C02双杆压缩膨胀机在热泵空调中的应用.doc

C02双杆压缩膨胀机在热泵空调中的应用摘要：CO2跨临界循环采用膨胀机比常规循环更具有可行性，CO2跨临界循环的容积膨胀比为24，是常规工质的1/10，因收的膨胀功约占压缩功的20%30%，有很大的实际意义。最简单的结构是将压缩机和膨胀机设计成同轴，两者具有相似结构（有活塞式、转子式或螺杆式等）。对于小型压缩机，还可以做成全封闭式以解决工质泄漏问题。1、前言目前CO2跨临界循环的推广应用所面临的最大困难是其效率较低。Brown等在作了CO2（R744）与R134a 汽车空调系统的对比研究后，指出虽然C02作为自然工质没有直接影响环境，但是由于其效率低于R134a汽车空调系统，所造成的由于消耗燃料而引起的间接全球变暖效应高于R134a，所以总的全球变暖效应较高1。虽然很多学者对CO2跨临界循环在压缩机、蒸发器、气体冷却器等方面进行了研究和改进，并且采用了回热器以提高系统效率，但效果并不明显。这是因为C02跨临界循环系统，由于压差的增大使得节流损失明显高于常规制冷循环。Hwang对CO2跨临界循环热泵系统的分析结果显示，膨胀阀的节流损失所占比例最大（高达37.2%）2。所以如何降低系统损失是目前重要的研究方向。Lorentzen首先提出了使用膨胀机回收膨胀功的方法3。如果采用全流膨胀机代替节流阀，系统效率会有很大提高。首先这种系统因接近理想卡诺循环，理论上元节流损失，其COP值比常规循环高。用全流膨胀机代替节流阀的思路在常规循环中也有理论意义，但由于特大的容积膨胀比（2040），回收的膨胀功仅为压缩功的5%10%，膨胀机的设计很困难。CO2跨临界循环采用膨胀机比常规循环更具有可行性，CO2跨临界循环的容积膨胀比为24，是常规工质的1/10，因收的膨胀功约占压缩功的20%30%，有很大的实际意义。最简单的结构是将压缩机和膨胀机设计成同轴，两者具有相似结构（有活塞式、转子式或螺杆式等）。对于小型压缩机，还可以做成全封闭式以解决工质泄漏问题。2、双螺杆膨胀机的特点 在CO2跨临界制冷循环中，冷凝侧压力在临界点以上，故工质为超流体状态，其密度与液体的密度相似，但粘度要比液体小得多，流动性好。根据超流体的物理特性，理想的CO2膨胀机应具有：（1）耐高压；（2）效率高；（3）运行稳定、可靠，体积小，便于应用在民用或车用空调；（4）良好的密封性能。目前的膨胀机中，螺杆机是最理想的选择。螺杆膨胀机可以较好地处理两相流，而且带液膨胀可以改善转子之间密封从而降低了流体的流动损失。同时由于无不平衡的质量力，可使螺杆机能平稳、无振动地运转，实现较高的转速，便于安装在移动装置中。此外，螺杆膨胀机可通过滑阀在10%100%之间进行元级低损失能量调节，能适应多种工况要求。在加工工艺方面，螺杆压缩机现行的喷油（液）过程，实际已经是两相条件，其加工技术为提高转子、气缸等主要部件的强度、韧性提供了良好的借鉴经验，使其能够长期工作在两相工况下。因此螺杆膨胀机能够满足CO2跨临界循环的要求，在现有产品基础上进行设计、改造，如提高耐压能力、改善密封效果等，使其更好地满足需要。采用汽液两相螺杆膨胀机取代节流阔，可明显提高系统的性能系数COP，具有广阔的实际应用前景4。同透平膨胀机和活塞膨胀机相比，螺杆膨胀机具有如下特点：（1）效率高、成本低；（2）靠间隙密封，对进气为超流体的CO2有良好的适应性；（3）不会发生喘振；（4）能进行重负荷启动；（5）油封效果好，寿命长4。3、双螺杆压缩膨胀机的受力分析 传统工质中使用的螺杆压缩机的排气压力上限为8.5MPa，进排气间的压力差为3.5MPa。以CO2作为工质的跨临界循环系统的运行压力均超过这个范围。为了更好地将螺杆压缩机应用在CO2跨临界循环系统中，同时也为了提高系统的循环效率，将螺杆式膨胀机和螺杆式压缩机做成同轴一体，其结构原理如图1所示。图1：双螺杆压缩膨胀机结构示意螺杆压缩膨胀机系高速旋转机械，稳定运转时，可以认为其阴阳转子均处于所有外力及其力矩的平衡状态之下。作用在转子上的力主要有轴向力和径向力5。作用在转子上的轴向力Fa主要由气体压力产生，其中包括气体压力作用于转子螺旋齿面上所产生的轴向分力Fgad，以及气体压力作用于转子排气 和吸气端面上所产生的轴向力Fgas和Fgad。计算公式如下：Fa = Fgaa + Fgas + Fgad （1）Fgas = Ps（Aa - Ab） （2-1）Aa = /4D2 zA0 （2-2）Ab =/4d2 （2-3）Fgad = 1/4（Ps + Pd）（Aa - Ab）+ 1/2Ps（Aa - Ab） （3）Fgaa = Fgasi = piSi （4）式中Aa一一转子端面面积；Ab一一端面处的轴径面积；D一一转子外直径；z一一转子齿数；A0一一转子齿间面积；d一一转子端面处的轴径直径；Ps一一吸气压力；Pd一一排气压力；Pi一-第i个齿间容积接触线两侧的气体压力差；Si一一相应的接触槽段上，槽底螺旋线上下高压力区齿面在端面上投影面积之差。作用于转子上的径向力Fr主要有斜齿轮产生的径向分力Fger和气体压力作用于齿面的径向分力Fgar。计算公式如下：Fr = Fgcr + Fgar （5）Fgcr = 954520（P/n）（2/dt）（tanon/cos0） （6）Fgar = Fgari = ABlpi （7）式中on一一齿廓压力角，rad；0螺旋角；P一一功率，kW；n一一转速，r/min；AB槽的前后齿顶弦宽； 一一计算所取的小槽段轴向长度。图2：膨胀机受力示意图3：压缩机受力示意为了更好地说明双螺杆压缩膨胀机的优势，选择系统的容积流量为2.75m3/min，压缩机吸气压力为3.5Mpa，排气压力为10MPa的系统来分析压缩机和膨胀机的受力情况。Nikola等采用双螺杆机械设计程序6，得到系统需要采用的压缩机和膨胀机的直径均为102mm，压缩机的长径比为1.5，由于膨胀机的进出口状态点和压缩机的不同，故膨胀机的长径比为1.1。根据螺杆的受力情况，Nikola等分别给出了膨胀机和压缩机的受力情况（如图2，3所示）6。当将膨胀机和压缩机做成同轴，并且按照图1所示布置压缩机和膨胀机的进出口，则其受力情况如图4所示。 图4 压缩膨胀机的受力示意从图4可以看出，将压缩机和膨胀机做成同轴，高压侧在中间，低压侧在两端。这样轴向力可以忽略不计，压缩机一端的径向力为101.4k，膨胀机一端为117k。由此可见，将压缩机和膨胀机做成同轴，可以更好地克服压缩机和膨胀机单独使用时的轴向力，这样就很好地解决了CO2系统采用螺杆机械轴承负荷的问题。 4、C02热泵空调冬夏转换控制分析图5 夏季工况系统流程示意图6：冬季工况系统流程示意C02双螺杆压缩膨胀机应用于制冷系统和热泵系统的流程如图5，6所示，由于膨胀机和压缩机的进出口状态点不同，故膨胀机和压缩机的长度不同。从图5和图6中可以看出，两个系统在进行冬夏季转换工程中没有使用四通阀，这正是双螺杆压缩膨胀机应用于CO2热泵空调系统的优势所在。为了实现图5，6所示的系统流程，在电动机转向不变的情况下，膨胀机和压缩机的吸气口和排气口要进行转换。其主要部件在图5和图6所示的控制体。控制体不仅仅依靠电磁铁的吸合，其充分利用高压CO2气体。该系统的控制原理如图7所示。为了更好地实现冬夏季转换的进排气控制，采用电磁阀控制管路引导CO2气体来推动滑块实现进排气口的转换，该技术天津大学已经申报了国家专利。以热泵工况下压缩机进气口为例。图7示出了控制体内部结构，其一端和压缩机的进气口连接，另一端和压缩机的排气口连接。图7：进排气口转换控制原理示意其中图7（a）所示为冬季热泵工况压缩机人口制冷剂流动方向，此时电磁阀1关闭，电磁阀2打开，CO2气体通过旁通管路推动滑块左移，滑块右侧通孔和管路连通，进气如图中箭头所示；当工况转换到夏季制冷时，压缩机的进气口要转换成排气口，且与压缩机的排气口相连，如图7（b）所示，此时，电磁阅2关闭，电磁阀1打开，CO2气体通过旁通管路推动滑块右移，左侧的通孔和管路连通，排气如图中箭头所示。这样，通过电磁阀1，2的通断即可实现进排气口的转换，避免了四通阀进行工况转换过程中存在的热短路问题以及CO2高低压之间的泄漏问题，为CO2双螺杆压缩膨胀机的应用提供了更好的支持。5、结论 （1）由于CO2跨临界循环系统压比较小，压差较大，用膨胀机代替节流阀可以回收膨胀功来提高系统效率；（2）分析了CO2双螺杆压缩膨胀机的优势，以及膨胀机和压缩机同轴连接的受力情况，通过分析可以看出，将膨胀机和压缩机做成同轴可以很好地抵消轴向力；（3）新型的压缩膨胀机进排气装置可以很好地实现CO2热泵空调系统的冬夏季转换，CO2双螺杆压缩膨胀机自身的进排气调节可以取代热泵空调系统中的四通阀，减少了四通阔的热短路效应和高低压间的泄漏，为CO2双螺杆压缩膨胀机在热泵空调系统中的应用提供了理论依据和技术支持。参考文献：1Bmwn J S,Yana-Matta S F ,Domanski P A. Comparitive analysis of an automotive air conditioning systems operationg with CO2 and R134a J.Intermtional Jouma1 of Refrigeration,2002,25：19-32.2Hwang Y. Comprehesive investigation of carbon dioxide refrigeration cycle D. dissertation, University of Maryland, 1996 3Lorenzen G . Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant J.International Journal og refrigeration , 1994,17(5)：292-3014杨金焕，夏葵，等。两相螺杆膨胀机的发展及其在制冷系统中的应用J.制冷,2003,22(1)：23-27。5刑子文.螺杆压缩机一一理论、设计及应用M。机械工业出版社，2000.133-142.6Nikola Stosic, Ian K Smith , Ahmed Kovacevic . A twin screw combined compressor and ecpander