常用制冷压缩机的准二级压缩循环特性分析

　　石油化工设备试验研究常用制冷压缩机的准二级压缩循环特性分析许树学，马国远，彭珑（北京工业大学，北京100124）循环的性能。对活塞式、螺杆式、涡旋式、滚动活塞式及离心式等5种常用型式制冷压矿机的补气特征及循环性能进行了分析，归纳出了其补气过程和系统循环的特性及各自的适用范围。

　　近些年来，对压缩机的准二级压缩循环研究较多。作为一种技术上可行、实现较容易的技术方案，对改进固定容积比的压缩机在偏离设计工况时制热（制冷）量不足、压缩机效率降低有明显的效果。对螺杆压缩机的准二级压缩循环进行了分析，提出了补气口的设计方法及压缩功的计算方法。对涡旋压缩机的准二级压缩循环进行了研究，指出在保证制热量及性能系数前提下，准二级压缩热泵循环可在低温环境中长期运行。英国的研究者对二氧化碳作为工质的滚动活塞式压缩机的准二级压缩循环进行了分析，并搭建了试验台13.依据外界环境温度的变化及制冷（制热）量的需求，以改善机组循环特性为目的，可以用不同型式的压缩机构造准二级压缩循环，增加或减少压缩机内工质流量，改变制热或制冷量，提高压缩机运行稳定性，形成不同的蒸发温度等。文中对常用的几类制冷压缩机的准二级压缩构造方法及其系统的循环特征进行分析。

　　基金项目乍者简介国家自然科学基金（50776001）1准二级压缩循环型式准二级压缩循环的型式有过冷器系统（a）闪发器系统（b）过冷储液器系统（c）以及喷射器系统（d）相比较而言，闪发器系统补入的气态制冷剂较过冷器系统及过冷储液器系统更接近饱和状态，因此对系统性能改进程度更佳，只是设计闪发器系统时对两级节流部件的匹配要求较高。带喷射器的系统利用了补气管路中制冷剂的压力能，对被引射流体进行了预压缩，在更大程度上增加了压缩机排气量并改善了压缩机的效率。实验研究表明，带喷射器的系统较过冷储液器系统好141. 2不同型式压缩机的准二级压缩循环2.1活塞式压缩机活塞式压缩机的准二级压缩循环见。活塞式压缩机的补气口可设在活塞气缸的顶端或内壁的某一位置，这决定于补气的目的。当补气口设置在气缸顶端时，低温低焓值的（液态或两相）制冷剂从活塞式压缩机的顶端喷入到压缩机腔内，可以冷却气缸，降低制冷剂温度并弥补压缩机的吸气不足15.当补气的目的是为了形成多个蒸发温度时，补气口的位置则可设在气缸壁的某一个位置。其工作过程如下，活塞由外止点向内止点运动，吸入低压制冷剂蒸汽，在此期间补气孔口被活塞覆盖。当活塞运动到接近内止点位置时，中间补气孔开始被打开，中间压力气体进入气缸，其压力高于汽缸内原有吸气压力，在中间压力气体进入气缸的瞬间，吸气阀关闭，活塞继续向内止点运动，到达内止点后向外止点运5动中间补气过程继续进行。过程中补气孔重新被活塞所覆盖，中间补气过程结束。

　　实验表明，不同的制冷剂及不同的蒸发温度下，对制冷系数COP的改进程度不尽相同。提高COP较为明显的制冷剂是R717及R115，而R12、R22与R502相对普通单级压缩循环则是下降的。

　　对采用补气的双温冰箱进行了理论与实验研究（b）利用中间补气的方法使冰箱制冷系统有高低两种蒸发温度，从而减小了温差及传热过程的不可逆损失。实验表明，在环境温度为25°C和32°C时，用于冰箱的二次进气压缩机无论用R12或混合制冷工质R22/R142b都有明显的节能效果，在制取低温及省电1活塞压缩机2冷凝器3储液器4毛细管5换热器6.高温蒸发器7低温蒸发器活塞式压缩机的准二级压缩循环活塞式压缩机补气最大的问题是补气管路上间歇开启阀门的设计与控制，因为活塞式压缩机的吸排气是周期性的，补气的时机不好会严重影响压缩机的正常工作。

　　2.2螺杆式压缩机螺杆式压缩机具有单向吸排气的工作特征，因此，将其系统设计成准二级压缩系统较为方便。为此，在螺杆式压缩机的齿槽与吸气口脱离处增设补气孔。工作过程为，吸气终了基圆容积封闭一段时间后与补气口接通，中间补气孔随着螺杆的旋转逐步开大，充气量逐渐增加，腔内压力逐渐增高，补气压差变小，补气量也减小，直到补气过程结束。通过分析中压充气过程及混合增压过程的一些主要损失，可以找到能获得较为理想过程的相关参数和最佳补气口通道的几何特性量。目前流行的最佳进气位置的观点是使进气混合之后的压力等于循环中压力。也有人认为，运行中的热泵循环工况将受到各能力上4混合工质卢22‘R142b较良好ecttodcPublishi种随机因素的影g1响5s所谓最佳补气点应表Si最佳区域。

　　补气孔开设时应注意：①流通截面尽量满足中压进气等熵流动。②在基元容积脱离中压补气孔口后停止补气。③基元容积内的混合压力不大于中压。中压补气按等熵过程喷入螺杆机基元容积内，所产生的动能沿螺杆机转子旋转的切线方向，可逆地进入螺杆机中压区，以利于实现能量的有效转换。

　　增设经济器后，使得经过该容器大量的制冷剂液体得到冷却，过冷度变大，增加了系统的制冷量，而中间补气过程引起的压缩功增加比制冷量增加得少，提高了系统的制冷系数。过冷效益的大小同工质性质及工况有关，在相同工况下，液体比热小，气化潜热也比较小的工质过冷效益最大。R502、R12、R22和R717相比，R502最好，其次是R12R22和R717较差。设经济器后，同一压缩机在t=―35Ktk=35°C工况下，采用制冷剂R717制冷量可提高22%左右。若采用制冷剂R22在to单位功率制冷量提高7%~30%. 2.3涡旋式压缩机涡旋式压缩机1905年由法国人Creux取得专利，经历20世纪初几十年的沉寂后开始迅速发展起来。其具有效率高（吸压排气连续单向进行，容积效率大于95%）、力矩变化小、振动小、噪声低及结构简单等优点。目前的小型家用空调（1~15kW）大多数采用涡旋式或滚动活塞式压缩机。涡旋压缩机结构比较复杂，因此其补气涉及了更多的内容。涡旋机的涡旋盘及补气孔开设区域见。

　　涡旋压缩机的吸气、压缩、排气3个工作过程连续单方向进行，补气的开始和结束随着涡旋盘的旋转而自动打开或关闭。研究表明：①获得最大制热能，补气孔开在吸气腔刚刚闭合的位置较为适宜。②压缩机的功耗及制热量随补气压力的增大而增大，在某一中间压力下可以获得最大值热量及较佳制热性系数。

　　同普通机组相比，蒸发温度一25°C时，准二级压缩系统制热量可提高20%，COP可提高14%；蒸发温度一20°C时，准二级压缩系统制热量可提高14%~20%，COP可提高6%~8%，并将排气温度控制在130°C以下，以保证机组安全运转。

　　2.4滚动活塞式压缩机滚动活塞式压缩机也是目前小型空调的主要机型之一。由定子及偏心旋转的转子组成，每旋转1圈，压缩机进行一次完整的吸气与排气过程。补气口开设的位置及补气压力决定了补入或释放工质的质量。滚动活塞式压缩机补气位置见。

　　工质喷入量/释放量随压缩机转角的变化见。可以看出，喷入量随滚动活塞的旋转角度增大而减小，原因是随着旋转角度的增加，腔内气体的压力增大，喷入工质与腔内工质的压力差减小；释放量随滚动活塞的旋转角度增大而增加，原因是随着旋转角度的增加，腔内气体的压力增大，增大了腔内工质与释放工质间的压力差。压缩机的功耗与腔内工质量有密切关系，当室外温度上升至某一值时，压缩机进行放气压缩，引起压缩机功耗大幅度下降。

　　缩循环，它随外界环境的变化调节容量。冬季进行制热循环时，若外界环境温度很低，工质循环量不足导致制热量不足及压缩机的等熵效率降低，压缩机进行补气循环，可保证制热性能系数不降低并提高制热量；夏季进行制冷循环时，若外界环境温度较低，室内冷负荷减小，偏离了制冷循环的最佳工况，系统不再要求压缩机很大的工质循环量，则压缩机进行释放循环，保证压缩机在低负荷状态连续运行。

　　2.5离心式压缩机正常工况下氟里昂离心制冷机一般为单级，获得更低温度时常采用两级以上叶轮。为提高循环效率，采用中间补气的准二级压缩循环，见。

　　离心式压缩机的补气口要设在两级叶轮的中间，因此补气口的数目也就比级数少1.当级数大于等于3时，可形成多个经济器的循环（b）―般蒸发温度在一7°C以上可用二级叶轮，在一23°C以上用三级叶轮，在一40~―45°C以上用四级叶轮，采用相应级减1的补气循环。补气回路的闪发和制冷厉补通开设的位温要制热性―蒸汽在封闭的罐内吸热使得进入节流阀的液吸气口滚动活塞式压缩机的补气位置1吸气口2离心压缩机3排气口7%除此之外，中间补气循环还可以降低噪声，消除低负荷的喘振问题，延长机组使用寿命。

　　对活塞式、螺杆式、涡旋式、滚动活塞式及离心式等5种不同类型制冷压缩机的准二级压缩循环过程分析结果如下：①各种压缩机补气的准二级压缩循环适应了工作环境的变化，使压缩机在偏离设计工况时的效率下降、供热（制冷）量不足的状况得到明显改善，只需对原有机组进行简单改造，改造后性能稳定，易于实现。②应根据不同类型压缩机本身的结构及工作特征，对准二级压缩循环补气口参数（大小、形状、位置）进行设计，同时结合系统特征及工作目的确定补气参数，选择合理的循环型式。