建了渦旋壓縮機(jī)的吸氣噴液系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和數(shù)學(xué)模型，在變壓比和變噴液量的條件下研究各項(xiàng)參數(shù)的性能；同時(shí)考慮泄漏的影響，數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究了吸氣噴液的各項(xiàng)性能參數(shù)，驗(yàn)證了吸氣噴液模型。分析了噴液量在各個(gè)壓比下對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，為吸氣噴液冷卻的優(yōu)化和應(yīng)用提供一定的參考意義。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為吸氣噴液回路實(shí)驗(yàn)臺(tái)，噴液支路從過(guò)冷器后節(jié)流閥前引出，工質(zhì)依次經(jīng)過(guò)視液鏡、渦輪流量計(jì)、節(jié)流閥后成為兩相流體，流進(jìn)吸氣管進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣腔。噴液處安裝有溫度和壓力傳感器，獲得噴液焓值。

噴液支路設(shè)有微量調(diào)節(jié)閥和微小流量計(jì)，型號(hào)分別為US-126P和LGWY-2，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)最小噴液量為0.015 m3/h，且管徑較小約2 mm，以保證噴液在湍流區(qū)。由于流量計(jì)的通徑較小，高的壓降致使流量計(jì)很容易被雜質(zhì)卡死，故而需從過(guò)濾器后引液，噴液支路的視液鏡用以觀測(cè)噴液是否為純液。

圖1　吸氣噴液冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 The experiment of the cooling under suction injection

吸氣噴液冷卻主要用于高壓比和高吸氣溫度下壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題。本文實(shí)驗(yàn)工況環(huán)境溫度控制在35℃，蒸發(fā)壓力在481～625 kPa之間，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度為-1～7.2℃。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1控制方程

噴液條件下，壓縮機(jī)吸氣腔內(nèi)大多情況下為氣液兩相的相變過(guò)程，涉及傳質(zhì)計(jì)算?？紤]計(jì)算可實(shí)現(xiàn)性，本文作以下簡(jiǎn)化假設(shè)：1）忽略油的影響；2）控制體內(nèi)的氣體假設(shè)為均態(tài)，泄漏和換熱都是瞬時(shí)均勻的；3）兩相流體認(rèn)為液滴被氣相包圍，即控制容積壁面只與氣相換熱，液相通過(guò)與氣相的換熱而蒸發(fā)；也即忽略液相與壁面之間的傳熱過(guò)程；4）忽略動(dòng)能勢(shì)能的影響。

渦旋壓縮機(jī)在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，諸多參數(shù)（如泄漏線長(zhǎng)度）是隨轉(zhuǎn)角變化著的，以轉(zhuǎn)角作為自變量可方便研究，此時(shí)，開(kāi)口系的能量和質(zhì)量守恒方程為：

式中：u為工質(zhì)的內(nèi)能，J；θ為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)角，rad；m為質(zhì)量，kg；為控制容積單位時(shí)間內(nèi)與外界交換的熱量，J；ω為角速度，rad/s；為進(jìn)入控制容積的質(zhì)量流量，kg/s；為流出控制容積的質(zhì)量流量，kg/s。p為壓力，Pa；V為壓縮腔體積，m3。工質(zhì)各個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系通過(guò)調(diào)用NIST獲得。

2.2泄漏模型

泄漏損失是不可逆損失，產(chǎn)生的熱量耗散等對(duì)壓縮機(jī)的各項(xiàng)性能都有一定影響。不考慮泄漏的等熵模型和考慮泄漏的實(shí)際模型，計(jì)算結(jié)果和各項(xiàng)參數(shù)變化關(guān)系都將產(chǎn)生較大區(qū)別?？紤]泄漏可使得計(jì)算模型的結(jié)果更貼近實(shí)際過(guò)程。因此建立與選擇泄漏模型至關(guān)重要，其中，處理好泄漏過(guò)程是模型建立的關(guān)鍵之一。

控制體積內(nèi)的泄漏情況與流體狀態(tài)及相鄰工作腔的狀態(tài)有關(guān)，工作流體有兩相和單相，故而泄漏大致分單相與單相的泄漏、單相漏入兩相、兩相漏入單相和兩相之間的泄漏。壓縮過(guò)程是一個(gè)增壓增溫的過(guò)程，工質(zhì)焓值不斷升高，因而兩相漏入單相是不存在的。對(duì)于單相漏入單相和單相漏入兩相的情況，本文按可壓縮流體噴管模型計(jì)算泄漏流量，不予詳細(xì)描述。

而兩相流體之間的泄漏采用文獻(xiàn)［16］給出的擬合關(guān)系式：

式中：Cd為流量系數(shù)；k為平均絕熱系數(shù)；p為壓力，Pa；v為比容，m3/kg；g為重力常數(shù)；x為上下游流體平均干度；下標(biāo)up表示上游；下標(biāo)do表示下游。

渦旋壓縮機(jī)的泄漏主要有內(nèi)泄漏和外泄漏，內(nèi)泄漏是工作腔之間的泄漏，外泄漏則是壓縮機(jī)與外界之間的泄漏。在考慮泄漏的計(jì)算中，所需求得參數(shù)為泄漏線長(zhǎng)度，泄漏分切向泄漏和徑向泄漏，切向泄漏線長(zhǎng)度即為渦圈的高度，而徑向泄漏線長(zhǎng)度相對(duì)比較復(fù)雜，徑向泄漏有3種形式：1）相鄰高壓腔泄入；2）泄入相鄰低壓腔；3）與外界的泄漏。每種形式在吸氣、壓縮、排氣每個(gè)階段，泄漏線長(zhǎng)度又有所不同。這里給出相鄰高壓腔泄入的泄漏線長(zhǎng)度分析，其他兩種形式與之相似。

當(dāng)θ*≤θ≤θ*+2π時(shí)，

控制容積處于排氣腔，不存在壓力更高的氣體，泄漏線長(zhǎng)度為0。

式中：L為泄漏線長(zhǎng)度，m；rb為基圓半徑，m；φ為漸開(kāi)線展角，rad；φe為壓縮終點(diǎn)漸開(kāi)線展角，rad；θ*為排氣轉(zhuǎn)角，rad。

2.3傳熱模型

傳熱模型主要考慮工質(zhì)和控制容積四個(gè)壁面之間的換熱，具體包括：靜盤(pán)下壁面、動(dòng)渦圈壁面和靜渦圈壁面。換熱模型中，根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算換熱量，最重要的是換熱系數(shù)的計(jì)算選擇。渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部壓縮腔形狀不規(guī)則，類(lèi)似月牙，很難測(cè)定壓縮腔壁面換熱系數(shù)，目前研究中多采用螺旋管的換熱系數(shù)近似計(jì)算壓縮腔換熱。文獻(xiàn)［17］采用矩形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬渦旋壓縮機(jī)壓縮腔容積變化，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而成的關(guān)系式具有一定的適用性，本文采用此關(guān)聯(lián)式計(jì)算制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)：

式中：D為當(dāng)量直徑，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m. K）；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；St為斯特勞哈數(shù)。

動(dòng)靜渦圈壁面溫度采用線性假設(shè)，各個(gè)壁面換熱量之和便是控制容積和外界之間的換熱量。

2.4求解方法

假設(shè)一個(gè)吸氣量，為了方便計(jì)算，首先在不考慮泄漏和換熱下，計(jì)算理想模型，獲得初值。確定一個(gè)轉(zhuǎn)角步長(zhǎng)，依次調(diào)用制冷劑物性參數(shù)、幾何模型、泄漏模型、傳熱模型，從θ=0°時(shí)，利用Runge-Kutta進(jìn)行計(jì)算下一個(gè)轉(zhuǎn)角控制容積內(nèi)能，從而獲得溫度、壓力等參數(shù)，并與上一轉(zhuǎn)角對(duì)比獲得誤差值，直到滿足計(jì)算轉(zhuǎn)角條件和計(jì)算誤差條件。其次，計(jì)算壓縮機(jī)吸氣量并與假設(shè)吸氣量對(duì)比，修正假設(shè)吸氣量直至假設(shè)吸氣量與實(shí)際計(jì)算吸氣量差值小于0.001。通過(guò)獲得的吸氣流量、噴液流量、溫度、壓力等參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)制冷量及COP。

3　結(jié)果討論

3.1吸氣噴液性能分析

吸氣噴液量對(duì)渦旋壓縮機(jī)的性能影響是比較大的，不同噴液量時(shí)，吸氣狀態(tài)參數(shù)不同，吸氣流量也不同。噴液量較大時(shí)，吸氣溫度降低，比體積降低，壓縮機(jī)的實(shí)際吸氣流量增大，但是流經(jīng)蒸發(fā)器的工質(zhì)流量和壓縮機(jī)功率變化不一定是單調(diào)的，所以制冷量和COP的變化情況單憑分析是不能確定的。

本小節(jié)分析是在蒸發(fā)溫度為1℃，壓比為4.17工況下進(jìn)行。系統(tǒng)的制冷量與流經(jīng)蒸發(fā)器的質(zhì)量流量是密切關(guān)聯(lián)的，圖2給出系統(tǒng)各部件質(zhì)量流量隨噴液量的變化關(guān)系?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算的總質(zhì)量流量都是隨噴液量增加而增加，因?yàn)閲娨毫拷档土?，吸氣溫度、吸氣密度變大，單位容積的質(zhì)量增加。噴液量為0.015 m3/h和0.085 m3/h時(shí)，相對(duì)于不噴液時(shí)壓縮機(jī)吸氣量分別增加了8％和33％。在低噴液量下，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值差異很小，誤差在2.5％左右；噴液量較大時(shí)，計(jì)算值誤差變大，最大誤差為10％。因?yàn)樵诘蛧娨毫肯拢瑑上嗄Ｐ透咏嗄Ｐ?，在高噴液量下，模型離均相模型較遠(yuǎn)，誤差較大。

圖2　總質(zhì)量流量和蒸發(fā)器質(zhì)量流量隨噴液量變化關(guān)系Fig.2 The change of the total mass flux and evaporator mass flux with the injection mass flux increasing

由于總質(zhì)量流量增加幅度不同，而蒸發(fā)器質(zhì)量流量等于總質(zhì)量流量與噴液量的差值，所以蒸發(fā)器質(zhì)量流量變化趨勢(shì)也不是單調(diào)的。實(shí)驗(yàn)工況下，蒸發(fā)器的質(zhì)量流量（圖2）在0～0.025 m3/h這一段噴液量下，變化差異很小，下降幅度約0.2％，噴液量達(dá)0.085 m3/h時(shí)，降幅較多，約11.6％。蒸發(fā)器質(zhì)量流量的變化即為制冷量的變化，制冷量不存在最佳值，那是因?yàn)閷?shí)際吸氣管和壓縮機(jī)高壓殼體焊接在一起，吸氣管吸收了管壁的溫度，混合流體吸收熱量焓值增大，導(dǎo)致吸氣流量的增加幅度小于噴液流量的增加幅度，故而蒸發(fā)器質(zhì)量流量有所降低。

吸氣噴液冷卻的主要目的是降低高吸氣溫度及高壓比工況下的排氣溫度，圖3給出了排氣溫度與噴液量的變化關(guān)系，可以看出，隨著噴液量的增加，排氣溫度大幅度降低，效果是可見(jiàn)的。相比無(wú)噴液工況，噴液量為0.015 m3/h時(shí)，排氣溫度降低了14℃；噴液量為0.085 m3/h時(shí)，排氣溫度降低了58℃。計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值總體變化趨勢(shì)一致，噴液量較大時(shí)，誤差較大，主要原因是在大噴液量工況下，噴液后流體含液量較高，在兩相區(qū)換熱計(jì)算誤差較大，吸氣溫度計(jì)算誤差較大，導(dǎo)致排氣溫度誤差較大。輸入功率的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值都是隨噴液量增大緩慢降低的（圖3），從無(wú)噴液到噴液量為0.015 m3/h和0.085m3/h，功率分別降低了0.8％和2％。即雖然吸氣噴液造成壓縮機(jī)的流量增大，但由于吸氣溫度的降低，壓縮機(jī)的功率仍是降低的。計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的吻合程度較高，最大誤差為2.5％。

圖3　排氣溫度和功率與噴液量的變化關(guān)系Fig.3 The change of discharge temperature with the injection mass flux increasing

實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的制冷量和COP隨噴液量的變化關(guān)系對(duì)比情況如圖4所示。實(shí)驗(yàn)工況下，噴液量從0增加到0.015 m3/h時(shí)，系統(tǒng)的制冷量有微小降低，而系統(tǒng)的COP有微小升高，升高幅度為0.6％。渦旋壓縮機(jī)采用高壓腔設(shè)計(jì)，排氣先流經(jīng)電機(jī)對(duì)電機(jī)冷卻后流出壓縮機(jī)，提升了電機(jī)效率，使得功率的降低幅度略大于制冷量的降低幅度，COP有微小提升。當(dāng)噴液量升高到 0.085 m3/h時(shí)，系統(tǒng) COP下降了10.6％。制冷量和COP的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值的差異與圖2蒸發(fā)器質(zhì)量流量的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值差異相似，在低噴液量下誤差比較小，在高噴液量下誤差較大。

縱觀系統(tǒng)排氣溫度、制冷量和排氣溫度與噴液量的變換關(guān)系，當(dāng)噴液量為0.015 m3/h時(shí)，排氣溫度降低了14℃，COP升高了0.6％，制冷量降低了0.2％；當(dāng)噴液量為0.25m3/h時(shí)，排氣溫度降低了23℃，COP升高了0.4％，制冷量降低了0.4％；噴液量為0.055 m3/h時(shí)，相對(duì)不噴液，排氣溫度降低了42℃，COP降低了4.2％，制冷量降低了5.4％?？偟膩?lái)說(shuō)，在保證系統(tǒng)COP的前提下（系統(tǒng) COP降低小于5％），選取噴液量為0.055 m3/h，可使排氣溫度降低了42℃（約降低了不噴液下排氣溫度的1/3），制冷量降低約5％。噴液效果在保證COP降低小于5％的前提下，對(duì)排氣溫度的降低效果是可觀的。

圖4　制冷量和COP與噴液量的變化關(guān)系Fig.4 The change of cooling capacity and cop with the injection mass flux increasing

3.2壓比變化的影響

渦旋壓縮機(jī)的內(nèi)容積比是固定的，壓比的變化會(huì)使壓縮機(jī)產(chǎn)生過(guò)壓縮和欠壓縮，從而造成壓縮機(jī)功率的上升。本文分析壓比對(duì)吸氣噴液系統(tǒng)的影響，實(shí)驗(yàn)中是保持排氣壓力不變，通過(guò)降低蒸發(fā)壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)壓比的變化。

不同壓比下排氣溫度隨噴液量的變化關(guān)系如圖5所示。在沒(méi)有噴液時(shí)，蒸發(fā)溫度越低，排氣溫度越高。隨著噴液量的增加，排氣溫度都有所降低，但降低幅度不同。當(dāng)噴液量為0.015 m3/h時(shí)，壓比為3.43（飽和溫度7.2℃）和4.45（飽和溫度-1℃）的排氣溫度相對(duì)不噴液分別降低了8.8℃和11.9℃，高壓比下排氣溫度降低的更多。

系統(tǒng)在不同壓比下，系統(tǒng)COP隨噴液量的變化關(guān)系如圖6所示。在壓比較低時(shí)，系統(tǒng)的COP隨噴液量下降而下降，而在壓比較高時(shí)，系統(tǒng)COP在低噴液量區(qū)域有微小上升，存在一個(gè)最佳值。噴液量從0升高到0.015 m3/h，不同壓比下系統(tǒng)COP的變化值分別為：-1.9％、-1.2％、-0.86％、0.1％、0.6％。這種變化趨勢(shì)說(shuō)明：當(dāng)壓比越大時(shí)，COP的降低幅度越小，能在更大噴液量下保持COP不降低。在高壓比下，能有效降低排氣溫度，保證系統(tǒng)COP降幅較小甚至有微小升高。

圖5　不同壓比下排氣溫度隨噴液量的變化關(guān)系Fig.5 The change of discharge temperature with the injection mass flux increasing under different pressure ratio

圖6　不同壓比下系統(tǒng)COP與噴液量變化關(guān)系Fig.6 The change of COP with injection mass flux increasing under different pressure ratio

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種吸氣噴液冷卻的渦旋壓縮機(jī)樣機(jī)系統(tǒng)，采用數(shù)值結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究方法分析了不同噴液量下的系統(tǒng)性能變化，分析了帶泄漏模型的性能變化，得到以下結(jié)論：

1）計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合程度較好，功率最大誤差為2.5％；蒸發(fā)器質(zhì)量流量、制冷量、COP最小誤差2.5％左右，最大誤差10％左右。都是在低噴液量下誤差較小，在高噴液量下誤差較大，主要是計(jì)算兩相工質(zhì)狀態(tài)的均相模型在高噴液量下誤差較大造成的。

2）研究工況下，噴液量較小時(shí)，排氣溫度降低14℃時(shí)可使得COP升高0.6％，制冷量降低0.2％。噴液量為0.055 m3/h，排氣溫度降低約42℃，COP降低不足5％，制冷量降低約5％。因而可選取0.055 m3/h的噴液量作為最佳噴液量。吸氣噴液冷卻效果是可見(jiàn)的，較小幅度降低排氣溫度可保證COP不降低，大幅度降低排氣溫度系統(tǒng)性能微小降低。吸氣管和高壓腔的高溫壁面?zhèn)鳠嵩斐傻挠绊憣?duì)吸氣噴液系統(tǒng)性能的影響是比較大的，緩解此處的傳熱可以在更大噴液量下保持COP不降低。

3）在高壓比下吸氣噴液能在較大噴液流量下保持系統(tǒng)COP不降低，壓比越大系統(tǒng)COP下降幅度越小。所以在高壓比下，吸氣噴液的效果更具優(yōu)勢(shì)。

［1］Jacobs J J.Analytic and experimental techniques for evaluating compressor performance losses［C］//Proceeding of International Compressor Engineering Conference at Purdue.Purdue：Purdue Unversity，1976：116-123.

［2］Afjei T，Suter P，F(xiàn)avrat D.Experimental analysis of an inverter-driven scroll compressor with liquid injection［C］// Proceeding of International Compressor Engineering Conference at Purdue.Purdue：Purdue Unversity，1992：541-550.

［3］Ooi K T，Zhu J.Convection heat transfer in a scroll compressor chamber：A 2rd simulation［J］.International Journal of Thermal Science，2004，43（7）：677-688.

［4］Dutta A K，Yanagisawa T，F(xiàn)ukuta M.An investigation of the performance of a scroll compressor under liquid refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2001，24（6）：577-587.

［5］Winandy E L，Lebrun J.Scroll compressors using gas and liquid injection：experimental analysis and modelling［J］. International Journal of Refrigeration，2002，25（8）：1143-1156.

［6］Park Y C，Kim Y，Cho H.Thermodynamic analysis on the performance of a variable speed scroll compressor with refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2002，25（8）：1072-1082.

［7］Cho H，Chung J T，Kim Y.Influence of liquid refrigerant injection on the performance of an inverter-driven scroll compressor［J］.International Journal of Refrigeration，2003，26（1）：87-94.

［8］Wang B L，Li X T，Shi W X，et al.Design of experimental bench and internal pressure measurement of scroll compressor with refrigerant injection［J］.International Journal of Refrigeration，2007，30（1）：179-186.

［9］Wang B L，Shi W X，Li X T.Numerical analysis on the effects of refrigerant injection on the scroll compressor［J］. Applied Thermal Engineering，2009，29（1）：37-46.

［10］Wang B L，Shi W X，Li X T，et al.Numerical research on the scroll compressor with refrigeration injection［J］. Applied Thermal Engineering，2008，28（5/6）：440-449.

［11］張華俊，馮倩瑩，楊森，等.制冷壓縮機(jī)吸氣噴液循環(huán)性能分析［J］.制冷與空調(diào)（北京），1998（1）：8-10. （Zhang Huajun，F(xiàn)eng Qianying，Yang Sen，et al.The performance analysis of refrigeration compressor suction liquid discharge cycle［J］.Refrigeration and Air-conditioning，1998（1）：8-10.）

［12］費(fèi)繼友，曹鋒，邢子文，等.吸氣噴液對(duì)空氣源熱泵熱水器性能的影響［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42 （7）：818-822.（Fei Jiyou，Cao Feng，Xing Ziwen，et al. Influence of suction stream liquid refrigeration injection on the performance of an air source heat pump water heater ［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2008，42（7）：818-822.）

［13］Cao Feng，F(xiàn)ei Jiyou，Xing Ziwen，et al.Study on performance of a heat pump water heater using suction stream liquid injection［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29 （14/15）：2942-2948.

［14］王楓，郭強(qiáng)，李連生.半封閉活塞式制冷壓縮機(jī)噴液的研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2010，31（5）：29-33.（Wang Feng，Guo Qiang，Li Liansheng.Study on liquid refrigerant injection of semi-hermetic reciprocating refrigeration compressor［J］.Journal of refrigeration，2010，31（5）：29-33.）

［15］趙遠(yuǎn)揚(yáng)，李連生，束鵬程.噴水渦旋空氣壓縮機(jī)工作特性的研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38（9）：887-890.（Zhao Yuanyang，Li Liansheng，Shu Pengcheng. Performance study of water-injection scroll air compressor ［J］.Journal of Xi'an Jiaotong University，2004，38（9）：887-890.）

［16］Wang B L，Shi W X，Han L T，et al.Optimization of refrigeration system with gas-injected scroll compressor［J］. International Journal of Refrigeration，2009，32（7）：1544-1554.

［17］Jang K，Jeong S.Experimental investigation on convective heat transfer mechanism in a scroll compressor［J］.International Journal of Refrigeration，2006，29（5）：744-753.

About the corresponding author

Cao Feng，male，Ph.D./professor，doctoral supervisor，director of Compressor Institute，Department of Compressor Engineering，Xi'an Jiaotong University，+86 13571825806，E-mail：fcao@ mail.xjtu.edu.cn.Research fields：special compressor，cooling and heat pump，double screw oil-gas mixture pumps.

Research on Performance of Scroll Compressor and System under Suction Injection

Yin Xiang Sun Shuaihui Cao Feng Shu Pengcheng
（School of Energy and Power Engineering，Xi'an Jiaotong University，Xi'an，710049，China）

In order to analyze the relationship between the suction injection and the performance of the scroll compressor，the suction injection circuit was set up.And the mathematic model，containing the loss of leakage and heat exchange，was established at the same time. The discharge temperature and the refrigerating capacity and the COP of the system were investigated when the injection flow rate and the pressure ratio were varied.The result of the simulation was in reasonable agreement with the experimental data.The error was 2.5％at the low injection flow，and 10％at the high flow.It was also found that the discharge temperature decreased and the COP slightly increased then went down，when the injection flow increased.The COP of the system increased by 0.6％，while the discharge temperature decreased by 14℃at the condition of the low injection flow.When the discharge temperature decreased by 42℃，the decline in the COP was less than 5％.Additionally，there existed an optimal value of the COP in the suction injection circuit when the injection flow varied at the high pressure ratio.Furthermore，the higher the pressure ratio was，the lower the COP decreased.As a result，the suction injection could put into use to decrease the discharge temperature.

scroll compressor；suction injection；discharge temperature；COP

TQ051.5；TB657

A

0253-4339（2015）05-0010-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.010

2015年1月13日

簡(jiǎn)介

曹鋒，男，教授，博士生導(dǎo)師，壓縮機(jī)研究所所長(zhǎng)，西安交通大學(xué)壓縮機(jī)工程系，13571825806，E-mail：fcao@mail.xjtu.edu. cn。研究方向：特種壓縮機(jī)及制冷技術(shù)、熱泵技術(shù)、雙螺桿油氣混輸泵技術(shù)的研究。