基于定频定容转子压缩机的喷气增焓系统的研究分析

张经卫 郭用松 黄志刚 梁永宽

（1.中山大学 广州 5102752； 2.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311）

引言

近年来为了提升空调器在低温工况条件下的制热输出能力，喷气增焓技术得到越来越广泛的应用，目前国内外为解决空调器在低温条件下制热能力输出不足提出了以下主要技术手段[1][2][3]：

变容压缩机技术：①一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，针对低温蒸发温度的能效问题未能得到很好的解决，当机器实现高出风温度时排气温度过高，对压缩机本体和系统存在可靠性风险；②高转速压缩机技术：当压缩机在低温工况下运行时，压缩机高转速维持能力输出存在噪音问题，而且若长期以此情况运行，可靠性无法得到保证；③两级压缩中间喷气增焓技术：喷气增焓技术是指以喷气增焓压缩机为输出源，辅以中压段冷媒喷射技术。在压缩机腔体上开一个中间压力吸气孔，吸入来自闪发器中分离出的中间压力的气态制冷剂，与原本在压缩机中被部分压缩过的冷媒混合后再压缩，实现了以单台压缩机实现两级压缩，增加了换热器中的制冷剂流量，加大了主循环回路的焓差，从而大大提升了压缩机的能力输出；同时由于压缩过程为准二级压缩，使得压比增大，更有利于低温工况运行。为了使最大幅度的提升低温制热输出能力能效，应用于变频压缩机的喷气增焓技术现阶段成为市场主流，相对应的这种变频两级压缩中间喷气增焓技术造价更加昂贵。为了解决此类痛点，在提升低温输出能力的前提下兼顾系统经济性，对定频定容压缩机结合两级压缩中间喷气技术做了一些理论和实验的研究分析。

1 定频压缩机喷气增焓系统的理论循环

1.1 定频压缩机喷气增焓系统介绍

图1为定频压缩机的喷气增焓系统系统，主要包括：定频增焓压缩机，四通阀部件，室内外换热器（冷凝器，蒸发器）气液闪发器，节流部件，截止阀等。制冷时：冷媒从室外换热器出口经节流部件1进入闪发器，在闪发器中的液体通过节流部件2进行二次节流后进入室内换热器进行蒸发吸热，蒸发后的冷媒通过四通阀进行进入回气。制热时：冷媒从室内换热器的出口经节流部件2一次节流后进入闪发器，分离出的液体经过节流部件2二次节流后进入室外换热器完成冷媒的蒸发吸热过程。闪发器中分离出的气体冷媒通过压缩机喷气口对压缩机吸气腔进行补气。因为低温制热时，蒸发温度很低，压缩机吸入的气体冷媒密度很小。通过喷气口补气，可以提高压缩机气缸中的冷媒质量，进而提高制热量。

图2为喷气增焓二次节流制热系统原理图1-2与3-4为压缩机绝热压缩过程，4-5-6为高温高压气体在室内换热器液化冷凝过程，6-7为流经室内换热器后的绝热节流过程，7-10为制冷剂在闪发器中的补气蒸发过程，7-8为制冷剂在闪发器中冷凝过程，8-9为液态制冷剂的绝热节流过程，9-0-1为制冷剂蒸发过热过程，2-3-10为压缩机主回路中制冷剂蒸汽与与流经补气回路中的补气蒸汽相互混合的过程。其中每个过程线中所代表的循环工质的量并不一样。其中，取制热时经过室外换热器的每千克的循环制冷剂的补气量为 αkg。

1.2 理论热力学计算

理论计算假设：

2）压缩机的压缩过程为绝热压缩过程，即熵不变；

3）蒸发和冷凝过程中忽略压降，即压力不变。

系统的制冷量为蒸发器的吸热量[4][5]：

系统的制热量为冷凝器的放热量：

闪发器中能量守恒方程：

压缩机功耗：

1.1.2地理区位作为贵阳市东北城市组团，乌当区的区位交通条件优越，其东临南明区、南融云岩区、西接观山湖和白云区、北连开阳县，与贵阳航空港经济区、贵阳综合保税区联袂成带，与贵阳龙洞堡国际机场和贵阳火车北站毗邻，贵阳火车东站坐落境内，高速公路、高速铁路与城市干道纵横交错，“快旅慢游”现代交通体系基本形成，是广大贵阳市民首选的农旅体验生态区。

制热系数COPh：

制冷系数COPc：

图1 喷气增焓制热系统

图2 喷气增焓制热系统原理

压缩机理论输气量G：

通过蒸发器的质量流量m：

其中：

Q1、Q2分别表示系统制冷量、制热量，单位（kW）；

m表示通过蒸发器的质量流量，单位（kg/s）；

N表示压缩机转速（rev/s）；

v1表示压缩机吸气比容（m3/kg）；

Vh表示压缩机理论吸气容积（m3/rev）；

h1～h10表示各点的比焓值（kJ/kg）。

2 结果分析

2.1 蒸发温度对制热量的影响

以一台定频转子压缩机的喷气增焓系统的理论制热循环为例，计算了不同的蒸发温度对制热量的影响。同时对比了开喷气功能和不开喷气增焓的两个系统的差别。计算条件：设定系统冷凝温度46 ℃；过冷度5 ℃；蒸发温度计算范围-30～15 ℃，吸气口过热度8 ℃。利用工程计算软件EER对制热循环进行计算，计算结果如图3和图4。

从图3中可以看出，开喷气和不开喷气的系统制热量都是随着蒸发温度的降低而降低。开喷气比不开喷气，系统的制热量明显有提升。在系统运行时，随着蒸发温度的下降，制冷剂的比容增大，压缩机吸气口所吸进气体的密度变小，对于定容定频的压缩机，根据质量流量计算公式可知，比容增大，系统运行的制冷剂质量流量降低，这是造成系统制热量随着蒸发温度下降而降低的主要原因。如图5所示，蒸发温度越低，系统中的质量流量越少。喷在喷气增焓的系统中，通过压缩机的喷气口对系统进行了中间补气，增加制冷剂质量流量，降低压缩机排气温度，提升了系统的制热量。

2.2 制冷剂种类对制热效果的影响

图3 能力随蒸发温度变化趋势图

图4 制热系数随蒸发温度变化趋势图

图5 质量流量随蒸发温度变化趋势图

在实际系统设计中，经常需要对制冷剂进行选择。本文对四种常见的制冷剂（R410A、R22、R32和R290）在定频压缩机喷气增焓系统的制热效果进行理论计算。计算结果见图6和图7。

从图6可以看出，在相同运行工况下，R410A和R32的制热量较之R22和R290有较大提升，制热量的优势明显；R410A和R32两种制冷剂的制热量几乎相同。

图7展示了四中不同制冷剂的制热系数（COP）的理论计算结果。可以看出，及使在不同的蒸发温度条件下，R290制热系数最高，其次分别是R22、R410A和R32。

图6 不同制冷剂系统能力随蒸发温度变化趋势图

图7 不同制冷剂制热系数随蒸发温度变化趋势

综合考虑制热量和制热系数的情况下，R410A相对于R32制冷剂具有优势，制热量二者相当，但R410A制冷剂的制热系数相对较高。

3 实验验证

采用某品牌的带有喷气增焓功能的定频压缩机进行设计，组装成如图1所示的空调系统。通过截止阀的开闭和系统中节流部件1和节流部件2的调节使补气压力达到设定的最佳中间压力进行制热工况实验，用以验证喷气和不喷气系统的制热效果。测试实验工况如表1所示。

其中，对理论公式进行添加一定的修正系数后可以对实际测试工况进行一定预测。其中实际输气量 ，表示实际输气系数；压缩机耗工，表示压缩机的实际压缩机的电效率。在实际计算中，通过额定制热工况的实际测试值与理论值进行一次校准后，得到相应的和1值，而后带入理论计算公式中即可对其他工况做一定的制热量和制热系数进行预测。测试和计算的结果见图8。

表1 测试实验工况

图8 制热量——蒸发温度趋势

图9 制热系数——蒸发温度趋势

从图8可以看出，实测测试结果显示，喷气增焓系统在不同的制热工况下对系统的制热量都有提升。其中在低温-15 ℃是提升制热量11.4 %，在-7 ℃提升效果最好，提升幅度达到19.3 %，整体平均提升制热量13.4 %。

利用带有修正系数的理论计算公式对喷气系统的制热量进行预测，从图9中可以看出，预测一致性很好，最大预测为8.7 %，平均预测误差为5.5 %。

从图9中的制热系数上来看，喷气相比不喷气系统制热系数没有多大提升，其主要喷气增焓系统是因为通过中间补气增加了制冷剂流量，导致压缩机的耗工也相对增加，因此系统的制热系数没有太大提升，与单级压缩的不喷气系统相当。

4 结语

1）本文通过对定频压缩机喷气增焓系统的理论热力学分析和计算研究了蒸发温度对整个系统制热性能的影响。系统制热量随着蒸发温度的降低而降低，其中主要的原因是因为低温的室外环境对应的系统蒸发温度低，压机单位吸气质量降低导致系统中制冷剂的质量流量降低；

2）比较了不同种类制冷剂在该定频压缩机喷气增焓系统的制热表现，其中在相同的工况下，R410A和R32系统的制热量都大于R22和R290系统的制热量，其中R32和R410A系统制热量相当；在制热系数的比较上，R290制热系数最高，其次分别是R22、R410A和R32。

3）通过实验测试得到定频压缩机喷气增焓系统相比于单机压缩系统制热量在不同室外环境工况下最大提升幅度达到19.3 %，整体平均提升制热量13.4 %。给出一种简便的理论计算方法，预测一致性较高，最大预测误差为8.7 %，平均预测误差为5.5 %。

本文对定频压缩机喷气增焓系统做了一定的理论和实验探索，为喷气增焓技术在定频压缩机系统的应用提供了一定的指导。