劉星如 王寶龍 李先庭 石文星

(清華大學(xué)建筑學(xué)院 北京 100084)

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滑板噴射型準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能

劉星如 王寶龍 李先庭 石文星

(清華大學(xué)建筑學(xué)院 北京 100084)

本文提出一種將補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑板上的新型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能保證吸氣結(jié)束后補(bǔ)氣口才向壓縮腔打開(kāi)，避免了補(bǔ)氣回流至吸氣管導(dǎo)致的容積效率降低。通過(guò)建立數(shù)值模型，對(duì)該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果顯示：該新型結(jié)構(gòu)可完全避免噴射過(guò)程中噴射制冷劑回流至吸氣腔；與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)氣單缸滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相比，帶有新型噴射結(jié)構(gòu)的單缸滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的容積效率提升2.6%～3.7%。

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)；中間補(bǔ)氣；準(zhǔn)二級(jí)壓縮；容積效率

滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有效率高、靈活、輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此在小型家用空調(diào)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。空氣源熱泵在北方地區(qū)不斷推廣，對(duì)壓縮機(jī)在低溫工況下的制熱能力及性能系數(shù)提出了更高的要求。目前滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)在低溫工況下存在一系列問(wèn)題[1]，包括：1)壓縮機(jī)壓比增大，泄漏量增大，容積效率下降，排氣溫度升高，導(dǎo)致COP衰減嚴(yán)重和壓縮機(jī)可靠性降低；2)吸氣量減小，循環(huán)流量不足，導(dǎo)致空調(diào)制熱量減小。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者做了大量的研究，提出一系列解決方案，包括中間補(bǔ)氣技術(shù)[2]、復(fù)疊式蒸氣壓縮熱泵系統(tǒng)[3]以及雙極耦合式熱泵系統(tǒng)[4]等。其中，中間補(bǔ)氣技術(shù)由于可有效提高制熱量和COP以及降低排氣溫度，成為解決低溫工況下空氣源熱泵性能衰減的重要技術(shù)途徑。

中間補(bǔ)氣方式有兩種，一種為雙級(jí)壓縮中間補(bǔ)氣，即在兩個(gè)串聯(lián)壓縮機(jī)中間連接管上補(bǔ)氣；另一種是在壓縮機(jī)壓縮過(guò)程進(jìn)行補(bǔ)氣，此時(shí)壓縮機(jī)自帶噴射口，稱(chēng)為準(zhǔn)二級(jí)壓縮形式。由于成本低，準(zhǔn)二級(jí)壓縮技術(shù)已在渦旋壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)上得到較多的研究和應(yīng)用，尤其是渦旋壓縮機(jī)。其中，馬國(guó)遠(yuǎn)等[5-6]確定了渦旋壓縮機(jī)噴射壓力的最佳取值范圍，其研究表明R32渦旋壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)可有效降低排氣溫度，并提高制熱量和COP。Wang B L等[7]詳細(xì)研究了各項(xiàng)噴射參數(shù)準(zhǔn)二級(jí)渦旋壓縮機(jī)性能的影響，提出準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制方法。Heo J等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同氣體噴射方式對(duì)渦旋壓縮機(jī)系統(tǒng)的影響。螺桿壓縮機(jī)方面，Wu H G等[9]對(duì)螺桿壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。目前準(zhǔn)二級(jí)壓縮已經(jīng)成為渦旋壓縮機(jī)在低溫環(huán)境制熱的關(guān)鍵技術(shù)。研究表明：應(yīng)用中間補(bǔ)氣技術(shù)的渦旋壓縮機(jī)可實(shí)現(xiàn)COP提高10%～20%，制熱量提高15%～30%，并顯著降低排氣溫度。因此很多學(xué)者考慮將中間補(bǔ)氣技術(shù)應(yīng)用在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)上。

目前對(duì)于雙級(jí)耦合滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣技術(shù)已有一些研究。Xu S X等[10]實(shí)驗(yàn)研究了雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的補(bǔ)氣技術(shù)，研究結(jié)果表明：應(yīng)用帶補(bǔ)氣功能的雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的空氣源熱泵的制冷能力和制冷COP都有較大幅度的提高，且在低溫情況下隨著蒸發(fā)溫度降低制熱能力的衰減速度減小。國(guó)外學(xué)者Ko Y等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)雙級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的內(nèi)容積比進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示可提高制熱量和COP分別達(dá)20%和10%。

準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣技術(shù)目前研究較少，其中有代表性的工作是賈慶磊等[12-13]對(duì)準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣技術(shù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與帶中間補(bǔ)氣技術(shù)的雙級(jí)耦合滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行比較。用于該實(shí)驗(yàn)的壓縮機(jī)噴射口開(kāi)在盡可能離排氣口近的氣缸壁位置，這樣既能保證補(bǔ)氣量較大，又使噴射口與吸氣口串通時(shí)間較短，從而使得回流到吸氣管中的制冷劑較少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室外溫度高于-15 ℃時(shí)，帶中間補(bǔ)氣的準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)較普通滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的制熱量提升幅度在12%以上；與帶中間補(bǔ)氣的雙級(jí)耦合的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相比，環(huán)境溫度高于-15 ℃時(shí)，單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的制熱量和COP均優(yōu)于雙級(jí)耦合滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。由此可以看出，對(duì)準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究是提高帶滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)性能的重要工作方向。

1 新型噴射結(jié)構(gòu)的提出

圖1是目前傳統(tǒng)帶噴射口的單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可知，這種噴射口開(kāi)在氣缸壁位置將不可避免有一段補(bǔ)氣口和吸氣口串通的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，從補(bǔ)氣口噴射的中壓氣體制冷劑將回流進(jìn)入吸氣管，降低壓縮機(jī)的有效吸氣量，從而降低了壓縮機(jī)的容積效率。

圖1 傳統(tǒng)準(zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噴射結(jié)構(gòu)Fig.1 Traditional injection structure of quasi two-stage rotary compression

減少?lài)娚渲评鋭┫蛭鼩夤艿拇ㄊ翘岣邷?zhǔn)二級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)容積效率的重要方法。鑒于此，本文提出了一種新的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，該新型補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)中補(bǔ)氣口開(kāi)在排氣側(cè)的滑板上，補(bǔ)氣口成條形(圖2)。

圖2 滑板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the blade with injection structure

該結(jié)構(gòu)是從滑板中間鉆出或銑出一條或多條噴射通路，并在滑板高壓側(cè)銑出噴射閥安裝平臺(tái)，在噴射閥安裝平臺(tái)上安裝彈簧閥片和升程限制器。當(dāng)滑板向下滑到一定位置時(shí)，噴射口將與壓縮腔相通，此時(shí)噴射閥片開(kāi)啟，噴射開(kāi)始，而當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，壓縮腔的壓力與噴射壓力相當(dāng)時(shí)，噴射閥片彈回關(guān)閉，噴射過(guò)程結(jié)束。

圖3所示為依據(jù)完全無(wú)串通且最大補(bǔ)氣量原則設(shè)計(jì)的補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：無(wú)串通滑板噴射)。當(dāng)吸氣腔與吸氣管完全隔離前(圖3(a))，滑板回縮于滑板套中，滑板套封閉噴射口，補(bǔ)氣彈簧閥關(guān)閉，此時(shí)不補(bǔ)氣；當(dāng)吸氣腔與吸氣管隔離，吸氣過(guò)程結(jié)束時(shí)(圖3(b))，滑板下滑使得噴射口下沿露出滑板套底端，噴射口與壓縮腔連通，此時(shí)由于補(bǔ)氣壓力大于壓縮腔內(nèi)壓力，補(bǔ)氣彈簧閥打開(kāi)，向壓縮腔補(bǔ)氣；隨著壓縮過(guò)程的進(jìn)行，壓縮腔腔內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)腔內(nèi)壓力與補(bǔ)氣壓力相當(dāng)時(shí)，補(bǔ)氣彈簧閥回彈，補(bǔ)氣結(jié)束(圖3(c))。此后，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子依次運(yùn)行于下止點(diǎn)(圖3(d))、開(kāi)始排氣(圖3(e))、排氣結(jié)束(圖3(f))等位置，此過(guò)程中補(bǔ)氣彈簧閥始終處于關(guān)閉位置。

圖3 滑板補(bǔ)氣裝置動(dòng)作示意圖Fig.3 Working process of the rotary compressor with injection channel on blade

可以看出，該方式就完全避免了噴射口與吸氣腔的串通及補(bǔ)氣向吸氣管的回流。與此同時(shí)，噴射系統(tǒng)可在吸氣結(jié)束的第一時(shí)間開(kāi)始向壓縮腔補(bǔ)氣，實(shí)現(xiàn)最大的補(bǔ)氣量。此外，需要說(shuō)明的是，該結(jié)構(gòu)中噴射口至彈簧閥片之間的容積并不影響容積效率，因?yàn)樵撊莘e并不與吸氣腔連接，因此不影響壓縮機(jī)從低壓側(cè)的吸氣量。

需要注意的是，在滑板一側(cè)開(kāi)設(shè)補(bǔ)氣口可能影響滑板兩側(cè)的壓力平衡、潤(rùn)滑和泄露等。分析可以發(fā)現(xiàn)，由于本設(shè)計(jì)中采用窄縫型噴射口，噴射口面積大，且寬度窄(1.0～2.0 mm)，因此噴射開(kāi)始后很短時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)大流量噴射，這也將導(dǎo)致補(bǔ)氣過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)結(jié)束。這一補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)對(duì)于滑板動(dòng)力特性的影響與傳統(tǒng)補(bǔ)氣系統(tǒng)對(duì)滑板動(dòng)力特性的影響并無(wú)顯著差異，因此，可以認(rèn)為該補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)對(duì)于滑板的壓力平衡影響在可承受范圍內(nèi)。實(shí)際上噴射口以及限位器與滑板安裝間隙的存在將發(fā)揮儲(chǔ)油和帶油作用，更好地實(shí)現(xiàn)滑板與滑板套之間的潤(rùn)滑和密封作用。另外，為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，垂直噴射通道可采用多個(gè)并列圓孔代替扁平噴射通道。

本文應(yīng)用仿真模擬方法，對(duì)上述提出的新型補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)在不同工況下的性能進(jìn)行模擬，并與傳統(tǒng)噴射結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

2 模擬方法

2.1 模型

1)幾何模型

幾何模型包括吸氣腔、壓縮腔以及滑板隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。前人已給出該部分基本模型[14]，故在此不再贅述。

對(duì)于上述無(wú)串通滑板噴射結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)子從上止點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至吸氣結(jié)束前時(shí)，噴射口面積持續(xù)為0。當(dāng)吸氣結(jié)束后，噴射口開(kāi)始打開(kāi)并迅速增加，在較短的時(shí)間內(nèi)增加到最大值，而后一直保持，直至到達(dá)下止點(diǎn)。轉(zhuǎn)子從下止點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到上止點(diǎn)的過(guò)程中，噴射口面積的變化與從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)稱(chēng)。

(1)

式中：S為噴射面積，m2；θ為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角，rad；θs,e為噴射起始角，rad；f為噴射口在厚度方向的修正系數(shù)；L為工作腔厚度，m；T為噴射口寬度，m；ε(=1-r/R)為相對(duì)偏心距；r為轉(zhuǎn)子半徑，m；R為氣缸半徑，m；θ*為噴射面積達(dá)到最大值所對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角，rad。θ*可由下式求得：

對(duì)于傳統(tǒng)氣缸壁噴射結(jié)構(gòu)，噴射面積需要考慮轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到噴射口附近時(shí)的節(jié)流特征。因此其對(duì)應(yīng)的噴射面積的數(shù)學(xué)描述為：

S=min(S1,S2)

(2)

S1=πDinj2

S2=πDinj(R-(R-r)cos(θ-θs)-rcos(β))

式中：Dinj為噴射口直徑，m；θs為噴射口安裝角，rad。

綜上，噴射面積隨轉(zhuǎn)角的變化如圖4所示。

圖4 不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射面積隨轉(zhuǎn)角的變化Fig.4 Injection area variation for different injection structure

2)熱力學(xué)模型

熱力學(xué)模型可根據(jù)能量平衡方程和質(zhì)量平衡方程進(jìn)行推導(dǎo)得出。前人研究已給出基本模型[14]，在此不再贅述。

3)泄漏模型

在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，可應(yīng)用一維噴管節(jié)流模型來(lái)描述壓縮腔內(nèi)的高壓氣體通過(guò)徑向間隙和滑板間隙的泄漏。此外，通過(guò)滑板兩邊間隙的泄漏、吸氣、排氣以及噴射過(guò)程均用該節(jié)流模型來(lái)描述，只是針對(duì)不同形式的泄漏，其泄漏系數(shù)有所不同。在模擬過(guò)程中，徑向間隙采用動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行描述，滑板與轉(zhuǎn)子的間隙以及滑板與氣缸的間隙取恒定值，同時(shí)不考慮端面泄漏和液體泄漏。

4)其他模型

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)排氣口至吸氣口之間時(shí)，吸氣腔和壓縮腔處于串通狀態(tài)。為了較為準(zhǔn)確的描述該過(guò)程，應(yīng)用了雙級(jí)節(jié)流模型。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到吸氣口或排氣口時(shí)，其吸排氣面積應(yīng)取吸排氣口面積和吸排氣口周長(zhǎng)與轉(zhuǎn)子圍成的三維曲面面積的最小值。

本研究采用的是高壓腔型壓縮機(jī)，即壓縮腔排出的高壓氣體先進(jìn)入壓縮機(jī)殼體內(nèi)，在此與電機(jī)、室外環(huán)境以及吸氣管發(fā)生熱交換。應(yīng)用熱平衡方程來(lái)描述高壓氣體在機(jī)殼內(nèi)的換熱過(guò)程。壓縮過(guò)程壓縮腔內(nèi)的換熱問(wèn)題，可假設(shè)氣缸壁的溫度從吸氣口和排氣口隨轉(zhuǎn)角線(xiàn)性變化[15]，應(yīng)用Dittus Beolter方程進(jìn)行描述。由于吸氣管很短，吸氣過(guò)熱過(guò)程可采用恒定努賽爾數(shù)Nu=3.66進(jìn)行描述[16]。

基于商務(wù)部的結(jié)論，法院推測(cè)了為了解決非市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)國(guó)家進(jìn)行商品補(bǔ)貼的問(wèn)題商務(wù)部在未來(lái)可能采取的行動(dòng)。其中一點(diǎn)是通過(guò)采取“非市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)方法”來(lái)征收反傾銷(xiāo)稅，在這一基礎(chǔ)上征收反補(bǔ)貼稅，同時(shí)，對(duì)反傾銷(xiāo)稅采取“細(xì)微的調(diào)整”來(lái)抵消對(duì)同一企業(yè)進(jìn)行雙重征稅的問(wèn)題。法院注意到了商務(wù)部將要實(shí)施的措施可能會(huì)引起更多的問(wèn)題與糾紛，正如其所說(shuō)“這種措施是否會(huì)造成與法規(guī)的直接沖突”或者“這種措施從根本上是否為不公平的，因而造成對(duì)法規(guī)不公正的解釋或者濫用”[2](P1290)。然而，法院并沒(méi)有對(duì)這一話(huà)題進(jìn)行更加深入的探討或者分析，原因是這一問(wèn)題與原告所受到的損失無(wú)關(guān)。

對(duì)于帶中間補(bǔ)氣的壓縮機(jī)，其容積效率有不同的表達(dá)方式。本研究容積效率采用如下數(shù)學(xué)描述定義：

(3)

式中：ηv為容積效率；mdis為排氣制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s；minj為噴射制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，Hz；ρsuc為吸氣密度，kg/m3；V為理論吸氣容積，m3。

噴射壓力采用最佳理論噴射壓力計(jì)算。

(4)

式中：pinj為噴射壓力，kPa；psuc為吸氣壓力，kPa；pdis為排氣壓力，kPa。

圖5 模型無(wú)補(bǔ)氣工況的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.5 Experimental verification for single rolling piston compressor without vapor injection

2.2 模型驗(yàn)證

1)無(wú)補(bǔ)氣單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)驗(yàn)證

如圖5所示，將無(wú)補(bǔ)氣單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17]進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)制熱量和功率的誤差均在3%之內(nèi)，模型具有較好的精度。

2)帶補(bǔ)氣單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)驗(yàn)證

如圖6所示，將該模型模擬的帶補(bǔ)氣單級(jí)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]進(jìn)行比較，結(jié)果表明功率誤差小于6%，制熱量誤差小于7%，吻合較好。

圖6 模型準(zhǔn)二級(jí)工況的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.6 Experimental verification for quasi two-stage rolling piston compressor

因此，基于此模型，下文對(duì)新提出的新型噴射結(jié)構(gòu)的單缸滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行模擬仿真研究。

本文模擬研究中使用的壓縮機(jī)主要尺寸如表1所示。研究工況如表2所示。

表1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 研究工況

3 結(jié)果與分析

從圖7(a)可以看出，在排氣之前，帶噴射的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)壓縮腔的壓力隨轉(zhuǎn)角的變化比無(wú)噴射滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)壓縮腔的壓力變化更大，因此帶噴射的壓縮機(jī)壓縮腔壓力會(huì)更快達(dá)到排氣壓力。由圖7(b)可知，中間補(bǔ)氣技術(shù)可以有效降低排氣溫度，這可以有效解決在低溫工況下，由高壓比帶來(lái)的排氣溫度過(guò)高問(wèn)題。

圖7 中間補(bǔ)氣對(duì)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)腔內(nèi)參數(shù)的影響Fig.7 Influence of vapor injection on inner parameters of rotary compressor

圖8 典型工況下不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射量和串通比Fig.8 Injection mass and bypass rate for different injection structure under a typical working condition

為描述噴射制冷劑中回流至吸氣管的制冷劑量的多少，定義回流制冷劑量與總噴射量的比值為串通比。圖8展示了在典型工況(蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為-10 ℃，40 ℃)下不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射量和串通比。由圖8可知噴射口安裝滑板上的噴射結(jié)構(gòu)的噴射量是普通氣缸壁補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)噴射量的3.5倍左右。同時(shí)，采用無(wú)串通滑板噴射結(jié)構(gòu)時(shí)的串通比為0，而傳統(tǒng)氣缸壁噴射時(shí)串通比可達(dá)25%。

圖9展示了不同噴射結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)噴射流量。由圖可知，噴射口開(kāi)在滑板上時(shí)的瞬時(shí)噴射流量遠(yuǎn)大于噴射口開(kāi)在氣缸壁的瞬時(shí)流量。噴射口開(kāi)在氣缸壁上時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)吸氣口前，噴射流量不為0，此時(shí)的噴射使中壓制冷劑噴射至吸氣腔，導(dǎo)致制冷劑回流至吸氣管。而采用無(wú)串通滑板噴射結(jié)構(gòu)時(shí)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到吸氣口下邊緣角之前，其瞬時(shí)噴射流量為0，隨后隨著噴射面積的增大，瞬時(shí)噴射流量持續(xù)增大，但在噴射面積增大的同時(shí)，壓縮腔內(nèi)的壓力也迅速增大，達(dá)到一定位置時(shí)，腔內(nèi)壓力與噴射壓力相當(dāng)，此時(shí)噴射結(jié)束，噴射彈簧閥關(guān)閉，其瞬時(shí)噴射流量迅速減小為0。

圖9 不同噴射結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)噴射流量Fig.9 Instantaneous injected mass flow rate for different injection structure

圖10(a)和(b)分別展示了冷凝溫度為40 ℃和50 ℃時(shí)，不同蒸發(fā)溫度下不同噴射結(jié)構(gòu)的串通比。由圖可知，將噴射口開(kāi)在氣缸壁上時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的上升，串通比上升，最大可達(dá)30%。對(duì)于無(wú)串通的滑板噴射結(jié)構(gòu)的串通比恒為0。

圖11展示了冷凝溫度為40 ℃時(shí)不同蒸發(fā)溫度下不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射量和噴射比。由圖可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射比都是逐漸減小的。從噴射量角度講，將噴射口開(kāi)在氣缸壁的傳統(tǒng)噴射結(jié)構(gòu)的噴射量，隨著蒸發(fā)溫度的提高逐漸增加，而將噴射口開(kāi)在滑板上的噴射結(jié)構(gòu)的噴射量表現(xiàn)為先增加后減小。新型噴射結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)噴射結(jié)構(gòu)的噴射量和噴射比均大的多。

圖12展示了不同工況下不同噴射結(jié)構(gòu)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的排氣量和功耗。由圖可知，噴射口開(kāi)在滑板上的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)與噴射口開(kāi)在氣缸壁上的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相比，前者比后者的排氣量增加了16%～84%，且隨著蒸發(fā)溫度的降低，增加幅度將變大，功耗也增加。而隨著蒸發(fā)溫度的升高，不同噴射結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的冷凝器質(zhì)量流量都增加，但功耗都先增加后減小。

圖10 不同工況不同噴射結(jié)構(gòu)串通比Fig.10 Bypass rate for different injection structure under different working conditions

圖11 不同工況下不同噴射結(jié)構(gòu)的噴射量和噴射比Fig.11 Injection mass and injection rate for different injection structure under different working conditions

圖12 不同工況下不同噴射結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)排氣量和功耗Fig.12 Discharge mass flow-rate and power consumption for different injection structure under different working conditions

圖13展示了冷凝溫度分別為40 ℃和50 ℃時(shí)，不同蒸發(fā)溫度下不同噴射位置的容積效率。由圖可知采用無(wú)串通滑板噴射的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的容積效率，較采用氣缸壁噴射的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)提升幅度可達(dá)2.6%～3.7%。

圖13 不同工況下不同噴射結(jié)構(gòu)的容積效率Fig.13 Volumetric efficiency for different injection structure in different working conditions

4 結(jié)論

本文提出一種將補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)設(shè)置于滑板上的新型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能保證吸氣結(jié)束后補(bǔ)氣口才向壓縮腔打開(kāi)，避免了補(bǔ)氣回流至吸氣管導(dǎo)致的容積效率降低。通過(guò)建立數(shù)值模型，對(duì)該新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果顯示：

1)采用無(wú)串通滑板噴射結(jié)構(gòu)時(shí)，制冷劑通過(guò)噴射口噴射到吸氣腔的質(zhì)量為0，完全避免了傳統(tǒng)氣缸壁結(jié)構(gòu)造成的18%～30%的噴射旁通。

2)將噴射口開(kāi)在滑板上的帶補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)與將噴射口開(kāi)在氣缸壁上的帶補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相比，前者容積效率高出后者達(dá)2.6%～3.7%。

3)滑板噴射結(jié)構(gòu)較氣缸壁噴射結(jié)構(gòu)的排氣量提高16%～84%。

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About the corresponding author

Wang Baolong, male, associate professor, Department of Building Science, Tsinghua University, +86 10-62786571，E-mail：wangbl@tsing hua.edu.cn. Research fields: efficient refrigeration and heat pump equipment; efficient thermal recovery.

Performance of Rotary Compressor with Vapor Injection Mechanism on Blade

Liu Xingru Wang Baolong Li Xianting Shi Wenxing

(School of Architecture, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)

A novel vapor injection structure on blade for rotary compressor is put forward. In the new mechanism, the inject port will keep close until the gas suction process is finished and the compression pocket is isolated from the suction tube, which avoids the back-flowing of the injection refrigerant into the suction tube and the decrease of the volumetric efficiency. Based on a verified numerical model, the performance of the new configuration is investigated. The results indicate that: (1) this vapor injection mechanism can well eliminate the back-flowing of the injected refrigerant; (2) compared with the traditional injection configuration, the novel structure can enhance the volumetric efficiency 2.6%-3.7%.

rotary compressor; gas refrigerant injection; quasi two-stage compression; volumetric efficiency

0253- 4339(2016) 02- 0001- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.001

國(guó)家自然科學(xué)基金(51176084)和國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51125030)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51176084) and the National Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China(No.51125030).)

2015年6月30日

TB652; TB61+

簡(jiǎn)介

王寶龍，男，副教授，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，(010)62786571，E-mail：wangbl@tsinghua.edu.cn。研究方向：高效制冷熱泵裝置研究；冷熱高效回收技術(shù)。