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    準等溫壓縮技術在轉子式壓縮機上的應用

    作者:admin來源:本網 日期:2017-11-16 13:31:26 人氣: 標簽:

      氣體壓縮過程的熱力學路徑比較理想制冷循環中,一般將壓縮過程視為等熵過程。由工程熱力學知識可知,工質作等熵壓縮所消耗的功率最大,等溫壓縮所消耗的功率最小,多變壓縮(<<消耗功率介于兩者之間,如圖i所示。可見,從節省壓縮機能耗角度考慮,最好的方案是采用等溫壓縮。等溫壓縮的實現,可以有效降低壓縮機輸入功率、抑制排氣溫度過高,進而降低制冷系統的冷凝負荷。

      1等溫壓縮技術1.1熱力學實現理論上,對制冷壓縮機中氣態制冷劑直接進行等溫壓縮,會使制冷劑狀態進入液相區,即出現“濕壓縮”現象,這是不允許的,實際物理過程也無法實現。只能設法通過降低壓縮機整機及其部件的溫度最大程度地降低壓縮腔內制冷劑溫度,從而獲得與等溫壓縮過程近似的效果。

      本質上,對于壓縮機高溫部件的冷卻處理,是利用熱量管理手段實現能量的優化利用。對制冷劑壓縮過程進行冷卻處理,可從以下方面展開:1)在壓縮過程中移去制冷劑攜帶的熱量,減小壓縮功,提高整機效率;)移去排氣中的熱量,減小熱量向吸氣的熱傳遞;3)冷卻電機或殼體,提高電機效率,同時減少向吸氣的熱傳遞。

      1.2等熵-等溫壓縮與等熵壓縮過程耗功對比按通常吸氣狀態對壓縮機中的制冷工質進行等溫壓縮,極有可能在到達排氣壓力前便開始出現液滴,不具可行性。若能找到一種壓縮方法,既讓壓縮后工質的溫度變化不大,又不會在壓縮過程中出現液滴,此時壓縮消耗的功率比等熵壓縮要小。理論上可采用先等熵、再等溫的壓縮路徑,即先將制冷劑從吸氣狀態等熵壓縮到中間狀態,再從中間狀態等溫壓縮到終了狀態。

      以下定量分析等熵等溫壓縮過程(將壓縮過程拐點假定為制冷循環的冷凝溫度)和等熵壓縮過程的功耗情況,理論驗證等溫壓縮的技術意義。

      表1標準工況參數工況參數吸氣排氣蒸發壓力九/壓力Ai/溫度/MPaMPaC冷凝溫度吸氣溫度閥前溫度數值如所示,等熵壓縮過程在圖上可表示為1一V―2,其壓縮功相當于1一2―5一6一1區域所包圍的面積;先等熵再等溫壓縮過程在圖上可表示為1一1'一2',其壓縮功相當于1一2'―5―6―1區域所包圍的面積,相對于等熵壓縮過程,其耗功節省V―2―2'一V區域所包圍的面積。

      行表1工況下上述2種壓縮路徑耗功量計算(以下為R22系統計算過程):等熵-等溫壓縮過程示功圖及壓-焓圖過程總功耗等于1一1等熵過程的功耗與1一2'等溫過程的功耗之和。通過確定1和1狀態參數,得出1一1等熵壓縮過程消耗功(k/kg)一2一5―7一1區域所包圍的面積,采用差分法進行計算。可以確定:九一2.146MPa,和一0.915MPa,將其差分成10個等份,則每個壓力步長為0.123MPa.1一2'過程的曲線為等溫線,可根據壓力和溫度求出每個步長對應點的比容,再依次積分,即可求得〗1,〗3,〗10的面積,如所示。計算結果如下12.77k/kg,+,++,0=9.34k/kg.可得,該等熵――等溫壓縮過程總消耗功(k/kg):u1 =10.6+12.77+9.3432.71.可見,若使得制冷壓縮機壓縮過程(部分階段)維持在等溫過程,對節省壓縮機功耗具有表2標準工況下不同壓縮過程的耗功比較制冷劑等熵――等溫壓縮過程等熵壓縮消節省率/ 2準等溫壓縮冷卻方案實現滾動轉子式壓縮機運行過程中,曲軸轉速非常快,壓縮氣體生成熱很難及時排除,壓縮過程接近絕熱過程。要將熱量迅速排除,實現實際壓縮過程等溫化,有必要采用相應的冷卻方案。

      以下對滾動轉子式壓縮機典型結構進行分析,依據壓縮機內制冷劑氣體壓縮流程,從汽缸內熱量移出、缸外電機部件冷卻2個關鍵環節進行準等溫壓縮技術的應用探討。

      1汽缸冷卻基于等溫壓縮理論,對壓縮機制冷劑氣體的壓縮載體汽缸進行降溫冷卻,是提升性能和效率的有效途徑之一;排氣溫度降低、排氣密度提高,排氣閥、消聲器及排氣管道中的制冷劑氣體流速和壓損也會相應減小。但汽缸冷卻的實施難點在于:由于壓縮速度極快,相對吸氣過程,壓縮過程可用于熱交換的時間非常短;同時移出過多的熱量有使制冷劑在壓縮過程中冷凝的危險,可能會導致閥片、摩擦副承受過高壓力而失效。

      按技術實施方式劃分,汽缸冷卻可分為直接冷卻和間接冷卻2種方式。直接冷卻是在汽缸腔體內注入低溫流體與制冷劑直接接觸的熱交換;間接冷卻是通過冷卻汽缸壁面,借助汽缸壁內外側的熱傳導冷卻汽缸內的制冷劑。

      2.1.1直接冷卻一類常用的直接冷卻方案是直接向吸氣流注入冷凍機油。吸氣和壓縮過程中的制冷劑高湍氣流會將冷凍機油強制分散,使其與制冷劑間有充分的面積進行熱交換,有效吸收壓縮過程中產生的熱量。由于冷凍機油的比熱容遠高于制冷劑氣體的比熱容,其吸收熱量后不會出現明顯溫升。另一方面,壓縮過程中的熱量吸收雖有助于減少制冷劑的壓縮功,但冷凍機油在壓縮過程中會不可避免地消耗部分功。關于冷凍機油這類不可壓縮流體的壓縮耗功具體量化數據有待做進步理論和試驗研究。理論評估時可假定冷凍機油密度恒定。不可壓縮流體的壓縮耗功可用下式表示:此外,建議對汽缸吸排氣通道做深入詳細的CFD研究,確認由冷凍機油注入可能帶來的制冷劑氣流的壓力損失;同時針對轉子式壓縮機的排氣閥片做補強設計的。

      節流降溫后的液態制冷劑進入壓縮機的引流部分,參與汽缸內的制冷劑壓縮過程,需要消耗壓縮機的部分功率,但通過對引流節流裝置流量和管徑的控制,引流制冷劑的壓縮耗功相對于制冷劑近等溫壓縮過程節省的功要少得多。總之,通過對引流制冷劑進行參數控制,可以有效減小壓縮機的能耗,使制冷劑的壓縮過程達到與等溫壓縮過程相近的效果,并降低制冷劑排氣溫度。

      電機部件冷卻在室溫下,銅的電阻變化率為0.而歐姆損失是電阻與電流平方的乘積,降低電機繞線溫度將有效減小電機電阻,有利于電機效率1.曲軸;。上缸蓋;。螺栓;a.上活塞;b.下活塞;。下缸蓋;。下汽缸;。1.下吸氣口;。2.下換熱槽;。3.下螺栓孔;6.4.下排氣口;。5.下汽缸工藝孔;。中間板;。1.聯通孔;。2和7.3.中間板螺栓位置孔;8.上汽缸;。2.上換熱槽;。殼體;0.引流管;1.下葉片;2.上吸氣管;3下吸氣管。

      具有汽缸冷卻功能的雙轉子制冷壓縮機結構示意圖的提高。冷卻電機的種方法是,將電機充分浸入冷凍機油,并將油泵到外部的油冷卻循環進行降溫。而當前的滾動轉子式壓縮機為高背壓結構,電機位于泵體之上,利用冷凍機油實現電機冷卻是值得設計人員深入探討的重要課題。

      3結束語探討制冷壓縮機工作過程中階段性等溫壓縮的節能意義,并基于準等溫壓縮理論,以滾動轉子式壓縮機為對象,分別探討壓縮機的汽缸部和電機部的冷卻方案:汽缸部冷卻。缸內冷卻方案,由于壓縮過程迅速,直接冷卻汽缸效果并不明顯,向吸氣流中注入冷凍機油或低溫制冷劑,通過直接的熱交換可充分冷卻制冷劑;缸外冷卻方案,在缸體上開設引流槽,直接引入制冷系統中的外部低溫液體制冷劑作為冷源,實施缸體冷卻。

      電機冷卻:油冷是重點關注的技術方案,由于受限于轉子式壓縮機的既有結構,其可行性有待進一步的實驗與理論研究。

      總之,通過轉子式壓縮機汽缸部和電機部等各功能段的熱量管理,使得壓縮機內氣體壓縮過程向等溫路徑逼近,有效降低輸入功率消耗和控制制冷劑的排氣溫度。準等溫壓縮技術對于轉子式壓縮機的結構設計與優化具有重要的指導意義。

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