魏 雙 章國(guó)江 朱谷昌 劉遠(yuǎn)峰 柯凌云 李 蓉 鄭傳祥

(1. 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2. 杭州錢江壓縮機(jī)有限公司)

小型往復(fù)式壓縮機(jī)效率的高低決定了整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率。逆向卡諾循環(huán)是理想的制冷循環(huán)，在相同的溫度范圍內(nèi)，其制冷因素最高[1]。但從制冷的功耗考慮，絕熱壓縮消耗的功率最大，而等溫壓縮消耗的功率最小。由于功耗是壓縮機(jī)的重要性能指標(biāo)，因此等溫壓縮的實(shí)現(xiàn)有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。筆者針對(duì)以R600a為制冷劑的WS75YV型壓縮機(jī)進(jìn)行工作工況下壓縮過程運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值模擬，測(cè)得很難通過試驗(yàn)方法得到的壓縮過程氣缸內(nèi)壓力變化曲線和示功圖，較為精準(zhǔn)地計(jì)算等溫壓縮可以節(jié)省壓縮機(jī)輸入功耗。因?yàn)榈葴貕嚎s過程需要很高的熱流量，而且制冷劑的溫度易受外界溫度影響，很難實(shí)現(xiàn)。但在達(dá)到冷凝溫度前進(jìn)行絕熱壓縮，之后進(jìn)行等溫壓縮是可行的[3，4]。通過合理的潤(rùn)滑油系統(tǒng)對(duì)壓縮機(jī)各結(jié)構(gòu)降溫實(shí)現(xiàn)近似等溫，設(shè)計(jì)了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤(rùn)滑油通道，并通過改變注油量潤(rùn)滑油系統(tǒng)性能的試驗(yàn)確定最優(yōu)注油量。

1 數(shù)值模擬

對(duì)于壓縮過程的模擬，主要是基于多維瞬態(tài)控制體方程計(jì)算溫度、速度、壓力的分布，忽略了閥片的開合與制冷劑的互相作用。實(shí)際上，壓縮過程是個(gè)流場(chǎng)和固場(chǎng)耦合的復(fù)雜開放系統(tǒng)，閥片的響應(yīng)對(duì)制冷劑的流動(dòng)和傳熱必然產(chǎn)生影響。筆者分別在ADINA流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)模塊主要采用自帶native的自底向上建模，由點(diǎn)至線再至面完成氣缸、閥組和活塞的三維模型[5]。網(wǎng)格劃分仍然采用ADINA軟件的有限元技術(shù)的算法(Flow Condition Based Interpolation，F(xiàn)CBI)劃分三維八節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維有限元模型

流體模塊和固體模塊分別施加相應(yīng)的邊界條件，相互接觸的平面通過流固耦合面上掃射網(wǎng)格的擬合實(shí)現(xiàn)流體和結(jié)構(gòu)的雙向耦合。吸氣壓力和溫度分別為62.4kPa、32.2℃，排氣壓力和溫度分別為761.3kPa、102.4℃。采用FSI(Fluid-Solid Interaction)方法進(jìn)行流固耦合場(chǎng)，對(duì)兩個(gè)場(chǎng)的求解文件進(jìn)行計(jì)算，模擬壓縮機(jī)氣缸內(nèi)部流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)(閥片)變化過程。

2 模擬結(jié)果

研究近似等溫壓縮過程對(duì)壓縮機(jī)輸入功率的影響，分別對(duì)絕熱壓縮過程和近似等溫壓縮過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，得到在兩種壓縮過程中氣缸內(nèi)壓力的變化曲線和示功圖。為了得到多組數(shù)據(jù)對(duì)比，可以改變閥片的厚度，根據(jù)現(xiàn)有的幾種閥片，分別取閥片厚度為0.152、0.203、0.254mm。

2.1氣缸內(nèi)壓力

圖2是兩種壓縮過程不同厚度閥片氣缸內(nèi)的壓力變化曲線，可以看出，近似等溫壓縮比絕熱壓縮過程缸內(nèi)壓力增大發(fā)生滯后，壓縮過程后半程壓力才開始快速增大，直到活塞反向運(yùn)動(dòng)后，氣缸壓力才開始下降，而且在氣閥開始回落過程壓力出現(xiàn)大幅度的增幅振蕩，但相應(yīng)曲線形態(tài)類似。

a. 絕熱壓縮過程

2.2示功圖

圖3是不同厚度的閥片在兩種壓縮過程下的示功圖，整體來看絕熱壓縮指數(shù)主要影響了壓縮曲線，多變指數(shù)降低使得壓縮過程近似等溫壓縮，缸內(nèi)壓力增大和閥片的動(dòng)態(tài)都發(fā)生滯后。

電機(jī)功率Ns的模擬計(jì)算公式為：

(1)

其中ηm為機(jī)械效率，取0.850；ηe為電機(jī)效率，取0.885；Δp為示功圖上排氣和吸氣壓力差；V是氣缸體積。

a. 絕熱壓縮過程

b. 近似等溫壓縮過程

根據(jù)式(1)，可得兩種壓縮過程消耗電機(jī)功率的模擬值，并準(zhǔn)確計(jì)算出節(jié)省功率，見表1。

表1 電機(jī)功率模擬值對(duì)比

從3組模擬結(jié)果可以看出，等溫壓縮過程相比絕熱壓縮過程可以節(jié)省約43%的功，對(duì)降低壓縮機(jī)功耗具有重大意義，如果能夠找到合適方法得以工程實(shí)現(xiàn)，可以大幅提高壓縮機(jī)的COP值。

3 潤(rùn)滑油冷卻的近似等溫工程實(shí)現(xiàn)方法

壓縮機(jī)各部件的冷卻對(duì)于實(shí)現(xiàn)等溫壓縮具有積極意義。氣缸內(nèi)噴油或加水雖然能夠在一定程度上降低壓縮工作過程的功耗，但是第二介質(zhì)與制冷劑的分離和第二介質(zhì)的引入使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且總體功耗并未減小，還有可能帶來壓縮機(jī)的液擊現(xiàn)象[6]。通過合理的潤(rùn)滑油系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的近似等溫過程而避免上述不利影響。

改進(jìn)壓縮機(jī)的供油系統(tǒng)(圖4)吸油管的下端位于油面以下，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，油在吸油管中被提升并沿著軸線經(jīng)油道向上流動(dòng)。到達(dá)吸油孔時(shí)，油從吸油孔流出并進(jìn)入螺旋槽，此位置的油潤(rùn)滑主軸承和端面，其余的油通過曲軸的軸向流道上升分別從出油孔和油孔流出潤(rùn)滑連桿的大頭孔。曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)油孔潤(rùn)滑連桿大頭和曲柄在上述各摩擦面被潤(rùn)滑的同時(shí)，仍有一部分油沿著曲軸的軸向流道上升并從端部出油孔流出，在離心力的作用下向四周甩出，灑在活塞表面潤(rùn)滑活塞和氣缸。油被甩在機(jī)殼的內(nèi)壁上，沿著內(nèi)壁向下流至機(jī)殼底部。油在機(jī)殼內(nèi)壁下流的過程中將熱量傳遞給機(jī)殼。由此看出降低潤(rùn)滑油的溫度不僅可以降低摩擦熱，使得摩擦零部件的溫度不會(huì)過高，

同時(shí)對(duì)氣缸和活塞來說是有效的降溫措施。

圖4 潤(rùn)滑油供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

壓縮機(jī)曲軸上的潤(rùn)滑油通道如圖5所示，螺旋線通道使得潤(rùn)滑油能夠在離心力作用下隨著油槽上升，降低了潤(rùn)滑油的流動(dòng)壓降，油孔的大小基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得。

圖5 曲軸油道

4 潤(rùn)滑系統(tǒng)性能試驗(yàn)

對(duì)于非變頻的電機(jī)控制壓縮過程，通過控制油槽高度(即吸油器深入油槽的高度)來調(diào)節(jié)注油量，在制冷壓縮機(jī)量熱計(jì)測(cè)試臺(tái)上完成壓縮機(jī)的性能參數(shù)的測(cè)量[7]，如制冷量、功耗、制冷系數(shù)(COP)和排氣溫升(圖6)。

隨著注油量的增大，壓縮機(jī)的制冷量增大、功耗先減小后增大、排氣溫度逐漸降低。顯然，注油量的增大使?jié)櫥徒?jīng)過各個(gè)接觸副的流量增大，加快了潤(rùn)滑油的冷卻速度，使得壓縮機(jī)各部分的溫度，尤其氣缸的溫度降低，減小了的吸氣預(yù)熱量，從而使制冷量增大、壓縮機(jī)的排氣溫度降低，致使壓縮機(jī)指示功降低；另外隨著注油量增大，潤(rùn)滑充分，壓縮機(jī)的機(jī)械功耗在初始時(shí)刻先減小，如果注油量繼續(xù)增大，盡管能夠充分潤(rùn)滑，但由于油槽中潤(rùn)滑油對(duì)曲軸旋轉(zhuǎn)的阻力也同時(shí)增大，使得壓縮機(jī)機(jī)械功耗增大。因此，在一定范圍內(nèi)增大注油量對(duì)于提高壓縮機(jī)制冷量和功耗都具有積極作用。

a. 制冷量

b. 功耗

c. COP

d. 排氣溫升

對(duì)于該型號(hào)的壓縮機(jī)來說，最優(yōu)的注油量為120mL。該注油量下既能滿足充分潤(rùn)滑，又能有效降低結(jié)構(gòu)溫度得到高效的壓縮過程，而且不會(huì)使?jié)櫥蛯?duì)曲軸旋轉(zhuǎn)的阻力過大。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者基于實(shí)際排氣閥和壓縮過程的模擬，建立了近似等溫過程的模擬，分析了不同排氣閥閥片厚度對(duì)壓縮功率消耗的影響，對(duì)比發(fā)現(xiàn)等溫壓縮過程理論上可以節(jié)約43%的功耗。整體上氣缸內(nèi)溫度在吸氣和壓縮過程都增大，所以采用全程冷卻的方法實(shí)現(xiàn)近似等溫過程。采用潤(rùn)滑油降溫的方法實(shí)現(xiàn)工程上的近似等溫過程，設(shè)計(jì)了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤(rùn)滑油通道。試驗(yàn)表明增大注油量可以降低排氣溫度、提高制冷量，功耗則隨著注油量的增大先減小后增大，制冷系數(shù)COP隨著注油量的增大先增大后減小，由此可以得到WS75YV型壓縮機(jī)的最優(yōu)注油量為120mL，為提高壓縮機(jī)的性能提供了依據(jù)。

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