石油化工設(shè)備試驗研究常用制冷壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)特性分析許樹學(xué)，馬國遠(yuǎn)，彭瓏（北京工業(yè)大學(xué)，北京100124）循環(huán)的性能。對活塞式、螺桿式、渦旋式、滾動活塞式及離心式等5種常用型式制冷壓礦機(jī)的補氣特征及循環(huán)性能進(jìn)行了分析，歸納出了其補氣過程和系統(tǒng)循環(huán)的特性及各自的適用范圍。

　　近些年來，對壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)研究較多。作為一種技術(shù)上可行、實現(xiàn)較容易的技術(shù)方案，對改進(jìn)固定容積比的壓縮機(jī)在偏離設(shè)計工況時制熱（制冷）量不足、壓縮機(jī)效率降低有明顯的效果。對螺桿壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)進(jìn)行了分析，提出了補氣口的設(shè)計方法及壓縮功的計算方法。對渦旋壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)進(jìn)行了研究，指出在保證制熱量及性能系數(shù)前提下，準(zhǔn)二級壓縮熱泵循環(huán)可在低溫環(huán)境中長期運行。英國的研究者對二氧化碳作為工質(zhì)的滾動活塞式壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)進(jìn)行了分析，并搭建了試驗臺13.依據(jù)外界環(huán)境溫度的變化及制冷（制熱）量的需求，以改善機(jī)組循環(huán)特性為目的，可以用不同型式的壓縮機(jī)構(gòu)造準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)，增加或減少壓縮機(jī)內(nèi)工質(zhì)流量，改變制熱或制冷量，提高壓縮機(jī)運行穩(wěn)定性，形成不同的蒸發(fā)溫度等。文中對常用的幾類制冷壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮構(gòu)造方法及其系統(tǒng)的循環(huán)特征進(jìn)行分析。

　　基金項目乍者簡介國家自然科學(xué)基金（50776001）1準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)型式準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)的型式有過冷器系統(tǒng)（a）閃發(fā)器系統(tǒng)（b）過冷儲液器系統(tǒng)（c）以及噴射器系統(tǒng)（d）相比較而言，閃發(fā)器系統(tǒng)補入的氣態(tài)制冷劑較過冷器系統(tǒng)及過冷儲液器系統(tǒng)更接近飽和狀態(tài)，因此對系統(tǒng)性能改進(jìn)程度更佳，只是設(shè)計閃發(fā)器系統(tǒng)時對兩級節(jié)流部件的匹配要求較高。帶噴射器的系統(tǒng)利用了補氣管路中制冷劑的壓力能，對被引射流體進(jìn)行了預(yù)壓縮，在更大程度上增加了壓縮機(jī)排氣量并改善了壓縮機(jī)的效率。實驗研究表明，帶噴射器的系統(tǒng)較過冷儲液器系統(tǒng)好141. 2不同型式壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)2.1活塞式壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)見。活塞式壓縮機(jī)的補氣口可設(shè)在活塞氣缸的頂端或內(nèi)壁的某一位置，這決定于補氣的目的。當(dāng)補氣口設(shè)置在氣缸頂端時，低溫低焓值的（液態(tài)或兩相）制冷劑從活塞式壓縮機(jī)的頂端噴入到壓縮機(jī)腔內(nèi)，可以冷卻氣缸，降低制冷劑溫度并彌補壓縮機(jī)的吸氣不足15.當(dāng)補氣的目的是為了形成多個蒸發(fā)溫度時，補氣口的位置則可設(shè)在氣缸壁的某一個位置。其工作過程如下，活塞由外止點向內(nèi)止點運動，吸入低壓制冷劑蒸汽，在此期間補氣孔口被活塞覆蓋。當(dāng)活塞運動到接近內(nèi)止點位置時，中間補氣孔開始被打開，中間壓力氣體進(jìn)入氣缸，其壓力高于汽缸內(nèi)原有吸氣壓力，在中間壓力氣體進(jìn)入氣缸的瞬間，吸氣閥關(guān)閉，活塞繼續(xù)向內(nèi)止點運動，到達(dá)內(nèi)止點后向外止點運5動中間補氣過程繼續(xù)進(jìn)行。過程中補氣孔重新被活塞所覆蓋，中間補氣過程結(jié)束。

　　實驗表明，不同的制冷劑及不同的蒸發(fā)溫度下，對制冷系數(shù)COP的改進(jìn)程度不盡相同。提高COP較為明顯的制冷劑是R717及R115，而R12、R22與R502相對普通單級壓縮循環(huán)則是下降的。

　　對采用補氣的雙溫冰箱進(jìn)行了理論與實驗研究（b）利用中間補氣的方法使冰箱制冷系統(tǒng)有高低兩種蒸發(fā)溫度，從而減小了溫差及傳熱過程的不可逆損失。實驗表明，在環(huán)境溫度為25°C和32°C時，用于冰箱的二次進(jìn)氣壓縮機(jī)無論用R12或混合制冷工質(zhì)R22/R142b都有明顯的節(jié)能效果，在制取低溫及省電1活塞壓縮機(jī)2冷凝器3儲液器4毛細(xì)管5換熱器6.高溫蒸發(fā)器7低溫蒸發(fā)器活塞式壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)活塞式壓縮機(jī)補氣*大的問題是補氣管路上間歇開啟閥門的設(shè)計與控制，因為活塞式壓縮機(jī)的吸排氣是周期性的，補氣的時機(jī)不好會嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的正常工作。

　　2.2螺桿式壓縮機(jī)螺桿式壓縮機(jī)具有單向吸排氣的工作特征，因此，將其系統(tǒng)設(shè)計成準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)較為方便。為此，在螺桿式壓縮機(jī)的齒槽與吸氣口脫離處增設(shè)補氣孔。工作過程為，吸氣終了基圓容積封閉一段時間后與補氣口接通，中間補氣孔隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)逐步開大，充氣量逐漸增加，腔內(nèi)壓力逐漸增高，補氣壓差變小，補氣量也減小，直到補氣過程結(jié)束。通過分析中壓充氣過程及混合增壓過程的一些主要損失，可以找到能獲得較為理想過程的相關(guān)參數(shù)和*佳補氣口通道的幾何特性量。目前流行的*佳進(jìn)氣位置的觀點是使進(jìn)氣混合之后的壓力等于循環(huán)中壓力。也有人認(rèn)為，運行中的熱泵循環(huán)工況將受到各能力上4混合工質(zhì)盧22‘R142b較良好ecttodcPublishi種隨機(jī)因素的影g1響5s所謂*佳補氣點應(yīng)表Si*佳區(qū)域。

　　補氣孔開設(shè)時應(yīng)注意：①流通截面盡量滿足中壓進(jìn)氣等熵流動。②在基元容積脫離中壓補氣孔口后停止補氣。③基元容積內(nèi)的混合壓力不大于中壓。中壓補氣按等熵過程噴入螺桿機(jī)基元容積內(nèi)，所產(chǎn)生的動能沿螺桿機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的切線方向，可逆地進(jìn)入螺桿機(jī)中壓區(qū)，以利于實現(xiàn)能量的有效轉(zhuǎn)換。

　　增設(shè)經(jīng)濟(jì)器后，使得經(jīng)過該容器大量的制冷劑液體得到冷卻，過冷度變大，增加了系統(tǒng)的制冷量，而中間補氣過程引起的壓縮功增加比制冷量增加得少，提高了系統(tǒng)的制冷系數(shù)。過冷效益的大小同工質(zhì)性質(zhì)及工況有關(guān)，在相同工況下，液體比熱小，氣化潛熱也比較小的工質(zhì)過冷效益*大。R502、R12、R22和R717相比，R502*好，其次是R12R22和R717較差。設(shè)經(jīng)濟(jì)器后，同一壓縮機(jī)在t=―35Ktk=35°C工況下，采用制冷劑R717制冷量可提高22%左右。若采用制冷劑R22在to單位功率制冷量提高7%~30%. 2.3渦旋式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)1905年由法國人Creux取得專利，經(jīng)歷20世紀(jì)初幾十年的沉寂后開始迅速發(fā)展起來。其具有效率高（吸壓排氣連續(xù)單向進(jìn)行，容積效率大于95%）、力矩變化小、振動小、噪聲低及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。目前的小型家用空調(diào)（1~15kW）大多數(shù)采用渦旋式或滾動活塞式壓縮機(jī)。渦旋壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此其補氣涉及了更多的內(nèi)容。渦旋機(jī)的渦旋盤及補氣孔開設(shè)區(qū)域見。

　　渦旋壓縮機(jī)的吸氣、壓縮、排氣3個工作過程連續(xù)單方向進(jìn)行，補氣的開始和結(jié)束隨著渦旋盤的旋轉(zhuǎn)而自動打開或關(guān)閉。研究表明：①獲得*大制熱能，補氣孔開在吸氣腔剛剛閉合的位置較為適宜。②壓縮機(jī)的功耗及制熱量隨補氣壓力的增大而增大，在某一中間壓力下可以獲得*大值熱量及較佳制熱性系數(shù)。

　　同普通機(jī)組相比，蒸發(fā)溫度一25°C時，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)制熱量可提高20%，COP可提高14%；蒸發(fā)溫度一20°C時，準(zhǔn)二級壓縮系統(tǒng)制熱量可提高14%~20%，COP可提高6%~8%，并將排氣溫度控制在130°C以下，以保證機(jī)組安全運轉(zhuǎn)。

　　2.4滾動活塞式壓縮機(jī)滾動活塞式壓縮機(jī)也是目前小型空調(diào)的主要機(jī)型之一。由定子及偏心旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成，每旋轉(zhuǎn)1圈，壓縮機(jī)進(jìn)行一次完整的吸氣與排氣過程。補氣口開設(shè)的位置及補氣壓力決定了補入或釋放工質(zhì)的質(zhì)量。滾動活塞式壓縮機(jī)補氣位置見。

　　工質(zhì)噴入量/釋放量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)角的變化見?？梢钥闯?，噴入量隨滾動活塞的旋轉(zhuǎn)角度增大而減小，原因是隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，腔內(nèi)氣體的壓力增大，噴入工質(zhì)與腔內(nèi)工質(zhì)的壓力差減??；釋放量隨滾動活塞的旋轉(zhuǎn)角度增大而增加，原因是隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，腔內(nèi)氣體的壓力增大，增大了腔內(nèi)工質(zhì)與釋放工質(zhì)間的壓力差。壓縮機(jī)的功耗與腔內(nèi)工質(zhì)量有密切關(guān)系，當(dāng)室外溫度上升至某一值時，壓縮機(jī)進(jìn)行放氣壓縮，引起壓縮機(jī)功耗大幅度下降。

　　縮循環(huán)，它隨外界環(huán)境的變化調(diào)節(jié)容量。冬季進(jìn)行制熱循環(huán)時，若外界環(huán)境溫度很低，工質(zhì)循環(huán)量不足導(dǎo)致制熱量不足及壓縮機(jī)的等熵效率降低，壓縮機(jī)進(jìn)行補氣循環(huán)，可保證制熱性能系數(shù)不降低并提高制熱量；夏季進(jìn)行制冷循環(huán)時，若外界環(huán)境溫度較低，室內(nèi)冷負(fù)荷減小，偏離了制冷循環(huán)的*佳工況，系統(tǒng)不再要求壓縮機(jī)很大的工質(zhì)循環(huán)量，則壓縮機(jī)進(jìn)行釋放循環(huán)，保證壓縮機(jī)在低負(fù)荷狀態(tài)連續(xù)運行。

　　2.5離心式壓縮機(jī)正常工況下氟里昂離心制冷機(jī)一般為單級，獲得更低溫度時常采用兩級以上葉輪。為提高循環(huán)效率，采用中間補氣的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)，見。

　　離心式壓縮機(jī)的補氣口要設(shè)在兩級葉輪的中間，因此補氣口的數(shù)目也就比級數(shù)少1.當(dāng)級數(shù)大于等于3時，可形成多個經(jīng)濟(jì)器的循環(huán)（b）―般蒸發(fā)溫度在一7°C以上可用二級葉輪，在一23°C以上用三級葉輪，在一40~―45°C以上用四級葉輪，采用相應(yīng)級減1的補氣循環(huán)。補氣回路的閃發(fā)和制冷厲補通開設(shè)的位溫要制熱性―蒸汽在封閉的罐內(nèi)吸熱使得進(jìn)入節(jié)流閥的液吸氣口滾動活塞式壓縮機(jī)的補氣位置1吸氣口2離心壓縮機(jī)3排氣口7%除此之外，中間補氣循環(huán)還可以降低噪聲，消除低負(fù)荷的喘振問題，延長機(jī)組使用壽命。

　　對活塞式、螺桿式、渦旋式、滾動活塞式及離心式等5種不同類型制冷壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)過程分析結(jié)果如下：①各種壓縮機(jī)補氣的準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)適應(yīng)了工作環(huán)境的變化，使壓縮機(jī)在偏離設(shè)計工況時的效率下降、供熱（制冷）量不足的狀況得到明顯改善，只需對原有機(jī)組進(jìn)行簡單改造，改造后性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)。②應(yīng)根據(jù)不同類型壓縮機(jī)本身的結(jié)構(gòu)及工作特征，對準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)補氣口參數(shù)（大小、形狀、位置）進(jìn)行設(shè)計，同時結(jié)合系統(tǒng)特征及工作目的確定補氣參數(shù)，選擇合理的循環(huán)型式。