双级增焓滚动转子式压缩机补气压力特性实验研究

双级增焓滚动转子式压缩机补气压力特性实验研究

潘婷婷，赵旭敏

广东珠海格力电器股份有限公司    广东 珠海 519070

摘要:补气压力直接影响双级增焓滚动转子式压缩机的两级压缩比分配、补气量和排气温度，从而影响压缩机性能及可靠性。补气压力具有脉动特性，压缩机的制冷量、功率及COP都随着补气压力的增加先增大后减小，存在一个最优补气压力。双级增焓滚动转子式压缩机的补气压力需控制在最优补气压力附近，确保压缩机的性能最优同时也可保证压缩机的可靠性。

关键词:双级增焓;压缩机;补气压力;制冷系数

Experimental Research on Vapor Injection Pressure Characteristic of Two-stage Rolling Piston Compressor with Vapor Injection

PAN Tingting, ZhaoXumin

Gree Electric Appliances，INC.ofZhuhai    Zhuhai Guangdong 519070

Abstract:Injection pressure directly influences the two-stage compression ratio distribution , injection amount and discharge temperature of the rolling piston compressor with two-stage vapor injection, so as to influence the compressor performance and reliability. the injection pressure bears pulsation characteristics, with the increase of the injection pressure, the heating capacity, power and COP of the compressor also increase at first then decrease afterwards. There exists an optimal injection pressure. The injection pressure of the rolling piston compressor with two-stage vapor injection needs to be controlled to a value near the optimal injection pressure, so as to ensure the optimal performance of the compressor while ensuring the reliability of the compressor at the same time.

Key Words:two-stage enthalpy increase；compressor ;injection pressure;COP 

引言

空气源热泵因其供热量远远大于它所消耗的电能，是一种低温余热利用的节能技术[1]，且安装、使用简单，得到了广泛的推广与应用，但是在极端低温气候条件下使用空气源热泵时会出现制冷量不能满足使用要求，压缩机排气温度过高等问题，其能效水平和工作温度范围受到限制，在滚动转子式压缩机上采用两级压缩级间冷却技术[2][3]是近些年在空气源热泵中得以较宽发展的技术手段，双级压缩将压缩过程从一次压缩分解成两次压缩，可降低单个气缸的吸排气压差，从而减小单个气缸的泄漏量，提高压缩机的容积效率，高低压差越大，相对单级压缩的能力提升幅度越大；级间冷却可以有效降低高压级吸气温度，改善高压级压缩过程，降低压缩机的耗功，降低排气温度，高低压比越大，相对单级压缩的能耗降低越明显；级间冷却采用补气方式时可增加流经冷凝器侧的制冷剂质量流量，从而可以有效增大制冷量，环境温度越低时，相对单级压缩系统的制冷量提升幅度越大。

双级增焓滚动转子式压缩机的可靠性和高效性主要依赖于补气压力，基于此，本文研究双级增焓滚动转子式压缩机补气特性，分析补气量、中间压力、中间温度、排气温度、制冷量和压缩机各个部分耗功量等参数随补气压力的变化规律，为开发适应我国北方寒冷地区的双级增焓压缩空气源热泵提供参考。

一、系统原理及实验装置

1、两级节流中间不完全冷却循环系统

本文研究对象为基于两级节流中间不完全冷却循环系统的双级增焓滚动转子式压缩机，两级节流中间不完全冷却循环系统。冷凝器出来的高温高压制冷剂首先经过节流装置1成为中温中压的制冷剂进入闪蒸器，闪蒸器分离出的中压饱和蒸气补入到双级增焓压缩机的中间腔，闪蒸器分离出的中压饱和液态制冷剂经过节流装置2成为低压低温的两相制冷剂进入到蒸发器，经过蒸发器蒸发后被压缩机低压级气缸吸入进行第一级压缩后进入到中间腔与补气混合后被吸入到高压级气缸，经过第二级压缩后排出双级压缩机进入到冷凝器冷凝。通过调节节流装置1可以获得不同补气压力，补气压力的大小直接影响到10点的干度（见图1中B理论循环压焓图），即补气量的大小，将影响制冷量的大小；改变补气压力的同时也改变低压级气缸的压缩比和高压级压缩比的分配，将影响压缩功耗分配及耗功总量，同时也将影响排气温度的大小。

2、实验台原理图

基于GBT5773-2004《容积式制冷压缩机性能测试方法》搭建了试验台，主侧测试使用第二制冷剂量热器法，副侧测试使用制冷剂液体流量计法。为防止制冷剂在流量计中气化，在流量计一前面装一个过冷器，在流量计二前面装一个闪蒸器过冷器系统，过冷器能确保进入流量计的制冷剂具有5-10K的过冷度，流量计一计量流经冷凝器的制冷剂质量流量，流量计二计量流经蒸发器的制冷剂质量流量，两者之差则为补气制冷剂的质量流量。在压缩机吸、排气管路上布置了温度压力传感器，监控吸气温度、吸气压力、排气温度和排气压力。

3、实验测试工况

双级增焓滚动转子式压缩机用于热泵型房间空气调节器，选择国家标准GB/T15765-2014《房间空气调节器用全封闭型电动机-压缩机》的制冷量试验工况1进行实验。

二、实验结果及分析

1、补气压力对压缩机性能的影响

补气系数为补气压力与压缩机吸、排气压力之积的算术平均值的比值，其表达式见式（3）。

（3）

式中为蒸发压力，为冷凝压力

同一个工况下，补气系数越大则表示补气压力越大。

图1国标工况60Hz制冷量和功率随补气系数变化的规律

图2国标工况60Hz时压缩机相关功率随补气系数变化的规律

图3国标工况60Hz时COP随补气系数变化规律

由图1可见，随着补气系数的增大，制冷量先快速增大，增大到峰值后缓慢减小；功率随着补气系数的增大先快速增大后缓慢增大，增大到峰值后开始较快地下降，制冷量出现峰值点的补气系数小于功率出现峰值点时的补气系数.图2中电机输入功率和压缩机总功率的变化规律基本一致，随着补气系数的增大先较快增大后缓慢减小。图3中COP的变化规律同制冷量相似。

制冷量随补气系数变化的原因是补气系数越高补入的制冷剂质量流量越大，流经冷凝器侧的制冷剂流量越多，但是补气越多时排气温度越低，进入到冷凝器的制冷剂温度越低，两者较量，制冷量在补气系数较小时主要受冷凝器侧制冷剂质量流量影响，补气系数较大时主要受排气温度影响，因此制冷量会出现随补气系数的增大先增后减。

2、补气压力对压缩机可靠性的影响

图4国标工况60Hz时中间温度和排气温度随补气系数变化的规律

由图4可见，随着补气系数的增加，中间温度迅速下降，下降到最小值后开始变得平缓上升，排气温度则先平缓下降，后较快地下降，排气温度急剧下降将会引发油池温度的剧降，为了评估补气系数对油温过热度、油循环率的影响，我们专门制作了压缩机内部油池布置了pt100铂电阻的实验样机，样机的排量比为0.6。

实验结果见图5，随着补气系数的增大，排气过热度和油温过热度的变化趋势基本相同，补气系数较低时排气温度较高，对应的排气过热度和油温过热度均较高且变化平缓，油循环率非常小，几乎可以忽略不计（≤0.05%），当中间压力超过某一定值时，排气过热度和油温过热度突然剧烈下降，油循环率也急剧增加，基本上都超过2.5%。排气过热度和油温过热度急剧下降的同时，油循环率急剧增大，推测油池油液位急剧下降，将导致润滑失效的风险。因此，补气压力控制需控制，不宜太高。

图5新国标工况60Hz时排气过热度、油温过热度、COP和油循环率随补气系数变化的规律

三、结论与展望

补气压力是双级增焓压缩循环系统中重要的控制参数，在国标工况下，针对不同补气压力时的双级增焓滚动转子压缩机进行研究，分析了双级增焓滚动转子式压缩机的补气压力对压缩机的制冷量、功率以及COP的影响，从而定性提出改进其性能的方案，总结全文，研究结论如下：

1、随着补气压力的增大，制冷量先快速增大后缓慢减小，存在一个最大值。制冷量的大小受到排气温度与补气量两者的影响，尽管排气温度随着补气压力的增大而减小，但是初始阶段，排气温度降低较慢，而补气量增加得较快，补气量的增大对制冷量的影响占主导，所以制冷量会先增大，但是随着补气压力的进一步增大，排气温度开始较快地降低，补气量的增加变得平缓，此时排气温度的降低对制冷量的影响占主导，所以制冷量会开始减小，这就是制冷量出现峰值的原因。

2、在不同工况下均存在一个最优的补气压力使得压缩机的COP最优，当补气压力比此补气压力小得较多时，压缩机的制冷量和COP都将偏低较多；当补气压力比此最优补气压力大得较多时，压缩机的COP将会偏低，且排气温度很低，将会引起压缩机压缩机油温偏低带来的油循环率激增导致润滑失效等可靠性问题。因此双级增焓滚动转子式压缩机的补气压力应控制在最优补气压力附近，确保压缩机的性能最优同时也保证了压缩机的可靠性。

参考文献：

[1]《中国制冷行业战略发展研究报告》2016中国制冷学会，中国建筑工业出版社

[2]Tetsuhide Yokoyama, Kei Sasaki, Shin Sekiya, Hideaki Maeyama. Developing a Two-stage Rotary Compressor for CO2 Heat Pump Systems with Refrigerant Injection.Purdue,2008

[3]Bo Shen, C. Keith Rice,Omar Abdelaziz, Som Shrestha. Development of a Cold Climate Heat Pump Using Two-stage Compression.ICR2015,August16-22-Yokohama,Japan.

[3]Bo Shen, C. Keith Rice,Omar Abdelaziz, Som Shrestha。使用双级压缩的寒冷气候热泵开发。ICR2015，日本横滨，2022年8月16