定频空调喷气增焓系统的研究与分析

赖孝成 熊硕

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

1 引言

随着全球环境温度逐渐变暖，消费者对高温环境下空调的制冷效果及舒适性越来越关注[1]。对于空调器来说，随着环境温度的逐步升高，蒸发温度也会逐步升高，制冷量逐步下降。特别是对于定频机而言，无法通过调整频率来加大压缩机排量，故随着环境温度的升高，制冷量衰减越明显。随着喷气增焓技术的应用，可以通过闪蒸器进行气液分离，实现增焓效果[2]，从而有效提高制冷能力。但是从目前的研究来看，主要关注喷气增焓技术在低温制热方面的应用，而在高温制冷方面的应用却研究较少。本文从理论和试验验证两方面分别对喷气增焓技术如何提高高温制冷能力进行研究与分析，并根据分析结果对关键制冷参数以及压缩机补气口的口径对制冷量的影响进行了研究。

2 定频转子压缩机喷气增焓空调系统的理论循环

空调器在制冷、制热模式下分别应用喷气增焓技术时，能力提升的原因在理论上有较大不同。制热时，压缩机的排气与蒸发器相连，压缩机增加补气后，系统的质量流量大幅增加，进而提高了制热量[3]。而在制冷时，根据图1所示，压缩机排气侧与冷凝器相连，再经过一级节流装置、闪蒸器和二级节流装置后与内机蒸发器相连[4]。由于蒸发压力是背压，故当二级节流装置内冷媒的流速达到声速后，高压压力的变化对蒸发压力并不产生影响。所以增焓后增加的冷媒质量，仅仅提高的是冷凝器中的冷媒流量，对蒸发器中的质量流量影响较小。

为了进一步验证上述分析，对蒸发器内换热能力进行计算，计算公式[5]如下：

其中：Φ为制冷量；qm为质量流量；Δh为制冷剂进、出蒸发器的焓差；ρ为吸气密度；v为压缩机排量。

根据公式（1）进行分析：对于同一套样机开、关增焓进行对比，蒸发压力基本不变，在蒸发器出口温度刚好过热的前提下，吸气密度ρ基本相同。压缩机吸气口吸入冷媒的体积与压缩机排量一致，也基本不变，所以流经蒸发器的质量流量保持不变。把喷气增焓空调系统及普通空调系统的冷媒循环过程标示在同一个压焓图中，如图2所示，1’-2-5’-6-1’为普通空调系统冷媒循环过程，1-2-3-4-5-6-7-8-1为喷气增焓空调冷媒循环过程（对喷气增焓空调的一级节流装置进行调节，使其冷凝器出口状态与普通空调系统一致）。从图2中可以看出，相较于普通空调系统，在压缩机排量不变时，喷气增焓空调系统的焓差更大，而制冷能力的高低与焓差Δh正相关，所以这是制冷能力提升的主要因素。

以一款24K机型为例，对相同配置、相同排量的普通压缩机机型和增焓压缩机机型在不同室外工况条件下进行性能对比测试，测试数据如表1所示。从数据可以看出：增焓机型制冷量提升明显，在室外46度条件下制冷量提升达到10.8%，室外48度条件下制冷量提升达到7.5%，高温条件下制冷量提升明显。

3 喷气增焓空调系统影响制冷量的关键系统参数

根据如上理论分析：焓差Δh决定了制冷量的高低。对图3喷气增焓空调系统的制冷P-H图进行分析：当Δh=h2-h1时焓差值最大。与点1焓值相当的点8为进入二级节流装置前冷媒的状态点，此时点8在饱和液线上，干度为零。所以只有当进入二级节流装置的冷媒是全液态时，蒸发器冷媒侧的焓差值最大，制冷量最高。

对应到闪蒸器内部（图4）：当系统运行达到平衡时，液态冷媒的液位必须大于出气口的最高管口位置才能确保进入二级节流装置的冷媒是全液态。如果低于此位置，那么进入二级节流装置的冷媒将会是气液两相态，制冷循环将会由1-2-3-4-5-6-7-8-1调整为1'-2-3-4-5-6-7-8'-1'。焓差值Δh将变为：

表1 增焓机型与普通机型各工况条件下的性能对比

所以此时性能值将会降低。

以一款24K定频机为例，在闪蒸器上并联一根透明视液管，对闪蒸器中的液位进行监控。通过调整系统中的冷媒量及节流状态对两种状态进行对比试验，从表1的实测数据也可以看出：在室外48度的高温环境下，实测结果与理论分析的结论一致，提高闪蒸器内部的液位，降低出气口的冷媒干度，可以提高冷媒的焓差值，进而有效提高制冷能力。但是当液位达到出气口最高管口位置以后，继续增加液位对性能影响不大。

图1 喷气增焓空调系统制冷原理图

图2 喷气增焓空调系统及普通空调系统的制冷P-H图

图3喷气增焓空调系统的制冷P-H图

图4 闪蒸器剖视图

图5 制冷模式下不同增焓孔孔径的压缩机单体对比数据

表2 闪蒸器不同液位对应的能力值

表3 制冷模式下不同增焓孔孔径压缩机在整机上的对比数据

4 压缩机补气口的设计对制冷量的影响

根据制冷、制热模式下喷气增焓技术对空调器换热能力的影响因素可知：对于制热模式，压缩机的补气口越大，补气量越大，冷媒流量越大，制热量越高。但是对于制冷模式来说，补气量的多少对蒸发器的换热能力影响较小，相反压缩机的补气口越大，高压压力越高，系统功率越高，相反能效比将会下降。所以，针对不同的使用环境以及空调器对制冷量和制热量的侧重点不同，压缩机的补气口设计方案应该各有不同。这就决定了同一款压缩机不能同时兼顾制冷和制热，必须采用两种压缩机分别应对高制冷量和高制热量需求。

在高温制冷（室外46度）模式下对不同增焓孔孔径的压缩机单体（数据如图5）及整机（数据如图2）进行对比测试，数据的趋势与理论分析一致。另外冷媒在闪蒸器中进行气液分离的过程中，如果中间补气量过大的话，将会导致液态冷媒剧烈蒸发，液位降低。如果液位降低到出气口的最高管口位置下方，将会降低蒸发侧的焓差，导致能力降低，这也是上面数据中Ф3 mm增焓孔压缩机能力偏低的主要原因。如果增焓孔孔径继续加大，甚至会因为中间补气量过大，导致闪蒸器中液位消失进而降低蒸发器中的流量，导致蒸发器中冷媒量不足而过热严重，降低换热效果。

5 结论

喷气增焓技术的应用可以有效提高低温下的制热量和高温条件下的制冷量，可以改善空调器在极端工况下的换热性能。根据理论分析增焓在制热模式和制冷模式下对提高性能所起的作用却是不同的。本文对定频转子压缩机喷气增焓空调系统在制冷时的理论循环进行分析，得出影响制冷量的关键系统参数，并对压缩机的补气口孔径的设计方案进行了详细分析。根据理论分析的结果进行实验验证，得出如下结论：

（1）制热时压缩机增加补气后，系统的质量流量增加，进而提高了制热量。而在制冷时增焓后增加的冷媒质量，仅仅提高的是冷凝器中的冷媒流量，对蒸发器中的质量流量影响较小。

（2）制冷模式下相较于普通系统，喷气增焓空调系统的焓差值更大，这是制冷能力提升的主要因素。

（3）使用增焓压缩机用于提高制冷能力时，闪蒸器中的液态冷媒的液位对性能的提升起了到关键作用。液位高于出气口最高管口位置时，焓差值最大，性能最高。

（4）在偏重于制热能力的空调系统中，加大增焓压缩机的补气口口径，可以有效提高性能。

（5）在偏重于制冷能力的空调系统中，加大增焓压缩机的补气口口径，不会带来能力的提升，相反会降低能效，甚至会导致能力的降低。故减小压缩机的补气口口径可以提高制冷能力及能效。