螺杆式风冷热泵冷热水机组的性能优化

巢龙兆 刘一民

(常州爱斯特空调设备有限公司)

摘 要 分别从制冷剂循环系统、润滑油循环系统、冷却风系统、结霜和除霜几个方面对螺杆式风冷热泵冷热水机组进行了优化分析，提出了几种提高机组可靠性和高效性的措施。 

关键词 螺杆式热泵；性能优化；经济器；热气旁通

PERFORMANCE OPTIMIZATION OF

THE SCREW TYPE AIR TO WATER HEAT PUMP UNIT

CHAO Longzhao LIU Yimin

(Changzhou Asteras Air Conditioning Manufacture Co., Ltd.)

ABSTRACT Performance optimization of the screw type air to water heat pump unit is described on the refrigerant circulation system, lubricant circulation system, air coolant system and the defrosting system. This paper presents some methods to improve the reliability and efficiency of the unit.

KEY WORDS Screw type air to water heat pump unit; Performance optimization; Economizer system; Hot gas by-pass.

1 前言

风冷热泵冷热水机组自90年代初以来，在我国南方以及长江流域得到了广泛的应用。螺杆式风冷热泵冷热水机组和活塞式风冷热泵冷热水机组相比，其结构简单、零件少、可靠性高，没有进排气阀组，压缩效率高，相同制冷量的情况下，体积小重量轻，能承受一定的液击，可以实现中间补气的经济器循环，进一步提高压缩机效率，能量可以实现无级调节，螺杆压缩机的COP值已经接近离心式冷水机组的水平，高于活塞机组，所以大有取代活塞机组的趋势。如果把整个制冷系统分为制冷剂循环系统、润滑油循环系统、冷却风系统、冷冻水循环系统、动力与控制系统，本文将就常州爱斯特空调设备有限公司生产的RSFG型螺杆式风冷热泵冷热水机组在制冷剂循环系统、润滑油循环系统、冷却风系统、结霜和除霜几个方面的优化展开论述。

2 制冷剂循环系统

2.1带经济器的制冷循环

热泵在低温环境下工作，蒸发压力较低，而要维持供水温度和冷凝温度在一定的值，相应的压缩比增大，循环的节流损失增加，机器的内泄漏损失也增加，效率急剧下降。另一方面，压缩机的电机靠吸入制冷剂进行冷却，高压比下，系统的制冷剂循环量减少，电机得不到良好的冷却。为了提高效率改善性能，可以利用螺杆压缩机的吸气、压缩和排气过程处于不同空间位置的特点，在压缩机吸气结束和压缩开始的临界点增开一个补气口，吸入从经济器来的闪发蒸气，使进入蒸发器的制冷剂液体具有更低的温度，从而能显著增大机组的制冷量，同时闪发蒸气能在一定程度上冷却压缩机的排气温度和油温。经过实验，在环境温度为-15℃时，机组能稳定运行，制热量为标准制热工况下的60%~72%，同时，压缩机的排气温度和油温都得到了较好的控制，其系统原理图如图1所示。

图1 带经济器的制冷循环系统简图

2.2采用两级喷液的制冷循环

根据热力学原理，经济器中存在较大温差，这会使整个机组的效率下降，同时带经济器的热泵系统相对较为复杂，经过实验我们可以采用两级喷液的制冷剂循环系统代替带经济器的制冷循环系统，如图2所示。因为螺杆压缩机在一定程度上具有抗液击能力，所以在系统运行中喷液对机组造成的影响很小。

图2 带两级喷液的制冷循环系统简图

1-制热膨胀阀 2-单向阀 3-风侧换热器 4-气液分离器

5-水侧换热器 6-四通换向阀 7-螺杆压缩机 8-二级喷液膨胀阀 9- 一级喷液膨胀阀 10-制冷膨胀阀 11-贮液器

由于风冷热泵运行工况较为恶劣，其负载较水冷机组高20%至30%以上，特别

是机组在-15℃环境下运行时，压缩机的压比较大,将会导致机组的排气温度和油温过高，而且这种高温会随运行工况的进一步恶化而升高，直至接近排温保护设定值上限，导致机组保护动作，致使机组停机。

采用如图2所示的带两级喷液的系统可以防止排温和油温过热的产生。机组在低温环境（热泵）运行时，从贮液器11引出的高压中温（约46℃）液冷剂分两路分别通过一级喷液膨胀阀和二级喷液膨胀阀节流降温降压后注入压缩机的吸气端和压缩腔，分别对电机的线圈和制冷剂与润滑油的混合物进行冷却。通过实验我们可以发现，一级喷液对压缩机的排气温度有很好的控制作用，二级喷液对排气温度和油温均能起到良好的控制作用。另外，一级喷液将会减少机组在蒸发压力下的吸入气体量，导致机组的效率下降，而二级喷液在压缩机吸气结束和压缩开始的临界点的位置喷入，因此喷液并不影响在蒸发压力下的吸入气体量，这种系统虽然部分制冷剂用于冷却油温和吸收压缩热而并未直接参与制冷和制热循环，但是能使进入蒸发器的液冷剂具有更低的温度，所以对机组的出力和能效比仍将会造成积极的影响，尽管压缩机的轴功率有所增加。根据实验结果，我们建议二级喷液保持常开状态，而一级喷液应该得到很好的控制，输入信号应该为机组的排气温度、排气过热度及吸气过热度等。

对于解决压缩机的排气温度和油温过高的问题，也可以采用喷油和油冷却的办法，这样将会增加油分离器和油冷却器等辅助设备，因而会使得螺杆式制冷压缩机机组结构繁杂庞大，与主机螺杆压缩机的结构简单、体积小、重量轻的特点极不相称。

3 润滑油循环系统

螺杆压缩机的特定之一就是正常运行

需要大量温度与粘度适当的润滑油。润滑油具有润滑、冷却、密封、降噪、驱动容调滑块进行能量调节等功能。一般润滑油出现的问题有：高温效应致使润滑失效，温度过低有大量的制冷剂溶入。正如上文所述，对于高温失效，我们可以通过两级喷液和油冷却的办法加以控制。大部分螺杆压缩机的油缸处于高压区，所以机组在运行时不会出现油温过低的问题，只是机组在冬季长时间停机的情况下，如果油加热器不能很好发挥其作用，在机组开机的时候将会由于润滑油中混入大量的制冷剂迅速蒸发而导致机组负载过大，甚至空气开关跳脱。同时由于温度较低，润滑油的粘度过大，将会造成容调滑块滑动困难，机组难以加载。所以在冬季对机组的保温就显得很重要。在这一点上我们不妨学习国外一些公司的做法，在压缩机上设置隔离罩，既可起到冬季保温效果，又能降低噪音。

特别地，对于带油冷却器的螺杆式风冷热泵机组，在机组除霜开始和结束换向时将会产生压缩机“奔油”的现象，根据实验分析，一部分油处于“外循环”中，即换向时由于高低压的相互冲击，大量的润滑油滞留于两器及管路中。另一部分润滑油处于“内循环”中，即通过油冷却的进出导通高低压端，使油在压缩机内部转移，而这种转移的恢复需要相对较长的时间。在实验中，我们对“内循环”加以适当的控制，“奔油”情况得到良好的改善。

4 冷却风系统

风冷热泵机组的风侧换热器在制冷时

作为冷凝器用，在热泵运行时起到蒸发器的作用。很多学者和厂家对风侧换热器都展开了广泛的研究[1、2]，特别是对热泵运行时的蒸发器研究更为深入。值得一提的是，螺杆压缩机的回油动力和容调滑阀动作的动力均来自机组的高低压差，所以机组在过渡季节制冷运行时，由于环境温度较低，机组的轴流风机全负荷运行时将会导致机组的高压偏低，这样高低压差就会变得很小，从而造成机组润滑油回流困难和容调滑阀动作失控。建议考虑轴流风机变频或利用其它方法来保证高低压力差值在某一个范围。

5 结霜、除霜方面的优化

5.1 热气旁通减弱机组的结霜强度

风冷热泵机组在冬季制热运行时遇到的最大问题之一就是蒸发器表面结霜。由于霜的形成与增长，加大了蒸发器表面与空气的传热热阻，增加了气流通过蒸发器时的流动阻力，改变了风机的工作点，使通过蒸发器的空气流量下降，空气向蒸发器的传热量下降，如图3所示，机组在融霜工况下运行到56分钟时，低压压力急剧下降，压缩比增大，热泵机组的工作状况恶化，这时需要对机组进行除霜。

图3 低压压力随时间的变化曲线

采用热气旁通法可以有效缓解机组结霜，提高机组的低压值，减小压缩比。系统结构如图4所示。

图4 带热气旁通的热泵系统简图

1-制热膨胀阀 2-单向阀 3-风侧换热器 4-气液分离器

5-水侧换热器 6-四通换向阀 7-螺杆压缩机 8-热气旁通阀 9-制冷膨胀阀 10-贮液器

热气旁通阀开启的信号来自系统的低压值。对于采用时间—温度或时间—温差除霜方法的热泵系统，当天气状况比较恶劣的情况下，比如雨天与雾天，翅片比较容易结霜，而这时除霜时间并没有到，此时机组可以根据翅片温度梯度变化来判断是否开启热气旁通。当然热气旁通缓解结霜进度的办法并不能完全代替机组正常的除霜过程。

对于依靠冷凝器、蒸发器压差供油的机组，热气旁通平衡了机组高低压之间的压差，对于压缩机供油有影响，所以在设计中需要考虑合适的热气旁通管尺寸，同时，为了使机组始终在节能状态下运行，控制系统需要根据机组负载情况，打开或关闭热气旁通管。

5.2 变停机除霜为不停机除霜

大多数螺杆压缩机的厂商均要求螺杆

式风冷热泵机组采用停机除霜，以避免四通换向阀换向时对机组的较大冲击，其过程为：制热运行—停机—制冷运行（除霜循环）—停机—制热运行。我们认为这样要求有其道理，因为机组在制热运行突然改为制冷运行时，机组的高低压端发生转换，对制冷剂系统和润滑油系统均造成巨大的冲击，如果机组继续运行将会发生润滑失效，长时间将对机组的安全运行造成威胁。

然而，采用停机除霜将会导致冷媒水水温急剧下降。同时这样也很难达到国家标准对风冷热泵机组除霜时间占总运行时间的规定[3]。对此我们在公司的大型人工环境试验中心进行了大量的不停机除霜的实验研究，得出了较为理想的解决方法。

正如上文所指出的四通换向阀换向时高低压之间的交换产生巨大的冲击，而这种冲击正是由于换向前机组的大压缩比造成的，即高压过高，低压过低。所以我们通过降低换向前的压缩比可以大大缓解换向时的冲击力。换向后尽快建立起机组的高压是提高除霜质量的关键，同时也可以促进机组快速回油。一般来讲，快速建立机组的高压可以采取停止轴流风机运行、配置压力调节

图5 带除霜旁通装置的热泵系统简图

阀等方法单独或联合实施。通过实验我们发现，采用如图5所示的除霜制冷运行时旁通制冷膨胀阀的方法十分奏效，可以快速建立起机组的高压，这样既能保证机组不停机除

霜的安全性又能大大缩短机组的除霜时间，减小机组水温的波动，另外采用这种方法对除霜时板式换热器抽真空的现象也能得到很好得解决[4]。

必须提出的是一定要对旁通装置进行合理的控制，而且旁通流量也要经过科学的计算和大量的实验修正。

6 结束语

在中型及大型制冷机组中，螺杆式风冷

热泵冷热水机组已经得到广泛的运用，近来有些学者提出在水资源缺乏的黄河以北地区推广使用，所以对提高该类型机组在低温环境下的可靠性和高效性的研究还要进一步深入。本文作者将利用本公司的大型人工环境试验中心对螺杆式风冷热泵冷热水机组的相关课题继续展开研究。

参考文献

[1] 黄虎等.风冷热泵冷热水机组设计中的若干问题.制冷.1999，2，58-61

[2] 刘宪英等.风冷热泵冷热水机组有关问题讨论（二）.制冷与空调.2002，1，45-48

[3] JB/T 4329-1997，容积式冷水（热泵）机组，1997，6

[4] 刘一民等.板式换热器在制冷行业中的应用.换热器年会论文集.2002