中东空调工况下双级增焓转子压缩机性能研究

阙沛祯，魏会军

（1.珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司，广东珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

1 引言

中东地区气候炎热，夏天最高环境温度可超过50 ℃，空调的使用时间长。在这种高环境温度的条件下，对空调高温制冷能力需求高，运行条件恶劣。主要表现为压缩机排气压力高，压差大，负载重，制冷能力和能效会大幅衰减，并且压缩机排气温度高，高温工况下电机散热、泵体润滑效果差，可靠性难以保证。此外中东各国对空调的最低能效比要求也在逐年提高。因此常规空调设计难以满足中东地区高制冷能力、高能效、高可靠的要求。而双级增焓转子压缩机可将压缩缩过程从一次分解为2次，降低了单个气缸的压缩比，提高了压缩效率；通过闪发补气，提高了单位质量制冷量，并能有效降低了排气温度。双级增焓转子压缩机机的这些优点非常适合应用于中东空调。黄辉[1]等对双级补气滚动转子式压缩机进行了容积比的对能效的影响研究，余冰[2]等对双级补气滚动转子式压缩的中间压力对性能影响研究。张思朝[3]、刘琦[4]均以带闪蒸器的单机双级压缩热泵系统为对象，研究了中间补气参数对系统相对补气量、能效比、排气温度的影响。相关研究中，主要针对双级增焓压缩机的增焓补气规律，而该压缩机在不同的应用场合实际效果研究较少。为此，本文双级增焓转子压缩机进行中东空调工况性能研究，为开发高效节能中东用空调提供参考指导。

2 双级增焓转子压缩机及其系统循环

双级增焓转子压缩机是在单台压缩机上实现两级压缩并具有中间补气增焓的压缩机，如图1所示，压缩机具有一个低压级气缸和一个高压级气缸串联，低压吸气进入低压级气缸进行一级压缩后排气中压气体，并与增焓补气混合，再被二级气缸吸入后进行二次压缩排出压缩机。双级增焓系统循环主要由双级增焓压缩机、蒸发器、冷凝器、闪蒸器、一级节流装置和二级节流装置构成（图2）。不同于单级压缩，双级增焓系统循环除压缩机为双级压缩外，冷凝器后高压的过冷液态制冷剂经过一次节流后降至中压进入两相区，其中一部分闪发成中压气态制冷剂，闪发的这一部分气态制冷剂吸收了另一部分未闪发的液态制冷剂的热量，从而使二次节流前的液态制冷剂进一步过冷，增加了焓差，即增加了制冷量。即其系统循环为带闪蒸器的两级节流中间不完全冷却的双级压缩循环。该循环可有效降低压缩机单个气缸压缩比，提高压缩效率，通过补气闪发，提高单位质量制冷量，同时有效降低高压级吸气温度，有效降低排气温度。这些优点非常适合应用于中东空调。

3 双级增焓压缩循环理论计算

根据上述系统循环，双级增焓压缩机的低压级和高压级的容积比ξ设计决定了最优中间补气的压力，对压缩机的能效提升起到关键作用。依据两级压缩两级节流中间不完全冷却制冷循环的运行特性[5]，不考虑闪发过程和补气混合过程中的热量损失，且闪蒸器中闪发的气体全部能进入高压气缸，高压级吸气质量流量m2可由闪蒸器的热平衡关系求得。根据图，压缩机容积比ξ和理论制冷系数ε计算如下

高压级吸气点3状态的蒸气比焓可由2部分蒸气混合过程的热平衡关系求得

图1 双级增焓转子压缩机结构图

图2 单级和双级增焓压缩机系统循环图

图3 压-焓图

压缩机的高压级比低压级的容积比为

双级增焓压缩循环理论制冷系数

单级压缩循环理论制冷系数

式中 m1——低压级质量流量

mi——中间补气质量流量

m2——高压级质量流量

hi——i状态点的比焓

ξ——低压级和高压级的容积比

ε——不同容积比下双级增焓压缩循环理论制冷系数

ε′——单级压缩循环理论制冷系数

νi——各i状态点的比容

为设计适合于中东空调工况使用的双级增焓转子压缩机，本文选取了中东空调使用的T1、T3、52 ℃制冷三组代表性制冷工况。

根据上述理论计算，获得了不同工况下双级增焓压缩机在不同容积比设计下相比单级压缩机的能力和能效提升。如图4为相比单级压缩机的双级增焓制冷循环的压缩机理论能效提升比例，压缩机容积比ξ在0.7～0.75时，中东空调制冷工况下能效提升达最大值，负荷越大，提升比例越高，T1、T3、52 ℃制冷3种工况分别最大提升7.7%、11.8%、14.3%。图5为相比单级压缩机的双级增焓制冷循环的压缩机理论制冷量的提升比例，在理想状态，且中间补气能全部进入二级缸的条件下，容积比越大，制冷量提升幅度越大，T1、T3、52 ℃制冷3种工况制冷量可提升15%～30%左右。

表1 中东空调系统制冷工况

图4 不同容积比下理论能效提升

4 压缩机实验测试方法

选取本文研发的一台容积比为0.73的双级增焓转子，以及一台单级转子压缩机按上述3种工况进行实验测试对比。为保证实验对比的有效性，2台压缩机的均采用相同参数的定频电机，压缩机参数对比如表2。压缩机实验测试方法如图6，单级压缩机将补气截止阀8关闭测试，双级增焓压缩机测试时，打开补气截止阀8，并在测试过程中调节最佳的中间补气压力，以找出压缩机能效最高点。

5 测试结果及分析

能效方面，如图7，随着工况负荷的增加，压缩机的能效都存在较大幅度的下降，单级压缩机52 ℃制冷工况相比T1工况能效下降了40%。双级增焓压缩机在T1、T3、52 ℃制冷3种工况相对单级压缩机能效提升分别最大提升6%、11%、14%，和理论计算基本接近，即双级增焓压缩机在中东空调高温制冷工况下能效提升显著。

图5 不同容积比下理论制冷量提升

表2 压缩机参数对比

制冷量方面，如图8，随着工况负荷的增加，单级压缩机52 ℃制冷工况相比T1工况制冷量衰减了20%，这会导致中东空调高温制冷能力不足。而双级增焓压缩机在T1、T3、52 ℃工况相比单级压缩机制冷量分别提升13%、26%、32%，也和理论计算基本一致，使得52 ℃制冷比T1工况制冷量仅衰减5.8%，可基本实现高温制冷能力不衰减的显著效果。这主要是通过双级压缩，压缩机泄漏减小，容积效率提升，另外由于两级节流和增焓补气，使得单位质量的制冷量的焓值增加。

图6 压缩机性能试验台原理

图7 压缩机性能系数对比

图8 压缩机制冷量对比

排气温度方面，如图9，通过增焓补气，双级增焓压缩机可获得2～8 ℃的温度降低。若调整补气的中间压力，增加补气带液量，可进一步降低排温，有利于在极端高温环境下压缩机的长期可靠运行。

图9 压缩机排气温度对比

6 结语

本文对双级增焓转子压缩机在中东空调工况下进行理论计算，并进行同单级转子压缩机的中东高温制冷工况性能测试对比及分析，得出如下结论：

（1）中东空调制冷工况下，压缩机容积比设计为0.7～0.75可使压缩机能效提升达最大值，同时制冷量也能大幅提升。

（2）通过压缩机的实际性能测试，能效和制冷量测试结果和理论计算值基本一致，双级增焓压缩机在中东空调高温制冷工况下能效提升显著，并在不增加一级气缸排量的情况下可实现高温制冷能力基本不衰减。双级增焓压缩机应用于中东空调具有显著的性能优势。