小型往復式壓縮機等溫壓縮過程的數值分析和工程實現方法研究

魏 雙 章國江 朱谷昌 劉遠峰 柯凌云 李 蓉 鄭傳祥

(1. 浙江大學化工機械研究所；2. 杭州錢江壓縮機有限公司)

小型往復式壓縮機效率的高低決定了整個制冷系統的效率。逆向卡諾循環是理想的制冷循環，在相同的溫度范圍內，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。由于功耗是壓縮機的重要性能指標，因此等溫壓縮的實現有重要的現實意義[2]。筆者針對以R600a為制冷劑的WS75YV型壓縮機進行工作工況下壓縮過程運動特性的數值模擬，測得很難通過試驗方法得到的壓縮過程氣缸內壓力變化曲線和示功圖，較為精準地計算等溫壓縮可以節省壓縮機輸入功耗。因為等溫壓縮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，很難實現。但在達到冷凝溫度前進行絕熱壓縮，之后進行等溫壓縮是可行的[3，4]。通過合理的潤滑油系統對壓縮機各結構降溫實現近似等溫，設計了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤滑油通道，并通過改變注油量潤滑油系統性能的試驗確定最優注油量。

1 數值模擬

對于壓縮過程的模擬，主要是基于多維瞬態控制體方程計算溫度、速度、壓力的分布，忽略了閥片的開合與制冷劑的互相作用。實際上，壓縮過程是個流場和固場耦合的復雜開放系統，閥片的響應對制冷劑的流動和傳熱必然產生影響。筆者分別在ADINA流場和結構場模塊主要采用自帶native的自底向上建模，由點至線再至面完成氣缸、閥組和活塞的三維模型[5]。網格劃分仍然采用ADINA軟件的有限元技術的算法(Flow Condition Based Interpolation，FCBI)劃分三維八節點網格，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的邊界條件，相互接觸的平面通過流固耦合面上掃射網格的擬合實現流體和結構的雙向耦合。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)方法進行流固耦合場，對兩個場的求解文件進行計算，模擬壓縮機氣缸內部流場和結構(閥片)變化過程。

2 模擬結果

研究近似等溫壓縮過程對壓縮機輸入功率的影響，分別對絕熱壓縮過程和近似等溫壓縮過程進行動態模擬，得到在兩種壓縮過程中氣缸內壓力的變化曲線和示功圖。為了得到多組數據對比，可以改變閥片的厚度，根據現有的幾種閥片，分別取閥片厚度為0.152、0.203、0.254mm。

2.1氣缸內壓力

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

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主要影響了壓縮曲線，多變指數降低使得壓縮過程近似等溫壓縮，缸內壓力增大和閥片的動態都發生滯后。

電機功率Ns的模擬計算公式為：

(1)

其中ηm為機械效率，取0.850；ηe為電機效率，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

根據式(1)，可得兩種壓縮過程消耗電機功率的模擬值，并準確計算出節省功率，見表1。

表1 電機功率模擬值對比

從3組模擬結果可以看出，等溫壓縮過程相比絕熱壓縮過程可以節省約43%的功，對降低壓縮機功耗具有重大意義，如果能夠找到合適方法得以工程實現，可以大幅提高壓縮機的COP值。

3 潤滑油冷卻的近似等溫工程實現方法

壓縮機各部件的冷卻對于實現等溫壓縮具有積極意義。氣缸內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，但是第二介質與制冷劑的分離和第二介質的引入使得系統結構復雜，且總體功耗并未減小，還有可能帶來壓縮機的液擊現象[6]。通過合理的潤滑油系統可以實現壓縮機的近似等溫過程而避免上述不利影響。

改進壓縮機的供油系統(圖4)吸油管的下端位于油面以下，壓縮機運行時，油在吸油管中被提升并沿著軸線經油道向上流動。到達吸油孔時，油從吸油孔流出并進入螺旋槽，此位置的油潤滑主軸承和端面，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滑連桿的大頭孔。曲軸旋轉時，當油孔潤滑連桿大頭和曲柄在上述各摩擦面被潤滑的同時，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，灑在活塞表面潤滑活塞和氣缸。油被甩在機殼的內壁上，沿著內壁向下流至機殼底部。油在機殼內壁下流的過程中將熱量傳遞給機殼。由此看出降低潤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過高，

同時對氣缸和活塞來說是有效的降溫措施。

圖4 潤滑油供油系統結構示意圖

壓縮機曲軸上的潤滑油通道如圖5所示，螺旋線通道使得潤滑油能夠在離心力作用下隨著油槽上升，降低了潤滑油的流動壓降，油孔的大小基于經驗數據取得。

圖5 曲軸油道

4 潤滑系統性能試驗

對于非變頻的電機控制壓縮過程，通過控制油槽高度(即吸油器深入油槽的高度)來調節注油量，在制冷壓縮機量熱計測試臺上完成壓縮機的性能參數的測量[7]，如制冷量、功耗、制冷系數(COP)和排氣溫升(圖6)。

隨著注油量的增大，壓縮機的制冷量增大、功耗先減小后增大、排氣溫度逐漸降低。顯然，注油量的增大使潤滑油經過各個接觸副的流量增大，加快了潤滑油的冷卻速度，使得壓縮機各部分的溫度，尤其氣缸的溫度降低，減小了的吸氣預熱量，從而使制冷量增大、壓縮機的排氣溫度降低，致使壓縮機指示功降低；另外隨著注油量增大，潤滑充分，壓縮機的機械功耗在初始時刻先減小，如果注油量繼續增大，盡管能夠充分潤滑，但由于油槽中潤滑油對曲軸旋轉的阻力也同時增大，使得壓縮機機械功耗增大。因此，在一定范圍內增大注油量對于提高壓縮機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

對于該型號的壓縮機來說，最優的注油量為120mL。該注油量下既能滿足充分潤滑，又能有效降低結構溫度得到高效的壓縮過程，而且不會使潤滑油對曲軸旋轉的阻力過大。

5 結束語

筆者基于實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壓縮功率消耗的影響，對比發現等溫壓縮過程理論上可以節約43%的功耗。整體上氣缸內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現近似等溫過程。采用潤滑油降溫的方法實現工程上的近似等溫過程，設計了含有螺旋流道和中心排氣孔道的潤滑油通道。試驗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型壓縮機的最優注油量為120mL，為提高壓縮機的性能提供了依據。

[1] 沈維道，蔣智敏，童鈞根.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2001：42.

[2] 劉桂平，王志強，王汝金，等.準等溫壓縮技術在轉子式壓縮機上的應用[J].制冷與空調，2014，14(2)：15～18.

[3] Ribas F A.Thermal Analysis of Reciprocating Compressors[C].Nineteenth International Compressor Engineering Conference.West Lafayette：Purdue University，2006：1306.1～1306.8.

[4] Bonjoura J，Bejan A.Optimal Distribution of Cooling during Gas Compression[J].Energy，2006，31(4)：409～424.

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[6] Wang X D，Hwang Y，Radermacher R.Investigation of Potential Benefits of Compressor Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2008，28(14)：1791～1797.

[7] 王曉燕.小型制冷壓縮機全自動性能測試臺研制[J].實驗室研究與探索，2011，30(8)：52～57.