变频多联机吸气喷射热动力特性研究.pdf

252023中国家电科技年会论文集0 引言涡旋压缩机因为自身余隙容积小、压缩效率高、运行稳定可靠等方面的优点，目前已经广泛运用于制冷系统；多联机空气源热泵系统由于控制灵活、精准、机组适应性好等优点，在亚太地区的应用范围越来越广泛。结合两者的优点，采用涡旋压缩机的多联机热泵系统应用范围不断扩大，但当其在极低环境温度条件下制热运行时，压缩机的容积效率、机组的制热能力均会下降，而排气温度却会大幅上升，影响压机的可靠性1-15，为了克服上述缺点，Umezu1等人提出的中间补气喷射方法能够有效解决此类问题，在此基础上赵会霞2采用理论与试验相结合的方法，详细研究了涡旋压缩机闪发器热泵系统的性能；E Navarro3等人针对涡旋压缩机，对比了补气双级压缩与单级压缩的制热特性，两者的容积效率以及压缩效率相当，但前者的制热能力、能效比分别比后者高20%、10%，在极低温条件下的排气温度也比后者低10以上；Jaehyeok Heo4等人研究了过冷器、双膨胀阀过冷器、闪蒸器和过冷器结合、闪蒸器补气喷射四种方法的制热特性，研究结果表明后三者的制热能力分别比前者高14.4%、6.0%、3.8%，但平均能效比四者相当；金旭5研究了中间喷射双级压缩技术以及两台压缩机之间容量配比以及耦合关系，指出中间压力对制热量影响具有敏感性而对制热性能系数具有弱钝化的特性；Hongtao Qiao6-7等人建立了闪蒸器补气喷射热泵系统的瞬态数值仿真模型，指出补气阀的开度对系统的性能有着重要的影响，但对压缩机吸气压力的影响很小，数值研究与试验研究作者简介：王瑞佳，硕士学位。研究方向：多联机空调。E-mail：。变频多联机吸气喷射热动力特性研究王瑞佳 颜鹏 张永雷海信日立空调系统有限公司 山东青岛 266000摘 要：搭建了采用过冷器喷射旁通的试验平台，研究了喷射量对制热热动力特性的影响。试验结果表明：随着喷射量逐渐增大，压缩机的排气温度也在不断降低，可以确保机组在寒冷区域稳定运行；室外温度小于0的情况下，辅路出口温度、入口温度相当时，机组制热能力、能效最大，随着喷射量进一步增大增加，机组制热能力、能效开始降低；室外温度高于0的情况下，喷射量为“0”时，机组制热能力、能效最大。关键词：多联机；过冷器；喷射Research on the thermodynamic characterization of a suction injection multivariable refrigerant frequencyWANG Ruijia YAN Peng ZHANG YongleiHisense/Hitachi air conditioning system Co.,Ltd.Qingdao 266000Abstract:Built a test platform using injection bypass of sub-cooler to study the influence of injection volume on heating thermodynamic characteristics.The test results show that as the injection volume gradually increases,the exhaust temperature of the compressor also decreases,which can ensure the stable operation of the unit in cold regions;when the outdoor temperature is lower than 0C,the outlet temperature and inlet temperature of the auxiliary road are comparable,the heating capacity and energy efficiency of the unit are the largest,and as the injection amount increases further,the heating capacity and energy efficiency of the unit begin to decrease;when the outdoor temperature is higher than 0C,when the injection amount is 0,the heating capacity and energy efficiency of the unit are the largest.Keywords:Multi variable refrigerant frequency;Sub-cooler;Injection中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.00626 2023中国家电科技年会论文集的结果一致；Baolong Wang8等人通过数值研究指出对于补气涡旋压缩机来说，在处于等熵压缩过程时，当内压缩比与外压缩比的比值达到1时，其压缩机的能力发挥到最佳。上述研究可知，压缩机自带中压腔，如果采用直接喷射的方法，可能会引起压缩机自身的液击，故本文研究利用过冷器将喷射的制冷剂引入到气分中，一方面避免了压缩机液击的隐患，同时也节约了压缩机成本。本文研究条件：室外温度分别为10、-5、-10、-20，室内温度为20情况下，机组制热运行，本文主要研究了不同旁通量对压缩机的排气温度以及系统性能的影响。1 试验介绍本文试验基于空气焓差法，计算方法如式（1）（2）所示：Q=airVair(hair,outhair,in)（1）COP=QW （2）式中，Q为机组的制热量，W；air为空气的密度，kg/m3；hair,out为出口空气的焓值，J/kg；hair,in为入口空气的焓值，J/kg；W为机组制热耗功率，W。将测试的室内换热器与室外换热器分别置于两个房间内，其室内房间的温度变化范围为040，室外房间的温度变化范围为-2550，相对湿度的变化范围均为0100%。室内外房间采用的铂电阻测量精度为0.1，通过干球温度（TDB）以及湿球温度（TWB）控制房间的湿度，湿度传感器的测量精度为5%RH；压力传感器的测量精度为0.25%；功率计的测量精度为0.5%；通过T型热电偶采集测量温度，精度为0.5；流量计的测量范围为20800 kg/h，测量精度为0.1%。本文试验采用的环境温度测试条件如表1所示，为了保证室外换热器在制热运行的过程中不结霜，故本文研究没有控制室外房间的湿度。表1 试验测试条件室外环境（）TDB/TWB-20/-10/-5/-10/-室内环境（）TDB/TWB20/152 系统循环本文研究采用一台室外机搭载了4台相同容量的室内机，制热系统循环如图1所示，从图中可以看出，利用各室内机的电子膨胀阀（EVI）可以调节制冷剂的过冷度，本文研究为了避免由于EVI调节过小影响制冷剂流量，故将其开度调节为100%；制热运行过程中，室外机是蒸发器，室外机的电子膨胀阀（EVO）起到节流降压的作用，为了确保在各工况条件下该阀的局部阻力系数相同，将其开度调节为50%；电磁阀-1、电磁阀-2控制系统的制热方式，当电磁阀-1打开，电磁阀-2关闭时，经过旁通电子膨胀阀（EVB）节流后的制冷剂直接喷射到涡旋压缩机的中压腔，经室外机换热后的制冷剂一次压缩后与中压腔的制冷剂混合后二次压缩；当电磁阀-1关闭，电磁阀-2打开时，经过旁通电子膨胀阀（EVB）节流后的制冷剂（辅路循环）与流入室外机的制冷剂（主路循环）在板式换热器内换热，换热后辅路与主路的制冷剂在气液分离器内混合后进入压机压缩循环，其对应的压焓图分别如图2所示。图1 制热系统循环图图2 压焓图由于本文研究的涡旋压缩机没有中压腔，故通过调节EVB阀开度，分析不同的喷射量对后者制热特性的影响，各环境温度条件下阀开度的变化范围如表2所示，当环境温度为10、-5、-10时，EVB阀的变化增幅为10%；当环境温度为-20时，EVB在10%15%范围内变化时，增幅为2.5%，其他为5%。表2 EVB变化范围室外环境（）TDB/TWB-20/-10/-5/-10/-变化范围（%）0150500500403 理论模型质量守恒方程：m=mevap+minj+mleft （3）式中，m为系统内总制冷剂量，kg/s；mevap为室外换热器蒸发换热的制冷剂量，kg/s；minj为辅路喷射循环的制冷剂量，kg/s；mleft为滞留系统制冷剂量，kg/s。272023中国家电科技年会论文集能量守恒方程：Q=(mevap+minj)(h4h6)（4）W=(mevap+minj)(h4h3)（5）minj(h2h2)=mevap(h6h6)（6）式中，Q为制冷剂的放热量，W；h2、h2分别为板换辅路进出口的焓值，h6、h6分别为板换主路进出口的焓值，h4为压缩机出口焓值，J/kg。4 试验结果分析4.1 制热性能对比分析图3给出了不同环境温度条件下，制热能力Q随EVB阀开度的变化曲线。从图中可知，当EVB完全关闭时，在10、-5、-10、-20环境温度下的制热能力分别为51402 W、35380 W、30549 W、18051 W，本文研究以环境温度为10的制热能力作为标准性能，其-5、-10、-20条件下的标准能效率分别为68.8%、59.4%、35.1%。当环境温度为-5、-10、-20时，制热能力随阀开度增大呈现先增大后减小的变化趋势；在-5、-10条件下，当=20%时，能力达到最大，分别为38591 W、32061 W；在-20条件下，当=12.5%时，能力达到最大，为20365 W；但当环境温度为10时，随着阀开度增大能力不断减小，当=40%时，能力只有42482 W，降低了16.3%。图3 制热能力随EVB阀开度的变化图4给出了不同环境温度条件下，制热耗功W随EVB阀开度的变化曲线。从图4中可以看出，环境温度为-5、-10时，其耗功随阀开度的变化趋势同能力一致。环境温度为-5时，从0%30%，耗功从14530 W增大到14794 W；为40%、50%时，耗功从17709 W17679 W，降低了25 W。环境温度为-10时，从0%20%50%，耗功依次为16188 W、16741 W、16383 W；=20%时，耗功达到了最大。环境温度为10时，从0%20%变化的过程中，耗功从19326 W上升到了19859 W；从20%40%变化的过程中，耗功不断下降；当=40%时，耗功只有18296 W。环境温度为-20时，从0%15%变化的过程中，耗功从14225 W上升到了15216 W，上升了7.0%。图4 制热耗功随EVB阀开度的变化图5给出了不同环境温度条件下，制热能效比COP与EVB阀开度的关系。从图5中可以看出，当环境温度为10时，从0%40%变化的过程中，能效比不断下降，当=0%时，能效比可以达到2.66；当达到40%时，能效比只有2.32。环境温度为-5、-10时，其能效比的变化趋势与能力以及耗功基本保持一致，当=20%时，两者的能效比分别为2.20、1.92，达到了最大值。环境温度为-20时，当=12.5%时，能效比为1.36达到最大；当=15%时，其能效比只有1.25。图5 制热能效比随EVB阀开度的变化4.2 补气喷射特性分析图6分别给出了不同环境温度条件下，压缩机的吸排气温度随阀开度的变化曲线。从图6中可知，当补气阀的开度=0时，-20、-10、-5、10条件下的排气温度Td依次为105.1、96.9、94.4、99.5，压缩机的吸排气温度随着EVB阀开度的增大不断降低。图7分别给出了室外环境温度为10、-5、-10、-20条件下，EVB阀开度对板式换热器周围温度的影响，图7中1代表28 2023中国家电科技年会论文集EVB节流前的温度、2代表节流后的温度即板式换热器辅路进口温度、3代表板式换热器辅路出口温度，在各环境温度条件下，当EVB完全关闭时，板式换热器辅路周围没有制冷剂流过，1、2、3测试点接近铜管表面的温度。在环境温度为10、-5、-10条件下，当补气阀的开度达到10%时，其2点3点处的温度分别上升了9.94、9.96、12.23，产生这种现象的根本原因是在=10%的条件下，板式换热器辅路循环的制冷剂量远小于主路循环的制冷剂量；当=20%时，2点与3点处的温度相当，从30%40%50%变化的过程中，2点处的温度出现了比3点处温度高的情况。环境温度为-20时，从0%5%变化的过程中，1、2、3测试点的温度相当，接近铜管表面温度；当=10%时，2点3点处的温度上升了10.67，在为12.5%、15%时，2、3点处的温度相当。5 结论综上所述，本文研究有如下结论：（1）相同条件下，制冷剂通过辅路回路间接喷射到压缩机，可以有效降低压缩机排气温度，确保机组在寒冷区域可以稳定可靠的制热运行；（2）环境温度分别为-5、-10、-20时，辅路回路制冷剂进出口温度：辅路出口温度高于进口温度，机组制热能力、能效随着辅路喷射量增加而提升；辅路出口温度、入口温度相当，机组制热能力、能效达到最大；当喷射量继续增加，即辅路出口温度低于入口温度，即喷射回液，机组制热能力、能效开始下降；（3）环境温度为10时，随着喷射量的增加，经过室外换热器的循环制冷剂量减少，室外换热器蒸发能力不断减小，机组的制热能力、能效也在不断降低，故在室外环境温度高于0制热运行，辅路回路的喷射量为“0”时，效果最优。参考文献1 Umezu K,Suma S.Heat pump room air conditioner using variable capacity compressorJ.ASHRAE Trans,1984(90):335-349.2 赵会霞.涡旋压缩机闪发器热泵系统的理论分析与实验研究D.北京:北京工业大学,2005.3 E Navarro,A Redon,J GonzalvezMacia,et al.Characterization of a vapor injection scroll compressor as a function of low,intermediate and high pressure and temperature conditionsJ.International Journal of refrigeration,2013(36):1821-1829.4 Jaehyeok Heo,Min Woo Jeong,Changhyun Baek,et al.Comparison of the heating performance of air-source heat pumps using various type of refrigerant injectionJ.International Journal of refrigeration,2011(34):444-453.5 金旭.变容量双级压缩热泵级间匹配耦合特性D.大连:大连理工大学,2011:47-69.6 Hongtao Qiao,Vikrant Aute,Reinhard Radermacher.Transient modeling of a flash tank vapor injection heat pumpPart:Model developmentJ.International Journal of refrigeration,2015(49):169-182.7 Hongtao Qiao,Xing Xu,Vikrant Aute,et al.Transient modeling of a flash tank vapor injection heat pumpPart:Simulation results and experimental validationJ.International Journal of refrigeration,2015(49):183-194.8 Baolong Wang,Wenxing Shi,Xianting Li.Numerical analysis on the effects of refrigerant injection on the scroll compressorJ.Applied thermal engineering,2009(29):37-46.9 Hoseong Lee,Yunho Hwang,Reinhard Radermacher,et al.Potential benefits of saturation cycle with two-phase refrigerant injectionJ.Applied thermal engineering,2013(56):27-37.10 许树学,马国远.两次中间补气涡旋压缩机的工作特性J.制冷学报,2015,36(01):40-44.11 贾庆磊,冯利伟,晏刚.带中间补气的滚动转子式压缩系统制热性能的实验研究J.制冷学报,2015,36(02):65-70.12 Chul Woo Roh,Min Soo Kim.Comparison of the heating performance of an inverter-driven heat pump system using R410A vapor-injection into accumulator and compressorJ.International Journal of refrigeration,2012(35):434-444.13 Chul Woo Roh,Min Soo Kim.Effects of intermediate pressure on the heating performance of a heat pump system using R410A vapor-injection techniqueJ.International Journal of refrigeration,2011(34):1911-1921.14 沈兴全.液压传动与控制M.北京:国防工业出版社,2010:34-35.15 吴业正.制冷压缩机M.北京:机械工业出版社,2010:111-140.图6 吸排气温度随EVB阀开度的变化图7 板式换热器周围温度随EVB阀开度的变化