准二级压缩-喷射热泵的设计与实验研究

　　为解决空气源热泵系统在低温环境下制热运行时制热量小、能效比低的问题,研究者做了大量的工作。在众多方案中,涡旋压缩机补气的准二级压缩热泵系统被认为是技术上合理、实际可行的解决方案。21世纪初,研究者建立了准二级压缩热泵的热力学分析模型,确定出了最优的中间压力范围,通过实验或理论分析了不同型式的准二级压缩各自的运行特性[1-3]。但普通的补气热泵系统,辅助回路中的节流元件具有较大的有效能损失,为回收此部分能量,在普通补气系统基础上提出了带有喷射器的涡旋压缩机补气热泵系统,即准二级压缩-喷射热泵系统。文献[4]搭建了喷射器补气热泵系统的试验台,试验结果表明,带喷射器的热泵系统较普通补气系统,制热量可增大10%左右,制热性能系数提高4%左右。

　　喷射器应用在氟利昂类工质中,是近几年喷射式制冷的研究热点[5-6]。它解决了普通以水为工质的喷射制冷不能制取0e以下低温的问题,并使回收更低温度的余/废热成为可能。20世纪80)90年代,国内的研究者将喷射器应用在冰箱中,回收压力能并制取冷冻温度[7-8]。应用在涡旋压缩机准二级压缩热泵系统中的喷射器,工作、引射流体以及压缩流体参数均不同于喷射式制冷机组或喷射真空设备,须重新考虑喷射器的结构参数设计及工质流量的匹配。

　　本文以一台国内某厂生产的R22涡旋压缩机为例,对准二级压缩-喷射复合热泵系统设计进行系统介绍,其中重点介绍所用喷射器的设计方法,并测试样机的运行性能。

　　1 准二级压缩-喷射复合热泵系统的设计

　　准二级压缩-喷射复合热泵系统原理如图1所示。与普通的准二级压缩不同之处是补气回路中用喷射器代替普通的节流阀。由于喷射器具有回收高压流体压力能的作用,并改变补入压缩机内气体的状态,因此可在更大程度上改进热泵性能。

　　1.1 补气口的设计

　　补气口位置在一定的范围内变化对于系统的运行安全不造成影响,但为保证系统在低温下的制热性能,最合理的开孔位置在吸气腔刚闭合处[1-2]。开孔的形状对性能影响不大,考虑可加工性选择圆形即可,开孔时在涡旋盘的相邻2个工作腔成对开设,并确保不使2个相邻的工作腔连通发生级间串气的严重后果。依靠油膜进行密封的压缩机,壁厚较大可以加工尺寸稍大些;靠密封圈进行密封的压缩机,密封圈的厚度较小(大多为2 mm),补气口要开得相对小一些。

　　1.2 喷射器的设计

　　图2为喷射器示意图。在喷射器中,高压的工作流体经喷射器内的喷嘴后速度增大压力降低,靠低压及高速将引射流体吸引到吸收室内,在扩压室内,混合流体进行扩压过程,最终以压缩压力从喷射器射出。对于涡旋压缩机来说,压缩压力pC即为压缩机的补气压力。压缩机进行了部分程度的预压缩后,腔内气体压力变为p2(状态2处的制冷剂的压力)进行第2阶段的边补气边旋转压缩阶段。且在补气管路上设置有避免腔内气体倒流的单向阀,则有