摘要:采用空气源热泵进行室内采暖是一种经济节能的采暖方式。针对低环境温度下普通空气源热泵制热量不足情况,喷气增焓是一个优秀的解决方案。本文分析了喷气增焓压缩机效率的影响因素,得出了汽缸壁面换热是影响低环境温度下压缩机效率的重要因素。从压缩机汽缸壁面换热原理出发,得出了喷气增焓技术能大幅降低汽缸壁面换热温差,对压缩机在低温环境下制热量提高效果明显。同时进行相关试验研究,结果表明:当喷射量为30%时,喷气增焓压缩机性能达到最优。

关键词:低温采暖;空气源热泵;喷气增焓;汽缸壁面换热

我国北方地区黄河流域、西北、华北等冬季采暖多以燃煤方式,燃煤排放的二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒粉尘等会严重污染空气质量[1]。随着节能减排以及我国日益严峻的空气污染,加快推进北方地区采暖“煤改电”、淘汰城镇或乡村10蒸吨/小时以下燃煤锅炉势在必行[2]。

低温环境时空气源热泵利用部分电能,经压缩循环将制冷剂从低蒸发压力升压到高冷凝压力,从而将室外空气中热量转移到室内达到提高室内温度取暖的目的[3-4]。目前,欧美国家已经广泛采用空气源热泵进行室内采暖。

我国在空气源热泵用于冬季室内采暖相对较晚,其主要是由于传统空气源热泵在低环境温度时,由于空气温度较低,压缩机压比增大,系统性能急剧下降,制热能力大幅衰减导致制热量无法满足采暖需求。而且此工况下压缩机排气温度较高,长期运行会严重损坏压缩机[5]。大量研究表明,采用喷气增焓的压缩机,通过压缩腔补进部分中间压力的制冷剂气体后可以有效降低压缩机的排气温度并得到很好的制热效果。

1 喷气增焓压缩机汽缸壁面换热原理

1.1 影响喷气增焓压缩机效率因素分析

压缩机效率主要由机械效率、电机效率、指示效率等因素组成,其中压缩机内部传热尤其是汽缸内外传热对压缩机性能的影响非常大,而且汽缸内部的传热随压缩机压比增大而增大,研究表明,低温采暖工况时汽缸内部传热相对于A/T工况,制冷量损失占比由3.66%增加到6.22%,如图1所示,功率损失占比由3.88%增加到7.91%,如图2所示。所以,减少汽缸内外传热、减少吸气过热是提升低温采暖工况性能的重要途径。喷气增焓技术由于能降低排气温度,减少汽缸内外换热,所以能大幅提高压缩机在低温采暖工况下的性能。

1.2 喷气增焓技术对汽缸壁面换热改善分析

在压缩机工作时,温度较低的冷媒从吸气口进入汽缸,经压缩不仅其压力提高,而且其温度大幅度升高,高温高压的的冷媒加热了全封闭式压缩机壳体、泵体、电机和冷冻机油。从汽缸内排出的高温气体分离出高温的冷冻机油,从而使油池温度很高,而压缩机泵体始终浸在冷冻机油里,汽缸与冷冻机油发生换热,吸气腔和吸气孔表面对吸入的低温冷媒进行加热,从而影响了吸气密度,减少了吸气质量,因而压缩机制冷量降低。

采用喷气增焓技术压缩机,经过喷射结构,较低温度的气体直接喷入压缩腔,可以有效的降低排气温度,在低温采暖工况时排气温度可降低达25℃左右,由于排气温度降低,相应的油池温度也会降低,所以汽缸内外整个换热量就会降低,等熵压缩过程偏差减小,从而压缩机性能得到提升。

通过MATLAB仿真计算,图3显示了汽缸壁面的温度分布情况,由于冷冻机油温度较高,汽缸通过热传导从汽缸外侧向汽缸内侧传热,汽缸内侧温度高于吸气腔温度,吸气腔吸热,导致吸气腔温度升高,压缩腔由于温度逐渐升高,导致压缩前段处于吸热状态,而后段处于放热状态。

图4所示为普通热泵(无喷气增焓)汽缸腔体冷媒理论与实际温度分布曲线,假设压缩机过程中油池温度保持不变,压缩机吸气腔始终处于吸热状态,压缩机压缩腔前段处于吸热状态,后段处于放热状态,整个压缩机过程换热温差较大,导致实际的冷媒温度与理论的温度有很大差距,严重影响压缩机效率。

汽缸内壁与压缩腔和吸气腔存在交替换热过,程,假设汽缸壁面在第n°位置的壁面温度在压缩过程中保持不变,而汽缸内壁与压缩腔和吸气腔存在交替换热过程,0°~n°区间,汽缸内壁与压缩腔相连,冷媒温度为压缩腔温度,当转过n°后,冷媒温度与吸气腔相连,则冷媒温度对应吸气腔温度,图5为第250°处汽缸内壁温度与对应冷媒温度分布曲线,由图可知,汽缸内壁与冷媒存在很大的换热温差,最大的已经达到60℃,导致冷媒压缩过程等熵压缩偏差增大,影响压缩机效率。

图6为喷气增焓压缩机压缩机油池温度和排气温度随喷射比变化情况,随着喷射比增加,油池温度和排气温度均大幅降低,这样可以大幅减低汽缸内部换热,压缩机效率得到提升。

2 喷气增焓技术对汽缸壁口换热改善试验方案及结果分析

2.1 试验方案

2.1.1 试验目的

本实验主要是验证不同的喷射喷射比下打开喷气增焓和关闭时压缩机汽缸壁面换热情况以及系统制热量的变化情况,从而得出最佳的喷射比。

2.1.2 试验原理

本试验用压缩机为我司新开发某采暖用变频热泵压缩机,制热系统原理如图7所示,在低温工况下,冷媒经过冷凝器之后,一部分为主回路冷媒,直接进入经济器,另一部分为喷射回路,打开中间喷射后,冷媒经过热力膨胀阀引入从冷凝器之后过来的制冷剂气体,此制冷剂未经过电子膨胀阀而直接经过一个热力膨胀阀降低压力后,经过经济器换热后直接喷入压缩机压缩腔,与压缩机气体进行等熵混合后继续压缩机,然后经排气孔排出,完成整个制热循环。

从图8制热压焓图可知,压缩机排气后4点经过冷凝器到5点,从这时开始,冷媒质量分成两部分,一部分冷媒质量m经过经济器进一步过冷从5点到6点,然后经过电子膨胀阀节流至7点,再经过蒸发器到1点吸气;另一部分冷媒质量i从5点经过电子膨胀阀节流到中间吸气压力至8点,然后通过经济器换热至9点,经喷射孔进入压缩机压缩腔,与压缩腔冷媒进行等熵混合至3,然后经过等熵压缩到达4点,完成一个循环。

在本次试验中,即在同一个蒸发/冷凝压力下,调节膨胀阀开度调节喷射量,同时增加关闭喷气增焓对比工况,从而得到试验数据,本次仅针对压缩机单体进行试验。试验工况如表1示:

2.1 试验结果及分析

表2 所示为不同喷射比下试验测试结果对比。

1)不开喷射时(即普通热泵),压缩机排气温度已经达到112.4℃,如果压缩机长时间在低温环境下运行,会加速油劣化、减少电机材料使用寿命,导致压缩机可靠性降低,这是造成普通热泵压缩机烧毁的主要原因之一,而喷气增焓系统可以有效的降低排气温度,由图9可知,随着喷射比增大,排气温度的降低幅度逐渐加大,当喷射比约为30%时,此时压缩机排气温度为83.3℃,排气温度降低效果明显。

2)由图10可知,随着喷射比不断增大,压缩机制热性能有所提高,即制热效率完善度增大,可见喷射比越大,制热性能提升越明显,当喷射比为30%,制热量提升28.79%,但是此时制热效率完善度确有所下降,所以控制系统喷射量为30%时,系统性能达到最优值,同时排气温度降低明显,压缩机性能也最高。

2 结论

1) 普通热泵在低温采暖工况下,汽缸壁面换热最大温差达到60℃,所以汽缸壁面换热成为影响压缩机效率的一个重要因素。

2) 热泵压缩机采用喷气增焓技术后,能大幅降低汽缸与压缩腔气体的换热,压缩机性能提升明显。

3) 随着喷射比增大,排气温度逐渐降低,当喷射比为30%时,制热量提升和排气温度降低达到最优值。