变频变容喷气增焓空调压缩机的理论与实验研究

向卫民

（广东美芝制冷设备有限公司，广东佛山528333）



变频变容喷气增焓空调压缩机的理论与实验研究

向卫民

（广东美芝制冷设备有限公司，广东佛山528333）

摘要：低温制热能力不足问题一直是空调的诟病，研发人员在前期也提出过几种解决温制热量的方案，但都以难满足APF工况下的能效提升和低温-15℃环境温度下高制热量的两个目标。针对这一难题，提出一种集变频技术、变容技术和喷气增焓技术为一体的压缩机设计方案，通过原理分析进行了样机的结构设计，研究其性能及低温能力特性，经验证，搭载空调系统测试时，喷气能力能效提升效果明显，在喷气情况下，搭载系统APF比基准机型提高了约6%，同时，搭载系统的低温-15℃的制热能力相对基准机提升了约85%，效果显著。

关键词：变频；变容；喷气；APF；低温制热量

低温制热能力不足问题一直是空调的诟病，在低温环境下，热量需求大，而由于蒸发温度低，吸气比容大，冷媒循环量减少，压缩比增大，导致系统制热能力严重衰减，排气温度过高，润滑及密封效果差，能效及压缩机可靠性明显下降。为提高低温制热能力，目前国内外关于解决在低温环境下制热性能不足的问题有不少研究方向及成果，主要有以下技术方案：

1）变频变容压缩机技术：一般采用大缸拖小缸的模式，变容能力有限，循环未优化，能效影响较大，不能解决低蒸发温度能效问题；实现高出风温度时，排气温度高，存在可靠性风险。2）高/超高转速压缩机技术：超高转速压缩机低温条件下高能力时需要高频运行，存在噪音问题，且超高转速大压比运行的可靠性问题还有待解决。3）两级压缩中间喷气技术/喷气增焓压缩机技术：两级压缩机和喷气增焓压缩机，不能调节压缩机基础排量，能力提升幅度受限于循环，超低温（-15℃）下提升幅度一般超过30%。

针对上述情况，本文主要对喷气变容压缩机的技术方案、能力及能效特性进行研究，并对相关技术方案进行了实验验证，经验证，喷气变容技术能实现常温条件的高APF能效，以及超低温条件下的超大能力。

1　压缩机设计原理与方案

喷气变容的设计目标主要有两个，一是低环境温度条件下的大制热能力，二是提高空调在APF工况条件下的能效水平。已有技术中均无法同时实现高能效与高制热量的目标，需要结合各技术的优势设计新的技术方案［1］。

在目前高效的变频压缩机基础上，利用变容技术提升压缩机在低温时的排气量，从而弥补低温时制热能力的衰减，再通过喷气技术以提升压缩机的能效，同时对制热能力也有一定的提升效果，以实现高效加高制热量的综合应用效果。

1.1直流变频技术原理

压缩机变频技术可分为直流变频技术和交流变频技术。直流变频压缩机因其能效高，节能效果强被广泛使用。

直流变频压缩机工作原理如图1，通过变频器整流、滤波、逆变的处理过程，220 V /50 Hz交流电改变为3相120°电角度方波电流，给压缩机定子绕组供电，电动机转子位置信号也输送给控制模块，使得3相绕组各相依次通电产生电流，从而拖动电机。

通过变频技术，使得压缩机在空调系统不同的运行需求时工作在不同的转速上，一方面使得空调器更好的满足用户的使用要求，另一方面，也使得空调器在不同工况下的运行效率得以提升［2］。

图1　直流变频压缩机驱动原理

1.2喷气增焓设计原理

喷气压缩技术目前主要有两种，一种是活塞切割式如图2：即气缸补气口设置在轴承上，通过活塞的转动，实现对该补气口的连通或封闭，该结构防止逆流的方法是靠活塞转动时将补气孔封闭。这种设计喷气结构简单，无余隙容积，但受结构尺寸的影响较大。

图2　活塞切割式结构示意图

第二种是常用的止回阀喷气方案：即靠近气缸排气口的地方设置喷气阀，当气缸压缩腔压力小于中间压力时，阀门打开，中压气体喷进气缸，当气缸压缩腔压力大于中间压力时，阀门关闭，防止气体逆流。这种设计的喷气量大，但结构较复杂，且存在余隙容积，对性能有一定的影响。

无论是活塞切割喷气或止回阀喷气方式，其原理都是准二级压缩过程。如图3所示，该循环近似于二级节流中间完全冷却压缩循环。制冷剂经冷凝器冷却后变成过冷液，经一级节流后进入气液混合两相区，两相制冷剂在闪发器中进行气液分离，其中，分离出来的中压液体进入二级节流后进入蒸发器；分离出来的中压气体直接喷射到压缩机的压缩腔中。

图3　闪发器前节流系统冷媒循环图

喷气循环压缩过程中，喷射进来的气体是中压气体，相当于有部分气体从中压缩到了高压，节省了部分压缩功，从而能优化循环效率。同时，从闪发器出来的气体是饱气体，其温度比压缩腔的过热气体低，两种气体混合，可以降低压缩腔的气体温度，从而降低排气温度。

从结构适应性及可靠性角度出发，本次设计的双缸压缩机两个气缸分别采用了不同的喷气方式，以满足常运转缸和变容缸的使用要求。

针对喷气压力和角度的具体设计，主要的原则是提高APF工况的喷气效果。设计原理如下：

每个阶段喷射量的计算如公式（1）所示

其中：Mj—阶段喷射质量流量；pj—气缸喷射压力；p0—喷射前气缸内气体压力；ρ—喷射前气缸内气体密度；α—喷射系数；θ—设定阶段喷射角度；f—压缩机运行频率；

从上式可知，喷气量与面积成正比。

两级理论中间压力公式计算如公式（2）所示

当pj＞pm时，闪发器的干度降低，冷媒的气体含量减少，但补气量增加，此时有可能会补气带液，而相反，pj＜pm则会容易造成补气量不足，能量回收过少，达不到很好地提升能效的效果。

综合上述两者之间的偏差，设计出具体结构方案，再通过实验验证其效果。

1.3双缸变容设计原理

当前变容的技术方案较多，对于双缸变容（其中一个气缸可卸载）而言，最常用的两种方式是：1）滑片腔压力控制+滑片制动（磁铁或其他方式）。2）气缸内压力控制+滑片制动（磁铁或其他方式）。

其中，“滑片腔压力控制+滑片制动”的方案是在密封变容缸的滑片尾孔形成滑片腔，通过切换该腔体的压力实现变容缸的工作和卸载，滑片腔为吸气压力时，变容缸卸载，滑片腔为排气压力时，变容缸工作。而“气缸内压力控制+滑片制动”的方案则是通过切换变容缸的吸气孔输入压力来实现工作和卸载，输入吸气压力时，变容缸工作，输入排气压力时则卸载。

1.4整体方案设计

根据上述目标及原理分析，本耦合压缩机整体技术方案主要考虑双气缸不同角度喷射及防止逆流等技术点，提高各工况能效，主要的方案设计要点如下［3］：

1）采用多增方案，通过增容、增焓、增频的超大能力运行方式，解决超低温能力问题。

2）充分利用空调系统两级节流及闪蒸器资源，通过无余隙针对性喷气设计，提高变容单缸运行能效，即常运气缸喷气口以提高APF为设计目标。

3）差异化喷气口设计，变容气缸针对低温工况设计喷气结构，低温喷气能力充足，降低排气温度改善压缩机可靠性，实现空调系统更高的出风温度。

4）两个气缸共用一个喷气通道，变容气缸的喷气口增加止回阀，防止不工作时气缸内的高压逆流到喷气通道。

5）考虑到同时实现喷气功能及变容功能，变容方式采用“气缸内压力控制+滑片制动”，并在变容气缸的喷气道通道上增加止回阀。

综合以上要点，考虑到当前主流家用空调器的型号为1.5HP、制冷剂为R410A，空调器采用的压缩机排量约为10.8 cm3/r，本耦合压缩机的排量设计为2×9.8 cm3/r。以满足APF工况单缸运行和低温工况双缸大能力运行的需要。

喷气变容压缩机的结构方案如图4所示，下气缸为9.8 cm3/r的变容气缸，如图4左，下气缸外连接有变容用储液器，其出口需要外接三通阀（图中未示），其中变容接口为三通阀的公共端，三通阀另外两个接口分别连接低压及高压。高压接通变容接口，下气缸停止工作，且此时下气缸内为高压，喷气压力为中压，如图4右所示的喷气阀处于常闭状态，低压接通变容接口，下气缸正常工作，此时下气缸压缩腔压力是随活塞转角变化的，因此，喷气阀随活塞转角的变化打开或关闭。

如图4右所示，上气缸为9.8 cm3/r的常运气缸，直接设置活塞切割喷气方式，不设置止回阀，该喷气口设计以有利于APF提高为基准。而下气缸在常温状态下并不运行，因此，其喷气口设计以有利于增大热量为基准。

图4　耦合压缩机结构示意图

2　实验验证

根据上述设计方案，制作了压缩机的原始样机，并进行了压缩机性能的测试，结果显示，压缩机单体的性能达到现有量产压缩机的水平，可以搭载空调系统确认变容技术和喷气技术应用时对系统不同工况的影响效果，包括APF工况下的系统能效及-15℃环境温度时的制热能力提升情况。

空调选用的是美的牌的变频空调器，选用了KFR-35GW空调器用来确认性能提升效果。同时，为了最大发挥压缩机的低温制热能力，我们将室外机变更为KFR-51GW空调器的室外机，确认低温最大制热能力的提升效果。

耦合压缩机搭载空调系统测试的能效对比如图5所示。与基准机型相比，在变频空调AFP各工况条件下，能效均有明显提升效果，特别是在低温条件下，综合变容和喷气的效果，能效提升高达22%，综合计算，APF能效提升了约6%，效果显著。

根据图6结果所示，在低温-15℃环境温度下，相比原机型，在KFR-35GW空调器中，制热能力提升了46%，而将空调器的室外机更换为KFR-51GW空调器的室外机后，制热能力提升了85%。这主要是由于受制于室外机换热能力过小，室外机风量无法调整，压缩机制热能力越大，室外机结霜越快，制热能力大则能效有所降低等因素的影响，在KFR-35GW空调器中难以发挥压缩机的能力所致。

图5　系统APF工况能效对比

图6　-15℃低温工况制热能力对比

因此，我们可以采用与原机型相同的KFR-35GW空调器，通过将变容缸的排量调小，以实现同时提高APF能效和制热能力的目的。也可以采用更大的室外机，采用本耦合压缩机满足在-15℃低温条件下超高制热能力的使用需要，解决当前空调器制热不足的问题，可以实现在-15℃的环境温度下，空调器的出风温度仍可接近50℃，大大提高空调器的制热效果和使用舒适度。

3　结语

根据当前空调器制热性能较差，特别是低温环境制热需求大时的能力不足的问题，同时为应对空调器能效等级提升需求，对变频变容喷气增焓耦合压缩机进行了针对性的设计，以解决上述难题。实验结果显示，搭载空调器系统匹配时，空调器的APF综合能效提升了约6%。并且在-15℃的低温工况下，制热能力大幅提升，较好的实现了提高空调器APF能效和低温制热量的设计目标。

参考文献：

［1］丁囯良，张春路.制冷空调装置仿真与优化［M］.北京：科学出版社，2001.

［2］张春路.制冷空调装置仿真与优化［M］.北京：科学出版社，2012.

［3］广东美芝制冷设备有限公司.气体冷漠喷射式旋转压缩机：101624985A［P/OL］. 2010-01-13［2016-04-15］. http：//www.gdzl.gov.cn.

科技与应用

［责任编辑：吴卓］

Study on Variable Volume and Gas Injection DC Inverter Air Conditioner Compressor

XIANG Weimin
（Guangdong Meizhi Compressor Co. Ltd.，Foshan Guangdong 528333，China）

Abstract:The lower heating capacity in low ambient temperature is the defect of the air-conditioner. Some schemes have been proposed to solve the problem，but they can't improve the quantity of heat more than 50%in low ambient temperature and improve efficiency in general temperature at the same time. This paper proposes a vapor-injection varicap compressor，and studies its heating capacity and efficiency properties. The experimental results show that the APF of the air-conditioner increased by 6%when using the vapor-injection varicap compressor，and the quantity of heat increased by 85%，at the same time.

Key words:DC inverter；variable displacement；gas injection；APF；heating capacity at low ambient temperature

中图分类号：TB61+4

文献标志码：A

文章编号：1672-6138（2016）02-0001-04

DOI：10.3969/j.issn.1672-6138.2016.02.001

收稿日期：2016-03-10

作者简介：向卫民（1966—），男，湖南衡东人，研究方向：制冷与空调。