压缩机喷气增焓系统的优化设计研究

涡旋式压缩机喷气增焓系统的 热力学分析及优化设计研究

山东华宇职业技术学院 戎卫国贾莹

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山东华宇职业技术学院，山东德州，253034 2

山东华宇职业技术学院，山东德州，253034

摘 要：对涡旋式制冷压缩机喷气增焓系统循环过程进行了热力学分析,指出了影响涡旋式制冷压缩机喷气增焓系统性能的主要因素和影响规律,并对涡旋式制冷压缩机喷气增焓系统的优化设计进行了研究。

关键词: 涡旋式制冷压缩机;喷气增焓;热力学分析;优化设计

Abstract：Carry on thermodynamics analysis vs the circular of blew out gas to increase enthalpy system the whirlpool type system air - cooling compressor，Pointed out the main factor and impact law to effect the whirlpool type system air - cooling compressor to blow out gas of increasing the enthalpy system performance。Combine to turn a design to carry on a search blow out gas to increase enthalpy system vs the whirlpool type system air - cooling compressor of excellent. Keyword ：The whirlpool type system air - cooling compressor；Blow out gas to increase enthalpy；The thermodynamics is analytical；Is excellent to turn a design

1 前言

空气源热泵以消耗一定高品质能量为代价，利用环境中的低品质热能供热，实现了能量利用过程的能质匹配，供热量大部分取自室外空气又还给空气，对环境基本没有污染，是一种最有竞争力的节能、环保技术。

但空气源热泵供暖受低温环境温度影响,随着低温环境温度的降低其供热效果降低，以至于无法启动运行。 为使热泵在低温环境中高效、安全运行,人们进行了许多技术研发和改进，其中目前应用较多的是采用带经济器涡旋压缩机循环系统，又名喷气增焓(或补气增焓)系统，但是涡旋式制冷压缩机喷气增焓系统的热力学分析却较少，影响了该项技术的深入研究和推广利用。 2 涡旋压缩机喷气增焓系统的热力学分析 2.1涡旋压缩机喷气增焓系统

喷气增焓系统又称经济器系统, 分为一次节流和二次节流系统.图1示出了二次节流涡旋压缩机喷气增焓系统的循环过程。一般单级制热循环为1-2-3-4-5-1，采用喷气增焓技术的二次节流制热循环与传统制热循环的主要区别在于：从冷凝器出来后的高压制冷剂液体分为两路：制冷回路和补气回路。其中，2′-4冷凝过程，4-6绝热节流过程，6-7补气吸热蒸发过程，6-4′制冷剂蒸气冷凝放热过程，4′-5′制冷剂蒸气绝热节流过程，5′-1制冷剂蒸气蒸发吸热过程，1-8压缩机的压缩过程，8-9-7制冷蒸气与补气蒸气混和过程，9-2′压缩过程。应该指出的是对于采用喷气增焓技术的制热循环，每个过程线所代表的循环工质的数量并不完全相同。

4冷凝器2′lgP膨胀阀67981432′2经济器4′ 涡旋压缩机4′60798膨胀阀5′5′51蒸发器

h

图1（a） 喷气增焓制热循环流程图 图1（b）喷气增焓制热循环压-焓图

2.2 涡旋压缩机喷气增焓系统的热力学分析

对于涡旋压缩机喷气增焓循环系统的热力学分析首先需要确定与传统的普通单级压缩制热循环系统的比较基准。在以下的分析中以二次节流循环为例, 取两种循环过程中蒸发器制冷剂循环量相同。若取对于蒸发器每kg循环工质的补气量为αkg,则对喷气增焓制热循环过程的热力学分析如下： 2.2.1蒸发器制冷量

对照图1（b）所示，喷气增焓系统的制冷量为：

Q2'??h1?h5'????h5?h5'???h1?h5?? （1） 根据经济器的能量平衡关系式，又可以进一步写出：

?h5?h5'???h6?h4'????h7?h6? （2）

将（2）式代回（1）式，则有：

Q2'???h7?h6???h1?h5? （3）

由于：h6?h5,所以：

Q2'???h7?h1??（4） ?h1?h5? （1??）分析上述公式可以看出：采用喷气增焓技术后，循环工质在蒸发器的吸热量量可以看作由两部分组成，补气部分工质的吸热量为（3）式右边第一部分；其余部分为工质在蒸发压力下吸热量，吸热量为（3）式右边第二部分。在蒸发器循环工质数量相同的情况下，二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比蒸发器吸热量每kg循环工质增加了??h7?h5?。 2.2.2压缩机的耗功量

w0'??h8?h1???1????h2'?h9? （5）

压缩机的耗功量可以看作由低压段和高压段两部分耗功量组

成，低压段部分仅对制冷部分工质压缩，高压部分则对全部工质压缩。二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比压缩机耗功量增加：

?w?w0'?w0=(1??)(h2'?h9)?(h2?h8) （6）对照图1（b）所示，如果近似认为压缩机两条绝热压缩过程线平行的话，则有：(h2'?h9)?(h2?h8)，因此：

?w?w0'?w0??(h2'?h9) ＞0 （7）

即：采用喷气增焓技术后，压缩机耗功量增加。其原因是高压段

还要对补气进行压缩做功，但由于采用了中间冷却措施，使得单位工质耗功量减少，并且随着补气量的增加，节省的耗功量也越多，而节省的耗功量与补气压力之间的关系，应该有一个最佳中间压力的选择。

2.2.3 冷凝器放热量

Q1'?(1??)(h2'?h4) (8)

二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环相比冷凝器放热量增加：

?Q1??(h2'?h4)?(h2?h2') (9)

增加的供热量为补气增加的供热量扣除压缩机排气过热温度降低减少的供热量，由于仅仅是温度不同造成的过热蒸气的焓的差值不会很大，因此总的供热量增加。 2.2.4制冷系数

??Q＇2?0=＇?h8?h1??(1??)?h2(h1?h5)?(h5?h5'')'?h9?

2.2.5制热系数

(1??)(h2'?h4)Q1'?1'??w0'(h8?h1)?(1??)(h2'?h9)?(h1?h5)?(h5?h5'')w0'?Q2'Q'?1?2?1??h8?h1??(1??)?h2'?h9?w0'w0' （10）

可以看出：在相同工况下若制冷系数增大，则制热系数也一

定增大。蒸发器吸热量不一定增加，耗功量一定增加,冷凝器放热量一定增加,而制冷系数和制热系数的变化还与制冷量、制热量与耗功量的变化率有关。

3 涡旋压缩机喷气增焓系统的优化设计 3.1计算举例

以一台涡旋压缩机的热泵机组为例进行优化设计分析,假定:蒸发温度: - 20℃;冷凝温度: 48℃;吸气过热度:8℃;冷凝器出口过冷度: 6℃。试对二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环进行性能比较；对二次节流喷气增焓制热循环最佳补气压力进行优化选择。

解：对照图1所示，如果取经济器出口状态4'和7分别为饱和液体状态和饱和蒸气状态，则补气压力一定，补气系数也随之确定，故其他条件一定时，二次节流喷气增焓制热循环系统的优化设计也即补气压力的选择。分析计算中编制了专用计算程序，对普通单级压缩热泵循环和不同补气压力下的二次节流喷气增焓制热循环进行了计算，计算结果见下表1。

表1 计算结果 补气压力补气量 制热量 输入功 制热 （KP） 无补气 260 420 540 670 810 930 （kg） 0.460 0.312 0.231 0.16 0.097 0.049 （KJ） 182.63 261.56 234.98 221.14 209.19 198.64 190.7 （KJ） 48.92 59.3 51.92 49.6 48.5 48.17 48.37 系数 3.73 4.41 4.7 4.46 4.31 4.12 3.94 注：无补气即指普通单级压缩热泵循环

对照表中数据分析可以得到以下结论：

（1） 二次节流喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环进

行性能比较，其制热量和制热系数明显提高；

（2） 对于二次节流喷气增焓制热循环，随着补气压力的提高其

制热量、耗功量逐渐减少，而制热系数开始增大，随后减小，存在最佳补气压力，见图2、图3、图4所示；

图2 制热量随补气压力的变化

图3 耗功量随补气压力的变化

图4 供热系数随补气压力的变化

（3）补气压力的最佳值为420kp左右。按各级压缩比相同的原则选取，则中间压力pm =p0pk=407.8kp，与计算的结果较接近。 6 结论 （1）喷气增焓制热循环与普通单级压缩热泵循环进行性能比较必须首先明确比较基准，分析比较才具有客观性和公正性。 （2）与单级压缩系统相比, 喷气增焓制热循环系统可以提高机组制热量及供热系数,增加了空气源热泵在低温环境下的适用性。 （3）中间补气增加了机组的制热量和功率消耗,但制热量增加的速率大于功耗增加的速率,所以通过补气可以提高系统的供热性能系数。 参考文献

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作者简介：1戎卫国，男，1950年8月生，教授，硕士生导师， 邮箱wgr_jn@sohu.com； 2

贾莹，女，1987年8月生，邮箱jiaying063@163.com；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oih7.html