（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

關(guān)鍵字：熱泵空調(diào)；渦旋式壓縮機(jī)；補(bǔ)氣増焓；補(bǔ)氣位置

符號(hào)說(shuō)明：

w2-3——補(bǔ)氣過(guò)程單位耗功，kJ/kg；

p2——補(bǔ)氣前的壓力，kPa；

v2——補(bǔ)氣前的比容，m3/kg；

p3——補(bǔ)氣結(jié)束后的壓力，kPa；

v3——補(bǔ)氣結(jié)束后的比容，m3/kg；

α——相對(duì)補(bǔ)氣量；

κ——等熵指數(shù)；

T7——補(bǔ)氣溫度，K；

Rg——?dú)怏w常數(shù)，kJ/（kg·K）；

me——總質(zhì)量流量，kg/h；

ms——吸氣質(zhì)量流量，kg/h。

0 引言

冬季工況下，傳統(tǒng)的汽車(chē)空調(diào)大多采用PTC（Positive Temperature Coefficient）對(duì)乘員艙加熱，耗能?chē)?yán)重，極大縮短了電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程[1]。而熱泵系統(tǒng)以其較高的效率成為替代方案，研究表明，熱泵系統(tǒng)代替PTC供暖可以大幅度減少電動(dòng)汽車(chē)的耗能[2-4]。但對(duì)于熱泵系統(tǒng)而言，同樣面臨著一些問(wèn)題。冬季工況下，隨著蒸發(fā)溫度的降低，系統(tǒng)的制冷劑流量減少，制熱量以及制熱性能系數(shù)COP降低，壓縮機(jī)排氣溫度升高，影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)氣増焓系統(tǒng)可以有效地解決熱泵系統(tǒng)所面臨的問(wèn)題[5-6]。

許多學(xué)者對(duì)補(bǔ)氣増焓系統(tǒng)、制冷劑、補(bǔ)氣狀態(tài)以及補(bǔ)氣孔等進(jìn)行了大量研究。Heo等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，分析并對(duì)比經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)（SC）、兩級(jí)節(jié)流經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)（DESC）、閃蒸器系統(tǒng)（FT）和閃蒸器經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)（FTSC）4種蒸汽噴射技術(shù)的制熱性能。結(jié)果表明：FT、FTSC、DESC的平均加熱能力分別比SC高14.4%，6.0%和3.8%，但是4種循環(huán)的平均COP是相當(dāng)?shù)?。通過(guò)Xu等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，在補(bǔ)氣増焓系統(tǒng)中，制冷劑R1234yf可以在-25℃的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，R1234yf / R32混合物可以在-20℃的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，其制熱COP都要高于其他制冷劑在此工況下的制熱COP。并且與無(wú)補(bǔ)氣相比，制熱量和制熱COP分別提高16%～20%和13%～16%。Kim等[9]通過(guò)對(duì)液體噴射、兩相噴射以及蒸汽噴射3種噴射方式的研究發(fā)現(xiàn)，兩相噴射會(huì)更有效地提高COP和降低排氣溫度。Qin等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法，研究了2臺(tái)補(bǔ)氣口形狀不同的渦旋式壓縮機(jī)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3組補(bǔ)氣孔的壓縮機(jī)性能優(yōu)于單對(duì)補(bǔ)氣孔的壓縮機(jī)性能。李海軍等[11-12]通過(guò)理論分析，研究了補(bǔ)氣在吸氣口的過(guò)程。結(jié)果表明，補(bǔ)氣增加了制冷劑流量，增加了制熱量以及COP，降低了排氣溫度。一些學(xué)者[13-14]認(rèn)為補(bǔ)氣的最佳位置在壓縮機(jī)吸氣腔封閉時(shí)第一個(gè)嚙合點(diǎn)處，并且補(bǔ)氣能夠有效地降低排氣溫度，增加制熱量以及系統(tǒng)COP。

上述主要對(duì)補(bǔ)氣系統(tǒng)類(lèi)型、制冷劑種類(lèi)、補(bǔ)氣狀態(tài)、補(bǔ)氣孔數(shù)量以及補(bǔ)氣位置等方面進(jìn)行了研究。目前對(duì)于補(bǔ)氣孔位置的研究只涉及補(bǔ)氣在吸氣口過(guò)程以及補(bǔ)氣在壓縮腔過(guò)程。針對(duì)一些型線較短的壓縮機(jī)，補(bǔ)氣孔位置需要設(shè)計(jì)在吸氣腔內(nèi)，但上述研究中缺少對(duì)于補(bǔ)氣孔位置在吸氣腔的研究，并且缺乏補(bǔ)氣在吸氣腔之前補(bǔ)氣位置對(duì)熱泵性能影響的對(duì)比。針對(duì)上述問(wèn)題，本文建立了一款渦旋式壓縮機(jī)的幾何模型，補(bǔ)氣位置分別在吸氣口、吸氣腔和壓縮腔，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了不同補(bǔ)氣位置對(duì)壓縮機(jī)及系統(tǒng)性能的影響，并且確定最佳補(bǔ)氣位置。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 補(bǔ)氣位置

為了研究不同補(bǔ)氣孔位置對(duì)熱泵系統(tǒng)性能的影響，首先建立了渦旋式壓縮機(jī)的幾何模型，并根據(jù)補(bǔ)氣位置確定3個(gè)補(bǔ)氣位置轉(zhuǎn)角，如表1所示。

表1 補(bǔ)氣位置 （°）

3種不同補(bǔ)氣位置示意如圖1所示。如圖所示，補(bǔ)氣位置1為補(bǔ)氣在吸氣口過(guò)程，即吸氣與補(bǔ)氣在吸氣口混合后進(jìn)入壓縮機(jī)；補(bǔ)氣位置2為補(bǔ)氣在吸氣腔過(guò)程，即一部分補(bǔ)氣與吸氣在吸氣口混合后進(jìn)入壓縮機(jī)，另一部分邊補(bǔ)氣邊壓縮；補(bǔ)氣位置3為補(bǔ)氣在壓縮腔過(guò)程，即壓縮機(jī)完成一級(jí)壓縮后進(jìn)行邊補(bǔ)氣邊壓縮過(guò)程。

圖1 3種補(bǔ)氣位置隨轉(zhuǎn)角變化

1.2 物理模型

建立3種補(bǔ)氣過(guò)程的熱力學(xué)模型：

（1）補(bǔ)氣在吸氣口模型

補(bǔ)氣在吸氣口即補(bǔ)入的制冷劑與吸入的制冷劑在吸氣口進(jìn)行混合，混合之后再進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。此過(guò)程為一個(gè)混合過(guò)程，以壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)循環(huán)，假設(shè)此過(guò)程為一個(gè)等容充氣過(guò)程，取壓縮機(jī)剛剛閉合后的吸氣腔為控制體，則控制方程為：

其中假設(shè)整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有熱量損失，并且整個(gè)計(jì)算過(guò)程中忽略動(dòng)能和位能的影響，即，并且δ Wi=0。從上述公式中求得補(bǔ)氣后壓縮腔內(nèi)制冷劑的各個(gè)狀態(tài)參數(shù)。

（2）補(bǔ)氣在壓縮腔的模型

補(bǔ)氣在壓縮腔的過(guò)程為變?nèi)莘e、變質(zhì)量、變溫度、變壓力的非穩(wěn)定流動(dòng)壓縮過(guò)程，各參數(shù)均隨著曲軸轉(zhuǎn)角而發(fā)生變化，是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)。根據(jù)多變壓縮過(guò)程的熱力學(xué)過(guò)程，以壓縮腔為控制容積計(jì)算整個(gè)過(guò)程，模型的控制方程為：

則補(bǔ)氣-壓縮過(guò)程的微分方程：

補(bǔ)氣在壓縮腔內(nèi)的單位壓縮功可表示為[15-23]：

其中相對(duì)補(bǔ)氣量定義為：

（3）補(bǔ)氣在吸氣腔的模型

補(bǔ)氣在吸氣腔的過(guò)程為在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，補(bǔ)氣與吸氣進(jìn)行混合進(jìn)入壓縮機(jī)，在剩余的轉(zhuǎn)角范圍下，進(jìn)行邊補(bǔ)氣邊壓縮的過(guò)程，故此過(guò)程的熱力模型是上面2種補(bǔ)氣方式的結(jié)合。

補(bǔ)氣過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)行正常的等熵壓縮過(guò)程，從而完成對(duì)3種補(bǔ)氣過(guò)程的熱力模型的建立。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為了研究在冬季工況下補(bǔ)氣增焓技術(shù)在熱泵系統(tǒng)中的效果，選擇了表2中的計(jì)算工況。

表2 計(jì)算工況

本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)3種補(bǔ)氣過(guò)程以及無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程進(jìn)行研究，針對(duì)系統(tǒng)的制熱量Qh、壓縮功W、能效比EER、排氣溫度te以及排氣壓力Pe等方面進(jìn)行分析，總結(jié)有補(bǔ)氣過(guò)程相對(duì)于無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程的優(yōu)缺點(diǎn)，獲得3種補(bǔ)氣過(guò)程各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定最佳補(bǔ)氣位置。

2.1 熱力學(xué)過(guò)程

選擇蒸發(fā)溫度-5℃，冷凝溫度為43℃的工況，通過(guò)分析整個(gè)熱力過(guò)程獲得無(wú)補(bǔ)氣以及3種補(bǔ)氣過(guò)程的熱力特點(diǎn)，圖2為無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程以及3種補(bǔ)氣過(guò)程在所選工況下的p-h曲線。

圖2 無(wú)補(bǔ)氣以及3種補(bǔ)氣過(guò)程的p-h曲線

從圖可見(jiàn)，有補(bǔ)氣過(guò)程在冷凝器出口分成2條支路：補(bǔ)氣支路和蒸發(fā)器支路。補(bǔ)氣支路首先進(jìn)行節(jié)流降溫降壓過(guò)程，并與蒸發(fā)器支路制冷劑換熱后進(jìn)入壓縮機(jī)。蒸發(fā)器支路制冷劑換熱后經(jīng)過(guò)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器。與無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程相比可以得出，蒸發(fā)器進(jìn)口焓值降低，單位質(zhì)量制冷量增加。增加了中間補(bǔ)氣過(guò)程，壓縮機(jī)排氣壓力升高，緩解欠壓縮情況。

2.2 不同補(bǔ)氣位置對(duì)系統(tǒng)性能的影響

為了研究不同補(bǔ)氣位置對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本文分析了有補(bǔ)氣過(guò)程以及無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程的制熱量Qh、壓縮功W以及能效比EER隨著蒸發(fā)溫度t0變化的規(guī)律。其中無(wú)補(bǔ)氣以及3種補(bǔ)氣方式的制熱量分別為 Qh0，Qh1，Qh2，Qh3，壓縮功分別為W0，W1，W2，W3，能效比分別為 EER0，EER1，EER2，EER3。有補(bǔ)氣相對(duì)于無(wú)補(bǔ)氣的制熱量增量分別為ΔQh1，ΔQh2，ΔQh3，壓縮功增量分別為ΔW1，ΔW2，ΔW3，EER 增量分別為ΔEER1，ΔEER2，ΔEER3。

圖3～5分別給出了有補(bǔ)氣以及無(wú)補(bǔ)氣的Qh、W以及EER隨t0的變化情況。

圖3 制熱量Qh隨著t0的變化

其中，圖 3（a）、4（a）、5（a）分別為 3 種補(bǔ)氣位置以及無(wú)補(bǔ)氣的Qh，W以及EER隨蒸發(fā)溫度變化的曲線，圖 3（b）、4（b）、5（b）分別為 3種補(bǔ)氣方式相對(duì)于無(wú)補(bǔ)氣方式的Qh，W以及EER增加百分比。

圖4 W隨t0的變化

圖5 EER隨t0的變化

從圖 3（a）、4（a）、5（a）中可以得出以下結(jié)論：制熱量方面，Qh1，Qh2，Qh3均大于 Qh0。壓縮功方面，W1，W2均大于 W0，W3≈ W0。能效比方面，EER3＞EER2＞EER1＞EER0。隨著 t0降低，Qh減少，W1和W3減少，W2增加，EER下降。

由于補(bǔ)氣過(guò)程經(jīng)過(guò)冷凝器的制冷劑流量增加，但是排氣焓值降低，兩者綜合結(jié)果造成Qh1，Qh2，Qh3均大于Qh0。有補(bǔ)氣過(guò)程的制冷劑流量增加，造成了壓縮機(jī)的壓縮功增加，同時(shí)增加了補(bǔ)氣過(guò)程的耗功，但減小了壓縮機(jī)的欠壓縮耗功，綜合3方面結(jié)果得到壓縮功的變化規(guī)律。由于EER=Qh/W，而Qh1相對(duì)比較低，W1相對(duì)比較高，故EER1相對(duì)比較低；Qh1相對(duì)較高，W2相對(duì)較高，故EER2相對(duì)比較高；Qh3相對(duì)較低，W3比較低，故EER3相對(duì)比較高。且隨著t0的降低，壓縮機(jī)吸入的制冷劑流量減少，造成Qh減少，EER下降。

從圖 3（b）、4（b）、5（b）中可以得出以下結(jié)論：制熱量增量ΔQh1＞ ΔQh2＞ ΔQh3，且隨著 t0降低，制熱量增量是降低的。隨著t0降低，ΔW1和ΔW3減少，ΔW2增加。ΔEER1和ΔEER3是近乎不變的，ΔEER2是減小的。

在相同的補(bǔ)氣量、相同的計(jì)算工況下，制冷劑的流量是相等的，但補(bǔ)氣在吸氣腔的排氣溫度相對(duì)于其他兩種補(bǔ)氣方式來(lái)說(shuō)要高，所以補(bǔ)氣在吸氣腔中的制熱量增量要大。隨著t0下降，制冷劑流量減少，壓縮功減少，但增加補(bǔ)氣過(guò)程造成壓縮功增加，兩者綜合結(jié)果得到ΔW1和ΔW3減少，ΔW2增加。另外，隨著t0下降，Qh變化情況與W變化情況同時(shí)作用，造成ΔEER1和ΔEER3是近乎不變的，ΔEER2是減小的。

3種補(bǔ)氣方式從性能方面的研究結(jié)果表明，以增加制熱量為目的，補(bǔ)氣位置選擇應(yīng)該選擇在吸氣腔；以增加能效比為目的的，補(bǔ)氣位置應(yīng)該選在壓縮腔和吸氣腔。

2.3 不同補(bǔ)氣位置對(duì)排氣溫度的影響

熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)會(huì)造成壓縮機(jī)的排氣溫度過(guò)高，從而影響壓縮機(jī)的運(yùn)行安全以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。文章針對(duì)補(bǔ)氣和無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程對(duì)排氣溫度te的影響進(jìn)行分析。圖6為有補(bǔ)氣與無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程在蒸發(fā)溫度為-5，-20 ℃，冷凝溫度為43 ℃工況下的p-h圖。圖7給出了有補(bǔ)氣與無(wú)補(bǔ)氣的排氣溫度te隨t0變化的情況。其中，無(wú)補(bǔ)氣以及3種補(bǔ)氣方式的排氣溫度分別為te0，te1，te2，te3。

圖6 2種蒸發(fā)溫度下無(wú)補(bǔ)氣與3種有補(bǔ)氣的p-h曲線

圖7 排氣溫度te隨t0的變化

圖6（a）為蒸發(fā)溫度為-5℃的工況下，有補(bǔ)氣與無(wú)補(bǔ)氣p-h圖，圖6（b）為蒸發(fā)溫度為-20℃的工況下，有補(bǔ)氣與無(wú)補(bǔ)氣的p-h圖。圖7（a）為3種補(bǔ)氣方式以及無(wú)補(bǔ)氣的te隨著t0變化的曲線，圖7（b）為3種補(bǔ)氣方式相對(duì)于無(wú)補(bǔ)氣方式的te降低的溫度差。

從圖6和圖7中可以得到：（1）有補(bǔ)氣過(guò)程的蒸發(fā)器進(jìn)口焓值要低于無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程的蒸發(fā)器進(jìn)口焓值，因此，有補(bǔ)氣過(guò)程的單位制冷量要高于無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程的單位制冷量。（2）在假設(shè)補(bǔ)氣狀態(tài)相同的情況下，te3＜te1＜te2＜te0。（3）隨著 t0降低，te是升高的。（4）隨著t0降低，te降低幅度增加。

增加補(bǔ)氣之后提高了壓縮機(jī)的等熵效率，從而實(shí)現(xiàn)排氣溫度的降低。并且因?yàn)槿N不同的補(bǔ)氣過(guò)程導(dǎo)致補(bǔ)氣后狀態(tài)點(diǎn)位置不同，最終導(dǎo)致te3＜te1＜te2。隨著 t0的降低，蒸發(fā)壓力下降，但是冷凝壓力不發(fā)生變化造成te升高的現(xiàn)象。

從排氣方面考慮，補(bǔ)氣孔開(kāi)在壓縮腔或者補(bǔ)氣在吸氣口比較合適。

2.4 補(bǔ)氣位置對(duì)壓縮機(jī)排氣壓力的影響

對(duì)于渦旋式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，其存在內(nèi)壓縮和外壓縮過(guò)程，內(nèi)壓縮跟壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)系，外壓縮為壓縮結(jié)束到冷凝壓力的過(guò)程，此過(guò)程為欠、過(guò)壓縮，欠、過(guò)壓縮是壓縮機(jī)為了達(dá)到所需工況額外消耗的功。對(duì)于有補(bǔ)氣過(guò)程，由于在壓縮機(jī)中補(bǔ)入了制冷劑氣體，提高了壓縮機(jī)壓縮終了時(shí)的壓力，針對(duì)冷凝壓力高的情況，可以減少欠壓縮過(guò)程的功。圖8給出了有補(bǔ)氣與無(wú)補(bǔ)氣的排氣壓力Pe的變化情況。其中，無(wú)補(bǔ)氣以及3種補(bǔ)氣方式的排氣壓力分別為 Pe0，Pe1，Pe2，Pe3，無(wú)補(bǔ)氣以及 3 種補(bǔ)氣方式的排氣壓力增量分別為ΔPe1，ΔPe2，ΔPe3。

圖8 排氣壓力隨t0的變化

其中圖8（a）為3種補(bǔ)氣方式以及無(wú)補(bǔ)氣的Pe隨著t0變化的曲線，圖8（b）為3種補(bǔ)氣方式相對(duì)于無(wú)補(bǔ)氣方式的Pe增加百分比。此Pe為壓縮機(jī)壓縮結(jié)束時(shí)壓縮腔內(nèi)的壓力。

從圖 8（a）中可以得到：Pe1，Pe2，Pe3均大于Pe0，原因是補(bǔ)氣過(guò)程增加了壓縮機(jī)的制冷劑流量。對(duì)于在蒸發(fā)壓力為1.1 MPa的工況下，3種補(bǔ)氣方式減少了壓縮機(jī)的欠壓縮耗功。另外，隨著t0降低，Pe下降，這是由于隨著t0降低，蒸發(fā)壓力隨著下降的原因。

從圖8（b）中可以得到：在相同補(bǔ)氣量下的3種補(bǔ)氣方式中，Pe2＞Pe3＞Pe1。因?yàn)檠a(bǔ)氣在吸氣口的過(guò)程為一個(gè)簡(jiǎn)單的混合增壓的過(guò)程，混合后的氣體壓力變化相對(duì)比較小，而補(bǔ)氣在壓縮腔的制冷劑進(jìn)行邊補(bǔ)氣邊壓縮的過(guò)程，補(bǔ)氣過(guò)后腔內(nèi)壓力變化比較大。另外，隨著t0降低，ΔPe1和ΔPe3降低，而ΔPe2變化不是很明顯，因?yàn)檠a(bǔ)氣在吸氣腔和吸氣口存在混合增壓的部分，隨著蒸發(fā)溫度的降低，混合后的壓力變化比較明顯。而對(duì)于補(bǔ)氣在壓縮腔的情況，補(bǔ)氣過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，補(bǔ)氣過(guò)程后的壓力增加百分比基本保持不變。

綜合以上結(jié)論，補(bǔ)氣在壓縮腔和吸氣腔相對(duì)于補(bǔ)氣在吸氣口來(lái)說(shuō)更能夠緩解壓縮機(jī)的欠壓縮情況。同時(shí)針對(duì)低溫?zé)岜霉r，補(bǔ)氣在壓縮腔更加能夠保證欠壓縮情況的緩解。

3 結(jié)論

（1）從性能方面來(lái)看，3種補(bǔ)氣過(guò)程相對(duì)無(wú)補(bǔ)氣過(guò)程能夠有效增加制熱量Q以及能效比EER。并且補(bǔ)氣在吸氣腔和補(bǔ)氣在壓縮腔相比補(bǔ)氣在吸氣口來(lái)說(shuō)能夠最大程度的增加制熱量以及能效比EER。補(bǔ)氣在吸氣腔制熱量能夠增加8%～8.5%，EER增加12%～14%，補(bǔ)氣在壓縮腔能夠制熱量增加5.7%～7.5%，EER增加15%。

（2）從排氣溫度方面來(lái)看，3種補(bǔ)氣方式都能夠有效地降低排氣溫度，并且補(bǔ)氣在壓縮腔排氣溫度降低5～8 ℃，補(bǔ)氣在吸氣口排氣溫度降低4～6 ℃，補(bǔ)氣在吸氣腔排氣溫度降低 2.8～3.2 ℃。隨著蒸發(fā)溫度的降低，補(bǔ)氣能夠更加有效的降低排氣溫度。

（3）從排氣壓力方面來(lái)看，3種補(bǔ)氣方式能夠有效地增加排氣壓力，從而降低欠壓縮過(guò)程的功耗。其中補(bǔ)氣在壓縮腔和補(bǔ)氣在吸氣腔相對(duì)于補(bǔ)氣在吸氣口更能夠有效地提高排氣壓力，緩解欠壓縮情況。