王燕

上海海立電器有限公司 上海 201206

1 引言

隨著社會發(fā)展對節(jié)能的需求，壓縮機(jī)行業(yè)都在努力提升其能效水平；從壓縮機(jī)原理分析，決定壓縮機(jī)效率的主要為機(jī)械效率、電機(jī)效率和絕熱效率等。目前大部分研究主要針對流體機(jī)械和電機(jī)效率兩方面，本文主要對壓縮機(jī)內(nèi)部傳熱特性進(jìn)行研究，并對不同隔熱材料進(jìn)行驗(yàn)證探討。

2 氣缸內(nèi)外傳熱理論分析

通過推算氣缸內(nèi)外傳熱量與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系，選擇最優(yōu)的傳熱系數(shù)。氣缸內(nèi)外傳熱模型是傳熱學(xué)上基本的傳熱類型，分為三個部分，第一部分氣缸內(nèi)壁與內(nèi)部氣體冷媒之間的對流傳熱，第二部分氣缸內(nèi)部的熱量傳遞是一個熱傳導(dǎo)過程，第三部分是氣缸外壁與外壁冷媒之間的對流傳熱，模型也分三個模塊計(jì)算。

2.1 氣缸的熱傳遞模型

圖1中所示的是壓縮機(jī)內(nèi)部氣缸與活塞的橫截面簡化圖，氣缸內(nèi)徑用2R表示，活塞直徑用2r表示，H表示氣缸活塞的高度。吸氣容積Vs根據(jù)下式得出：

吸氣腔溫度低于氣缸壁面的溫度，始終處于吸熱狀態(tài)，而壓縮腔在旋轉(zhuǎn)角θ小于某個角度時壓縮腔處于吸熱狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)角θ大于這個角度時吸氣腔處于放熱狀態(tài)。根據(jù)制冷原理，Q吸越小越好，可以有效減少吸氣溫升；Q排在吸熱階段要減少吸熱，而在放熱階段要最大化放熱，這是一對矛盾體，存在最優(yōu)傳熱系數(shù)平衡點(diǎn)。

2.2 換熱量理論計(jì)算

2.2.1 氣固間對流傳熱系數(shù)[1]

活塞推動冷媒氣體在工作腔中與氣缸做相對運(yùn)動。因此，氣缸與冷媒氣體之間的熱傳遞應(yīng)當(dāng)視為外掠平板受迫對流換熱。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]假設(shè)被高速壓縮的冷媒氣體處于完全紊流的狀態(tài)，如圖2所示，傳熱面的特征長度標(biāo)識為L，干流粘度標(biāo)識為u∞。傳熱系數(shù)可根據(jù)柯爾伯恩類比（Colburn Analogy）得出：

式中描述了速度邊界層的表面摩擦系數(shù)Cf和熱邊界層努謝爾特?cái)?shù)Nu之間的關(guān)系。雷諾數(shù)用Re表示，普朗特?cái)?shù)用Pr表示。Nu、Re和Pr分別定義為：

式中參數(shù)都是針對冷媒的，α是氣固間對流傳熱系數(shù)， λ是導(dǎo)熱系數(shù)，ν是運(yùn)動粘度，μ是粘度系數(shù)，Cp是定壓比熱。如圖3所示，與活塞的距離用x表示。努謝爾特?cái)?shù)表示熱傳導(dǎo)量在傳熱量中所占的比。普朗特?cái)?shù)表示運(yùn)動粘度和導(dǎo)溫系數(shù)（定義為λ/ρ*Cp, ρ:密度）之比，這個數(shù)對氣體來說與溫度、壓力無關(guān)，幾乎是常數(shù)。研究得出，即使流體處在完全紊流的狀態(tài)，柯爾伯恩類比(Colburn Analogy)也可用于普朗特?cái)?shù)在0.5到50之間的流體，氣缸內(nèi)的冷媒Pr數(shù)正處于這個范圍。

如果氣缸內(nèi)壁表面上的冷媒流是完全紊流、雷諾數(shù)為5×105到107，表面摩擦系數(shù)Cf根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可用下式表示：

將上式代入柯爾伯恩類比中，努謝爾特?cái)?shù)就為：

長度為L的氣缸氣固對流平均傳熱系數(shù)可從下式得出：

式中平均雷諾數(shù)ReL定義為：

2.2.2 固體導(dǎo)熱系數(shù)[2]

固體導(dǎo)熱系數(shù)有兩部分組成，一部分為氣缸內(nèi)層的導(dǎo)熱系數(shù)，一部分為氣缸外層隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)傳熱學(xué)知識得到固體總傳熱系數(shù)為（接觸熱阻忽略不計(jì)）。

2.2.3 從氣缸內(nèi)部到氣缸外部的傳熱系數(shù)[2]

由于氣缸外部都處于冷凍油中，外部的溫度比較溫度穩(wěn)定，取壓縮機(jī)的冷凍油溫度維持在95℃，這樣氣缸外壁溫度就維持在95℃；據(jù)傳熱學(xué)圓管傳熱知識得到：

根據(jù)公式（6）（8）（9）就是計(jì)算得出氣缸內(nèi)外任意角度的傳熱系數(shù)和傳熱量。其中do、di分別為氣缸內(nèi)外經(jīng)，為氣固對流傳熱系數(shù)，為氣缸的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 計(jì)算與結(jié)果

2.3.1 特征長度和干流速度取值

要確定傳熱面的特征長度L和壓縮氣體的干流速度u∞很難，如圖2所示。本文中取特征長度L為氣缸內(nèi)徑周長和活塞外徑周長的平均值：

圖1 橫截面圖

圖2 工作腔中完全紊流的模型

圖3 固體導(dǎo)熱過程

圖4 壓力、溫度隨角度變化圖

圖5 冷媒物性參數(shù)圖

式中θ是活塞的旋轉(zhuǎn)角，如圖1所示。此外，由于壓縮氣體的切向速度從它的最大值2πfR(f：運(yùn)轉(zhuǎn)頻率Hz)變化到零，本文取干流速度u∞為：

2.3.2 溫度和壓力

本文計(jì)算活塞旋轉(zhuǎn)一周，一個工作周期內(nèi)不用角度位置的動態(tài)傳熱量，計(jì)算中需要的熱力學(xué)參數(shù)采用壓縮機(jī)和冷媒物性模擬軟件結(jié)果，壓縮腔和吸氣腔的溫度、壓力曲線隨角度變化關(guān)系見圖4壓力、溫度隨角度變化圖。

2.3.3 物性相關(guān)參數(shù)

冷媒氣體參數(shù)吸氣溫度Ts取35℃，吸氣壓力Ps為0.625MPa壓縮到2.146MPa的排氣壓力?；钊\(yùn)轉(zhuǎn)頻率為f=47.5Hz(2850轉(zhuǎn)/分鐘)，氣缸溫度Tw假設(shè)為85℃，氣缸平均溫度為90℃。氣缸高度設(shè)為27.8mm。

傳熱中的粘度系數(shù)、運(yùn)動粘度、熱傳導(dǎo)、常壓和定容比熱隨溫度和壓力變化曲線在圖5冷媒物性參數(shù)圖中列出，這些參數(shù)根據(jù)貼近氣缸的那層熱膜的溫度而變化。熱膜溫度Tf是氣缸內(nèi)壁溫度Tw和被壓縮冷媒溫度T的平均數(shù)。

2.3.4 模擬計(jì)算結(jié)果(一個周期)

利用以上參數(shù)和公式，針對現(xiàn)有產(chǎn)品計(jì)算模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）吸氣腔內(nèi)一周，都是在吸熱狀態(tài)，隨著角度越大，徑向熱交換面積越大，吸氣量越大；

（2）壓縮腔內(nèi)一周，0～163°處于吸熱狀態(tài)，163°之后氣缸內(nèi)側(cè)溫度高于氣缸外側(cè)，開始向外放熱，并在218°排氣開啟達(dá)到最大放熱量，隨后隨著排氣和傳熱面積減小，傳熱量逐步減少為0；

（3）整個一周運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，整體傳熱呈現(xiàn)為吸熱狀態(tài)；而吸熱對蒸氣壓縮循環(huán)是有害的，所以需要增加氣缸的隔熱效果，減少有害吸熱。

3 氣缸內(nèi)外傳熱試驗(yàn)研究

為此，選取A、B兩家廠家不同導(dǎo)熱系數(shù)和厚度的隔熱材料，進(jìn)行模擬計(jì)算和試驗(yàn)研究。

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果

采用以上參數(shù)模擬結(jié)果如圖7所示：

（1）氣缸外側(cè)噴涂隔熱材料，傳熱量都有明顯的下降，最高下降34%，最低的下降24%；

（2）同樣涂層厚度下，導(dǎo)熱系數(shù)降低一半，傳熱量下降10%；

（3）當(dāng)厚度和導(dǎo)熱系數(shù)均不同，比較傳熱熱阻，熱阻相當(dāng)時隔熱效果相近，傳熱量下降也相近；

綜合：應(yīng)盡可能采用導(dǎo)熱系數(shù)小且外層厚度大的隔熱材料。

表1 導(dǎo)熱系數(shù)

表2 平均換熱量（單位W）

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 試驗(yàn)研究

委托A、B公司使用對應(yīng)1#～3#隔熱材料噴涂氣缸外徑一周和粉色區(qū)域，如圖8所示。

在冷量測試臺針對某機(jī)型進(jìn)行實(shí)際對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下表，對比數(shù)據(jù)采用3臺平均數(shù)據(jù)，現(xiàn)有大批量產(chǎn)品抽查數(shù)據(jù)平均值。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）改善氣缸內(nèi)外傳熱過程，使得壓縮機(jī)循環(huán)更加往絕熱壓縮靠近，從而降低了無效的壓縮功耗，提升壓縮機(jī)能效COP；從表3得出NO.1和NO.3性能相對現(xiàn)有批量式樣提高0.9～1.2%；

（2）1#效果最好，提升1.2%；2#和3#效果基本相當(dāng)，提高0.9%，與理論計(jì)算趨勢一致；

（3）從經(jīng)濟(jì)性方面來看，應(yīng)該優(yōu)選B公司3#方面，成本更低，性價比更高更容易實(shí)現(xiàn)。

圖6 現(xiàn)有氣缸結(jié)構(gòu)換熱特性

圖7 不同涂層傳熱量結(jié)果

圖8 噴涂區(qū)域

4 小結(jié)

通過理論傳熱特性分析以及試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）氣缸內(nèi)外傳熱整體表現(xiàn)為吸熱過程；

（2）通過在氣缸外壁噴涂隔熱材料，降低氣缸導(dǎo)熱系數(shù)，可以降低有害吸熱，從而顯著提升壓縮機(jī)效率。

[1] Johnson, H.A & Rubesin,M.W., Trans. ASME, 71,1948,p.449.

[2] 楊世銘, 陶文銓. 《傳熱學(xué)》. 高等教育出版社,1980年第三版.

[3] Ishii, N. et al., Net Efficiency Simulations of Compact Rotary Compressors for Its Optimal Performance, Proc. International Compressor Engineering Conference at Purdue. July,2000.

[4] Ishii, N. et al., Refrigerant Leakage Flow Evaluation for Scroll Compressors, Proc.International Compressor Engineering Conference at Purdue, July,1996,pp.633-638.

[5] Ishii, N. et al., A Fundamental Optimum Design For High Mechanical and Volumetric Efficiency Of Compact Scroll Compressors, Proc. International Compressor Engineering Conference at Purdu, July,1996,pp.639-644.