賈慶磊馮利偉，2晏剛

(1西安交通大學(xué) 西安 710049;2廣東美芝壓縮機有限公司 佛山 528333)

帶中間補氣的滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)制熱性能的實驗研究

賈慶磊1馮利偉1，2晏剛1

(1西安交通大學(xué) 西安 710049;2廣東美芝壓縮機有限公司 佛山 528333)

將帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)，以解決低溫工況下出現(xiàn)的制熱量不足、能效偏低等問題。利用焓差室測試比較帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)(單缸系統(tǒng))與雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)(雙缸系統(tǒng))、單級壓縮系統(tǒng)在不同制熱工況下的系統(tǒng)性能。實驗結(jié)果表明:在室外溫度高于－15℃時，單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)相比，其制熱量增加幅度均大于12%，并隨著室外溫度的降低增加幅度逐漸增大；單缸系統(tǒng)的制熱量與COP均大于雙缸系統(tǒng)，其提升幅度的平均值分別為2.29%、1.94%；在室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統(tǒng)因排氣溫度過高無法正常工作，雙缸系統(tǒng)的制熱量與COP均大于單缸系統(tǒng)，其提升幅度的平均值分別為4.5%、9.42%；驗證了單缸系統(tǒng)更適用于室外溫度高于－15℃的工況，雙缸系統(tǒng)更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

空氣源熱泵系統(tǒng)；中間補氣；滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機；制熱性能

空氣源熱泵系統(tǒng)是將空氣中的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，以向建筑物提供冷量(熱量)的節(jié)能裝置[1]，其主要優(yōu)點有:空氣為低品味熱源、來源廣、無償循環(huán)使用；占用空間?。贿\行管理方便、隨用隨開、不需要專門人員控制；能效較高、符合國家節(jié)能減排要求。由此空氣源熱泵系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)得到大面積應(yīng)用。但它的應(yīng)用也受到一些限制，如氣候條件的約束，隨著室外環(huán)境溫度的不斷下降，空氣源熱泵系統(tǒng)將會出現(xiàn)下列問題[2]:1)吸氣量減小，系統(tǒng)制冷劑循環(huán)量不足，導(dǎo)致空調(diào)器系統(tǒng)的制熱量減少；2)壓縮機壓比增加，導(dǎo)致壓縮機排氣溫度過高；3)系統(tǒng)運行性能系數(shù)(COP)急劇下降。針對空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下的問題，國內(nèi)外專家學(xué)者提出了多種解決方案，其中包括:將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)[3－6]、提高潤滑油流量來冷卻壓縮機的熱泵系統(tǒng)、采用寬頻變頻技術(shù)、采用輔助加熱系統(tǒng)、復(fù)疊式蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)[7]，以及雙級耦合熱泵系統(tǒng)[8]等。其中，應(yīng)用中間補氣技術(shù)為解決空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下問題的有效方案之一。

中間補氣技術(shù)首先應(yīng)用于渦旋壓縮機[9－10]，圖1所示為帶中間補氣的渦旋壓縮機的結(jié)構(gòu)簡圖，圖中兩點表示開設(shè)補氣口的位置。

圖1 帶中間補氣的渦旋壓縮機圖Fig·1 The scroll compressor with vapor injection

如圖1所示，在定渦旋盤上開設(shè)補氣口，將中間壓力的氣態(tài)制冷劑補入到渦旋盤的中間壓縮腔，從而達到增加壓縮機制冷劑循環(huán)流量的目的，同時補入氣缸內(nèi)的中間壓力制冷劑的焓值較低，因此可降低壓縮機的排氣溫度。但由于渦旋壓縮機容易出現(xiàn)過壓縮、欠壓縮等現(xiàn)象，特別是應(yīng)用于房間空調(diào)系統(tǒng)后，在大范圍運轉(zhuǎn)條件下運行效率較低[11]，且制作成本較高。因此，將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機同樣是一種研究方案。

滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機主要包括單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機與雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，其中，針對將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，國內(nèi)學(xué)者馬國遠等[12]研究了其應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)后制冷工況、制熱工況的系統(tǒng)性能均有較大的提升；國外學(xué)者Heo J等[13－14]研究了不同的高、低壓缸容積比對系統(tǒng)性能的影響，以及在不同室外溫度、不同運行頻率下空氣源熱泵系統(tǒng)的性能特性；國外學(xué)者Jang Y等[15]研究帶閃發(fā)器、經(jīng)濟器等不同型式的空氣源熱泵系統(tǒng)在不同工況下的性能特性。圖2為帶中間補氣的雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)循環(huán)圖。

如圖2所示，雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機包含高、低壓氣缸和一個混合氣缸，低壓缸從氣液分離器吸入氣態(tài)制冷劑進行第一級壓縮，后排至中間混合氣缸；此時，閃發(fā)器分離出中間壓力的氣態(tài)制冷劑同時進入中間混合氣缸，兩者混合后進入高壓缸進行第二級壓縮，后經(jīng)排氣閥排出。雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的主要設(shè)計點為高、低壓氣缸容積比的大小，其值決定系統(tǒng)中間補氣壓力及中間補氣量的大小，文獻[12]中理論計算得出高、低壓腔容積比的適宜值范圍為3/4～4/5。

圖2 雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)循環(huán)圖Fig·2 CycliCgraph of dual-cylinder rotary compression system

目前，國內(nèi)外針對將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的研究較少，本文研制出帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，將其應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)，實驗測試帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)(單缸系統(tǒng))與單級壓縮系統(tǒng)、雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)(雙缸系統(tǒng))在不同制熱工況下的性能特性。

1 帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機的研制

本文在研制中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機時，采用壓縮機原型機的型號為DA108M1C-27FZ，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1所示。

表1 壓縮機原型機結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab·1 Structural parameters of compressor prototype

帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機是在原型機的氣缸排氣口附近開設(shè)一個直徑為4 mm的圓形補氣口，并加設(shè)舌簧閥，該舌簧閥為有一定剛度的鋼片，其升程被限位器控制在0～0.8 mm之間。圖3為帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機結(jié)構(gòu)簡圖。如圖3所示，排氣閥所處角度為15°，補氣舌簧閥所處角度為30°，將補氣口開設(shè)在排氣口附近，其原因是為了最大程度縮短補氣口同吸氣口串通時間，使空調(diào)器運行各工況補氣量最大化。

圖3 帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機結(jié)構(gòu)圖Fig·3 Structure diagramof single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection

壓縮過程可分為三個階段，其原理圖如圖4所示:1)吸氣結(jié)束后，進入壓縮初始階段，此時壓縮腔內(nèi)的氣體壓力低于補氣壓力，內(nèi)外壓差遠大于舌簧閥彈力，補氣舌簧閥打開，向壓縮腔內(nèi)補入氣態(tài)制冷劑；2)隨著壓縮的進行，氣缸內(nèi)壓力逐步升高，當氣缸壓縮腔內(nèi)壓力接近補氣壓力時，補氣舌簧閥在自身彈力的作用下關(guān)閉，補氣過程結(jié)束；3)氣缸壓縮腔內(nèi)的壓力進一步提高至排氣壓力后，壓縮機進行排氣，壓縮過程結(jié)束。

圖4 帶中間補氣的單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機補氣原理圖Fig·4 PrinciPle diagramof single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection

由上述原理可知:單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機在吸氣結(jié)束后便可開始補氣，可通過控制中間補氣壓力進一步控制補氣時間以及補氣量。與渦旋壓縮機和雙缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機相比較，其主要優(yōu)點為:結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)；采用的補氣舌簧閥有止回閥作用，可以防止制冷劑從壓縮機氣缸經(jīng)補氣口回流至閃發(fā)器；在相同補氣量的情況下，中間補氣壓力低，第一級節(jié)流程度大，進入蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑干度低，蒸發(fā)器換熱效率、換熱量大；主要缺點在于開設(shè)補氣口與加設(shè)舌簧閥增加了壓縮機余隙容積，使得在高壓比工況下壓縮機性能衰減。

2 實驗裝置與測試工況

2·1 實驗測試裝置

本文中的實驗均在國家標準焓差室中進行，實驗室分為工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫度采樣系統(tǒng)、風量測量系統(tǒng)等主要設(shè)備以及其它輔助測試設(shè)備，測試參數(shù)主要包括溫度參數(shù)、電參數(shù)、壓力參數(shù)等。所有參數(shù)均可通過控制臺控制，采樣集成到計算機，通過計算機界面可以觀察到所有的測試結(jié)果，圖5為實驗室主要設(shè)備布置圖。

圖5 實驗室設(shè)備圖Fig·5 The equipment figure of experimentation

2·2 測試機組

本文測試三組熱泵系統(tǒng)機組，分別為單級壓縮熱泵系統(tǒng)、單缸系統(tǒng)、雙缸系統(tǒng)，三組系統(tǒng)的壓縮機氣缸容積分別為10.8 cm3/rev、10.8 cm3/rev、高壓缸7.5 cm3/rev與低壓缸9.8 cm3/rev，制冷劑采用R410A。三組測試熱泵機組采用相同的室內(nèi)機與室外機，其型號分別為KFR-35G/BP3N1-CE、KFR-35W-190，測試中主要記錄不同制熱工況下三組熱泵系統(tǒng)的制熱量、功率、COP等主要參數(shù)。其中，對于單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)而言，系統(tǒng)制熱量、COP隨著中間補氣壓力的變化而變化，在測試過程中，兩組系統(tǒng)分別調(diào)試出多組不同補氣壓力下的系統(tǒng)性能，并分別選擇其中最佳的系統(tǒng)性能進行比較。

2·3 測試工況

本文主要研究制熱工況下系統(tǒng)性能，機組測試工況如表2所示。

如圖7所示，室外溫度高于－15℃時，單缸系統(tǒng)的功率持續(xù)高于單級壓縮系統(tǒng)的功率，同時，兩組系統(tǒng)功率的變化趨勢與制熱量的變化趨勢相近。其原因是將部分中間壓力的氣態(tài)制冷劑補入到壓縮機氣缸內(nèi)，使得壓縮機壓縮過程質(zhì)量流量增大，壓縮機功耗增大。

如圖8所示，測試中兩組系統(tǒng)的COP隨著室外溫度的降低均在逐漸的降低，但是在溫度高于－15℃時兩組系統(tǒng)的COP相差不大，說明單缸系統(tǒng)在補

表2 空調(diào)器測試工況Tab·2 Testing conditions

3 結(jié)果與討論

3·1 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)的性能對比分析

圖6～圖9所示為單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)在不同制熱工況下系統(tǒng)制熱量、功率以及COP。實驗測試中，當室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統(tǒng)為防止室內(nèi)側(cè)吹出冷風，運行頻率持續(xù)升高，使得排氣溫度過高，壓縮機停機保護，無法得到測試數(shù)據(jù)。

圖6 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)制熱量Fig·6 Heating capacities of the single-cylinder systemand the single stage comPression systemin different heating conditions

如圖6所示，隨著室外溫度的逐漸降低，單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)的制熱量均線性的降低。室外溫度高于－15℃時，在兩組系統(tǒng)運行頻率相等的條件下，隨著室外溫度的降低，單缸系統(tǒng)相對于單級壓縮系統(tǒng)，其制熱量均有一定的提升，且提升幅度逐漸增大，如在額定制熱工況，其制熱量提升530.78 W，提升幅度為12.9%；在額定低溫制熱工況，制熱量提升488.86 W，提升幅度為13.42%；在－10℃的超低溫工況，制熱量提升458.82W，提升幅度為14.48%；在－15℃的超低溫工況，制熱量提升414 W，提升幅度為15.72%。其原因是隨著室外溫度的降低，壓縮機吸氣流量急劇降低，單級壓縮系統(tǒng)的制熱量衰減程度較大，而補氣回路的制冷劑流量降低速率緩慢，使得單缸系統(tǒng)相對于單級壓縮系統(tǒng)制熱量提升值有所降低，但其提升幅度逐漸增大。入的氣態(tài)制冷劑時不僅增大了系統(tǒng)制熱量而且增大了系統(tǒng)功率，使得兩組系統(tǒng)COP相近。

圖7 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)的功率Fig·7 Power capacities of the single-cylinder systemand the single stage compression systemin different heating conditions

圖8 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)的COPFig·8 COPs of the single-cylinder systemand the single stage compression systemin different heating conditions

綜上所述，單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機開設(shè)補氣口是可行的，其應(yīng)用于空氣源熱泵系統(tǒng)后可有效解決低溫工況下空調(diào)器制熱量不足或者無法正常運行等問題。

3·2 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)的性能對比分析

圖9～圖11所示為單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)在不同制熱工況下的系統(tǒng)制熱量、功率以及COP。

圖9 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)的制熱量Fig·9 Heating capacities of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

圖10 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)的功率Fig·10 Power capacities of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

如圖9所示，隨著室外溫度的逐漸降低，兩組系統(tǒng)的制熱量變化規(guī)律相似，說明兩組系統(tǒng)的制熱量相對于單級循環(huán)系統(tǒng)而言均有較大的提升。當室外溫度高于－15℃時

，單缸系統(tǒng)的制熱量均大于雙缸系統(tǒng)，四個工況下單缸系統(tǒng)較雙缸系統(tǒng)制熱量提升幅度的平均值為2.29%；當室外溫度低于－15℃時，雙缸系統(tǒng)制熱量高于單缸系統(tǒng)，兩個超低溫工況下雙缸系統(tǒng)較單缸系統(tǒng)制熱量提升幅度的平均值為4.5%。其原因是:1)雙缸系統(tǒng)在不同工況下對應(yīng)的最佳的補氣量、最佳中間補氣壓力不同，而補氣量與補氣壓力由高、低壓缸容積比決定[12]，即雙缸系統(tǒng)在不同工況下所需的高、低壓缸容積比不同，因此，在本文系統(tǒng)的高、低壓缸容積比根據(jù)室外溫度低于－15℃的工況確定后，當室外溫度高于－15℃時，雙缸系統(tǒng)的補氣量受到影響，而單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)中間補氣壓力增加補氣時間以提高補氣量，因此當室外溫度高于－15℃時，雙缸系統(tǒng)補氣量相對于單缸系統(tǒng)較小，進一步使得制熱量偏低；2)隨著室外溫度的持續(xù)降低，單缸系統(tǒng)壓縮機壓比增大幅度遠大于雙缸系統(tǒng)，造成單缸系統(tǒng)壓縮機效率降低；同時單缸系統(tǒng)壓縮機因開設(shè)補氣口后余隙容積隨著壓比的增大而逐漸增大，在超低溫工況下，余隙容積的影響使得單缸系統(tǒng)制熱量衰減幅度增大，因此在－15℃以下工況單缸系統(tǒng)的性能差于雙缸系統(tǒng)。

圖11 不同制熱工況下單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)COP對比Fig·11 COPs of the single-cylinder systemand the dual-cylinder systemin different heating conditions

如圖10所示，兩組系統(tǒng)相比較，當室外溫度高于－10℃時，單缸系統(tǒng)的功率稍大，在室外溫度約為－15℃時，雙缸系統(tǒng)的功率稍大，后隨著室外溫度的持續(xù)降低，單缸系統(tǒng)的功率明顯大于雙缸系統(tǒng)。其原因是，在室外溫度高于－10℃時，單缸系統(tǒng)補氣量較雙缸系統(tǒng)大，壓縮機循環(huán)制冷劑流量較大，因此單缸系統(tǒng)功率稍大于雙缸系統(tǒng)；隨著室外溫度的降低至－15℃以下，雙缸系統(tǒng)的中間補氣壓力達到較佳值，使得雙缸系統(tǒng)補入的制冷劑流量增大，進而雙缸系統(tǒng)制熱量與功率均大于單缸系統(tǒng)；當室外溫度降低至－30℃左右，隨著壓縮機壓比的迅速增大，單缸系統(tǒng)壓縮機余隙容積的影響增大、壓縮效率衰減，單缸系統(tǒng)中無用功增多，使其總功率遠大于雙缸系統(tǒng)。

如圖11所示，在室外溫度高于－15℃時，單缸系統(tǒng)COP較雙缸系統(tǒng)稍大，四個工況下單缸系統(tǒng)COP較雙缸系統(tǒng)提升幅度的平均值為1.94%；在室外溫度低于－15℃時，雙缸系統(tǒng)COP大于單缸系統(tǒng)，在兩個超低溫工況下雙缸系統(tǒng)COP較單缸系統(tǒng)提升幅度的平均值為9.42%。

由此驗證，單缸系統(tǒng)更適用于室外溫度高于－15℃的工況，而雙缸系統(tǒng)更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

4 結(jié)論

本文針對空氣源熱泵系統(tǒng)在低溫工況下出現(xiàn)制熱量不足、能效較低的現(xiàn)象，提出將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，利用標準焓差室測試單缸系統(tǒng)與單級壓縮系統(tǒng)、雙缸系統(tǒng)在不同制熱工況下的系統(tǒng)主要性能，得出以下結(jié)論:

1)單缸系統(tǒng)相對于單級壓縮系統(tǒng)，當室外溫度高于－15℃時，隨著室外溫度的降低，系統(tǒng)制熱量的提升幅度逐漸增大，其值均在12%以上；當室外溫度低于－15℃時，單級壓縮系統(tǒng)因排氣溫度過高無法正常運行，而單缸系統(tǒng)可正常安全運行；從而驗證了將中間補氣技術(shù)應(yīng)用于單缸滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機是可行的。

2)單缸系統(tǒng)與雙缸系統(tǒng)相比，在室外溫度高于－15℃時，單缸系統(tǒng)制熱量與COP均大于雙缸系統(tǒng)，其提升幅度的平均值分別為2.29%、1.94%；在室外溫度低于－15℃時，雙缸系統(tǒng)制熱量與COP均大于單缸系統(tǒng)，其提升幅度的平均值分別為4.5%、9.42%；從而驗證了單缸系統(tǒng)更適用于室外溫度高于－15℃的工況，而雙缸系統(tǒng)更適用于室外溫度低于－15℃的工況。

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About the corresponding author

Yan Gang，male，Ph.D.，deputy director of Department of Refrigeration＆CryogeniCEngineering.Xi’an Jiaotong University，＋86 29-82668738，E-mail:gyan＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn.Research fields:research for physical process of refrigeration and cryogeniCsystems and energy-saving of refrigeration and cryogeniCdevices.

Experimental Research on Heating Performance of Rotary Compression Syste mwith Vapor Injection

Jia Qinglei1Feng Liwei1，2Yan Gang1

(1.Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.Guangdong Meizhi Compressor Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan，528333，China)

In this paper，the single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection is applied in heat pumPsystemto solve the problems of insufficient heating capacity and lower efficiency during lower ambient conditions.The systemperformances of single-cylinder rotary compression systemwith vapor injection(called single-cylinder system)，dual-cylinder rotary compression systemwith vapor injection(called dual-cylinder system)and single stage compression systemwere comparatively tested under the different heating conditions in psychrometriCroom.The results show that the single-cylinder systemhasAhigher heating capacity compared with single stage compression systemwhen the outdoor temperature is above－15℃，and the rates of increase is above 12%.The rate of increase is increased along with the decrease of ambient air temperature.The heating capacity and COPof single-cylinder systemare higher than thatof the dual-cylinder system，and the increasing ranges are 2.29%，1.94%respectively.When the outdoor temperature is below－15℃，single stage compression systemwould not operate normally due to the higher discharge temperature.The heating capacity and COPof dual-cylinder systemare higher than that of the single-cylinder system，and the increasing ranges are 4.5%，9.42%respectively.Therefore，the single-cylinder systemis suitable for the conditions of outdoor temperature above－15℃，while the dual-cylinder systemis suitable for the conditions of outdoor temperature below－15℃.

heat pumPsystem；vapor injection；rotary compressor；heating performance

TB657.2；TQ051.5

A

0253－4339(2015)02－0065－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.065

簡介

晏剛，男，博士，西安交通大學(xué)制冷與低溫工程系副系主任，(029)82668738，E-mail:gyan＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn。研究方向:制冷與低溫系統(tǒng)的熱物理過程、制冷與低溫裝置的節(jié)能。

2014年7月3日