一种热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法与流程

本发明属于热源塔热泵用螺杆压缩机技术领域，具体涉及一种热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法。

背景技术：

随着能源紧缺逐渐成为制约经济可持续发展的重要因素，节能、环保及低碳经济日益引起社会的关注。热泵供热技术作为新型节能产品，具有可再生资源利用效率高、节能、环保等特点，已开始受到各行各业的关注。目前热泵技术在我国建筑中央空调领域和民用领域中已经得到了较好的应用，也取得了较好的社会经济效益和环境保护效益。如将热泵技术应用于耗能较大的工业生产领域，可极大地降低产品生产过程中的能耗，产生较明显的经济效益。

利用热源塔热源系统进行供热与空调，具有良好的节能与环保效益，近年来在夏热冬冷的长江流域及以南地区得到了日益广泛的应用。在我国南方地区，冬季低温高湿的空气中蕴含了大量的由太阳能转换而成的低温高位热能，通过热源塔与其进行热交换，为热泵机组提供热源，夏季，热源塔用作冷却塔，利用水蒸发冷去与空气进行热交换，为热泵机组提供冷源。空气相当于一个蓄热载体，热源塔热泵系统通过从空气中吸收或释放热能，可为建筑物提供供热空调及生活热水，是一种新型实用的可再生能源利用技术，避免了空气源热泵频繁化霜及地埋管热泵受用地条件限制的问题。

螺杆制冷压缩机不同于活塞式制冷压缩机，在其排气端无排气阀片的存在，只设置一定面积和特定形状的排气孔口。按容积式压缩机压缩气体原理，为充分利用工作容积实现气体的压缩，应在齿间容积增大时，与吸气口连通，开始吸气过程。在齿间容积最大时，结束吸气过程；然后，齿间容积在封闭状态下减小容积，气体压力升高，在与排气孔口连通前，完成压缩过程，最后，随之齿间容积的减小，所有高压气体逐渐从排气孔排出。理想工作过程如图1所示。

压缩机的齿间容积与排气孔口即将连通之前，齿间容积内的其他压力Pi称为压缩终了的压力。内压缩终了压力与吸气压力之比，称为内压比。排气管道内的气体压力Pd称为外压力或是背压力，它与吸气压力的比值称为外压力比。螺杆压缩机吸、排气压力孔口的位置和形状决定了内压力比。运行工况会工艺流程中所要求的吸、排气压力，决定了外压力比。当螺杆压缩机的内外压力比不相同时，就会出现如图2和图3所示的欠压缩和过压缩过程。

在排气压力高于内压缩终了压力的情况下，齿间容积与排气孔口连通的瞬间，排气孔口中的气体将迅速倒流入齿间容积中，将其中的压力由Pi突然提升至Pd，然后再随着齿间容积的不断缩小，排出气体(如图2所示)。在排气压力低于内压缩终了压力的情况下，齿间容积与排气孔口连通的瞬间，齿间容积中的气体会迅速流入排气孔口中，使齿间容积中的气体压力突然将至Pd，在随着基元容积的缩小，将气体排出(如图3所示)。

当内外压力比不相等时，总是造成附加能量损失，如图2中阴影面积所示。此外，内外压力不相等还伴随有强烈的周期性排气噪音。压缩机设计过程中，一般力求内压缩比与外压缩比相等或接近，以使螺杆压缩机获得较高效率。

热源塔热泵运行过程中，受使用地当地气象条件的影响，热泵运行工况处于动态变化过程。热源塔热泵用螺杆压缩机设计过程中，当螺杆转子结构确定之后，压缩机内容积比为定值。工况变化引起压缩机吸排气压力发生改变时，压缩机内制冷剂压缩过程偏离理想压缩过程，可能处于过压缩及欠压缩过程，导致压缩机效率降低，热泵能效比下降。热源塔热泵设计过程中，有必要对螺杆压缩机的内容积比进行优化设计，以保证热泵高效运行。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可避免出现上述技术缺陷的热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

一种热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法，包括以下步骤：

进行气象条件参数采集及分析，针对用户所在地气象条件及环境因素，采集热泵运行区间内的气象条件参数数据并对其进行分析，找出热源塔热泵运行时间内的最优运行工况参数，作为热泵设计主要参数之一；

计算制冷剂在热泵中的流动阻力及压降变化情况数据；

计算热泵运行过程中不同时刻的压缩机吸排气孔口的压力值；

根据压缩机运行过程中压力值随时间变化的曲线，确定压缩机实际运行压力比并优化压缩机内容积比。

进一步地，所述压缩机内容积比的定义为：

式中，代表扭角系数；代表阳转子内压缩转角，表示齿间容积与排气孔口相连通瞬间时的阳转子转角；代表第一阶段扭转角，其具体数值由型线种类和阴、阳转子齿数等型线参数有关；τ_1z代表阳转子扭转角，表示阳转子型线从转子的一个端面作螺旋运动到转子的另一个端面所转过的角度。

进一步地，当计算出压缩机所需最优内容积比后，根据该值合理选择螺杆转子齿数，确定第一阶段转角值，同时，调整内压缩转角及扭转角τ_1z等数值，确定螺杆转子几何结构，完成热源塔热泵用螺杆压缩机转子及机体设计。

本发明提供的热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法，用于优化螺杆压缩机内容积比选配，使螺杆压缩机用于热源塔热泵时的热泵系统能效比最优；本发明将用户所在地的气象条件及周边环境纳入设计计算中，通过数理统计方法，确定热源塔热泵最优运行温度范围；数理统计方法采用正态分布，确定热源塔热泵最优运行温度范围；将所用制冷剂物性参数、热泵机组的容量及换热器形式纳入计算过程，将热泵运行中的制冷剂流动阻力及压降纳入优化计算中，用于计算最优运行工况；本发明通过确认热泵最优运行区间，进而计算热泵运行压力，得出压缩机运行压力变化范围，优选出压缩机运行最优压比，选配压缩机最优内容积比，可以很好地满足实际应用的需要。

附图说明

图1为螺杆制冷压缩机的理想工作过程的容积与压力的函数关系曲线示意图；

图2为螺杆制冷压缩机的欠压缩过程的容积与压力的函数关系曲线示意图；

图3为螺杆制冷压缩机的过压缩过程的容积与压力的函数关系曲线示意图；

图4为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图4所示，热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化设计方法，包含以下步骤：

气象条件参数采集及分析：针对用户所在地气象条件及环境因素，采集热泵运行区间内的气象条件参数数据并对其进行分析，通过数理统计及概率论等处理方法，找出热源塔热泵运行时间内的最优运行工况参数，作为热泵设计主要参数之一，并将该参数作为最优运行工况提供给下一步设计过程；

针对不同容量热泵机组，通过调用制冷剂物性模块及换热器结构模块，计算制冷剂在热泵中的流动阻力及压降变化情况数据，将该数据作为设计参数提供给下一步设计过程；

通过流动阻力的计算及已确定热泵最优运行工况，计算热泵运行过程中不同时刻的压缩机吸排气孔口的压力值；

依据压缩机理想压缩过程，当压缩机运行过程中内外压比相同时，压缩机压缩效率最高，根据压缩机运行过程中压力值随时间变化的曲线，确定压缩机实际运行压力比并优化压缩机内容积比。

压缩机内容积比的定义为(在公式中用ε_V表示内容积比)：

其中：

式中，V₀代表齿间容积所能达到的最大容积值；V_i代表压缩过程结束时的容积值；V_max代表压缩机齿间容积最大值；V_r代表压缩过程中齿间容积的容积减少值；代表扭角系数；A₀代表齿间面积；S₀代表吸气阶段齿间容积减小值；代表阳转子内压缩转角，表示齿间容积与排气孔口相连通瞬间时的阳转子转角；代表第一阶段扭转角，其具体数值由型线种类和阴、阳转子齿数等型线参数有关；τ_1z代表阳转子扭转角，表示阳转子型线从转子的一个端面作螺旋运动到转子的另一个端面所转过的角度。

当计算出压缩机所需最优内容积比后，根据该值合理选择螺杆转子齿数，确定第一阶段转角值，同时，调整内压缩转角及扭转角τ_1z等数值，确定螺杆转子几何结构，完成热源塔热泵用螺杆压缩机转子及机体设计。

本发明提供的热源塔热泵用螺杆压缩机内容积比优化方法，用于优化螺杆压缩机内容积比选配，使螺杆压缩机用于热源塔热泵时的热泵系统能效比最优；本发明将用户所在地的气象条件及周边环境纳入设计计算中，通过数理统计方法，确定热源塔热泵最优运行温度范围；数理统计方法采用正态分布，确定热源塔热泵最优运行温度范围；将所用制冷剂物性参数、热泵机组的容量及换热器形式纳入计算过程，将热泵运行中的制冷剂流动阻力及压降纳入优化计算中，用于计算最优运行工况；本发明通过确认热泵最优运行区间，进而计算热泵运行压力，得出压缩机运行压力变化范围，优选出压缩机运行最优压比，选配压缩机最优内容积比，可以很好地满足实际应用的需要。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。