空气源热泵机组内并联涡旋压缩机性能的实验分析

司 化 冯士伟 申道明 夏锦红 薛松涛

(1 新乡学院土木工程与建筑学院 新乡 45300)

(2 同济大学结构工程与防灾研究所 上海 200092)

(3 日本东北工业大学建筑学科 日本仙台 9 828577)

1 引 言

由于热泵空调系统可同时满足工业、生活中的供暖、制冷需求,而压缩机的选型对系统的性能至关重要,因此,诸多学者对压缩机的研究涉及较广。并且在空气源热泵机组中,多并联压缩机组的应用较为常见,而压缩机油槽内油位的保持对压缩机内部结构的有效润滑更为重要。涂虬等[1]从蒸发温度、冷凝温度、系统运行模式等方面对压缩机贮油量受压缩机排油量、系统回油的影响进行了理论分析和实验研究。刘群生等[2]从产品设计的角度出发,基于不同类型压缩机的润滑油控制要求,对涡旋并联机组、螺杆并联机组、活塞并联机组分别提出相应的回油方案。针对多压缩机并联制冷系统,宗露香等[3]运用计算流体技术(CFD),对新型均油装置的均匀回油效果进行了模拟分析,并证实该装置的有效性。

此外,为提高设备性能、检测设备运行的安全性,除对风量因素(通风量、干球温度、湿球温度、含湿量等参数)、水源因素(水流量、进水温度、出水温度等)等工况环境对机组性能进行分析研究外[4-6],诸多学者还以压缩机为研究焦点从压缩机功耗、容积效率、等熵效率等角度对设备性能(压缩机排气温度、功率、系统制热量/制冷量、系统COP等指标)的改变提供了实验验证和理论依据。例如,杨永安等[7]以压缩机频率为焦点变量对高温压缩机复叠热泵系统的性能进行了实验研究;胡鹏荣等[8]针对滚动转子式压缩机所具有的抗湿压缩特性,把压缩机吸气口制冷剂由过热态变为两相态时,进而对热泵机组的性能进行分析;陈子丹等[9]采用压缩机变频、设置回热器与气液分离器辅助加热等技术途径设计搭建了CO2空气源热泵的性能,并基于响应曲面法对压缩机运行频率进行优化。此外,为实现大功率压缩机组的高效运行,方兴等[10]对多级离心式压缩机的并机运行能耗及各级能耗进行了仿真模拟,进而提出了一种多级离心式压缩机优化并联启停方法;余健亭等[11]基于热力学模拟及热力经济设计准则,对太阳能吸收-过冷压缩式复合制冷系统和单独压缩制冷系统的性能进行了理论对比,进而为系统性能的改进程度提供了理论支持。

以空气源热泵机组内并联涡旋压缩机为研究对象,通过运行实验对压缩机油槽内相对油位、设备制冷量/制热量、EER/COP等受各环境变量的影响进行了实验分析,进而在确保设备稳定、可靠运行的前提下,为涡旋压缩机结构的优化设计、设备性能的改进提供实验依据。

2 系统介绍

2.1 实验装置

空气源热泵机组系统原理图如图1 所示,为提高装置负荷,选用双并联定频涡旋压缩机组为制冷剂提供循环动力。由压缩机组排出的高温高压制冷剂气体流向油分离器,混在制冷剂气体中的润滑油在油分离器内被分离出来,分离出的润滑油经油毛细管重新注入压缩机吸气。此外,为进一步平衡压缩机油槽间的油位,在压缩机组中特别设置油平衡管。机组使用四通换向阀调节系统内制冷剂流向,进而改变不同换热器所起到的作用:制冷过程中,铝翅片管换热器为蒸发器,微通道换热器和板式换热器为冷凝器,制热过程中,铝翅片管换热器为冷凝器,微通道换热器和板式换热器为蒸发器。根据室内环境需求,通过球阀调节板式换热器(热水回收需求)和微通道换热器(高温空气环境)内制冷剂流量和方向。经过冷器冷凝的制冷剂流向质量流量计,以实现制冷剂循环流量的实时监测。而后过冷制冷剂经EXV 调节进行降压处理,达到蒸发压力后的制冷剂在铝翅片管换热器内换热后进入压缩机吸气口,与油毛细管内润滑油混合后共同进入压缩机,完成循环过程。

图1 空气源热泵机组系统原理图Fig.1 Schematic diagram of air source heat pump unit system

实验中,为实现系统性能的详细分析,某些关键位置点上的制冷剂温度、压力、流量等参数需进行精确测量。如使用科里奥利质量流量计对制冷剂循环流量进行测量,使用电磁流量计测量板式换热器中水循环流量,使用Pt100 铂电阻对系统内制冷剂温度、板式换热器内水进出口温度进行测量,而压缩机吸排气压力及各换热器/EXV 进出口压力使用压力变送器进行测量。此外,实验选用西门子采集模块对实验数据进行实时监测,用于实验数据分析,各仪器仪表性能参数见表1。

表1 实验仪器仪表参数Table 1 Parameters of experimental instruments

2.2 实验方案和数据处理

实验数据处理前,首先使用板式换热器水侧换热量对制冷剂循环流量进行校核,而后根据制冷剂温度/压力测量值对焓值进行计算,进而实现微通道换热器、铝翅片管换热器的计算。

板式换热器水侧换热量Qp,w

板式换热器制冷剂侧换热量Qp,r

换热校核率η

式中:mw为板式换热器水侧质量流量,kg/s;Cp为定压比热容,kJ/(kg·℃);Tw,in/Tw,out为进出口温度,℃;mr为制冷剂循环流量、hp,in/hp,out为板式换热器制冷剂侧进出口焓值,kJ/kg;由所测压力、温度等参数计算获得。

实验规定,当η＜0.03 时,说明实验参数测量较高,可以用以进行实验数据分析。对于热泵机组,铝翅片管换热器为室外机,板式换热器和微通道换热器为室内换热器,可根据室内环境需求对制冷剂在板式换热器和微通道换热器内的流量进行调节。

微通道内换热器Qm,r为:

铝翅片管换热器Qa,r为:

式中:hm,in/hm,out为微通道换热器制冷剂侧进出口焓值,kJ/kg;ha,in/ha,out为铝翅片管换热器制冷剂侧进出口焓值,kJ/kg;相应焓值同样由所测压力、温度等参数计算获得。

制冷工况下,铝翅片管换热器作为冷凝器,设备性能指标EER为:

制热工况下,铝翅片管换热器为蒸发器,设备性能指标COP为:

式中:Pcom为压缩机功耗,kW;主要由输入电压/电流计算得到。

3 涡旋压缩机

压缩机作为制冷系统中的核心元件,为工质的循环提供动力。根据压缩机壳体内压力的不同,涡旋压缩机可分为高压腔压缩机和低压腔压缩机两种,其中高压腔压缩机壳体内处于排气压力,属于高压区,低压腔压缩机壳体内处于吸气压力,为低压区。本研究涡旋压缩机属于高压腔压缩机,其结构示意图如图2a 所示。

图2 涡旋压缩机[12]Fig.2 Scroll compressor

在涡旋压缩机内,由动涡旋盘和静涡旋盘组成的涡旋体是其核心部件,紧密啮合的动静涡旋盘的相对运行共同完成制冷剂的压缩过程,如图2b 所示。其中动静涡旋盘之间形成的月牙形空间称之为基元容积,当动涡旋盘以静涡旋盘中心为旋转中心作无自传的回转平动时,外圈月牙形空间被压缩而不断向中心移动,基元容积随之缩小,与此同时,外圈未封闭的基元容积不断扩大。在每个基元容积随动涡旋盘的运行做周期性扩大和缩小运行的同时实现制冷剂气体的吸气、压缩和排出过程,这也是制冷剂状态变化的实质过程。

制冷剂压缩过程中,低压制冷剂吸气由吸气管直接进入涡旋体,其中,占据最外圈月牙形空间的制冷剂气体随动涡旋盘的回转平动被压缩,使其压力逐渐升高,压缩结束后,高压制冷剂气体由静涡旋盘的排气孔进入排气腔,而后通过排气管道进入机壳下部对电动机进行冷却。同时,背压腔内高压制冷剂气体流动方向的改变使其携带的润滑油撞击到元件壁面上,最终在重力作用下流进油池内。最后,分离出润滑油的高压制冷剂气体由排气管排出,完成压缩过程。此外,压缩机使用排气对电动机进行冷却,可有效降低吸气过热度,以提高压缩机效率。

对于高压腔涡旋压缩机,压缩机采用差压供油方式为油池内润滑油提供流动动力,实现润滑油由油池向涡旋盘的迁移,润滑油经过滤器从曲轴中心油道进入中间压缩腔,在对制冷剂压缩的过程中实现对涡旋型面的润滑。

4 油分离器

油分离器主要安装在压缩机排气口,主要用于防止压缩机在缺油状态下长时间运转,进而对压缩机内部元件产生较大磨损。装置中,使用油毛细管连接油分离器内储油箱和压缩机油池。

常规旋流油分离器结构设计原理如图3a 所示,主要由位于顶部的气态制冷剂出气管、位于侧面的油气混合物入口管、回油管、椎体、导流叶片、筒体、蝶形反射屏、油加热箱等部件组成[13-14]。其中,筒体外导流叶片俯视图如图3b 所示,导流叶片整体高约240 mm,主要分为垂直段和倾斜段两部分,其中垂直段叶片高度为75 mm,宽度为65 mm,从垂直段下端开始,叶片以与管壁呈30°切线角、20°螺旋角的形式倾斜。

图3 油分离器Fig.3 Oil separator

当油气混合物流进油分离器后,在导流叶片壁面的作用下,混合物由直线运动转为圆周运动,进而使油滴在离心力的作用下被分离到筒壁上,与筒壁的碰撞使其自身能量完全丧失,在重力作用下分离出的油滴聚集成较大油滴流入油分离器底部的储油区。分离出油滴的制冷剂气体到达筒体下部的低压区时,向中心集中,以相同的旋转方向向上做旋转运动,最终经气体制冷机出气管进入系统内。此外,椎体主要用于对油分离器底部的油气混合物进行再次加速,以实现小颗粒油滴的分离。而筒体下部安装的蝶形反射屏,主要用于隔绝油收集区,以防制冷剂气体流速较大时油收集区内的由被带走进入系统内。

当压缩机停止工作时,油加热箱开始对润滑油进行加热,以防润滑油的沉积和凝固,当压缩机开始工作时,油加热器停止工作。

5 实验结果分析

润滑油对压缩机内涡旋盘、驱动轴承等处实现较好的润滑效果对压缩机的稳定、可靠运行至关重要,因此在实验运行中需对压缩机油槽内油位进行实时监测,本研究选用相对油位对各实验变量的影响进行分析,由压缩机说明书可知:相对油位在0.65 以上时方可满足压缩机内各部件的润滑要求。实验结果显示:在实验运行范围内,油槽内油位完全达到压缩机运行要求,即相对油位均在0.65 以上,此外,相对油位随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大,即相对油位随着压缩机高低压比的减小而增大,具体结果可见表2。

表2 压缩机油槽内相对油位分析表Table 2 Analysis of relative oil level in compressor oil tank

为保证压缩机稳定、可靠运行,除需对油槽内油位进行检测外,还需对压缩机运行状态进行严格控制。工业应用中,主要对压缩机吸排气压力温度等参数进行了设定,其中,压缩机吸气需处在过热状态,以避免液滴对压缩机结构进行液击、对油槽内润滑油进行稀释;压缩机排气温度不宜过高,过高的温度将使润滑油碳化变质、降低润滑油粘度,进而降低摩擦副之间的润滑效果,对压缩机涡盘、驱动轴承、内部密封等造成永久性破坏;吸气饱和压力不易过低,过低的饱和吸气将提高载冷剂的应用要求,极易造成管路的冻结等设备故障;排气饱和压力不易过高,过高的饱和排气不仅使压缩机压比增大、压缩有效容积减小,进而使使压缩机容积效率降低,还增加了压缩机结构设计、材质特性等要求。

在压缩机合理运行范围内,高低压比对压缩机容积效率和等熵效率的影响直接关系到设备的性能,因此,各工况变量对设备性能的影响可通过其对压缩机吸排气状态的影响进行解释,但由于不同变量的影响机制不同,使实验结果表现出不同的变化趋势。在对压缩机吸排气压力对其性能进行研究时,使用板式换热器为冷凝器,以便通过载冷剂换热量的计算对质量流量计测量精度的校核,进而确保系统制冷量的计算精度。蒸发温度对设备性能的影响分析可见图4,由图可知:设备制冷量、制热量、COP、EER等均随蒸发温度的升高而增大,即换热器换热量与设备性能随蒸发温度表现出相同的趋势,这是因为压缩机为定频压缩机(压缩机运转频率保持恒定),且实验工况对压缩机功耗运行较小。冷凝温度、过冷度、过热度保持恒定时,单位质量制冷量随蒸发温度升高而增大,此外,蒸发温度的升高致使压缩机压比降低,进而使压缩机容积效率升高,即表征制冷剂循环流量增大,两者均可使制冷量随着蒸发温度的升高而增大。理想状态下,冷凝器换热量(制热量)为压缩机功耗与蒸发器换热量(制冷量)之和,因此蒸发温度对制热量的影响在机制上与其对制冷量的影响相同。

图4 蒸发温度对系统性能的影响Fig.4 Effect of evaporation temperature on system performance

不同于蒸发温度,冷凝温度的变化不会对单位质量制冷量产生影响,但冷凝温度的升高致使压缩机压比增大、压缩机容积效率降低,进而使制冷剂循环流量减小,因此制冷量随着冷凝温度的升高而降低。此外,压缩机功耗同样受冷凝温度影响较小,可解释为制热量(冷凝器换热量)与制冷量(蒸发器换热量)受冷凝温度的影响趋势相近;冷凝温度对设备性能影响与其对换热量的影响效果相同,如图5 所示。

图5 冷凝温度对系统性能的影响Fig.5 Effect of condensation temperature on system performance

对设备性能受工作环境的影响进行分析时,主要选用进水温度、室内环温为实验变量,即主要以制热工况下板式换热器、微通道换热器做冷凝器时,工作环境对设备性能的影响为研究焦点。本质而言,制冷系统中蒸发器与冷凝器的换热特性直接关系到系统高低压,而板式换热器内进水温度和微通道换热器内空气温度直接对系统冷凝压力产生影响,进而影响系统性能。经分析:冷凝压力与进水温度、室内环温呈正比,因此,进水温度和室内环温的降低同样通过升高压缩机容积效率来提高制冷剂循环流量,进而引起设备制热量的增加,与此同时,进水温度、室内环温对压缩机功耗的影响较小,使实验变量对设备COP与制热量的影响效果相同。虽然两者在影响效果上具有相似性,但其影响程度不同,即进水温度对冷凝压力的影响效果更为显著,如图6、图7 所示。

图6 进水温度对制热性能的影响Fig.6 Effect of inlet water temperature on heating performance

图7 室内环温对制热性能的影响Fig.7 Effect of indoor ambient temperature on heating performance

6 结 论

为分析基于并联涡旋压缩机的空气源热泵机组的工作特性,首先对压缩机、油分离器内部结构进行了介绍,而后以相对油位、制热量、制冷量、COP、EER为指标对设备性能进行了分析,实验结果显示:

实验范围内,压缩机油槽内相对油位均在0.65以上,完全满足润滑要求;此外,相对油位随着压缩机高低压压比的减小而增大,即润滑油在低压比工况下润滑效果更好。

蒸发温度、冷凝温度对压缩机功耗影响较小,进而使各实验变量对设备性能、换热量的影响效果相同,即制冷量、制热量、COP、EER均随蒸发温度的升高而增大,随冷凝温度的升高而减小。不同于冷凝温度的降低仅有利于压缩机容积效率的升高、制冷剂循环流量的增大,蒸发温度的升高不仅可使压缩机容积效率增大、制冷剂循环流量升高,还可使单位质量制冷量增大,在两者的综合作用下,蒸发温度对系统性能的影响效果更为显著。

与冷凝温度影响机制相似,进水温度、室内环温主要通过对压缩机容积效率的影响来影响设备性能,即进水温度、室内环温同样对压缩机功耗的影响较小,使制热量和COP随进水温度的升高、室内环温的增大而减小。