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报告名称：
关于热水泵/空调系统的制冷喷射的文献综述和难题讨论
作者：
徐星、莱因哈德*拉德玛彻、黄润浩（环境能源工程中心、马里兰公园大学、3163格伦马丁大厦、MD20742 美国）
文章历史：
2010年6月23日收到，2010年9月8日修改后收到，2010年9月21日接受，网络发行时间2010年11月2日
关键词：
液体、蒸汽、分离、注射，箱、热交换器
摘要：
这篇文章详细地讲述了关于制冷剂喷射技术的主要研究，比较和讨论液体和蒸汽式的制冷喷射技术。当前制冷剂喷射技术的研究分为两类:系统层次的研究和组件层次的研究。系统层次的研究主要集中在低环境温度加热、热水泵水的加热、高环境温度冷却、周期比较和控制策略的发展。内部换热器和闪蒸罐循环是制冷剂喷射的两个主要循环。这两个循环被详细的讨论和对比。组件级别的研究主要集中于采用不同类型的压缩机、变速压缩机、注射过程和闪蒸罐。介绍了采用制冷剂喷射的不同类型的压缩机。根据文献研究，这里介绍和讨论了未来潜在的研究方向。闪蒸罐循环控制方法和制冷剂费用管理方法是值得深入研究的。压缩机的设计可以提高，以优化制冷剂喷射的性能。闪蒸罐合适的设计对实现闪蒸罐适当的两相流模式起了至关重要的作用。计算流体动力学模型对于促进闪蒸罐设计有帮助。
介绍
制冷剂注入是一种将制冷剂从冷凝器出口注入到吸入管路，或从密封的压缩袋中，或从冷凝器入口注入到蒸汽压缩系统中的技术。实践证明，该方法能有效地保证循环可靠运行，提高蒸汽压缩系统的性能。制冷剂喷射可分为两种:液体制制冷剂注入是一种将制冷剂从冷凝器出口注入到吸入管路，或从密封的压缩袋中，或从冷凝器入口注入到蒸汽压缩系统中的技术。实践证明，该方法能有效地保证循环可靠运行，提高蒸汽压缩系统的性能。制冷剂喷射可分为两种:液体制冷剂喷射和蒸汽制冷剂喷射。前者通常用于降低压缩机极高的排气温度，保证可靠的系统运行。后者用于所谓的“经济循环”，以提高制冷/加热能力，在相同的体积的压缩机。冷剂喷射和蒸汽制冷剂喷射。前者通常用于降低压缩机极高的排气温度，保证可靠的系统运行。后者用于所谓的“经济循环”，以提高制冷/加热能力，在相同的体积的压缩机。
1.1液体制冷剂喷射
液体制冷剂可以在进入冷凝器前注入热气体，也可以直接注入压缩机的吸力侧，也可以直接注入压缩机的密封袋中。将液体注入到压缩袋中并不是一个新概念。美国专利早在1946年就已经存在，包括往复式压缩机和后来的滚动活塞压缩机(Holtzapple, 1989)。哈泽尔登(1976)申请了适用于螺杆压缩机的液体制冷剂注射专利。注入了液体制冷剂来密封压缩机的转子间隙。一些设计在液体制冷剂注射技术方面也获得了专利。
压缩机在高压缩比下运行会导致过高的排放温度，从而导致制冷剂油的化学降解并导致机械故障。因此，当达到高压比时，采用液体喷射是一个很好的选择。Dutta等(2001)从实验和理论两方面研究了液体制冷剂注入对涡旋压缩机性能的影响。在第一次实验中，油温保持不变。结果发现，喷射增加了压缩机功率，降低了压缩机效率。后来系统在没有控制压缩机机油温度的情况下运行。系统性能略有改善。这是由于注液倾向于降低油温，从而导致系统性能的改善。Sami和Tulej(2001)、Sami和Aucoin(2002,2003a, 2003b)对R404A、R410A、R407C、R507C等不同制冷剂混合物进行了一系列的注液试验，得出结论:注液能有效降低压缩机排气温度。Cho等人(2003)研究了不同压缩机频率下的加液变频涡旋压缩机。高频下的液体注射对提高印刷机的性能和可靠性是非常有效的。在压缩机功率、容量和绝热效率方面，发现了低频喷射的一些缺点，这是由于涡旋膜间隙的高泄漏造成的。Kang等人(2008)研究了液冷剂注入对蓄热式换热器制冷系统性能的影响。结果表明，在较高的环境温度下，液体注入与蓄电池换流器相结合可以有效地控制压缩机的过冷量和压缩机的排气温度。Liu等人(2008)研究了热泵-水加热系统中旋转压缩机的液体注入。结果表明，由于液体注入，压缩放电温度明显降低。与主回路的质量流量相比，液体制冷剂注入的质量流量很小;因此，与没有注射的情况相比，容量几乎保持不变。
1.2蒸汽制冷剂喷射
蒸汽制冷剂注入通常是指将蒸汽制冷剂注入压缩机的中间位置。与液体制冷剂注入相比，蒸汽注入技术具有更多的优点，具体如下:
- 在恶劣气候条件下（热水泵环境温度低于0℃和空调环境温度高于35℃）的能力提升显著改善，使它可以在寒冷/炎热的环境中提供替代的加热/冷却方法，因此，可以扩展注汽系统的设计点，如图所示1
- 系统容量可以通过控制注射冷冻剂的质量流量来改变，从而避免了压缩机的间歇操作，从而允许一些能源的供应。
- 蒸汽循环压缩机排气温度低于常规单级循环压缩机排气温度。从而改善了压缩机的工作包络
自1979年以来，蒸汽喷射已经在市场上销售用于房间空调(梅祖和苏马，1984)。上野和福原爱(1982)提出了一种带有旋转式压缩机的蒸汽制冷剂喷射系统。闪蒸罐用作液体和蒸汽分离器。采用注射控制阀对注射过程进行控制，以达到控制系统容量的目的。Atsumi等人(1985)也提出了一种采用闪蒸罐作为两相分离器的蒸汽喷射系统。亚伯等人（2007）介绍了一种采用涡旋压缩机的蒸汽喷射系统，Baek等人(2008)进行了实验研究二氧化碳热泵系统与蒸汽喷射相结合。蒸汽喷射系统的加热能力和性能系数分别提高了45%和24%，在室外温度为-8℃时，超过了不喷射系统。马和赵（2008）研究了采用闪蒸罐与涡旋压缩机相结合的汽化喷射热泵循环. 该系统显示在冷凝温度为45℃和蒸发温度为-25℃的情况下有足够的8.15KW的吸热能力，他们得出的结论是，在严寒地区供暖是足够的。曹等人在2009年研究了一种采用R22/R600a混合气喷射系统的热泵热水器。结果表明，与普通制冷剂相比，R22/ r600a混合制冷剂使用蒸汽喷射制冷剂时，系统的加热性能和COP均有较大提高。此外，压缩机排气温度在100℃以下可以控制。丘等人（2009）研究了两级汽化二氧化碳循环的性能和运行特性. 与两阶段非注射循环相比，冷却模式的最大COP改善为16.5%。
系统级研究
在系统级开展了多项制冷剂注入技术的研究项目。这些研究项目被分为低环境温度加热、热泵热水加热、高环境温度冷却、循环比较和循环控制策略，并在接下来的章节中进行了详细的总结。
2.1低温加热
传统的空气源热泵在极端寒冷的气候条件下性能显著下降。这是由于压缩机的体积效率降低和制冷剂质量流量下降。在这样的气候条件下，冷冻剂注射技术呈现出突出的特点。与常规系统相比，提高了系统的容量和COP。无数的研究项目已经进行了低温加热的应用。Hirano等人1993年测试了一个使用涡旋压缩机和液体制冷剂注入的热泵，它被证明在-20℃低环境温度下工作平稳。马等人在2003、2004年研究了一种采用蒸汽喷射与内换热器相结合的空气源热泵。该系统在中国北京测试了整整一个冬天。该系统在-15℃环境温度下工作可靠。研究还发现，与常规热泵循环相比，热泵系统的供热能力和COP有显著提高。何等人对R22型蒸汽喷射热泵进行了现场试验。结果表明，在室外环境温度-20℃和室内温度20℃下，与传统体制相比注汽系统的热容量和COP分别提高了34%和6%。田和梁等人研究了采用蒸汽喷射耦合内换热器的空气源热泵。通过实验发现，当冷凝温度在50℃、蒸发温度为-25℃时，加热系数在2以上。系统安全稳定地运行着。黄等人在2007年对aR407C蒸汽喷射热泵进行了现场测试，这个现场单位安装在英国一幢105平方米的半独立卧室的家庭住宅中，自2006年2月开始运行。在英国，人们发现这样一个单元能够经济地为一个典型的家庭供暖。Baek等人测试了一个带有蒸汽注入的二氧化碳热水泵循环。在室外温度-8℃下，与无喷射系统相比，吸热能力和COP分别提高了45%和24%。Bertsch和Groll于2008年在低环境温度下对两级热泵系统进行了测试。在环境温度为-30℃时加热系数为2.1。王在2008年采用蒸汽注入技术进行了一系列的试验，结果表明，当环境温度达到-18℃时，系统的最大容量和COP分别提高了33%和23%。Joppolo等人在2010年研究了一个20KW气转水的热水泵，它装备了一个以R407C为制冷剂的蒸汽喷射涡旋压缩机。他们的工作表明，当水的流出温度增加时，蒸汽操作的加热能力几乎保持不变。而在非注水工况下，系统容量随着出水温度的升高而减小。由于蒸汽喷射，压缩机的排放温度也显著降低。综上所述，在极低的环境温度下，制冷剂注入技术确实能显著改善热泵的性能。
2.2热泵水加热
随着节能趋势的日益明显，市场上出现了越来越多的传统电热水器的替代品。热泵热水器是家用热水电热水器的良好替代品。热泵热水器利用蒸汽压缩循环冷凝器排出的热量。它是一种额外的能源，否则就会被倾倒到大气中。应用制冷剂注入技术，可以提高热泵热水器的容量。这是由于通过冷凝器的制冷剂质量流量的增加，这导致通过冷凝器的热传递更大。马和Chai测试了一个有热水供应的热泵循环。在环境温度-10℃到-15℃，该样机演示了高温和大容量供水。刘等人在2008年测试了采用液体注入技术的热力泵-热水器。结果表明，水暖容量明显增大，同时电耗增大率降低，导致总体COP增大，热水也大大缩短了除霜时间。范等人2008年在环境温度为-30℃到12℃情况下，测试了一个以R22为制冷剂的热泵热水器。热水温度在55℃到60℃之间。随着蒸汽的注入，热水的加热能力从2.0KW增加到2.8KW，与此同时COP从1.5增长到1.8. 曹等人在2009年研究了一种R22/R600a混合型热泵热水器。通过采用蒸汽注入技术，水处理剂在85/15%的组成下，在较低的环境温度下表现出了更好的性能。他们在2009年也测试了一个热泵-使用吸流液体注入的热水器。他们发现热容随着注入比的增大而减小。然而，液体注射能有效地降低放电温度。提出了热泵热水器性能预测的理论模型。模拟结果与实验结果吻合较好，精度为10%。
2.3 高温冷却
除了在加热方式上的显著改善外，制冷剂喷射在空调系统上的应用也具有显著的特点。采用制冷剂注入可大大提高制冷能力。Bertsch和Groll2008年在环境温度50℃下测试了蒸汽注入循环。该系统具有足够的冷却能力，由于汽化效应，压缩机排气温度保持在105℃以下并且工作可靠。Cho2008年为冷却模式的运作测试了一个两阶段二氧化碳循环蒸汽喷射。两阶段循环的冷却COP比两阶段非注入循环提高了16.5%。由于蒸汽喷射的中间冷却效应，压缩机排气温度也降低了5-7℃。王等人2009年在恶劣气候下分别测试了内部换热器循环和闪蒸罐循环。与没有注射的基线相比，这两个周期显示了可比较的性能改善。研究发现，在环境温度46℃时冷却COP和能力增长分别为2%和15%。
2.4周期配置
在文献中可以找到两种典型的制冷剂注入循环:闪蒸器的蒸汽注入循环和内部热交换器的蒸汽注入循环。在下面的章节中，我们将对这两个周期进行比较和详细讨论。
2.4.1热交换器
换热器内部循环的原理图和压力焓(P-h)图如图所示。循环如下:制冷剂先从压缩机中出来，通过冷凝器循环，然后分成两路。其中一条通道通过上一级膨胀阀进入内部热交换器，为来自另一条通道的制冷剂提供过冷。两相制冷机吸收换热器内部的热量，转化为蒸汽状态，再注入压缩机。经过冷却的液体通过蒸发器进入下级膨胀阀，流向压缩机的吸入口。与单级循环相比，内换热器循环能够提高容量和COP的根本原因是:进入内换热器的液体制冷剂被从另一条途径进入内换热器的两相制冷剂过冷。从图2可以看出状态3扩展到了状态5。因此，经过低阶膨胀后，蒸发器间的焓差大于无两阶膨胀时的焓差。虽然通过蒸发器的汽化降低了制冷剂的质量流量，但是增加的焓差增加了蒸发器内的两相传热面积。因此，总的效果是系统的容量增加了。此外，由于注入蒸汽温度低于压缩机中蒸汽温度，因此蒸汽喷射能有效降低压缩机的排气温度。因此，与单级循环相比，压缩过程更接近于等熵过程。从而降低了系统的压缩功率，提高了系统的COP。大量研究表明，采用内换热器循环具有潜在的容量和COP改善能力。
2.4.2闪蒸罐循环
图3显示了闪蒸罐循环的原理图和P-h图，其工作原理如下:压缩机排出的制冷剂经过冷凝器，再经过上级膨胀阀; 在闪蒸槽中，它被分为液相和汽相。液体制冷剂进入下级膨胀阀，然后通过蒸发器循环，进入压吸。蒸汽制冷剂被注入压缩机的中压位置。从图3可以看出，由于闪蒸槽内的两相分离，进入蒸发器的液体与单级循环相比，其焓值较低。因此，整个蒸发器的焓差大于单级循环的焓差。与内部热交换器循环类似，蒸汽注入降低了通过蒸发器的制冷剂质量流量。而焓差的增大增大了蒸发器内的两相传热面积。因此，总体效果是系统容量增加。闪蒸罐的饱和蒸汽温度也比压缩机中的蒸汽温度低，这有助于降低压缩机的排气温度。降低压缩机功耗，提高系统COP。许多专利都有详细的冷冻剂注射循环与闪蒸罐，无数的研究文章同样详细讨论了闪蒸罐循环。
2.4.3周期比较
从热力学角度看，内换热器循环和闪蒸罐循环的性能应该是相似的。从从图2图3的P-h图中可以看出，其工作原理是通过两级膨胀来降低蒸发器入口焓。唯一的区别是通过附加的热交换器进行过冷还是通过闪蒸罐中的两相分离来实现。但是，闪蒸罐循环的实际性能优于内换热器循环。王2008年的实验结果表明，闪蒸罐循环比内换热器循环具有2-5%的热容量和COP。马和赵2008年得出闪蒸罐循环的热容量和COP分别比内换热器循环高10.5%和4.3%。其根本原因是闪蒸罐循环的注入蒸汽过热度通常低于内部换热器循环，从而产生更有效的压缩过程
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