定转速涡旋压缩机的仿真性能参数研究

定转速涡旋压缩机的仿真性能参数研究

主要性能d.s.s.出口温度和气压下的饱和温度。h——比焓‚kJ/kgm˙r——质量流量‚g/sh——比焓‚kJ/kgm˙r——质量流量‚g/sP——压力,kPaS——吸气露点温度及吸气压力下的饱和温度℃SC——制冷系统过冷度,KSSH——压缩机吸气过热度,KW˙eW˙e——电功率,WX——待求压缩机性能参数,可表示质量流量、输入功率、电流、压缩机效率η——效率,%v——比容,m3/kg下标act——实际工况d——排气in——进口状态isen——等熵map——图表工况out——出口状态s——吸气1拟合系数近年来,“节能、环保、高效”已成为空调生产企业共同的产品设计要求。其中压缩机作为压缩式制冷系统的重要组成部件,对其运行性能进行仿真建模研究将有助于对整个产品性能的更快速准确的研究,尤其对新产品的开发将起到事半功倍的作用。目前,压缩机仿真中常用的方法有效率法、系数法及根据压缩机的具体结构尺寸进行拟合的结构法等。其中结构法能够反映出内部结构参数对压缩机性能的影响但较为复杂,适用于压缩机的开发工作;效率法需采用一些经验系数仿真精度有所降低;系数法的仿真精度高、运算速度快,但其缺点是系数的针对性强。通常空调生产企业只能得到压缩机的选型样本和软件,无法在程序中获得任一运行工况下压缩机的性能参数,这在一定程度上制约着企业对机组的仿真研究。此时可以可以直接利用压缩机性能曲线用最小二乘法加以回归,得到一定吸、排气压力及吸气过热度下的压缩机拟合系数,利用系数法进行仿真。本文从压缩机使用厂家对压缩机仿真的实际需求出发,对体积小、重量轻、容积效率及制冷量高的定转速涡旋压缩机进行了系数法仿真模型的建立,对实际吸气过热度下的质量流量和输入功率进行了修正,并通过NISTRefprop7.0物性计算软件在Matlab仿真程序中的调用顺利实现热物性与传输特性计算,为制冷系统的仿真研究奠定基础。2模拟模型的构建2.1缩机机的物理意义对于压缩机性能拟合多项式的形式并不唯一,常用的有二次方拟合公式和三次方拟合公式。ANSI/ARI标准540给出了用于拟合压缩机输入功率、质量流量、电流及压缩机效率的“三次方十系数”的拟合公式。该标准适用于电机驱动的固定载荷和可卸载压缩机性能拟合。标准中的系数只针对特定的压缩机机型,不具有普遍(物理)意义。但其能较为快速的获得被拟合压缩机的性能参数,具有系统仿真所需的计算精度。ANSI/ARI标准540给出的三次十系数拟合如式(1),同时给出了式(1)的适用工况范围及各工况下的标准吸、排气露点温度及压缩机回气温度。X=C1+C2·(S)+C3·D+C4·(S2)+C5·(S·D)+C6·(D2)+C7·(S3)+C8·(D·S2)+C9·(S·D2)+C10·(D3)(1)压缩机仿真研究范围(吸气露点温度在-23～12℃,排气露点温度在30～65℃)与ANSI/ARI标准540中空调工况(吸气露点温度在-23～13℃范围/排气露点温度在27～60℃)基本相符,图表工况吸气过热SSH=11.1℃,与540标准(18-7.2=10.8℃)基本相当可以使用该标准进行压缩机性能的拟合。另外,对于涡旋压缩机由于其吸气管路较短,可以近似认为壳体入口露点温度为压缩机的吸气露点温度。2.2拟合等式系数的获得拟合系数没有明确的物理意义,通常需要针对不同的压缩机型号进行大量的实验研究得出压缩机的性能曲线并对其进行回归处理才能获取,文献就是采用的试验研究的方法获得的拟合系数。所选用的压缩机品牌已对其压缩机性能已进行了大量的试验研究,并依据ARI540标准提供了不同型号的拟合等式系数,具体可通过该公司压缩机选型软件获得。采用系数法仿真的关键是要获得压缩机的质量流量和实际的输入功率以便方便下一步工作的开展,所以这里主要对某型号定转速全封闭涡旋压缩机进行这两项内容的系数法拟合,具体拟合系数如表1所示。2.3适用于医院中心的等熵效率和功率的修正表1所给的拟合系数是在吸气过热SSH=11.1℃,过冷度SC=8.3℃的图表工况下获得的。其中过冷度只影响制冷系统节流前的焓值进而影响机组冷量,对压缩机的质量流量和功率并无影响。吸气过热度的不同会导致压缩机吸气比容及压缩机等熵效率发生变化,直接影响压缩机的质量流量和输入功率,所以需要对压缩机的吸气过热度进行修正。这里采用文献的过热度修正方法进行修正,具体介绍如下。质量流量修正:m˙r,act=[1+Fv(vmapvact−1)]m˙r,map(2)m˙r,act=[1+Fv(vmapvact-1)]m˙r,map(2)功率修正:W˙e,act=(m˙r,actm˙r,map)(hout,isen,act−hin,acthout,isen,map−hin,map)W˙e,map(3)W˙e,act=(m˙r,actm˙r,map)(hout,isen,act-hin,acthout,isen,map-hin,map)W˙e,map(3)式(3)中,Fv=0.75。以上两式在文献原文中是对活塞压缩机气缸入口进行的吸气过热度修正,但该方法在涡旋压缩机壳体入口处吸气过热度修正中也得到大量的引用。其中,对实际功率的修正采用了压缩机出口的等熵焓代替了压缩机出口的实际焓进行焓差计算,本文认为这是一种考虑到实际工况和图表工况等熵效率变化较小而进行的一种近似计算,具体说明如下。如图1所示,由于等熵效率和功率的定义式分别如式(4)和式(5)所示。ηisen=W˙isenW˙e×100%(4)ηisen=W˙isenW˙e×100%(4)W˙=m˙Δh(5)W˙=m˙Δh(5)当吸、排气压力及吸气过热度一定时压缩机的质量流量不变,将式(5)代入式(4)中可得到:Δhact=Δhisen/ηisen(6)则(hout,act,act−hin,acthout,act,map−hin,map)=(hout,isen,act−hin,acthout,isen,map−hin,map)ηisen,mapηisen,act(7)则(hout,act,act-hin,acthout,act,map-hin,map)=(hout,isen,act-hin,acthout,isen,map-hin,map)ηisen,mapηisen,act(7)由于图表工况和实际SSH工况的效率差别较小,其比值接近与1,所以近似得到式(3)。另外,在本文所用的压缩机选型软件中限定了压缩机的最小吸气过热度为6℃,本软没有对其进行限制。其原因是对于满液式蒸发器或采用电子膨胀阀作为节流元件的系统其蒸发器出口的过热度通常只有1℃左右,此时压缩机的吸气过热也就在2℃左右,所以对吸气过热度SSH较低的工况也需要能够得到压缩机的运行性能。至于涡旋压缩机的安全运行问题通常是通过压缩机底部(油池位置)温度与吸气压力下饱和温度差值不小于12℃来判定的。2.4制冷剂物理模型的建立压缩机模型的输入参数为吸气露点温度、排气露点温度和压缩机吸气过热度,可计算输出质量流量、输入功率、等熵效率、排气焓及排气温度等参数。如图2所示,模型以NISTRefprop7.0软件作为制冷剂物性计算的基础,以吸气过热SSH=11.1℃,过冷度SC=8.3℃为标准工况,分别调用相应型号的压缩机拟和系数进行计算,最后对所得结果根据实际工况的吸气过热度加以修正。仿真模型具有针对性强、计算精度高、计算流程简单、运算速度快的特点。3基于matlab的模拟仿真Matlab是矩阵实验室(MatrixLaboratory)之意。该软件具备卓越的数值计算能力且操作简洁提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。同时,该软件可实现与FORTRAN和C等高级语言间的函数调用,能够实现NISTRefprop7.0物性计算软件的Matlab调用。基于Matlab软件的以上诸优点采用该软件建立了全封闭涡旋压缩机仿真模型。模型的建立不但充分考虑了压缩机模型自身逻辑的合理性与运算的简化性,同时兼顾了压缩机模型需要在制冷系统模型中方便地调用的特点,既为系统模型的建立奠定了基础,又使得Matlab软件方便灵活的计算特性得以发挥。这里主要对Matlab语言实现仿真过程中的几个关键点进行简单介绍。3.1matlab中的物权计算软件stNISTRefprop7.0是美国国家标准技术研究院(NIST)编制的物性计算软件,提供了包括纯工质、混合工质在内的诸多工质物性计算功能,该软件提供了用于Matlab调用的接口文件Property.dll文件,可方便的在Matlab中实现函数调用。3.2发挥简化的运算速度仿真模型的编写过程中有意识地运用了Matlab的矩阵运算这一特性,使得程序的编写简洁,运算速度大幅提升。其主要体现在不同型号压缩机的“十系数”的调用与计算;以及将压缩机模型作为子模进行调用,计算不同吸、排气露点温度等多个工况点下压缩机运行特性的仿真结果,并将结果以矩阵的形式保存在数据库中,可方便对压缩机性能的进一步分析。3.3压缩机模型的建立如果只针对某一个型号编写一个压缩机仿真程序,可不必考虑太多,只要按照第1节中的数学模型及图2所示的流程图编写即可。但如果面对的是很多个压缩机型号,同时又要在系统模型中多次的对压缩机模型进行调用计算,那就需要认真考虑一下如何方便调用子程的问题了。本文将压缩机模型编写为Matlab语言的一个M文件的函数,同时不同压缩机型号的对应系数存放在另一个可调用的函数中,这样既方便了调用,又使得各子程序功能化,为系统模型的搭建确立了很好的思路。通过Matlab的GUI设计功能编制了如图3所示的用户操作界面。如图3操作界面可以实现压缩机选型、参数输入、调用压缩机仿真主函数进行仿真计算并将结果在界面中输出,以及对压缩机是否在安全运行范围内运行的直观显示等功能。4模拟结果分析4.1排气温度对多果粉质量流量的影响由图4可见,在不同吸气过热度下对质量流量的仿真值与压缩机公司选型软件的实际结果十分接近。同时,随着质量流量的减小,吸气过热度对质量流量的影响在逐渐减弱。这里对于SSH分别为6、11.1、16℃时其最大误差值分别为0.02%、0.46%和0.8%,说明对质量流量的吸气过热度修正精度很高,满足系统仿真需求。4.2压缩机输入功率通过对输入功率的修正发现,原压缩机选型软件没有对其进行吸气过热度的修正。这里将修正后的仿真结果与选型软件SSH=11.1的图表工况结果进行了对比。如图5所示,对于SSH分别为6、11.1、16℃时其最大误差值分别为-0.29%、0.39%和1.03%。从修正后的结果来看输入功率受SSH的影响较小。通过对Copeland、Danfoss等涡旋压缩机厂家的选型软件选型发现,当只改变吸气过热度时,软件的输入功率并不改变,说明实际选型软件没有对压缩机输入功率进行吸气过热度的修正。压缩机的输入功率可在式(5)的基础上展开得到式(8)的形式。W˙act=(ηvVhVin)⋅(hout,isen−hmηisen)(8)W˙act=(ηvVhVin)⋅(hout,isen-hmηisen)(8)当吸气过热度SSH增大时,吸气比容vin增大导致质量流量减小,同时等熵效率减小和等熵焓差的增大又使得实际焓差上升,所以实际输入功率随吸气过热度的变化并不明显。图5的误差分析结果也定量的说明了这一点。4.3点温度。在做如图6所示,当吸气露点温度一定时,质量流量随排气露点温度的增大而略有降低。这是由于排气露点温度升高,压缩机压比增大,等熵效率降低,故冷剂循环量略有降低。随着吸气露点温度tss的增高,压比降低质量流量增大。4.4军压法确定合理的排气露点温度如图7所示吸气露点温度一定时,随着排气露点温度的升高,压比增大,压缩机输入功率上升。对于不同的吸气露点温度tss,随着其值的增大,压比降低,质量流量上升,导致所需功率增大。另外,通过图7还应注意压缩机随着吸、排气露点温度的增大其输入功率存在最大值,这就要求设计者需对压缩机是否有在该区域工作的可能性进行分析,并在电器配件设计上给予考虑。5冷系统的仿真需求通过采用ANSI/ARI标准540提供的“三次方十系数”法实