3.2 制冷剂喷射参数对涡旋压缩机性能的影响
制冷剂喷射参数主要包括喷射状态、喷射口参数和压缩机特性。喷射状态主要是指喷射压力和喷射比焓。喷射口参数主要包括喷射口面积、喷射口位置和是否采用单向阀三个因素。对于给定的压缩机，压缩机特性主要是指压缩机转速。实际上，制冷剂喷射过程中直接影响压缩机性能的因素主要有三个：喷入制冷剂的状态、喷入量和喷入位置。喷入制冷剂的状态由喷射制冷剂比焓决定。因为无论喷射压力是多少，喷射到腔内的制冷剂的压力将与此时腔内的压力相等，所以喷入制冷剂的状态由喷射制冷剂的比焓和此时的腔内压力决定。喷入位置由喷射口参数确定。改变喷射口三个参数将能改变喷入制冷剂量在喷射过程中的分布，最终影响喷射压缩机的性能。而喷入量受到上述各个因素的影响。
容积效率和压缩机总效率是在工程计算中压缩机两个最为重要的参数。对于全封闭压缩机，压缩机总效率包含了压缩机的电机效率、机械效率和指示效率。电机效率和机械效率与压缩机运转频率等有较大关系，而受其他因素影响较小，因此，当压缩机频率恒定时，指示效率的变化即可表征压缩机总效率的变化。相对于无喷射压缩机，喷射压缩机由于有中间制冷剂加入或者泄出，不可能用常用的关系式[4]来描述压缩机的容积效率和指示效率，所以必须给出新的定义。
定义1：制冷剂喷射压缩机的容积效率是指压缩机排气制冷剂流量中扣除喷入制冷剂流量后与压缩机理论输气量的比值。用于表征制冷剂喷射压缩机的制冷剂输运效率。即
其中，minj为压缩机喷射制冷剂流量。
定义2：制冷剂喷射压缩机的指示效率是指将吸气口和喷射口进入压缩机的制冷剂等熵压缩到排气压力所需功率与实际内压缩功率的比值。它是制冷剂喷射压缩机压缩过程接近等熵压缩过程的标识。由下式表示：
其中，hdis,isen,pocket(θ)为压缩过程转角为θ时，喷入制冷剂从腔内压力等熵压缩至排气压力时的比焓，由于腔内压力随转角变化，因此hdis,isen,pocket(θ)也随转角变化。hinj为喷射制冷剂比焓。分析可以发现：式（3）和（4）是对压缩机容积效率和指示效率更为通用的定义式，是对传统定义的延伸和拓展。
喷射压力是指喷射口前的制冷剂压力。图8给出了喷射压力对压缩机性能的影响结果。
图8（a）为蒸发温度-10℃时喷射过程的p-V曲线。可以看出，压缩过程的多变指数随喷射压力的提高逐渐增加（曲线变陡）；当喷射为逆向（抽气）时，多变指数小于无喷射状态。
图8（b）为压缩机相对功率随喷射压力的变化关系。可见，压缩机功率随喷射压力的增加逐渐提高，但增加速度受喷射流量限制而逐渐减小；当喷射过程为放气时，压缩机功率小于无喷射时的功率。
图8（c）所示为p-h曲线随喷射压力的变化情况。由于喷射制冷剂比焓小于压缩腔内制冷剂比焓，故随喷射制冷剂流量的增加，压焓曲线逐渐向内侧偏转，导致排气比焓降低、温度下降。
从图8（d）中可以看出，随喷射压力的增加，腔内压力也增加，导致外泄漏增加，容积效率降低。
图8（e）为压缩机指示效率随喷射压力的变化情况。从中可以发现：喷射压力的改变对于不同工况的影响完全不同。对于低温工况，随喷射压力的增加指示效率逐渐增加，但上升趋势逐渐减缓；当蒸发温度为-10℃时，随着喷射压力的提高，压缩机指示效率先上升后下降，在喷射压力为0.9MPa时取得最大效率；而在高温工况下，喷射压力增加时，其指示效率刚开始几乎不变，而后迅速下降。
将图8（e）扩大计算范围并整理成内压比与外压比的比值的函数，并绘制成图8（f），可以看出，三种工况下压缩机均在内外压比之比为0.78~0.83时取得最大指示效率。
实际上，制冷剂喷射导致压缩机指示效率提高的关键在于内容积比效率的提高。假设无制冷剂喷射时压缩机的指示效率为：
其中Pth为无喷射等熵压缩功率，Pin为无喷射实际压缩功率。采用制冷剂喷射后，等熵压缩功率和实际功率变为有喷射等熵压缩功率和有喷射实际压缩功率，分别增加∆P1和∆P2，此时压缩机指示效率为：
由比例的拆分定律可知，欲使 ，则需要满足
即喷射导致压缩机指示效率增加的充要条件是：喷射增加的等熵功率与增加的实际功率的比值大于压缩机无喷射时的等熵效率。可以看到，随着喷射压力的不断变化，压缩机的指示效率也随之发生变化。喷射过程中压缩机的最大指示效率点应该满足式（7）的微分形式：
式中的pinj,opt,ind是指在喷射过程中压缩机的指示效率达到最大时的喷射压力。此时，压缩机的内外压比之比有重要含义。
定义3：最优喷射内外压比之比表示当喷射过程中压缩机达到最大指示效率时压缩机的内压比与外压比的比值。即
当压缩过程为理想的等熵过程时，实际压缩线将与等熵线重合，当内排气压力小于外排气压力时（欠压缩），喷射导致等熵功率增加量一定大于实际功率的增加量，即ΔP1/ΔP1>1，而此时压缩机的指示效率小于1，故随着内排气压力的提高，压缩机的指示效率将持续增加；当内压比等于外压比时，压缩机的指示效率达到最大（=1），如果此时再增加喷射，将导致实际功率增加量大于等熵功率增加量，指示效率降低；进而，当压缩机处于过压缩时，增加喷射也将造成指示效率降低。由此，等熵压缩过程的最大指示效率将出现在内外压比相等的喷射状态，即：对于压缩过程较为接近等熵压缩的涡旋压缩机而言，喷射使压缩机内、外压比相等时压缩机的指示效率达到最大。
至此，制冷剂喷射压力对涡旋压缩机内部参数及其性能影响的研究已基本完成，研究提出了以压缩机效率为优化目标的制冷剂喷射的最优喷射压力的概念。由于篇幅所限，其他制冷剂喷射参数对涡旋压缩机性能的影响在此不再赘述。
4 结论
本研究以模拟仿真为基本手段，结合实验结果，分析了涡旋压缩机制冷剂喷射过程的特征，揭示其制冷剂喷射过程的热力学实质，澄清目前人们对涡旋压缩机制冷剂喷射过程不够准确的认识。以此为基础，全面研究了制冷剂喷射特征参数对涡旋压缩机性能的影响，提出了以压缩机效率为优化目标的制冷剂喷射的最优喷射压力的概念，为制冷剂喷射系统的优化设计与控制奠定基础。
参考文献
[1] 张国强, 龚光彩, Fariborz H, 等. 能源、环境与制冷空调. 制冷学报, 2000, (3): 1-6
[2] 王宝龙. 制冷剂喷射涡旋压缩机及其应用研究[博士学位论文]. 北京: 清华大学建筑技术科学系, 2006
[3] 李连生. 涡旋压缩机. 北京: 机械工业出版社, 1998.3
[4] 彦启森, 石文星, 田长青. 空气调节用制冷技术. 北京: 建筑工业出版社, 2004
