曹 健，蘇 林，張辛辛，孫寒晴，李 康，方奕棟

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

冬季工況下，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車主要依靠PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器來為乘員艙供熱，但此種加熱方式嚴(yán)重縮短了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程[1]。傳統(tǒng)熱泵空調(diào)在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用緩解了電動(dòng)汽車采用PTC加熱器加熱導(dǎo)致續(xù)航里程嚴(yán)重縮短的現(xiàn)象。然而，在冬季極低溫環(huán)境下使用制熱模式，空氣源熱泵的制熱性能隨環(huán)境溫度的下降而迅速降低，并且伴隨著壓縮機(jī)排氣溫度過高，造成壓縮機(jī)工作的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性[2]，因此對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化技術(shù)的研究必不可少。調(diào)查結(jié)果表明噴氣增焓（EVI）技術(shù)可以解決傳統(tǒng)汽車熱泵在低溫環(huán)境下面臨的諸多問題，許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)用補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)熱泵進(jìn)行了研究[3-4]。

現(xiàn)階段對(duì)于EVI技術(shù)的研究主要集中在補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)、補(bǔ)氣狀態(tài)、制冷劑種類、補(bǔ)氣孔開設(shè)位置及形狀等方面。應(yīng)用EVI技術(shù)的熱泵系統(tǒng)主要分為過冷器類型系統(tǒng)及閃蒸器類型系統(tǒng)[5-7]。CHO等[7-9]研究發(fā)現(xiàn)閃蒸器類型的系統(tǒng)成本相對(duì)較低、效率高，而過器類型的系統(tǒng)可以很好的控制補(bǔ)氣參數(shù)。KIM等[10]通過對(duì)液體噴射、兩相噴射以及蒸氣噴射3種噴射方式的研究發(fā)現(xiàn)兩相噴射方式會(huì)更有效地提高COP和降低排氣溫度。補(bǔ)氣中的制冷劑液體含量越高，排氣溫度越低，制熱能力越小[11]。冉小鵬等[12-13]通過試驗(yàn)及數(shù)值仿真的研究表明隨著補(bǔ)氣量的增加壓縮機(jī)的排氣溫度降低，制熱量增加，制熱COP先上升后降低。XU等[14]研究了使用制冷劑R410A在有補(bǔ)氣相對(duì)無補(bǔ)氣條件下的制熱量增量要比R32高，且排氣溫度低；但是在相同補(bǔ)氣量的條件下使用制冷劑R32的制熱COP和制熱量均高于R410A。CHO等[15]發(fā)現(xiàn)對(duì)于對(duì)稱式渦旋壓縮機(jī)其最佳補(bǔ)氣孔開設(shè)的位置小于360°，在其他條件不變的情況下通過增加補(bǔ)氣孔的個(gè)數(shù)或者增大補(bǔ)氣孔的直徑能夠有效的解決在低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)性能下降的問題。孫寒晴等[16]在保證渦旋壓縮機(jī)吸氣幾何容積不變的情況下，將2對(duì)腔（N=2）渦旋壓縮機(jī)的型線優(yōu)化成3對(duì)腔（N=3）的型線，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的型線不僅可以提高制熱COP和制熱量而且還可以降低排氣溫度。

從上述研究中發(fā)現(xiàn)，研究對(duì)象大多為3對(duì)腔（N=3）補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)，而對(duì)于型線較短的2對(duì)腔（N=2）補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)的研究較少。圖1（a）（b）分別展示了補(bǔ)氣孔開設(shè)位置在2對(duì)腔（N=2）與3對(duì)腔（N=3）渦旋壓縮機(jī)中的區(qū)別。對(duì)于3對(duì)腔（N=3）及2對(duì)腔（N=2）補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣孔的開啟及閉合均由動(dòng)盤壁厚遮擋來實(shí)現(xiàn)，3對(duì)腔（N=3）渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)入的制冷劑受動(dòng)盤壁厚的控制只補(bǔ)進(jìn)壓縮腔，而兩對(duì)腔（N=2）渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)入的制冷劑受動(dòng)盤壁厚的控制會(huì)一部分補(bǔ)進(jìn)吸氣腔，一部分補(bǔ)進(jìn)壓縮腔。如圖1（c）（d）所示，3對(duì)腔（N=3）渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣過程只處于壓縮過程中，而2對(duì)腔（N=2）渦旋壓縮機(jī)的補(bǔ)氣過程會(huì)分別出現(xiàn)在吸氣過程及壓縮過程中。本文采用第二制冷劑量熱器法搭建了測(cè)量補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)單體性能試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)某款2對(duì)腔（N=2）渦旋式壓縮機(jī)的性能在不同試驗(yàn)工況下隨補(bǔ)氣壓力的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

圖1 3對(duì)腔（N=3）及2對(duì)腔（N=2）補(bǔ)氣過程Fig.1 The process of vapor injection for three-pair chamber（N=3） and two-pair-chamber（N=2）

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖2示出第二制冷劑量熱器法測(cè)量補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)性能的試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system

在整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)中被測(cè)對(duì)象為一款排量為38 cm3的電動(dòng)汽車補(bǔ)氣式電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)，如圖3所示。圖4示出該款壓縮機(jī)補(bǔ)氣孔相對(duì)位置，補(bǔ)氣孔位置分別在123°和303°。該壓縮機(jī)供電電壓240 V，轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍為2 000～6 000 r/min，使用24 V低壓直流控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

圖3 試驗(yàn)所用2對(duì)腔（N=2）補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)Fig.3 Experimental two-pair-chamber（N=2）scroll compressor with vapor injection

圖4 補(bǔ)氣孔位置Fig.4 Injection-port location

試驗(yàn)系統(tǒng)中的冷凝器為套管式換熱器，系統(tǒng)回路中使用制冷劑R134a，制冷劑的冷凝以及過冷由恒溫水箱中的循環(huán)水提供冷量。補(bǔ)氣回路及主回路中的制冷劑流量分別由2臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。相關(guān)組件信息見表1。布置在系統(tǒng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的鉑電阻及壓力傳感器用來測(cè)量回路中制冷劑的溫度和壓力，相關(guān)測(cè)量元件的精度見表2。

表1 主要部件參數(shù)Tab.1 Parameters of main components

表2 試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)量元件測(cè)量精度Tab.2 Measured precision of main measuring elements of test bench

制冷劑吸氣過熱度為10 ℃，補(bǔ)氣過熱度為3 ℃，冷凝器過冷度為5 ℃。渦旋壓縮機(jī)的吸氣工況、冷凝壓力以及中間補(bǔ)氣狀態(tài)能夠通過PID控制自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使被測(cè)對(duì)象保持在目標(biāo)工況下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果通過控制電腦上的采集軟件采集并記錄數(shù)據(jù)并形成試驗(yàn)報(bào)告。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用第二制冷劑量熱器法來測(cè)量補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)的性能，將吸氣側(cè)及補(bǔ)氣側(cè)的制冷劑質(zhì)量流量與用第二制冷劑量熱器法計(jì)算的制冷劑流量進(jìn)行比對(duì)，測(cè)得兩者之間的差異均小于2.9%，保證了試驗(yàn)結(jié)果是可靠性。試驗(yàn)根據(jù)壓縮機(jī)熱泵試驗(yàn)工況標(biāo)準(zhǔn)[17]，采用吸/排氣壓力為0.16/0.9 MPa（低溫?zé)岜妹x制熱）、0.28/1.1 MPa（熱泵名義制熱）進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)合本試驗(yàn)所用渦旋壓縮機(jī)短型線的結(jié)構(gòu)以及補(bǔ)氣孔的數(shù)量并參考式（1）對(duì)最大補(bǔ)氣壓力進(jìn)行了選取，最低補(bǔ)氣壓力均大于吸氣壓力，在吸氣壓力以及吸排氣壓力幾何平均值之間取4組間隔相對(duì)均勻的值作為補(bǔ)氣壓力。為了保證試驗(yàn)所用補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)能夠很好地達(dá)到設(shè)定的吸排氣壓力值，故選擇壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000，6 000 r/min。測(cè)量補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)性能的具體試驗(yàn)工況見表3。

表3 試驗(yàn)工況Tab.3 Test conditions

式中 Pinj——補(bǔ)氣壓力，MPa；

Psuc——吸氣壓力，MPa；

Pdis——排氣壓力，MPa。

由于系統(tǒng)穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，數(shù)據(jù)須等到目標(biāo)工況下各個(gè)參數(shù)值穩(wěn)定30 min后再每隔1 min記錄一組數(shù)據(jù)并記錄30 min。試驗(yàn)結(jié)果中，壓縮機(jī)容積效率ηv以及壓縮機(jī)效率ηc是表征壓縮機(jī)性能的主要參數(shù)，而制熱COP和制熱量Qh為描述對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的主要參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中 ηv——壓縮機(jī)容積效率；

mdis——排氣質(zhì)量流量，kg/s；

ρ ——吸氣制冷劑密度，kg/m3；

Vsuc——壓縮機(jī)吸入制冷劑體積流量，m3/s；

minj——補(bǔ)氣質(zhì)量流量，kg/s；

ηc——壓縮機(jī)效率；

msuc——吸氣質(zhì)量流量，kg/s；

h ——制冷劑不同狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg；

E ——壓縮機(jī)輸入功率，W；

U ——壓縮機(jī)輸入電壓，V；

I ——壓縮機(jī)輸入電流，A；

COP ——制熱性能系數(shù)；

Qh——制熱量，kW。

式中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的焓值如圖5所示。經(jīng)計(jì)算得出容積效率ηv、壓縮機(jī)效率ηc、制熱量及制熱COP的不確定度分別為5.76%，5.28%，4.12%，4.64%，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映該2對(duì)腔（N=2）補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)的實(shí)際性能。

圖5 制熱循環(huán)P-h曲線Fig.5 P-h curve of heating cycle

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 補(bǔ)氣壓力對(duì)排氣溫度的影響

圖6示出了該38 cm3補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)在兩種熱泵工況下的排氣溫度隨補(bǔ)氣壓力的變化趨勢(shì)。在無補(bǔ)氣條件下，工況1和3的排氣溫度分別為96.3，94.9 ℃，并隨補(bǔ)氣壓力的增大而呈下降趨勢(shì)。當(dāng)補(bǔ)氣壓力增大至0.55 MPa時(shí)，排氣溫度分別降低到84.4，85.1 ℃。對(duì)于工況2和4，壓縮機(jī)排氣溫度隨著補(bǔ)氣壓力的增大先降低后升高，并分別上升到96.4，98.0 ℃，但均低于無補(bǔ)氣條件時(shí)對(duì)應(yīng)的排氣溫度，即104.7，100.9 ℃。在低溫?zé)岜妹x制熱工況下，無補(bǔ)氣情況下的壓縮機(jī)吸氣比容較大、壓比升高造成排氣溫度上升，而帶有補(bǔ)氣的渦旋壓縮機(jī)通過補(bǔ)入的中間壓力制冷劑與部分壓縮后的制冷劑混合，實(shí)現(xiàn)了單臺(tái)壓縮機(jī)兩級(jí)壓縮的過程，進(jìn)而降低排氣溫度。

圖6 排氣溫度隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.6 The variation of discharge temperature with injection pressure

2.2 補(bǔ)氣壓力對(duì)制熱量及制熱COP的影響

圖7示出了該補(bǔ)氣式渦旋壓縮機(jī)熱泵工況下的制熱量及制熱COP隨補(bǔ)氣壓力變化的趨勢(shì)。在圖7（a）中，試驗(yàn)所測(cè)工況下制熱量隨著補(bǔ)氣壓力的增加呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。相對(duì)于無補(bǔ)氣的熱泵工況而言，補(bǔ)氣可以明顯增加熱泵系統(tǒng)的制熱效果。試驗(yàn)所測(cè)4個(gè)工況下，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，制熱量越高，這是因?yàn)樵龃筠D(zhuǎn)速提高了制冷劑的流量從而增大制熱量。隨著補(bǔ)氣壓力的增大，補(bǔ)氣孔口的壓力與壓縮腔內(nèi)的壓差也相應(yīng)增大，而補(bǔ)入壓縮腔的制冷劑幾乎是靠壓差進(jìn)行的[15]，因此補(bǔ)入壓縮機(jī)內(nèi)制冷劑流量也顯著增加，制熱量也會(huì)得到一定的提高。

圖7 制熱量及制熱COP隨補(bǔ)氣壓力變化Fig.7 The variation of heating capacity and heating COP with injection pressure

在圖7（b）中制熱COP隨著補(bǔ)氣壓力的增大先增大后減小。在試驗(yàn)工況下，峰值處的COP較無補(bǔ)氣分別增大了11.45%，7.28%，2.09%，3.56%?？梢园l(fā)現(xiàn)在低溫?zé)岜妹x制熱工況下使用補(bǔ)氣較熱泵名義制熱工況更能提高系統(tǒng)的制熱COP。隨著補(bǔ)氣壓力的增加，補(bǔ)入壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑流量增大進(jìn)而導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗增加，即在較高補(bǔ)氣壓力的情況下，壓縮機(jī)功耗的增量較制熱量的增量較大，因此在整體上使得制熱COP隨補(bǔ)氣壓力的增大而逐漸減小。從圖7（b）中可以看出，工況3下的制熱COP大于工況4下的制熱COP，這是因?yàn)榍罢邏嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，后者為6 000 r/min，后者壓縮機(jī)功耗的增量較制熱量的增量較高。然而工況1下的制熱COP小于工況2下的COP，雖然前者壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速比后者要低，壓縮機(jī)功耗較小，但是在低溫?zé)岜妹x制熱工況下稍增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速使得制熱量的增量比壓縮機(jī)的功耗的增量更大，即在低溫?zé)岜妹x制熱工況下稍微提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以提高制熱COP。

2.3 補(bǔ)氣壓力對(duì)容積效率及壓縮機(jī)效率的影響

在圖8（a）中，低溫?zé)岜妹x制熱工況下渦旋壓縮機(jī)的容積效率在有補(bǔ)氣較無補(bǔ)氣而言均可得到一定的提升，且低溫?zé)岜妹x制熱工況下的容積效率隨補(bǔ)氣壓力的增加呈上升趨勢(shì)。然而在低溫?zé)岜妹x制熱工況下，將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從5 000 r/min提高到6 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的容積效率并無明顯變化；在熱泵名義制熱工況下渦旋壓縮機(jī)的容積效率在有補(bǔ)氣較無補(bǔ)氣而言并沒有顯著變化，分別維持在0.55及0.50附近（工況3，4）。然而將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從5 000 r/min提高到6 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的容積效率下降。因此，在低溫?zé)岜妹x制熱工況下增大補(bǔ)氣壓力或在熱泵名義制熱工況下相對(duì)減小壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)容積效率都有一定的改善。圖9示出了4個(gè)工況下相對(duì)于無補(bǔ)氣狀態(tài)而言容積效率隨補(bǔ)氣壓力變化所增加的百分比。從圖9中可以看出，在熱泵名義制熱工況下渦旋壓縮機(jī)容積效率的增長率隨補(bǔ)氣壓力的升高變化平緩，然而對(duì)于低溫?zé)岜妹x制熱工況而言其容積效率隨補(bǔ)氣壓力的升高有顯著提升。從工況1至工況4最大容積效率增長率分別為22.8%，20.3%，0.36%，3.8%，且工況1下的容積效率增長率隨補(bǔ)氣壓力的升高而提升的最明顯。

圖8 容積效率及壓縮機(jī)效率隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.8 The variation of volumetric efficiency and compressor efficiency with injection pressure

圖9 容積效率增長率隨補(bǔ)氣壓力的變化Fig.9 The variation of increase rate of volumetric efficiency with injection pressure

在圖8（b）中，4個(gè)工況下的壓縮機(jī)效率隨補(bǔ)氣壓力的升高先增大之后便呈下降趨勢(shì)。因此在本試驗(yàn)工況下壓縮機(jī)效率隨補(bǔ)氣壓力的增大會(huì)有一個(gè)最優(yōu)值。基于本試驗(yàn)工況，從圖8（b）中可以看出，在相同補(bǔ)氣壓力下壓縮機(jī)效率的大小主要取決于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越大壓縮機(jī)效率就越高。低溫?zé)岜妹x制熱工況下，轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)效率的影響大于熱泵名義制熱工況下轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)效率的影響。因此對(duì)于低溫?zé)岜妹x制熱工況增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于提高壓縮機(jī)效率更明顯。上述4個(gè)工況隨著補(bǔ)氣壓力的增大，壓縮機(jī)耗功增加的同時(shí)制熱量也增加，但是壓縮功的增量大于制熱量的增量，因此壓縮機(jī)效率在達(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）有補(bǔ)氣相對(duì)于無補(bǔ)氣均可使渦旋壓縮機(jī)的排氣溫度降低。試驗(yàn)所測(cè)工況下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時(shí)，排氣溫度均隨補(bǔ)氣壓力的升高而下降；當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升至6 000 r/min時(shí)，排氣溫度隨著補(bǔ)氣壓力的增大先降低后略有升高（均低于無補(bǔ)氣工況下的排氣溫度）。

（2）試驗(yàn)所測(cè)工況下的制熱量均隨著補(bǔ)氣壓力的增大而升高。相同轉(zhuǎn)速下低溫?zé)岜妹x制熱工況的制熱量要比熱泵名義制熱工況的制熱量要低，但是低溫?zé)岜妹x制熱工況隨補(bǔ)氣壓力的上升其制熱量的增量更大。所測(cè)工況下的制熱COP均隨補(bǔ)氣壓力的增大先增大后減小。所測(cè)工況下的制熱COP的峰值較無補(bǔ)氣狀況下分別提高11.45%，7.28%，2.09%，3.56%。

（3）該渦旋壓縮機(jī)在低溫?zé)岜妹x制熱工況下其容積效率和容積效率增長率隨補(bǔ)氣壓力的升高而增大，對(duì)于熱泵名義制熱工況而言則變化不明顯。熱泵名義制熱工況下的容積效率較低溫?zé)岜妹x制熱工況而言對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的改變有較大變化。在低溫?zé)岜妹x制熱工況下增大補(bǔ)氣壓力或在熱泵名義制熱工況下相對(duì)減小壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)容積效率都有一定的改善。所測(cè)工況下的壓縮機(jī)效率隨補(bǔ)氣壓力的增大先增加后減小。相對(duì)于熱泵名義制熱工況而言在低溫?zé)岜妹x制熱工況下稍增大壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速使得壓縮機(jī)效率提高的更明顯。