喷液对单螺杆压缩机性能影响的热力学分析_陈飞.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G3 3-3 7收稿日期:2 0 2 2-0 4-0 7,修回日期:2 0 2 2-0 5-1 6作者简介:陈飞,硕士,主要从事低温与制冷、单螺杆压缩机方面的研究。通信作者:吴玉庭,研究员、博士生导师,主要从事高温高热流传热蓄热、低品位能源高效热功转换、先进制冷技术以及太阳能热发电等方面的研究。喷液对单螺杆压缩机性能影响的热力学分析陈飞 吴玉庭 沈纪东 张大鹏 温强宇(北京工业大学环境与生命学部,传热强化与过程节能教育部重点实验室)摘 要 通过E x c e l软件计算,对螺杆直径为1 1 7mm的单螺杆压缩机进行了热力学计算,使用的工质为R 2 2制冷剂,绘制了压缩机在设定工况下工作的压焓图,模拟计算了压缩机在开启喷液的情况下,压缩机的排气温度,制冷量,压缩机功率和C O P的变化情况。计算结果表明:喷液量从主路流量的0%增加到5%,排气温度从1 0 2.2 6降低到8 6.6,降低1 5.3 1%;蒸发器的制冷量从3 2k W下降到3 0.4k W,制冷量下降了5%;压缩机功率从1 2.8 7k W降低到1 0.8 5k W,下降1 5.6%;系统的制冷系数C O P从2.4 8增加到2.8 0,C O P提升了1 2.9%。关键词 喷液;C O P;单螺杆压缩机;排气温度T h e r m o d y n a m i ca n a l y s i so f t h e e f f e c t o f s p r a yo nt h ep e r f o r m a n c eo f s i n g l e-s c r e wc o m p r e s s o rC h e nF e i WuY u t i n g S h e nJ i d o n g Z h a n gD a p e n g W e nQ i a n g y u(F a c u l t yo fE n v i r o n m e n t a n dL i f e,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,K e yL a b o r a t o r yo fH e a tT r a n s f e rE n h a n c e m e n t a n dE n e r g yC o n s e r v a t i o no fE d u c a t i o nM i n i s t r y)A B S T R A C T T h e t h e r m o d y n a m i c c a l c u l a t i o no f s i n g l e s c r e wc o m p r e s s o rw i t hs c r e wd i a m-e t e ro f1 1 7 mm w a sc a r r i e do u tb ye x c e lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e.T h ew o r k i n gf l u i dw a sR 2 2r e f r i g e r a n t,a n dt h ep r e s s u r ee n t h a l p yd i a g r a mo f t h ec o m p r e s s o ru n d e r t h es e tw o r k-i n gc o n d i t i o nw a sd r a w n.T h e c h a n g e so f e x h a u s t t e m p e r a t u r e,r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t y,c o m-p r e s s o rp o w e ra n dC O Po f t h ec o m p r e s s o ru n d e rt h ec o n d i t i o no fo p e n i n gi n j e c t i o nw e r es i m u l a t e d.T h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e i n j e c t i o nv o l u m e i n c r e a s e s f r o m0%o f t h em a i nf l o wt o5%,a n dt h ee x h a u s t t e m p e r a t u r ed e c r e a s e s f r o m1 0 2.2 6t o8 6.6,w h i c hd e c r e a s e sb y1 5.3 1%.T h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h ee v a p o r a t o rd e c r e a s e df r o m3 2kWt o3 0.4kW,a n dt h ec o o l i n gc a p a c i t yd e c r e a s e db y5%.C o m p r e s s o rp o w e rd e c r e a s e df r o m1 2.8 7kWt o1 0.8 5kW,d o w n1 5.6%;t h eC O Po f t h es y s t e mi n c r e a s e df r o m2.4 8t o2.8 0a n d i n c r e a s e db y1 2.9%.K E Y WO R D S i n j e c t i o n;C O P;s i n g l es c r e wc o m p r e s s o r;d i s c h a r g e t e m p e r a t u r e 近年来,我 国 对 冷 链 设 施 的 需 求 在 不 断 加大1,使制冷系统运行在最佳工况下以及配置更高效的制冷设备从而优化制冷系统都并不容易,通过热力学性能理论研究可以得到多因素变化的影响结果,并且也可以对制冷设备和制冷系统的性能进行预测2。单螺杆压缩机质量轻、体积小、结构简单、噪声振动小3、运行可靠并且易于计算机控制、维修方便,可以广泛在空调制冷、工业冷冻、水源热泵、煤层除气、酸气压缩、蒸气回收、陆地注气、燃气轮 3 4 第2 3卷 机增压以及化工行业等诸多领域应用4。在制冷系统中较低的蒸发温度和较高的冷凝温度会直接导致系统的排气温度升高以至于压缩机不能在某些特定的工况下工作,排气温度过高会使压缩机的容积效率降低和功耗增加5。除此之外,高温过热会使润滑油的粘度降低,导致轴承、星轮和螺杆产生不应有的磨损,排气温度过高也会影响压缩机的寿命,因为化学反应的速度随温度的升高而加剧,甚至直接烧毁电机使压缩机完全损坏。不少学者研究了降低排气温度的方法,其中喷油、喷液和喷气可直接降低压缩腔内的温度,易于实现。W I NAN D Y等6通过试验的方式对比了涡旋压缩机在不喷射、喷气和喷液3种情况下压缩机的性能表现,结果表明,系统在喷液情况下能够实现以每增加1%的喷液量来达到降低排气温度1.2K的效果,而喷气的主要作用是可以提高压缩机的制冷量。L E E等7以 一 台 制 冷 量 为9.6k W,使 用R 2 2为制冷剂的制冷系统为研究对象,对其在高压缩比条件下,通过向压缩机入口喷射气液两种制冷剂进行了试验分析。在注气过程中,由于制冷量的减小大于输入功率的减小,C O P随注气比的增大而减小;注液时,C O P随注液比的增大而增大,在 注 液 比 达 到1 0%以 上 时C O P又 减 小。S AM I等8以新型混合制冷剂为研究对象,对采用增强型表面管式换热器的空气源热泵系统进行了喷气和喷液的试验研究,性能数据表明,随着气液喷射的增加,排气温度降低,对压缩机起到了积极的保护作用。此外,喷气对C O P有显著和积极的影响。制冷剂R 4 0 7 C和R 4 0 4 A的性能表现分别在5%的注气量和5%的注液量混合时得到提高。孔维利等9针对高温环境下空气源热泵机组,采用喷液冷却来降低压缩机排气温度,实现排气温度的降低,保证热泵机组的安全稳定运行。盛健等1 0通过试验发现,采用压缩机吸气少量喷液可有效降低压缩机排气温度,从而降低压缩机故障率。张晓艳等1 1指出,相比于旁通热气降温,喷液降温措施更能保证机组性能和稳定运行。赵帅等1 2通过对往复式活塞压缩机进行改造,在单级活塞压缩系统的基础上搭建了一种中间喷液冷却的准两级压缩系统并在蒸发温度为-2 0的工况下进行试验测量,结果表明,加入中间喷液冷却系统后,系统的C O P由1.2 7提升至1.3 6,单位制冷量由1 5 5.1k J/k g提升至1 7 6.7k J/k g。殷翔等1 3搭建了吸气喷液回路试验台,并建立了含有泄漏和换热损失的数学模型,结果显示:排气温度随喷液量增大而降低,C O P随喷液量有微小提升后降低。喷液量较小时,可使排气温度降低1 4,而系统C O P微小提升0.6%。1 压缩机吸气喷液模拟流程压缩机吸气喷液的工作回路主要包括3个部分,如图1所示,分别是润滑油回路、制冷剂回路、冷却水回路。图1 1 1 7型单螺杆压缩机工作流程图 从压缩机出来的高温高压制冷剂通过单向阀后首先经过油细分离器,被分离出来的润滑油沿着润滑油管路再次回到压缩机内部,实现润滑、冷却、密封的作用,制冷剂气体则进入冷凝器进行冷 第1期陈飞 等:喷液对单螺杆压缩机性能影响的热力学分析3 5 凝,然后进入过冷器。从过冷器出来的制冷剂气体在这里被分为两个部分,一部分通过质量流量计,节流阀节流,进入蒸发器蒸发吸热,然后回到压缩机吸气口;另一部分经过节流阀节流降温,变为低温低压的气液混合物,气液两相的混合工质经电磁阀控制,注入压缩机上的喷液冷却喷嘴,完成整个热力循环。通过计算,可以绘制出如图2所示的喷液制冷系统压焓图,循环路径1-2-3-4-1是系统没开启喷液电磁阀时的路径,此时,压缩机吸气点1被压缩到点2;当开启喷液电磁阀时,来自4点的低温低压制冷剂气液混合物与1点处的过热气体混合,到达5点,然后混合物被压缩机吸入压缩到6点,完成循环,此时的循环路径为1-5-6-3-4-5。从图中可以看到,开启喷液后,5-6压缩过程的斜率大于未开启喷液时1-2压缩过程 的斜率,即h6-h5h2-h1,也就是开启喷液后压缩机的耗功要小于未开启喷液时所需的耗功。该压焓图还表明,开启喷液会导致压缩机吸气状态点发生变化,即会导致压缩机的功率,制冷系数C O P,制冷量以及排气温度发生变化。图2 喷液制冷系统压焓图2 喷液计算数学模型喷液模拟以本试验室螺杆直径为1 1 7mm的单螺杆压缩机 为 计 算 模 型,研 究 工 况 为 蒸 发 温度-1 0,冷凝温度4 5,过热度和过冷度均取5,在该工况下,通过试验测得压缩机等熵效率为0.6 5,在未开启喷液时制冷量为3 2kW,制冷剂流量为7 4 7.8 9k g/h。在图2中,对循环1-2-3-4-1进行计算,1点是蒸发器出口点;2点是压缩终点,排气起始点;3点是节流阀进口点;4点是蒸发器进口点,蒸发温度为-1 0,得到相应的蒸发压力为0.3 5 4MP a,则4点的焓值h4为2 5 0.7 6k J/k g,考虑到系统设置了5的过热度,所以蒸发器出口温度为-5,出口压力等于蒸发压力减去蒸发器压力降的一半,蒸发器压力降取经验数值0.0 1MP a,所以出口压力为0.3 4 9MP a,出口焓h1为4 0 4.7 9k J/k g,则蒸发器的单位制冷量为:q=h1-h4(1)Q=m q=m(h1-h4)(2)式(1)、式(2)中:m为制冷剂的质量流量(k g/h);Q为系统的制冷量(kW)。冷凝器的进口压力根据