制冷循環(huán)噴液系統(tǒng)節(jié)流結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算分析

李繼超 孫志辰 樊啟迪

1.中國家用電器研究院 北京 100176；2.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

客戶對機(jī)組運(yùn)行范圍要求越來越高，螺桿壓縮機(jī)也在逐步調(diào)整以適應(yīng)新的需求。由于螺桿壓縮機(jī)采用冷媒冷卻電機(jī)，故在小負(fù)荷、高壓差及高水溫工況下制冷系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量偏小，偏離電機(jī)冷卻的設(shè)計(jì)流量，導(dǎo)致電機(jī)的散熱不足，最終導(dǎo)致排氣溫度處于高位，很容易出現(xiàn)排氣溫度保護(hù)。

從圖1中可知，在沒有噴液系統(tǒng)時，最小負(fù)荷下機(jī)組開機(jī)約60min左右機(jī)組就能達(dá)到排氣高溫保護(hù)值（初始設(shè)定110℃），雖然不同廠家的壓縮機(jī)情況可能略有不同，但是趨勢基本一致。

排氣溫度升高，使制冷劑和潤滑油的性能下降，壓縮機(jī)效率降低，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性下降。頻繁的排氣溫度保護(hù)導(dǎo)致水系統(tǒng)溫度波動大，最終會導(dǎo)致室內(nèi)溫度波動異常，影響用戶體驗(yàn)。

為了保證制冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，常規(guī)的做法是采用噴液，即冷凝器底部的液態(tài)冷媒經(jīng)過節(jié)流降壓后直接噴射到吸氣管或壓縮機(jī)吸氣腔，使吸氣壓縮前冷媒的溫度降低。

2 噴液系統(tǒng)簡述

噴液系統(tǒng)包括電磁閥和節(jié)流結(jié)構(gòu)。節(jié)流結(jié)構(gòu)的作用是控制噴液量；電磁閥與排氣溫度關(guān)聯(lián)，控制噴液系統(tǒng)的通斷。當(dāng)排氣溫度高于某個設(shè)定值T1時，電磁閥接通，噴液系統(tǒng)啟動，冷凝器底部的過冷液體冷媒經(jīng)過噴液孔板節(jié)流降壓后進(jìn)入吸氣管或壓縮機(jī)吸氣腔，與蒸發(fā)器出口的過熱態(tài)冷媒混合，然后再進(jìn)行制冷循環(huán)；當(dāng)排氣溫度低于設(shè)定值T2（一般的T1＞T2+10℃）時，電磁閥關(guān)閉，噴液系統(tǒng)關(guān)閉。含噴液系統(tǒng)的制冷循環(huán)如圖2所示。

理想情況下吸氣壓縮前冷媒狀態(tài)為飽和狀態(tài)。噴液量過度會導(dǎo)致液壓縮，長期的液壓縮對壓縮機(jī)的損壞是致命的，噴液量過少則只能延緩排氣溫度升高的速率卻不能解決問題，所以系統(tǒng)的噴液量需要重點(diǎn)控制。噴液系統(tǒng)通常是通過孔板或者毛細(xì)管控制系統(tǒng)噴液量，所以孔板或者毛細(xì)管的規(guī)格是否合適至關(guān)重要。

3 理論研究

國內(nèi)外關(guān)于噴液系統(tǒng)的研究很多。Dutta Ak等對噴液制冷系統(tǒng)的換熱特性的研究[1]；Honghyun等對噴液的多種影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究[2]；Eric L Winandy等對噴液壓縮機(jī)建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，對噴液制冷系統(tǒng)進(jìn)行了理論模擬和實(shí)驗(yàn)測試[3]。國內(nèi)的比如珠海格力電器股份有限公司的黃輝總工以及西交大的李強(qiáng)等人都是從建立數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)分析[4][5]，對噴液系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的闡述，黃輝側(cè)重于噴液系統(tǒng)對產(chǎn)品COP提升及適用范圍方面，而李強(qiáng)等人主要側(cè)重于研究噴液系統(tǒng)的影響因素，包括噴射制冷劑狀態(tài)、噴液量、噴液速度、液滴大小等。

上述的研究在不同領(lǐng)域都有很好的指導(dǎo)意義，比如根據(jù)黃輝的研究我們可知：噴液旁通方式對吸氣過熱度較高的系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，而采用干式蒸發(fā)器的螺桿式冷水機(jī)組就屬于吸氣過熱度較高的系統(tǒng)。但是基本都存在一個問題：數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，研究內(nèi)容精細(xì)，且基本提供的都是方向性的分析。

理想情況下噴液時排氣溫度能夠在T2～T1之間穩(wěn)定，當(dāng)然考慮到工況情況的變化，我們允許噴液過程中出現(xiàn)如圖3的變化情況。

綜合考慮不同工況的情況、系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，保證名義工況下的噴液周期t≥7min即可。

為了達(dá)到上述的情況，我們需要一個簡單有效方案，方便我們在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時可以進(jìn)行初步的計(jì)算，確定噴液節(jié)流結(jié)構(gòu)的規(guī)格，以縮短匹配調(diào)試過程，節(jié)約試驗(yàn)資源。

圖1 名義工況不同負(fù)荷時排氣溫升示意圖

圖2 含噴液系統(tǒng)的制冷循環(huán)

圖3 噴液過程排氣溫度變化情況

4 簡化模型

不同的單位和機(jī)構(gòu)使用的孔板計(jì)算公式不盡相同，但是基本的參數(shù)相差不大，以下列計(jì)算公式為例：

△P——高低壓差；冷凝壓力-蒸發(fā)壓力，kPa；

G ——制冷劑流量，kg/min；

ρ ——孔板上游的密度，kg/m3；

N ——孔板數(shù)量；

g ——重力加速度，m/s2；

C0——孔板系數(shù)；

γ ——孔板上游的比重，N/m3；

K0——修正系數(shù)；

D ——修正后孔板直徑mm。

結(jié)合理論計(jì)算我們可知，噴液前后的壓差、孔板上游的密度、孔板數(shù)量等參數(shù)均為已知量，我們只需要確定制冷劑流量，就可以使用上述計(jì)算公式計(jì)算出孔板的孔徑。

蒸發(fā)器出口進(jìn)入壓縮機(jī)的冷媒為過熱態(tài)冷媒，噴射到壓縮機(jī)吸氣腔的冷媒為兩相狀態(tài)，氣態(tài)冷媒與電機(jī)之間的換熱屬于顯熱，液態(tài)冷媒與電機(jī)之間的換熱汽化屬于潛熱。根據(jù)制冷原理的相關(guān)知識：潛熱是物質(zhì)發(fā)生相變而溫度不變時吸收或放出的熱量，一般情況下潛熱要比顯熱大得多。

簡化模型如下：

（1）忽略氣體冷媒進(jìn)行顯熱，只計(jì)算液體冷媒與電機(jī)進(jìn)行的潛熱；

（2）壓縮機(jī)電機(jī)簡化為噴液系統(tǒng)的蒸發(fā)器；

（3）噴液系統(tǒng)吸氣過熱度為0℃，無吸氣壓損；

（4）噴液過程中制冷系統(tǒng)參數(shù)不變。

根據(jù)壓縮機(jī)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，名義最小負(fù)荷時電機(jī)的輸入功率為名義滿負(fù)荷的35%，此時電機(jī)的效率約70%，即輸入功率的30%為電機(jī)發(fā)熱量。

圖4 計(jì)算過程數(shù)據(jù)

圖5 排氣溫升曲線1

5 案例分析

以600kW機(jī)組為例，輸入功率為150kW，粗略計(jì)算名義最小負(fù)荷時輸入功率為52.5kW，此時電機(jī)的發(fā)熱量為15.75kW。

根據(jù)Solkane計(jì)算軟件，輸入相關(guān)系統(tǒng)溫度、壓損等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程數(shù)據(jù)見圖4。

將質(zhì)量流量、節(jié)流前后壓差、孔板上游的密度等參數(shù)代入孔板計(jì)算軟件，修正系數(shù)K0=1.0，可得孔板孔徑為D=2.9mm。

但是實(shí)際過程中制冷系統(tǒng)的流量比較大，過熱態(tài)冷媒與電機(jī)的換熱不能忽略，同時，為了避免出現(xiàn)液壓縮機(jī)，吸氣壓縮前的冷媒需要保持一定的過熱度。從這兩方面看，孔板孔徑的修正系數(shù)K0＜1.0，綜合考慮，機(jī)組第一次安裝孔板的孔徑為2.5mm。試驗(yàn)過程排氣溫升曲線如圖5所示。

從圖5曲線我們可以看出，噴液啟動后排氣溫度從T2下降到T1的時間為5min＜7min，所以孔板的孔徑還是略微偏大。

更換孔徑為2.0mm的孔板后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，排氣溫升曲線如圖6所示

從圖6的曲線中我們可以看出，噴液過程溫降時間10min＞7min，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合上述情況，我們重新對孔板計(jì)算公式中的修正系數(shù)進(jìn)行簡單校核，2.0/2.9=0.69，故K0取值在0.7左右比較合適。

關(guān)于毛細(xì)管的計(jì)算和驗(yàn)證過程與孔板類似，計(jì)算出噴液的流量后，可以根據(jù)毛細(xì)管的經(jīng)驗(yàn)公式或者軟件計(jì)算出所需規(guī)格。

6 總結(jié)

通過案例分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出，簡化模型方案對確定噴液系統(tǒng)節(jié)流孔板具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，考慮修正參數(shù)后的計(jì)算精度可以滿足工程設(shè)計(jì)人員的需求。