80℃以上的高溫熱泵壓縮機是如何設計出來的
《熱泵市場》雜誌
文_英華特/蔣華
摘要：本文結合高溫熱泵行業的應用特點和行業現狀，提出了新的高溫熱泵運行範圍圖，同時對高溫熱泵開發的技術難點進行了詳細地闡述和分析，以及針對這些技術難點進行了設計上的創新和優化，在達到高溫熱泵運行所需要運行範圍的同時又不犧牲高溫熱泵壓縮機的可靠性。
關鍵詞：高溫熱泵；運行範圍；排氣溫度；R134a；潤滑油
引言
隨著人類社會的進步和工業化進程的日益推進，大量的能源被消耗，而能源與環境問題也日益突出。被消耗的能源中，其中有相當大的一部分被用於取暖，烘乾，烘烤，工業工藝保障等諸多利用熱源的生產和生活的應用場所，低品位工業餘熱、廢熱及可再生能源因其總量巨大而逐漸受到人們的關注。
熱泵技術是一種將低位熱源的熱能轉移到高位熱源的技術，也是全世界倍受關注的新能源技術，熱泵技術正是利用逆卡諾循環從低溫熱源吸熱然後提升到高溫釋放並應用的技術。
1．高溫熱泵技術以及應用
工程應用上通常將出水溫度低於60℃（市場熱泵熱水器出水溫度大多在55℃以下）或出風溫度低於 80 ℃的熱泵稱為常規熱泵；然而出水溫度高於60℃或出風溫度能夠高於80℃的高溫熱泵需求也非常廣泛，譬如烤煙，食品烘乾，電鍍，巴氏消毒，屠宰，玻璃清洗，印染等行業都存在廣泛的高溫熱源需求。
在高溫熱泵應用領域，隨著出水或者出風溫度的提升，冷凝溫度也將大幅升高，整個壓縮機和熱泵機組的運行壓比會非常高，如何解決高溫熱泵壓縮機的高排氣溫度是一個普遍的難題。
由於R134A冷媒低壓力，低壓縮指數以及相對環保的特性，因此被廣泛地應用於高溫熱泵領域。渦旋壓縮機由於自己的獨特技術特性，在熱泵領域的應用是非常廣泛的，正是由於高溫熱泵的應用特性，市場上常見的渦旋壓縮機冷凝溫度大多只能做到70℃，與本文所提出開發的高溫熱泵運行範圍有一定的差異，其運行範圍圖對比請參見圖1。
圖1：現有高溫熱泵與本文提出的高溫熱泵運行範圍圖
目前更高冷凝溫度的需求往往需要通過特殊的工藝或者途徑解決，譬如採用常規壓縮機技術再結合特殊配比的製冷劑，復疊或者多級壓縮系統，有些歐洲廠商就採用三級離心壓縮模式製取85℃熱水。
這種達到高溫熱泵需求的技術路徑上並非通過提升壓縮技術來實現，這會存在諸多的技術性缺點，譬如多級和復疊系統會存在設備初投資大，經濟性差，系統控制複雜的缺點，採用特殊配比的冷媒，也存在冷媒費用昂貴，冷媒配比複雜，通用性和可替換性差，低溫制熱差，後期維護成本高等不足。
基於目前的熱泵市場應用需求，開發區別於常規熱泵的高溫熱泵專用壓縮機將顯得非常有必要。本文提出開發的R134A高溫熱泵運行範圍見圖1（單位℃）所述, 新開發的高溫熱泵會明顯擴展蒸發溫度的應用範圍，同時提升了冷凝溫度的極限，以擴展高溫熱泵的應用行業。
2．高溫熱泵壓縮機開發的技術難點
高溫熱泵具有高壓縮比的應用特性，以附圖1新開發的高溫熱泵壓縮機為例，在運行範圍內蒸發-15℃，冷凝75℃運行條件下，其系統壓縮比已超過14，在高壓縮比的情況下，對壓縮機內部渦旋盤的受力負載，以及高排氣溫度導致潤滑油碳化等帶來了巨大的挑戰，排氣溫度控制也是其高溫熱泵壓縮機開發的技術難點。
壓縮機內部渦旋盤的受力負載可以通過型線長徑比，渦旋型線厚度優化等，確保有足夠安全餘量的應力以保證運行的可靠性。然而高壓縮比運行狀態下導致的過高排氣溫度，將導致潤滑油粘度下降，碳化等嚴重影響壓縮機安全運行的隱患，因此高壓縮比導致的高排氣溫度也是高溫熱泵壓縮機開發的技術難點。
我們將渦旋壓縮機的壓縮過程近似認為等熵壓縮，其渦旋盤壓縮前後的溫度變化滿足如下規律：
其中T2為渦旋盤壓縮後的排氣瞬間溫度，T1為渦旋盤壓縮前的吸氣瞬間溫度，P2/P1為壓縮比，r為跟冷媒特性相關的壓縮指數；
由公式（1）可見排氣溫度跟吸氣溫度，壓縮比和冷媒有關。同常情況下，製冷和熱泵系統的排氣溫度保護幾乎都安裝在壓縮機排氣口側的系統銅管上，冷媒經壓縮機壓縮後，從渦旋盤排氣口到壓縮機排氣口側的排氣溫度保護裝置設置處，因壓縮機排氣腔體的散熱，一般會存在明顯的溫差，當壓縮比越大，兩者之間的溫差也越大。
壓縮機潤滑油的安全性跟整個壓縮過程的最高溫度（渦旋排氣口）有關，渦旋排氣口的最高溫度限制了高溫熱泵壓縮比的進一步提高，即限制了允許範圍上的冷凝溫度上升或者蒸發溫度的下降。圖2（單位℃）為R22渦旋壓縮機在70℃冷凝溫度下，渦旋排氣口與排氣溫度保護安裝處溫度的比較。
圖2：定冷凝溫度下的渦旋排氣口與壓縮機排氣溫度保護處的溫差
由圖2可知，熱泵壓縮機定冷凝溫度下，隨著蒸發溫度的降低，渦旋排氣口溫度與排氣管溫度都將顯著增加。在壓縮機設計和運行範圍制定時，需要根據渦旋排氣口處的最高運行溫度，來限定相應的冷凝溫度，壓縮比和設定最高的排氣溫度。
從公式（1）我們可以知道，壓縮機的排氣溫度與壓縮比有關，同時也跟吸氣溫度有關。公式中的吸氣溫度T1是指系統冷媒回到壓縮機後，冷卻電機後以及壓縮機內部密封泄露後的溫度。因此針對高溫熱泵渦旋壓縮機，若需提升應用範圍上的高冷凝溫度同時又不降低蒸發溫度，就需要降低對應工作條件下的排氣溫度。
由於高溫熱泵的系統壓縮比遠大於一般渦旋型線設計的壓縮比，因此優化和減少欠壓縮下運行的能效損失，將會有助於排氣溫度的降低，同時優化高壓縮比運行工況下的泄露損失和減少電機發熱導致的吸氣溫度上升也將有助於排氣溫度的控制，從而提升整個高溫熱泵的運行範圍。
3.高溫熱泵壓縮機的設計優化以及實驗結果
3.1渦旋排氣側余隙容積的優化設計
理論上渦旋設計壓比與系統應用上的壓力比越接近，其過壓縮或者欠壓縮損失就更小，但渦旋壓縮機渦旋盤的設計壓比由於受限於整機結構，尺寸的限制，其渦旋盤壓縮腔設計的壓比往往小於高溫熱泵應用上的系統壓比，因此在實際的工程設計應用中，一般會在渦旋排氣側增加簧片排氣閥以減少欠壓縮損失。
簧片閥與渦旋排氣口之間的容積為排氣余隙容積，其容積大小取決於簧片排氣閥與渦旋排氣口的相對位置，其理論余隙越小，往複壓縮量越小，壓縮效率也越高。為減少其餘隙容積，在高溫熱泵渦旋壓縮機的開發中，我們採用將簧片閥直接安裝在渦旋排氣口側的創新技術，具體的排氣閥結構設計可以參考已經授權並公開的發明專利，其專利號為：201310222873.2。
圖3是簧片閥直接安裝在渦旋排氣口側與現有排氣閥片常規位置的壓縮示意圖，優化後的余隙容積將比現有技術減少50%以上，圖3中壓縮過程1-3是優化後的壓縮過程，壓縮過程1-2為現有技術，可以看出簧片閥優化後的壓縮過程1-3，其壓縮的功耗將減少，由壓焓圖可知，點3的溫度也將低於2點的溫度。其焓差對比測試的結果也表明，簧片閥位置優化後壓縮機功率將下降3%～5%, 同時排氣溫度也將下降4～5℃。
圖3：簧片閥優化前後的壓縮示意圖
3.2渦旋密封方式的設計以及優化
壓縮腔體的內部泄露將會導致往複壓縮，進一步造成功率的上升，以及排氣溫度上升。因此在渦旋壓縮機的結構設計上，需要儘可能地降低內部的泄漏率。
在本文所提及開發的渦旋壓縮機結構設計中，在渦旋盤的結構設計上，保留了雙向柔性的選擇，其中軸向的柔性是由渦旋盤的背壓設計所提供，背壓壓力的建立與維持需要採用一定的密封技術，在高溫熱泵開發過程的密封方式選擇上，端面密封有金屬與金屬密封以及與特氟龍與金屬密封兩種技術方案。
全封閉渦旋壓縮機普遍採用焊接方式密封上下端蓋，焊接過程會導致內部密封隔板存在一定的變形量，而且變形的程度與位置有很大的不確定性，因此與之密封配合的金屬密封面，由於金屬之間的面面接觸由於平面度和光潔度等原因總是存在一定的泄露間隙，而特氟龍材質雖然昂貴，但相對於金屬韌性更強，特氟龍密封方式可以彌補焊接所產生變形量。
尤其對於高溫熱泵，由於壓縮比非常大，即密封面的壓差也比較大，相對泄露率也會更高，低溫下的內漏導致在低蒸發時排氣溫度升高將更明顯。
圖4（單位℃）為R134A冷媒，在金屬密封情況下，隨著不同的蒸發溫度，其排氣溫度的變化曲線。
圖4：不同冷凝溫度下，金屬密封內部泄露導致的排氣溫升
從實驗測試結果來看，其冷凝溫度越高，金屬密封內部泄露造成的排氣溫度升高也越明顯，蒸發溫度越低，同一冷凝溫度造成的排氣溫度升高也越明顯。本文開發高溫熱泵所採用的特氟龍密封雖然成本較高，但可以有效地避免金屬密封導致的內部泄露從而降低排氣溫度，針對高溫熱泵的應用範圍擴展尤其重要。
3.3電機冷卻方式以及電機設計優化
本文所提及開發的高溫熱泵用渦旋壓縮機，採用了低壓腔設計，即電機的冷卻是通過系統回氣冷卻來進行的。
電機的發熱為：
其中Q1為電機的發熱功率，P1為負載點電機的輸入功率，為電機負載點的效率；
在壓縮機的開發計算中，電機的冷卻在實際系統中可近似認為是通過系統回氣進行冷卻的，根據冷量守恆
其中M1為系統質量流量，Cp為冷媒比熱容，T1為渦旋壓縮前溫度，T0為系統回氣溫度。
由公式（1）可知，電機的發熱會使系統回氣的溫度在壓縮前上升，由公式（1）可知
電機冷卻造成的吸氣溫度上升，吸氣溫度上升後會進一步導致更高的排氣溫度上升，尤其是低蒸發溫度時，由於吸氣質量流量M1非常小，將導致T1-T0增大，排氣溫度升高的數值將更多。圖5為電機發熱在不同蒸發溫度工況下導致的排氣溫度升高曲線。
圖5：不同冷凝溫度下，電機冷卻導致的排氣溫升
如圖5所示，由於電機冷卻將導致系統回氣溫度上升，同時排氣溫度也將上升，蒸發溫度越低，冷凝溫度越高，其排氣溫升效應越顯著，排氣溫度的上升將一步限制高溫熱泵的應用範圍。
同時從公式（2）可以得到，電機的發熱量與電機效率有關，電機的設計效率有一個即值，在額定點的電機效率最高，因此針對高溫熱泵應用，在電機設計時，有針對性地優化電機效率於高壓縮比運行工況時，將有助於控制壓縮機的排氣溫度控制和擴展其應用範圍。
4.結論
本文對高溫熱泵渦旋壓縮機的開發難點進行了詳細的分析和闡述，並針對高溫熱泵應用的排氣溫度控制進行了以下三個方面的設計優化，並得出了以下結論：
渦旋排氣側余隙容積的優化和最小化設計將有利於減少欠壓縮損失以及降低排氣溫度；
減少壓縮機內部泄露，採用PTFE材質的特氟龍密封將顯著改善金屬密封存在的高壓縮比工況下的內漏和排氣溫度加速上升的現象；
電機的冷卻會導致排氣溫度的上升，但優化電機效率點設計有助於改善高壓縮比時的排氣溫度。
綜上所述本文在三個方面對壓縮機結構設計進行了設計優化，減少余隙容積，改善內部泄露和優化電機最高效率點設計，通過實驗和測試對比，在同樣的允許排氣溫度限制條件下，相對於現有的市場產品，本文提及所開發的高溫熱泵明顯地擴展了其產品的應用範圍，使之能夠擴展到電鍍，印染，烤煙等更多的熱泵應用領域。
參考文獻
[1] 具有新型排氣口結構及排氣閥組件的渦旋壓縮機 發明專利，專利權人：蘇州英華特渦旋技術有限公司，專利號：201310222873.2
[2] 一種渦旋式壓縮機的軸向密封機構，發明專利，專利權人：蘇州英華特渦旋技術有限公司，專利號：201210277236.0
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