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滚动转子式压缩机低温热泵系统性能分析

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发表于 2018-2-1 14:46:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘要:在Tod=-10℃工况下调节压缩机工作频率及补气压力,实验研究R410A单缸滚动转子式压缩机的制热 性能。试验测试系统采用双电子膨胀阀控制中间补气压力及压缩机吸气过热度。实验研究表明:随着补气 压力的增加,中间补气系统的制热量及COPh均呈现出先增加而后降低的趋势;而随着频率的增加,系统的 制热量升高,系统COPh降低。相对于普通单级压缩系统,中间补气系统的制热量平均增长约26.1%,系统 COPh在低频时最大提升幅度约为7.92%,在高频时其能效比相对较低。随着补气压力的增加,闪蒸器气液 分离效率降低,部分液态冷媒经中间补气管道进入压缩机,中间补气系统性能降低且易产生湿压缩。因此 在满足建筑物热负荷需求的同时,应合理控制中间补气压力及补气量。
关键词:热泵 中间补气技术 滚动转子式压缩机 R410A 补气压力



0 引 言


    随着全球性环境污染的加剧及化石资源的减 少,促进了人们对清洁、可再生能源利用方式的深 入研究。空气能作为一种广泛存在的低品位、环境 友好型能源,其主要应用形式为空气能热泵。传统 的空气能热泵大多采用单级压缩、毛细管节流,无 法在北方寒冷的冬季长期安全、经济地运行[1]。随 着外部环境温度的降低,传统的空气能热泵系统由 于系统结构及节流原件不匹配[2]等原因,导致制热 量衰减较快、排气温度升高、能效比降低、压缩机 运转严重偏离正常工作过程等。因此如果不加任何 系统改进,而将传统空气能热泵应用于北方寒冷地 区,机组低温运行时将会出现能耗高、能效低、设 备损坏严重等问题。为解决上述问题,国内外学者 提出了各种解决方案:中间补气技术[3]、复叠式循 环系统[4]、应用电子膨胀阀节流[5]、利用变频技术[6] 加装辅助热源[7]等措施,其中采用中间补气技术是 热泵低温环境利用的一种有效措施。
    因涡旋压缩机性能好、工作稳定、抗液击风险 能力较强等特点,中间补气技术最初主要应用于涡 旋压缩机系统中。马国远[8]等人将涡旋压缩机中间 补气系统分别与过冷器及闪蒸器组合应用并进行 低温实验对比,研究结果表明相对于过冷器系统, 闪蒸器补气系统在-25℃环境中的制热量及COPh别提高10.5%4.3%,同时随着蒸发温度降低, 中间补气系统的制热能力衰减速度低于传统的空 气源热泵。王宝龙等人[9]利用数值分析的方法得出 系统性能随中间补气压力的变化规律,从而对补气 口几何尺寸进行相关优化设计。Wang等人[10]实验研究了发现中间补气技术的应用,R410A涡旋压缩机 热泵系统在-17.8℃环境下的制热量及COPh分别提 高了30%20%。通过大量的实验研究及理论分析 表明中间补气技术可有效提升涡旋压缩机系统的 制热量及能效比,然而涡旋压缩机因其内容积比固 [11],在变工况下运行时容易出现过压缩、欠压缩 现象[12],导致压缩机效率降低,且制作成本较高, 不利于在温差波动较大的寒冷地区推广应用。相对 于涡旋压缩机,滚动转子式压缩机结构简单、性价 比高,更适合在小容量机组上产业化应用。因此将 中间补气技术与低成本的滚动转子式压缩相结合 也可实现中间补气的二级/准二级压缩过程并克服 上述问题的出现。
    补气型滚动转子式压缩机主要包括单机单缸 和单机双缸两种形式。单机双缸补气滚动转子式压 缩机包含高、低压气缸及混合室,中间补气技术的 研究应用主要围绕该类型压缩机进行技术创新。 HEO J[13-16]研究了闪蒸器补气过程中高、低压缸 比例、压缩机频率、环境温度对系统性能的影响, 并提出了过冷器系统运行时的最佳补气比例;马敏 [17]通过变工况下的对比试验发现单机双缸补气 压缩机与涡旋补气压缩机制热量相当,但性能略高; HEO J[13]BAEK C[18]WANG X[19]在不同 工况下对比分析得出闪蒸器补气系统性能优于过 冷器系统。与单机双缸相比,单机单缸补气滚动转 子式压缩机仅有一个气缸,且结构简单,可进一步 提升低温热泵机组的性价比。单机单缸滚动转子式 压缩机补气方式目前主要为在排气口附近的汽缸 壁上增设补气口,通过合理设置孔径等几何参数, 达到最优化系统制热性能的目的。针对其研究报道 较少,贾庆磊等[20]通过对比试验发现,与单机双缸 系统相比,当室外温度高于-15℃时,单机单缸系统 制热量与COPh分别提升约2.29%1.94%,当环境 温度低于-15℃时,单机单缸系统的制热性能相对较 ;晏刚等[21]R410A单机单缸系统为研究对象,并 与单级压缩系统相对比,在室外温度高于-15℃时, 系统制热量可提高12%以上,APF值提高4.62%。然 而在变频率f、变补气压力Pinj工况下,通过实验研 究对单机单缸滚动转子式压缩机系统制热特性的 变化规律及产生机理等方面的研究报道较少。
    本文试验将搭建以变频单机单缸补气滚动转 子式压缩机为R410A冷媒驱动设备的准二级压缩测 试系统。实验研究在恒定的室内外环境温/湿度,分 析压缩机频率f及补气压力Pinj的变动对系统制热性 能的影响规律,并与单级压缩系统进行对比,以期 为中间补气系统改进及控制策略的进一步优化提 供参考。


1 试验装置与测试工况
1.1 实验装置
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本文中试验在国家认证的标准焓差实验室内 进行,测试系统示意图如图1所示,系统压焓图如 2所示。测试机组采用直流变频单机单缸补气滚 动转子式压缩机,理论排量为10.8cm3•rev-1;系统上、下游节流装置均采用电子膨胀阀独立控制,上 游电子膨胀阀(EEV1)主要控制中间补气压力(Pinj)

而下游电子膨胀阀(EEV2)主要控制压缩机吸气口 冷媒蒸汽过热度;系统中间喷射管路上增加截止阀, 便于从中间补气系统(截止阀打开)切换至单级压 缩系统(截止阀关闭);系统各主要测量点均设置 视液镜便于观察冷媒的流态;系统两级节流装置前 均设置流量计,以便测量中间补气比例及补气量; 利用焓差实验室的风量、温湿度、功率等测量设备 计算系统的制热量QhCOPh及功率W等参数。
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单机单缸滚动转子式压缩机的补气口设置在 排气口附近(如图 3-a 所示),当转子与汽缸内壁啮合点越过吸气口时,补气口立即开始补气,直至压 缩腔体内压力大于补气压力时,补气过程结束。相 对于单机双缸压缩机,单机单缸滚动压缩机补气过 程开始时间早,且补气量易于调控。然而当转子与 汽缸内壁啮合点处于排气口和吸气口中间位置时, 会存在一定量的回流问题,导致相对补气效率降低, 这也为压缩机进一步改进、优化提供了研究方向和 试验数据基础。图 3-b 为闪蒸器结构示意图,从其 结构可以看出气液两相流经过螺旋通道进入闪蒸 器垂直腔体中,在重力及离心力共同作用下进行气 液分离过程。分离出来的饱和冷媒蒸汽从闪蒸器上 方出口排入中间补气管路,分离后的饱和液体冷媒 经底部出口进入二次节流装置。
1.3 测试工况
实验条件及方法:测量工质为R410A,当焓差 室工况、稳定后,在保证压缩机吸气口冷媒蒸汽过 热度(3-5K)前提下,调节中间补气压力,测量各 工况条件下、各压缩机频率(60、70、80、90、100Hz 所对应的机组制热性能,补气管路截止阀关闭后形 成单级压缩系统,并进行相应的对比试验。表1 实验测试工况表。
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