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准等温压缩技术在转子式压缩机上的应用

2017年11月16日 13:34   本网   admin   人气:4552

  气体压缩过程的热力学路径比较理想制冷循环中,一般将压缩过程视为等熵过程。由工程热力学知识可知,工质作等熵压缩所消耗的功率最大,等温压缩所消耗的功率最小,多变压缩(<<消耗功率介于两者之间,如图i所示。可见,从节省压缩机能耗角度考虑,最好的方案是采用等温压缩。等温压缩的实现,可以有效降低压缩机输入功率、抑制排气温度过高,进而降低制冷系统的冷凝负荷。

  1等温压缩技术1.1热力学实现理论上,对制冷压缩机中气态制冷剂直接进行等温压缩,会使制冷剂状态进入液相区,即出现“湿压缩”现象,这是不允许的,实际物理过程也无法实现。只能设法通过降低压缩机整机及其部件的温度最大程度地降低压缩腔内制冷剂温度,从而获得与等温压缩过程近似的效果。

  本质上,对于压缩机高温部件的冷却处理,是利用热量管理手段实现能量的优化利用。对制冷剂压缩过程进行冷却处理,可从以下方面展开:1)在压缩过程中移去制冷剂携带的热量,减小压缩功,提高整机效率;)移去排气中的热量,减小热量向吸气的热传递;3)冷却电机或壳体,提高电机效率,同时减少向吸气的热传递。

  1.2等熵-等温压缩与等熵压缩过程耗功对比按通常吸气状态对压缩机中的制冷工质进行等温压缩,极有可能在到达排气压力前便开始出现液滴,不具可行性。若能找到一种压缩方法,既让压缩后工质的温度变化不大,又不会在压缩过程中出现液滴,此时压缩消耗的功率比等熵压缩要小。理论上可采用先等熵、再等温的压缩路径,即先将制冷剂从吸气状态等熵压缩到中间状态,再从中间状态等温压缩到终了状态。

  以下定量分析等熵等温压缩过程(将压缩过程拐点假定为制冷循环的冷凝温度)和等熵压缩过程的功耗情况,理论验证等温压缩的技术意义。

  表1标准工况参数工况参数吸气排气蒸发压力九/压力Ai/温度/MPaMPaC冷凝温度吸气温度阀前温度数值如所示,等熵压缩过程在图上可表示为1一V―2,其压缩功相当于1一2―5一6一1区域所包围的面积;先等熵再等温压缩过程在图上可表示为1一1'一2',其压缩功相当于1一2'―5―6―1区域所包围的面积,相对于等熵压缩过程,其耗功节省V―2―2'一V区域所包围的面积。

  行表1工况下上述2种压缩路径耗功量计算(以下为R22系统计算过程):等熵-等温压缩过程示功图及压-焓图过程总功耗等于1一1等熵过程的功耗与1一2'等温过程的功耗之和。通过确定1和1状态参数,得出1一1等熵压缩过程消耗功(k/kg)一2一5―7一1区域所包围的面积,采用差分法进行计算。可以确定:九一2.146MPa,和一0.915MPa,将其差分成10个等份,则每个压力步长为0.123MPa.1一2'过程的曲线为等温线,可根据压力和温度求出每个步长对应点的比容,再依次积分,即可求得〗1,〗3,〗10的面积,如所示。计算结果如下12.77k/kg,+,++,0=9.34k/kg.可得,该等熵――等温压缩过程总消耗功(k/kg):u1 =10.6+12.77+9.3432.71.可见,若使得制冷压缩机压缩过程(部分阶段)维持在等温过程,对节省压缩机功耗具有表2标准工况下不同压缩过程的耗功比较制冷剂等熵――等温压缩过程等熵压缩消节省率/ 2准等温压缩冷却方案实现滚动转子式压缩机运行过程中,曲轴转速非常快,压缩气体生成热很难及时排除,压缩过程接近绝热过程。要将热量迅速排除,实现实际压缩过程等温化,有必要采用相应的冷却方案。

  以下对滚动转子式压缩机典型结构进行分析,依据压缩机内制冷剂气体压缩流程,从汽缸内热量移出、缸外电机部件冷却2个关键环节进行准等温压缩技术的应用探讨。

  1汽缸冷却基于等温压缩理论,对压缩机制冷剂气体的压缩载体汽缸进行降温冷却,是提升性能和效率的有效途径之一;排气温度降低、排气密度提高,排气阀、消声器及排气管道中的制冷剂气体流速和压损也会相应减小。但汽缸冷却的实施难点在于:由于压缩速度极快,相对吸气过程,压缩过程可用于热交换的时间非常短;同时移出过多的热量有使制冷剂在压缩过程中冷凝的危险,可能会导致阀片、摩擦副承受过高压力而失效。

  按技术实施方式划分,汽缸冷却可分为直接冷却和间接冷却2种方式。直接冷却是在汽缸腔体内注入低温流体与制冷剂直接接触的热交换;间接冷却是通过冷却汽缸壁面,借助汽缸壁内外侧的热传导冷却汽缸内的制冷剂。

  2.1.1直接冷却一类常用的直接冷却方案是直接向吸气流注入冷冻机油。吸气和压缩过程中的制冷剂高湍气流会将冷冻机油强制分散,使其与制冷剂间有充分的面积进行热交换,有效吸收压缩过程中产生的热量。由于冷冻机油的比热容远高于制冷剂气体的比热容,其吸收热量后不会出现明显温升。另一方面,压缩过程中的热量吸收虽有助于减少制冷剂的压缩功,但冷冻机油在压缩过程中会不可避免地消耗部分功。关于冷冻机油这类不可压缩流体的压缩耗功具体量化数据有待做进步理论和试验研究。理论评估时可假定冷冻机油密度恒定。不可压缩流体的压缩耗功可用下式表示:此外,建议对汽缸吸排气通道做深入详细的CFD研究,确认由冷冻机油注入可能带来的制冷剂气流的压力损失;同时针对转子式压缩机的排气阀片做补强设计的。

  节流降温后的液态制冷剂进入压缩机的引流部分,参与汽缸内的制冷剂压缩过程,需要消耗压缩机的部分功率,但通过对引流节流装置流量和管径的控制,引流制冷剂的压缩耗功相对于制冷剂近等温压缩过程节省的功要少得多。总之,通过对引流制冷剂进行参数控制,可以有效减小压缩机的能耗,使制冷剂的压缩过程达到与等温压缩过程相近的效果,并降低制冷剂排气温度。

  电机部件冷却在室温下,铜的电阻变化率为0.而欧姆损失是电阻与电流平方的乘积,降低电机绕线温度将有效减小电机电阻,有利于电机效率1.曲轴;。上缸盖;。螺栓;a.上活塞;b.下活塞;。下缸盖;。下汽缸;。1.下吸气口;。2.下换热槽;。3.下螺栓孔;6.4.下排气口;。5.下汽缸工艺孔;。中间板;。1.联通孔;。2和7.3.中间板螺栓位置孔;8.上汽缸;。2.上换热槽;。壳体;0.引流管;1.下叶片;2.上吸气管;3下吸气管。

  具有汽缸冷却功能的双转子制冷压缩机结构示意图的提高。冷却电机的种方法是,将电机充分浸入冷冻机油,并将油泵到外部的油冷却循环进行降温。而当前的滚动转子式压缩机为高背压结构,电机位于泵体之上,利用冷冻机油实现电机冷却是值得设计人员深入探讨的重要课题。

  3结束语探讨制冷压缩机工作过程中阶段性等温压缩的节能意义,并基于准等温压缩理论,以滚动转子式压缩机为对象,分别探讨压缩机的汽缸部和电机部的冷却方案:汽缸部冷却。缸内冷却方案,由于压缩过程迅速,直接冷却汽缸效果并不明显,向吸气流中注入冷冻机油或低温制冷剂,通过直接的热交换可充分冷却制冷剂;缸外冷却方案,在缸体上开设引流槽,直接引入制冷系统中的外部低温液体制冷剂作为冷源,实施缸体冷却。

  电机冷却:油冷是重点关注的技术方案,由于受限于转子式压缩机的既有结构,其可行性有待进一步的实验与理论研究。

  总之,通过转子式压缩机汽缸部和电机部等各功能段的热量管理,使得压缩机内气体压缩过程向等温路径逼近,有效降低输入功率消耗和控制制冷剂的排气温度。准等温压缩技术对于转子式压缩机的结构设计与优化具有重要的指导意义。

(完)

 
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