傾斜角度對滑片壓縮機運行特性影響的試驗研究

孫　晨，徐向華，梁新剛

(清華大學航天航空學院，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

?

傾斜角度對滑片壓縮機運行特性影響的試驗研究

孫晨，徐向華*，梁新剛

(清華大學航天航空學院，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

摘要:壓縮機是空間蒸汽壓縮熱泵系統的關鍵，從現有的壓縮機中篩選合適的壓縮機，研究其重力影響特性并加以改進是技術路徑之一。通過改變滑片式汽車空調壓縮機的傾角，研究重力方向對熱泵系統及壓縮機運行的影響。結果表明當傾角為0°～360°，吸熱量為2000～3500 W時，熱泵系統均能正常工作；其中壓縮機處于豎直和倒置的角度下，熱泵系統性能有所下降，蒸發溫度最大增加了7.5℃，蒸發冷凝溫差和COP的最大相對變化量分別為15%和7.6%。壓縮機內部高壓氣體通過油孔向低壓側的泄漏造成容積效率的下降，是影響其性能的主要原因；但油孔供油功能的下降沒有明顯影響壓縮機的機械效率。

關鍵詞:熱控制；蒸汽壓縮熱泵；微重力；滑片壓縮機

1引言

隨著航天器向大型化、高功率的方向發展，傳統的熱控方法要實現更大功率的散熱，必會大幅增加輻射器的面積和質量。蒸汽壓縮熱泵系統的優勢在于可利用壓縮機提高排熱溫度，從而使所需輻射面積減小[1-2]。1977年歐洲航天局Berner[3]提出了蒸汽壓縮熱泵作為空間站上的制冷設備的方法，并生產了樣機進行了地面試驗。美國航天局(NASA)自20世紀80年代以來持續對蒸汽壓縮熱泵系統進行研究：1985—1993年期間研制了微重力下運行的蒸汽壓縮熱泵系統[4]；1997年Grzyll研發了能減少壓縮機磨損的潤滑油添加劑以延長壓縮機的壽命[5]；2002年Scaringe總結指出微重力下小型熱泵系統適用的壓縮機和循環工質[6]等。

壓縮機不僅是空間熱控系統的核心部件，在其它一些空間應用方面也有較強需求。例如空間機動服務平臺在軌補給中的推進劑直接傳輸技術[7]，通過壓縮機提高貯箱間氣體的壓差來實現推進劑的傳輸；物質回收和廢水廢氣處理中的蒸汽壓縮蒸餾技術[8-9]，通過壓縮蒸汽產生的蒸發冷凝溫差，將蒸餾水的冷凝潛熱用于廢水的汽化，實現汽化潛熱的回收利用。地面使用的壓縮機潤滑系統多依賴重力進行潤滑油分離和回收，不能直接應用于微重力條件下的空間蒸汽壓縮熱泵系統。目前適用于微重力下的壓縮機有兩種研發途徑：一種是無油潤滑和密封的方式；另外一種是采用與制冷劑相容的潤滑油，潤滑油、制冷劑一起循環實現潤滑與密封。前者包括膜片壓縮機[4]、無油潤滑壓縮機[9]、磁力軸承離心式壓縮機[6]等，均不需要依賴重力進行油氣分離，但目前還存在壓縮機壽命、效率和適用范圍等方面的問題。畢研強[10]等人設計研制了無油潤滑的動磁式直線壓縮機，并進行了相關計算與試驗研究。后者在保證潤滑密封的前提下應盡量減少系統中的含油量，以降低對傳熱性能的影響。多數汽車空調壓縮機受安裝空間所限，油分離效果有限[11]，就采用這一方式。以滑片式汽車空調壓縮機為例[12]，部分潤滑油在排氣時被分離出來并回收利用，但仍有部分潤滑油隨制冷劑進入系統參與循環，同樣起到潤滑和密封的作用。由于潤滑油與制冷劑一同運行，降低了重力的影響，有可能在航天器熱控系統上使用，因此本文對滑片壓縮機熱泵系統進行試驗，通過改變壓縮機與重力方向的夾角研究當部分潤滑油隨制冷劑循環時重力方向對壓縮機及熱泵系統運行特性的影響。

2試驗系統及參數

蒸汽壓縮熱泵試驗系統主要包括電機、壓縮機、冷凝器、干燥儲液瓶、流量計、膨脹閥、蒸發器等部件，如圖1所示。其中蒸發器由緊密纏繞加熱絲的銅管制成，采用直流電源給加熱絲通電，通過調節加熱電壓可實現不同的制冷量和蒸發壓力。冷凝器風扇配置了一臺單相調壓器，改變輸入電壓可以調節冷凝效率，從而調節冷凝壓力。試驗選用北京珺吉佳業制冷科技有限公司生產的霜吉牌96-鐵72A滑片式汽車空調壓縮機，使用工質為R134a，排氣量為72 ml/r。壓縮機由電機以帶傳動的方式驅動，并安裝在一個可以在0°～360°內改變角度的平臺上，其入口和出口通過汽車空調膠管與系統連接。驅動電機為YVF2-90L-4型變頻調速電機，額定功率為1.5 kW。壓縮機的傾角定義為壓縮機軸與水平面的夾角，如圖2所示，在0°～360°內取8個角度進行試驗。

圖1　蒸汽壓縮熱泵系統圖Fig.1　Sketch of vapor compression heat pump system

圖2　壓縮機傾角示意圖Fig.2　Sketch of the inclination angles of the compressor

熱泵系統運行參數包括蒸發溫度、蒸發冷凝溫差和COP。蒸發溫度Te定義為蒸發器入口壓力Pe,in和出口壓力Pe,out下對應的飽和溫度的平均值，冷凝溫度Tc為冷凝器入口壓力Pc,in和出口壓力Pc,out下對應的飽和溫度的平均值，如式(1)：

(1)

蒸發冷凝溫差ΔT定義為冷凝溫度Tc與蒸發溫度Te之差，如式(2)：

(2)

熱泵系統COP定義為系統向外界排放的熱量與輸入功率之比，如式(3)：

(3)

其中Q為吸熱量，等于蒸發器加熱電壓U與電流I之積；W為壓縮機軸功率，等于電機輸入功率WE乘以電機效率ηd和帶傳動效率ηt。

壓縮機參數包括排氣溫度Tex、絕熱內效率ηi、機械效率ηm、容積效率ηv等。絕熱內效率為等熵過程壓縮功率Wad與壓縮機的指示功率Wi之比定義為式(4)：

(4)

其中h1為壓縮機入口比焓，h2為壓縮機出口比焓，h2s為等熵壓縮終了比焓。

機械效率定義為壓縮機指示功率與軸功率之比定義如式(5)：

(5)

其中m為系統質量流量。

實際容積流量qV與理論容積流量qVth的比值為壓縮機的容積效率，定義如式(6)：

(6)

其中ρcom,in為壓縮機入口氣體密度，n為壓縮機的轉速，V為壓縮機的排氣量。

試驗中采用鎧裝K型熱電偶測量流體溫度，由Agilent34970A直接采集，最大誤差1.2℃；壓縮機入口和出口采用精度0.25%的精密壓力表，冷凝器入口和蒸發器出口采用精度0.5%的壓力變送器，其余測壓點為1.6級壓力表；流量測量采用精度0.2%的科氏流量計；加熱電壓由Agilent34970A測得，電流通過測量串聯在電路內阻值很小的精密電阻兩端的電壓計算得到；電機輸入功率通過在電機電路中接入精度為0.5%的電功率計測量得到；根據測得的電機輸入功率在電機廠家提供的電機特性曲線中讀取電機效率；帶傳動效率取壓縮機廠家推薦值0.965。各參數誤差范圍為：蒸發溫度0.76℃～0.91℃，蒸發冷凝溫差2.5%～3.7%，COP1.5%～1.7%，絕熱內效率8.0%～10.1%，機械效率3.7%～3.8%，容積效率4.4%～4.5%。

3試驗結果分析

3.1給定吸熱量時壓縮機傾角對熱泵系統的影響

系統的充灌量為2 kg左右，電機與壓縮機間的傳動比為1:1，壓縮機吸氣過熱度為10℃。圖3、圖4和圖5給出了壓縮機在不同傾斜角度下熱泵系統蒸發溫度、蒸發冷凝溫差和COP的大小。對于2000～3500 W的吸熱量，傾角在0°～360°變化范圍內，蒸發溫度為-5.8℃～16.8℃，蒸發冷凝溫差為41.5℃～51.0℃，熱泵系統COP為3.08～3.76。這些數據表明在壓縮機處于任意傾角下，熱泵系統均能正常工作并實現一定的換熱量。

圖3　不同吸熱量下蒸發溫度隨滑片壓縮機傾角的變化Fig.3　Changes of evaporation temperature with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

圖4　不同吸熱量下蒸發冷凝溫差隨滑片壓縮機傾角的變化Fig.4　Changes of temperature difference between evaporation and condensation with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

圖5　不同吸熱量下COP隨滑片壓縮機傾角的變化Fig.5　Changes of COP with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

在給定的吸熱量下，壓縮機處于90°、135°、180°和225°幾個偏離常規安裝的角度時，蒸發溫度即蒸發壓力較其余幾個角度有所升高。而冷凝器風扇電壓和空氣側溫度的變化都很小，因此冷凝器的換熱能力基本不變，冷凝壓力的變化可以忽略。因此蒸發壓力的升高表明壓縮機在這些傾角下的性能受到了影響，吸氣能力下降，導致系統在冷凝壓力不變時蒸發壓力的升高。同時蒸發溫度越高時，蒸發冷凝溫差越小，二者的變化幅度基本吻合。此外，在偏離常規安裝的角度較大時， COP出現了下降的趨勢，同樣表明了此時系統性能的下降。綜上所述，壓縮機在常規水平放置和傾斜角度不大時表現出良好的性能，而在豎直和倒置時則表現出了性能的下降。不同吸熱量下蒸發溫度、蒸發冷凝溫差和COP的最大相對變化量分別為7.5℃、15.0%、7.6%。

3.2傾角對壓縮機性能的影響

為了獨立研究壓縮機的傾角對其性能的影響程度及其根源，通過給定壓縮機入口工質氣體的壓力和溫度以及出口處壓力，分析壓縮機出口溫度和效率等受傾角的影響程度。利用調節冷凝器風扇電壓和蒸發器的加熱量，將壓縮機的入口壓力控制為0.35 MPa，出口壓力分別控制為1.16 MPa和1.49 MPa時使壓縮機的傾角在0°～360°范圍內變化。壓縮機入口過熱度等其余輸入參數均與給定吸熱量時相同。

當壓縮機的入口壓力、入口溫度和出口壓力均不變時，其出口溫度的升高直接反映了壓縮機性能的下降。如圖6所示，壓縮機出口溫度在豎直和倒置的角度下有著明顯的升高。當出口壓力為1.16 MPa和1.49 MPa時，其升高量分別為8.2℃和19.7℃。絕熱內效率在偏離常規安裝角度時下降量為23.3%和38.7%。其動力經濟性的下降與排氣溫度的升高有關，即更多的機械能直接轉化為熱能而不是對氣體做功造成了能量品質下降。

圖6　不同壓縮機出口壓力下排氣溫度和絕熱內效率隨傾角的變化Fig.6　Changes of compressor discharge temperature and isentropic efficiency with inclination angles at different outlet pressures

圖7為同樣條件下壓縮機機械效率和容積效率隨傾角的變化。從圖中可知，機械效率在不同傾角下的變化并不明顯，變化量分別為6.6%和4.0%，表明壓縮機的摩擦損失沒有明顯增加，潤滑狀況良好，所以在偏離常規角度下壓縮過程熱能的增加并不是由于摩擦增加而造成。而在不同角度下容積效率的變化量分別為24.3%和38.4%，與絕熱內效率的變化量相當，說明容積效率的降低是造成壓縮過程等熵性下降的主要因素。影響容積效率的幾個因素中，結構容積損失和殘留高壓氣體的膨脹等與壓縮機的結構有關而不受傾角的影響，吸氣過程中的加熱和壓力損失也相對較小，因此容積效率的明顯下降更可能是發生了高壓側向低壓側的泄漏。

圖7　不同壓縮機出口壓力下機械效率和容積效率隨傾角的變化Fig.7　Changes of compressor mechanical efficiency and volume efficiency with inclination angles at different outlet pressures

經研究滑片壓縮機的結構發現，工質氣體經壓縮后進入氣缸后端蓋后面的機殼，部分潤滑油經油分離器后經其下端的開口流入機殼底部油池，其結構示意圖見圖8(a)。由于此處充滿了高壓排氣，油池中的油在高壓作用下經過后端蓋底部的油孔輸送至氣缸內部各運動表面進行潤滑，再隨排氣進入機殼[11]其余未被分離的潤滑油則隨制冷劑進行系統循環。當傾角改變后，潤滑油在機殼里的分布也發生改變。如圖8(b)所示，以倒置為例，原應位于機殼底部沉積的油多存留在油分離器內，而油孔出口處則沒有了潤滑油在壓差作用下的輸送，取而代之的是高壓氣體的倒流。這種泄漏導致了原本低壓側氣體的溫度和壓力升高，壓縮機對泄漏至低壓側的氣體進行二次壓縮消耗了機械功，降低了COP；并使從蒸發器吸氣的能力下降，提高了蒸發壓力。而對高溫氣體的再壓縮也導致了更高的排氣溫度。對于定壓縮比的滑片壓縮機，實際出口進口壓力之比小于理論壓縮比。在較大的吸熱量下蒸發壓力較高，而實際壓比較小，表明經同樣理論壓比壓縮后的氣體流向冷凝器的較多，向低壓側的泄漏程度相對較少，故容積損失也較小。綜上所述，可認為壓縮機在非常規安裝角度下運行時高壓側通過油孔向低壓側的泄漏，是影響性能的主要因素，而由于仍存在部分潤滑油隨制冷劑共循環，壓縮機并沒有出現由于缺少油孔供油造成的潤滑問題。在微重力條件下，潤滑油難以從氣體中分離，參與系統循環的部分可能更多，潤滑和密封的效果更好，但過多潤滑油進入換熱器可能造成傳熱性能的下降。故須對壓縮機內部排氣通道結構進行改進設計，以減少泄漏情況；同時在系統設計時對含油量進行優化計算，以保證換熱器的換熱性能。

圖8　滑片壓縮機排氣部分結構示意圖Fig.8　Sketch of discharge part of the sliding-vane compressor

4結論

本文通過對潤滑油隨制冷劑循環的滑片壓縮機進行了不同傾角下的熱泵運行試驗，根據試驗數據分析得到以下結論：

1) 給定吸熱量時，壓縮機在傾角0°～360°變化范圍內，熱泵系統均能正常工作；

2) 壓縮機處于偏離常規安裝角度即豎直和倒置的角度下，熱泵系統的性能表現出一定程度的下降。在吸熱量2000～3500 W的變化范圍內，蒸發溫度、蒸發冷凝溫差和COP的最大變化量分別為7.5℃、15%和7.6%；

3)壓縮機入口壓力設定為0.35 MPa、而出口壓力分別設定為1.16 MPa和1.49 MPa時，偏離常規的安裝角度導致壓縮機出口溫度上升8.2℃和19.7℃，絕熱內效率下降23.3%和38.7%，機械效率變化6.6%和4.0%，容積效率下降24.3%和38.4%；

4) 壓縮機在偏離水平傾角較大時的性能下降主要是由于其內部高壓側氣體通過油孔向低壓

側的泄漏造成容積效率下降而引起的，但此時油孔供油功能的消失并沒有明顯影響壓縮機的機械效率；若要將其應用于微重力下仍需改進壓縮機的結構設計和優化含油量。

參考文獻(References)

[1]Dexter P F, Haskin W L. Analysis of heat pump augmented systems for spacecraft thermal control[R]. AIAA-84-1757, 1984.

[2]李明海, 任建勛, 梁新剛,等. 熱泵-廢熱回收在空間站熱管理中的應用[J]. 太陽能學報, 2002, 23(2):181-186.

Li Minghai, Ren Jianxun, Liang Xingang, et al. An integrated heat pump-ice thermal storage scheme for thermal control system of spacecraft[J]. Journal of Astronautics, 2002, 23(2):1-5.(in Chinese)

[3]Berner F. Initial development of a vapor compressor for a heat pump to be used in spacecraft: report of Swiss federal aircraft factory[R]. Swiss: ESA, 1977.

[4]Dean W G, Karu Z S. Space station thermal storage/refrigeration system research and development[R].LMSC-HSV TR P037989, 1993.

[5]Grzyll L R, Scaringe R P, Gottschlich J M. The development of a performance-enhancing additive for vapor-compression heat pumps[C]//Energy Conversion Engineering Conference, 1997. IECEC-97., Proceedings of the 32nd Intersociety. IEEE, 1997: 1252-1257.

[6]Scaringe R P, Grzyll L R, Cole G S. Development of heat pump loop thermal control system for manned spacecraft habitats[R]. SAE Technical Paper Series2002-01-2467, 2002, 1:297-304.

[7]魏延明, 潘海林. 空間機動服務平臺在軌補給技術研究[J]. 空間控制技術與應用, 2008, 34(2):18-22,43.

Wei Yanming, Pan Hailin. Research on on-orbit refueling of maneuverable platform[J]. Aerospace Control and Application, 2008, 34(2):18-22,43. (in Chinese)

[8]楊松林, 丁平, 趙成堅, 等. 中國空間站水回收系統關鍵技術分析[J]. 航天醫學與醫學工程, 2013, 26(3):221-226.

Yang Songlin,Ding Ping, Zhao Chengjian, et al. Analysis of key techniques for water reclamation system in Chinese space station[J]. Space Medicineand Medical Engineering, 2013, 26(3):221-226. (in Chinese)

[9]Erickson L R, Ungar E K. Vapor compression and thermoelectric heat pumps for the cascade distillation subsystem: design and experiment[R]. AIAA-2013-5397, 2013.

[10]畢研強, 徐向華, 梁新剛. 動磁式直線壓縮機對制冷量與COP影響分析[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2014, 54(7):884-890.

Bi Yanqiang, Xu Xianghua, Liang Xingang. Cooling capacity and COP analysis of a moving magnet linear compressor[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2014, 54(7):884-890.(in Chinese)

[11]胡青, 金立軍, 謝金花. 制冷劑含油對汽車空調壓縮機性能影響的實驗研究[J]. 流體機械, 2004, 32(4):8-11.

Hu Qing, Jin Lijun, Xie Jinhua. Experimental Research for the effect refrigerant-oil mixture on the performance of automotive air-conditioning compressor[J].Fluid Machinery, 2004, 32(4):8-11.(in Chinese)

[12]王久生, 張昌, 陳祥林. 汽車空調的原理與維修[M]. 武漢: 武漢測繪科技大學出版社, 1990: 46-47.

Wang Jiusheng, Zhang Chang, Chen Xianglin. Principle and Maintenance of Automotive Air Conditioner[M]. Wuhan: Wuhan Technical University of Surveying and Mapping Press, 1990: 46-47.(in Chinese)

[13]馬國遠, 李紅旗. 旋轉壓縮機[M]. 北京: 機械工業出版社, 2001: 178-179.

Ma Guoyuan, Li Hongqi. Rotary Compressor[M]. Beijing: China Machine Press, 2001: 178-179.(in Chinese)

Experimental Research on Effects of Inclination Angle on Sliding-Vane Compressor Operating Characteristics

SUN Chen, XU Xianghua*, LIANG Xingang

(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:The application of compressor under microgravity is one of the key technologies of space vapor compression heat pump. Finding an appropriate candidate compressor that may have the potential for space application by testing its gravity direction effect and making improvement is one of the possible solutions. The sliding-vane compressor used on automobiles was investigated on its gravity direction dependence by experiments. The performance at various inclination angles were measured. The results demonstrated that the sliding-vane compressor could keep working smoothly in the cooling capacity range of 2000～3500 W and angle range of 0°～360°. but there was a decrease in the heat pump performance when the compressor inclination was changed from normal position to the upside down position. The evaporation temperature increased by 7.5℃ at most, and the maximum changes in the temperature difference between evaporation and condensation was 15% and maximum COP variation was 7.6%. The reason of performance reduction was due to the leakage of high pressure gas to the low pressure side through returning hole of lubricant. However, there was not obvious reduction in the mechanical efficiency of the compressor.

Key words:thermal control; vapor compression heat pump; microgravity; sliding-vane compressor

收稿日期：2015-05-11；修回日期：2016-03-15

基金項目：創新研究群體科學基金(51321002)

作者簡介：孫晨(1986-)，女，博士研究生，研究方向為空間熱泵系統。Email: 30007249@qq.com*通訊作者：徐向華(1976-)，男，副教授，研究方向為航天器熱控制與熱管理。Email：xxh@tsinghua.edu.cn

中圖分類號：TK121

文獻標識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0381-05