甄 仌，吳玉琴，姜培學(xué)，龐菁男，黃 爍，佟澤天

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028；2.清華大學(xué) 能源與動力工程系，北京 100084)

5 基于氣液兩相微團(tuán)平衡依據(jù)確定液體微團(tuán)參數(shù)

當(dāng)氣液兩相處于熱平衡時，氣體微團(tuán)與液體微團(tuán)溫度相等，以冷凝器內(nèi)部介觀微團(tuán)為例，利用氣體微團(tuán)參數(shù)推導(dǎo)與之處于相平衡的液體微團(tuán)參數(shù).

1)冷凝器中的氣體微團(tuán)

uA(t)=umsinωt

(21)

pA(t)=p0

(22)

(23)

T0+Tmcosωt

(24)

(25)

(26)

2)冷凝器中的液體微團(tuán)

由氣液兩相平衡條件，pB-pA=2σ/r，TA=TB，得

uB(t)=umsinωt

(27)

(28)

(29)

T0+Tmcosωt

(30)

(31)

(32)

相應(yīng)的壓縮式制冷系統(tǒng)其他設(shè)備中的氣體、液體均可參照以上公式給出相應(yīng)的介觀參數(shù)表達(dá)式.

6 壓縮式制冷系統(tǒng)介觀熱力循環(huán)優(yōu)化分析

6.1 整流

制冷系統(tǒng)的實際工作是非穩(wěn)態(tài)的，壓縮機(jī)作為運(yùn)動部件，在非穩(wěn)態(tài)條件下，當(dāng)其驅(qū)動頻率較高時，管道內(nèi)的流體流動特性較穩(wěn)態(tài)情況有很大區(qū)別[12]，其速度和壓力發(fā)生很大變化，使得流動變得非常不均勻.因此，可考慮在壓縮式制冷系統(tǒng)中加裝整流器.

壓縮式制冷系統(tǒng)的實際工作過程是周期振蕩的，對于整個系統(tǒng)是不斷進(jìn)行周期循環(huán)的，所以不存在絕對的駐波，故有熱功轉(zhuǎn)換，而熱功轉(zhuǎn)換在時間尺度和空間尺度上強(qiáng)調(diào)熱量和動量傳遞的時域，因此要求在進(jìn)行系統(tǒng)熱力學(xué)分析時應(yīng)采用介觀尺度[13].故針對加了整流結(jié)構(gòu)的壓縮式制冷系統(tǒng)，可以從介觀尺度研究其整流機(jī)理.

6.2 壓縮機(jī)吸氣閥前整流對提高能效比影響的介觀分析

在壓縮式制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)作為運(yùn)動部件對介觀微團(tuán)的熱力學(xué)參數(shù)影響較大，為了提高系統(tǒng)能效，設(shè)計了各種形式的壓縮機(jī)，已開發(fā)的壓縮機(jī)主要包括以下幾種：往復(fù)式活塞壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)等.

對于某一確定的壓縮機(jī)，其對介觀微團(tuán)的影響已確定，為了進(jìn)一步改變微團(tuán)熱力學(xué)參數(shù)，從而增加壓縮機(jī)有用功，提高壓縮機(jī)性能，本文提出在制冷壓縮機(jī)吸氣閥前加裝整流器.從宏觀角度看，整流可以改善流動的均勻性和穩(wěn)定性，為深入理解整流的本質(zhì)作用機(jī)理，需要對其進(jìn)行介觀角度的分析.

針對不同的壓縮機(jī)，應(yīng)有不同的整流方式.常見的整流方式有整流柵、多孔板、導(dǎo)流板.下面根據(jù)往復(fù)式活塞壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)、螺桿壓縮機(jī)自身的特點，給出不同的整流方案.

往復(fù)式壓縮機(jī)的工作特點：在汽缸中活塞的往復(fù)運(yùn)動是周期性的, 吸排氣呈現(xiàn)出周期性、間歇性, 管內(nèi)為脈動氣體.管內(nèi)氣體參數(shù)(壓力、速度和密度等)不僅隨系統(tǒng)位置變化，而且隨時間周期性變化.壓力脈動通常用不均勻度來衡量[14].為了提高壓縮機(jī)性能，應(yīng)盡量減少氣體壓力脈動，保證氣流的均勻性.從介觀角度來看，氣體在活塞壓縮機(jī)中周期性壓縮、膨脹，由于活塞的阻礙，易于形成駐波，駐波型的周期振蕩其循環(huán)功為0，故為了提高熱功轉(zhuǎn)換效率，可在壓縮機(jī)前設(shè)置整流結(jié)構(gòu)，使得壓縮機(jī)內(nèi)氣體振蕩盡可能接近行波型的周期振蕩.由于往復(fù)式壓縮機(jī)不是速度型壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)速較小時要考慮增設(shè)整流結(jié)構(gòu)所造成的總壓損失對壓縮機(jī)性能的影響，故在增設(shè)整流結(jié)構(gòu)時要盡可能減少阻力損失.另外，壓縮機(jī)進(jìn)口氣流角過大會很大程度影響壓縮機(jī)效率.根據(jù)往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的特性，提出在其吸氣閥前設(shè)置多孔板式整流器.

針對某一制冷系統(tǒng)，在該系統(tǒng)往復(fù)式活塞壓縮機(jī)(S41-C，沈陽第一冷凍機(jī)廠生產(chǎn))前設(shè)計一整流結(jié)構(gòu)，以提高壓縮機(jī)的性能.制冷系統(tǒng)實際運(yùn)行中，從蒸發(fā)器出來的流體往往是兩相狀態(tài)，氣體微團(tuán)與液體微團(tuán)的速度不同，流動穩(wěn)定性差，為了保證流動均勻性，并且減小壓力與速度的夾角，在壓縮機(jī)進(jìn)氣口前設(shè)置如圖3所示整流結(jié)構(gòu)(孔尺寸和數(shù)量在實驗中可作調(diào)整).

針對該制冷系統(tǒng)，分別對加了整流部件和未加整流部件的循環(huán)進(jìn)行實驗研究，測出壓縮機(jī)吸排氣壓力，見表1.

圖3 多孔整流板

表1 壓縮機(jī)吸排氣壓力

從表1可以看出，在壓縮機(jī)前加了整流部件的循環(huán)，吸氣壓力更加穩(wěn)定，壓縮機(jī)吸排氣壓力比更小，故壓縮機(jī)耗功小，系統(tǒng)更加安全.此外，實驗還研究了壓縮機(jī)的電流和噪聲變化情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過整流后的壓縮機(jī)電流也更加穩(wěn)定，噪聲變化幅度更小.

渦旋壓縮機(jī)可用于小型制冷裝置，其容積效率和壓縮機(jī)效率隨著轉(zhuǎn)速的增加而提高，對于這種壓縮機(jī)，氣體泄漏量是唯一的容積損失參數(shù)[15].因其自身的結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，可通過在壓縮機(jī)前加裝整流結(jié)構(gòu)來改變氣體速度，進(jìn)而來減小氣體泄漏量，故可以在進(jìn)氣口前設(shè)置預(yù)旋整流柵來改變氣體速度，減小氣體泄漏量.但整流柵的加入會造成較大的總壓損失，所以設(shè)置整流結(jié)構(gòu)時要綜合考慮氣體泄漏量和總壓損失兩個因素.當(dāng)轉(zhuǎn)速高時，氣體泄漏量占主導(dǎo)因素，可以整流；轉(zhuǎn)速低時，不宜整流.

滑片壓縮機(jī)由氣缸、轉(zhuǎn)子和滑片組成，滑片式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子偏心設(shè)置在氣缸內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，滑片受離心力的作用從槽內(nèi)甩出[15].滑片式壓縮機(jī)適于在高轉(zhuǎn)速下工作，轉(zhuǎn)速越高，作用在滑片上的慣性力越大，會增大滑片頂端的摩擦力，致使效率隨轉(zhuǎn)速的增加而降低.故對于這類壓縮機(jī)，可以在進(jìn)氣口前設(shè)置預(yù)旋整流柵，減小壓力與速度的夾角，減少氣流與壁面的摩擦，從而減少壓縮機(jī)由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的損失.因為轉(zhuǎn)速高，整流柵的加入造成的總壓損失可忽略，適合整流.

螺桿式壓縮機(jī)主要用于大型制冷系統(tǒng)中，其容積的大小隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而變化，達(dá)到吸氣，壓縮，排氣的目的[15].影響螺桿機(jī)效率的主要因素是內(nèi)泄漏，而造成泄漏損失的主要原因是氣體的流速.在螺桿機(jī)中，提高螺桿的圓周速度，可使螺桿式壓縮機(jī)的外形尺寸和質(zhì)量等都減小，氣體通過螺桿式壓縮機(jī)間隙的相對泄漏量就會減少，有利于提高壓縮機(jī)的容積效率和熱效率.但圓周速度也不宜過快，過快會增加氣體流動損失.在螺桿的圓周速度和轉(zhuǎn)速不變的情況下，為了減少內(nèi)泄漏，可在壓縮機(jī)入口改變氣體的流速，故可在壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)置預(yù)旋整流柵.因為轉(zhuǎn)速高，整流柵的加入造成的總壓損失可忽略，適合整流.

6.3 壓縮式制冷系統(tǒng)中不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)的整流方式

研究表明整流器的加入能使不穩(wěn)定的流體快速均勻并穩(wěn)定下來，但同時它的加入會增大局部阻力，造成總壓損失.為保證總壓損失(整流器加入引起)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于流動均勻性對系統(tǒng)的影響，在壓縮機(jī)吸氣閥前設(shè)計整流時要盡可能減小阻力.

當(dāng)壓縮機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，管道內(nèi)的流體運(yùn)動并不劇烈，渦流效應(yīng)并不明顯，此時整流器的加入所造成的總壓損失對系統(tǒng)的影響起主要作用，所以此時盡量不設(shè)置整流器.如果管道中有彎頭等，為了減輕由于彎頭這種特殊結(jié)構(gòu)所造成的局部阻力，可以在彎頭前設(shè)置自身阻力小的整流器，如導(dǎo)流片.

當(dāng)壓縮機(jī)較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，管道內(nèi)流體不穩(wěn)定，此時渦流效應(yīng)明顯，應(yīng)盡可能減少渦流的產(chǎn)生，整流器的加入所造成的總壓損失對系統(tǒng)的影響雖然不起主導(dǎo)作用，但也不宜過大.故可在壓縮機(jī)吸氣閥前安裝導(dǎo)流片或多孔整流板等自身阻力不是太大的整流器.

當(dāng)壓縮機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，管內(nèi)流體運(yùn)動劇烈，非常不穩(wěn)定，此時渦流所造成的能量損失起主導(dǎo)作用，此時整流器的加入所造成的總壓損失可以忽略.應(yīng)盡可能的減小流體壓力與速度的夾角，減小由于渦流所造成的流體與壁面的摩擦，故可在壓縮機(jī)吸氣閥前設(shè)置能夠改變流體夾角的預(yù)旋整流柵.

6.4 整流機(jī)理介觀分析

壓縮式制冷系統(tǒng)實際運(yùn)行中，由于各種復(fù)雜情況和各部件的作用，其流動狀態(tài)是不穩(wěn)定的.而且從蒸發(fā)器出來的流體往往是氣液兩相狀態(tài)，氣體與液體的速度不同，流動更加紊亂.整流器的加入宏觀上可減輕渦流所造成的能量損失，保證了流動均勻性，并且減小壓力與速度的夾角，減少由于摩擦所造成的能量損失，進(jìn)而提高系統(tǒng)能效比.故從這一層面上講，當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口前流體越混亂，越適合整流.

實際上壓縮式制冷系統(tǒng)的工作過程也是周期振蕩的，從蒸發(fā)器出來的流體這一周期振蕩現(xiàn)象更加明顯，故有熱功轉(zhuǎn)換，而熱功轉(zhuǎn)換在時間、空間角度上強(qiáng)調(diào)熱量和動量傳遞的時域，應(yīng)采用介觀角度進(jìn)行熱力分析.故針對加了整流結(jié)構(gòu)的壓縮式制冷系統(tǒng)，應(yīng)從介觀角度研究其整流機(jī)理.

當(dāng)氣體微團(tuán)和液體微團(tuán)經(jīng)過整流器(如多孔整流板)，由于其速度不同，經(jīng)過整流器后氣體微團(tuán)和液體微團(tuán)相對分開，它們之間的相互作用減少，進(jìn)一步解釋了整流后流體會相對穩(wěn)定的現(xiàn)象，與宏觀層次的影響一致.另外，流體經(jīng)過整流板后宏觀現(xiàn)象中看到的是速度減小，壓力增大，由于氣體黏度小，故慣性力占主導(dǎo)作用，由于固定點速度變化引起的慣性力而造成的壓降，在整流器出口處最明顯，隨著整流后流動越來越平穩(wěn)，壓降也越來越小.

7 結(jié) 論

對壓縮式制冷系統(tǒng)的介觀研究有利于工程實踐和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展.本文主要致力于根據(jù)介觀熱力循環(huán)理論，研究壓縮式制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)吸氣閥前整流對提高能效比的影響，主要研究結(jié)果如下：

1)建立壓縮式制冷系統(tǒng)的介觀模型，分析了系統(tǒng)內(nèi)微團(tuán)的介觀熱力循環(huán)和介觀微團(tuán)熱力參數(shù)對系統(tǒng)性能參數(shù)的影響，部件設(shè)備對介觀微團(tuán)熱力參數(shù)的影響.基于吉布斯相平衡理論確定了氣液兩相微團(tuán)的平衡判據(jù)，基于氣液兩相微團(tuán)平衡判據(jù)確定了液體微團(tuán)參數(shù).

2)從宏觀角度出發(fā)，分析得到適合往復(fù)式壓縮機(jī)、渦旋壓縮機(jī)、滑片壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)等壓縮機(jī)的整流方式，得到不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)的整流方式.將介觀理論運(yùn)用到整流機(jī)理研究，分析得出整流器的加入使得微團(tuán)的振動接近行波相位，大大增加熱功轉(zhuǎn)換效率，提高系統(tǒng)能效比.