美国艾默生公司压缩机应用技术讲座第21讲 谷轮(低温强热)涡旋在热泵式空调器中的应用(1)_图文

2007年第 1期

制冷技术

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技 讲

术 座

美国艾默生公司压缩机应用技术讲座
第二十一讲 谷轮 低温强热涡旋 在热泵式空调器中的应用 ( 1)
张立毅 胡 浩 李勇健 吴棹舟 (艾默生环境优化技术 ( 苏州 )有限公司, 苏州 215021)

【 摘 要】 本文指出了常规的空气源热泵系统在低温环境使用时的一些根本性问 题。介绍了谷 轮 低 温强热涡旋 压缩 机技
术在热泵式空调中的 应用, 从理论上分析了采用过冷器和闪发器作为经济 器来实现涡旋中间喷射热泵系统的特点及对制热 性能 的改善。介绍了谷轮专利的单 热型低温强热涡旋热泵系统, 通过实验表明, 该系统明显改善了低温环境下的制热能力 , 从现 场测 试中证明单热型低温 强热涡旋热泵系统在经济性和可靠性上得到显著提高。在热泵式空调器中使用带中间喷射的 低温强热涡 旋 技术是未来技术发展的方向。

【 关键词】 热泵 涡旋压缩机 蒸气喷射 经济器 闪发器

Emerson compressor app lication eng ineering ( 21) - App lication of Copeland Scro ll Heating in heat pump air conditioners( 1)
【 stract Th is article po ints out the fundamenta l prob lem s o f runn ing a conven tiona l air- source heat pum p system at low amb ient Ab 】
env ironm ents. Cope land ' " Scro ll H eating" techno logy is in troduced for hea t pum p a ir- conditioner applica tions. V apor in jection to s inter ed iate scro ll pockets is achieved by using " F lash tank" o r " subcoo le r" as the econo izer Its operating charac teristics and m m . perfor ance i prove ents in heating m ode have been theoretically investigated Copeland s pa tent sy stem design for vapor injection in heat m m m . ' m ode only is introduced. Exper i enta l resu lts show the heating performance is i proved s ignificantly at low a ient conditions m m mb . In add ition, fie ld test resu lts sho re arkab le co pressor reliab ility and economy o f using the techno logy A ll the advantages clearly w m m . deter ine the " Scro ll H eating " techno logy w ith vapo r in jection is the future direction o f a ir - source heat pum p a ir - conditioner m developm ent .

【 Keywords 】 heat pump, scro ll com pressor, vapo r injection, econom izer, flash tank 1 绪言 空气源热泵可从大气环境中吸取丰富的低品质 能量, 能量利用效率高。和土壤源及水源等其他热泵 技术相比, 空气源热泵设备制造安装成本也较低, 对 使用地区基本不会造成污染, 因而成为应用最为广泛 的空调制热方式, 在房间和商用空调器中得到广泛的 使用。 从理论上分析, 涡旋压缩机热泵系统可以运行于 温度低于 - 10 ~ - 15 的环境, 但在实际使用时, 会产生以下问题: 一是制热量随着环境温度的下降而 逐步衰减。涡旋压缩机的吸气量的大小与其吸气饱 和温度有一一对应的关系, 吸气饱和温度越高, 吸气 量越大, 反之亦然。随着环境温度逐步下降, 压缩机 吸气侧的制冷剂比容也就逐步增大, 使得热交换器内 制冷剂流量随着外温的降低而下降, 压缩机的有效容 积得不到充分利用, 机组的制热能力和 COP 也相应 随之下降。而此时所需热量 ( 房间热负荷 ) 却随着环 境温度的下降而迅速上升, 因此系统的制热量将不能 满足采暖热负荷需求; 二是机组特别是压缩机运行的 可靠性问题。在低温环境温度下, 系统会出现回液、 高排气温度等问题, 使可靠性降低。 目前最常见的一种解决方案是在空调系统中增

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加辅助电加热器, 以补偿低温环境制热能力的不足, 但该方案既不经济也不节能, 有时会带来安全隐患。 为此, 谷轮提出了低温强热涡旋热泵系统方案 ( 谷轮 专利 ), 该方案采用带 中间喷射的涡旋压缩机, 基于 带经济器的系统设计原理, 具有准两级压缩的特点, 系统结构简单、 易于实施, 在较低环境温度时能够安 全、 可靠的运行, 并且使制热能力得到明显改善。 2 低温强热涡旋压缩机的设计

运行可靠性的目标。定涡旋盘上喷射孔的位置在很 大程度上决定了系统最优制冷剂中间喷射的压力和 流量, 谷轮低温强热涡旋压缩机对此 进行了优化设 计, 以实现最佳的喷射效果。 3 带经济器的系统设计原理 由热泵理论可知, 蒸气压缩系统的制热量由蒸发 过程的吸热量和压缩过程的做功两部分组成。通过 带经济器的系统设计, 可以提高蒸发器入口和出口之 间的焓差、 增大压缩机出口的制冷剂流量和提高压缩 过程的做功, 从而使系统的制热量显著增加。 带经济器的涡旋压缩机热泵系统简单可靠、 易于 实施, 无需造成常规系统结构的很大改变, 是目前最 为经济、 有效的改善方案。经济器有过冷器和闪发器 两种基本型式。 3 1 过冷器系统 带过冷器的空气源热泵系统如图 2所示, 压缩机 排气入冷凝器冷凝, 从冷凝器出来的 液体分为两部 分: 一是主回路部分, 流量为 m, 直接进入到过冷器, 产生进一步的过冷。二是喷射部分, 流量为 ,i 经膨胀 阀 A 节流到中间某一中间压力进入过冷器。这两部 分制冷剂在过冷器中产生热交换, 后一部分气化后被 压缩机第二吸气口 吸入, 前一部分得 到进一步过冷 后, 经膨胀阀 B 节流后进入蒸发器蒸发吸热, 然后进 入压缩机主吸气口。

图 1 低温 强热涡旋压缩机构造 (谷轮专利 )

谷轮专门设计了适用于低温强热涡旋热泵系统 的涡旋式压 缩机 - Scro ll H eatin g 低温 强热涡 旋 。 如图 1所示, 低温强热涡旋除了常规的吸气口和排气 口外, 还具有第二个吸气口, 即蒸气喷射口中, 中压的 制冷剂蒸气通过蒸气喷射口和位于定涡旋盘的喷射 孔喷射到涡旋盘的中间腔, 以增加制冷剂流量, 结构 带经济器的系统的设计, 达到增加系统制热量, 提高

图 2 带过冷器型经济器的空气源热泵系统

由于喷射混合过程的压力变化相对较小, 将其当 作等压 过程, 由理想的蒸气压 缩制冷循环, 从 P - h 循环图 ( b) 上可分析, 系统的制热量等于从冷凝器中 释放的热量: Q = (m + i ) ( h3 - h 4 )

= m ( h3 - h4 ) + i ( h2 - h 4 ) + i( h 3 - h2 ) 因为 i( h6 - h 4 ) = m ( h4 - h 5 ) ' ' Q = m ( h 3 - h4 ) + m ( h4 - h 5 ) + i( h 3 - h2 ) + i( h2 h6 ) = m ( h3 - h 5 ) + i (h 3 - h2 ) + i( h2 - h6 ) = m ( h 1 - h5 ) + m (h 2 - h1 ) + m ( h2 - h 2 ) + m ( h3
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2007年第 1期 - h2 ) + i ( h3 - h 2 ) + i( h 2 - h6 )
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49 Q = m ( h4 - h 5 ) + (m + i) ( h 3 - h 2 ) - i ( h3 '

因为在混合过程中: m ( h 2 - h 2 ) + i( h2 - h 6 ) = 0 , 所以总的制热量为 Q = m (h 1 - h5 ) + m ( h 2 - h1 ) + (m + i) (h 3 - h2 ) ( 1) 式 ( 1) 中第一项为蒸发吸热量, 第二、 三项为压 缩过程的耗功。 该式表明, 系统的制热量也等于在蒸发器的吸热 量加上压缩过程的耗功。 对于没有经济器的常规热泵, 由于没有再过冷和 蒸气喷射过程, 其制热量为 Qb = m ( h 1 - h4 ) + m ( h 3 - h1 )
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h2 )

( 3) 制热量的提高主要得益于蒸发器入口和出口之

间的焓差增加, 从环境中多吸收了热量 m ( h4 - h5 ) 。 还有由于喷射造成压缩机耗功增加。增加量约为 ( m + i( h3 - h2 ) - i( h3 - h2 )。另外, 对于一个冷凝器和 蒸发器确定的空调系统, 当制热量增加后, 冷凝压力 通常会提高, 压缩机功耗上升对制热 量的贡献会更 大, 所以实际的制热量增加比理论的热量增加值 Q 更大。 再来看排气温度, 得益于准双级压缩, 中间冷却, 排气温度从 T3 降为 T3。对于普通空气源热泵空调 机组在冬季制热的运行中, 高压缩比运行工况导致的 排气温度过高的最大问题得到了有效的解决, 从而极 大的提高了机组运行可靠性。 关于过冷器的设计可参照谷轮公司应用指南中 的相关介绍。 3 2 闪发器系统
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( 2)

式 ( 2)中第一项为蒸发吸热量, 第二项为压缩过 程做功。此处假设对于经济器热泵循环和普通热泵 循环, 流经蒸发器的制冷剂流量相同。该假设事实上 是成立的, 在试验测试中, 我们发现二种循环的蒸发 压力差别极小。 由式 ( 1) 减去式 ( 2) 就得到制热量的增加值。

图 3 带闪发器型经济器的空气源热泵系统

带闪发器的空气源热泵系统如图 3所示, 通过二 次节流过程来实现。压缩机排气进入冷凝器冷凝, 从 冷凝器出来 的液体经过膨胀 阀 A 节 流进入闪发 器 后, 分成两部分: 一是主回路部分, 流量为 m 的 中压 饱和液体, 再经膨胀阀 B 节流后进入蒸发器蒸 发吸 热, 然后进入压缩机主吸气口。二是喷射部分, 流量 为 i的中压饱和蒸汽, 被压缩机第二吸气口吸入。 通过前一部分的类似分析 ( 在此不再赘述其 详 细过程 ) , 同样可以得到闪发器系统和常规系统的制 热量增加值。

Q = m ( h4 - h 5 ) + (m + i) ( h 3 - h 2 ) - i ( h3 h2 ) ( 3) 由此, 我们可以看出两种经济器系统 的本质是相似 的。关于闪发器的优化设计主要通过实验进行。 3 3 两种系统的特点 尽管两种 系统有差 异, 但 从 P - h 循环 图上分 析, 二者实际是相似的。另外, 从成本上考虑, 通常闪 发器热泵系统较为经济。 ( 待续 )

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