滚动转子式压缩机的控制容积与质量控制

滚动转子式压缩机的控制容积与质量控制

1滚动式压缩机应用研究作为一种常见的房间空调，动态旋转压缩机具有高效的体积和高贵的往复式压缩机，并且具有较高的信噪比。复转器的数量少，振动小，不需要内部支撑弹簧，零件少等优点。因此,目前在国内外,滚动转子式压缩机已替代往复压缩机而广泛应用于冰箱、空调及小型商用制冷设备中。由于滚动转子式压缩机的内部工作过程十分复杂,借助计算机技术对其工作过程进行模拟已经成为人们的主要研究方法。本文分析了压缩机气缸内部的有关现象或热力过程(如节流、泄漏等),建立了气缸内热力学模型,为计算机数值模拟压缩机内部的工作过程提供了方便。2烟气内部回收特性分析滚功转子式压缩机的结构如图1所示。在圆筒形的气缸内,偏心配置一圆柱形滚动转子,并与气缸圆柱面相切,形成一月牙形空间。安装在气缸体上的滑片,在弹簧力的作用下使其一端始终保持与转子相接触,将月牙形空间分成两个互不相通的空间,与吸气孔口连通的为吸气腔,与排气孔口连通的为压缩排气腔,简称为压缩腔。当偏心轴在电机的带动下连续转动时,转子在气缸中回转,吸气腔和压缩腔的容积周期性变化,从而实现吸气、压缩、排气和余隙膨胀的过程。由于结构上的原因,在气缸中还有一块转子没有扫过的余隙容积,即压缩腔与排气管之间的通道,称为余隙腔。在整个工作过程中,余隙腔容积是固定不变的。滚动转子式压缩机与往复压缩机的不同之处在于,电机的旋转运动不需转化为活塞的往复运动,而直接进行旋转压缩,故它可以运行在较高的转速下。此外,它没有吸气阀,可以进行连续吸气。为了便于更准确地模拟计算滚动转子式压缩机的内部热力过程,将气缸内部分为3个控制容积,即吸气腔、压缩腔和余隙腔,如图2。并根据工作腔与周围容积的质量交换情况,整个工作过程放在周期为2π的循环中来考察,将其分为8个不同的阶段,取滑片位于气缸槽最上端时作为循环的起点。第1阶段,0≤θ≤θv1,上一循环的吸气腔转变为本次循环的压缩腔,并且只存在压缩腔和余隙腔,吸气腔尚未形成,余隙腔的高压气体通过压缩腔向吸气管回流,使得还未封闭的压缩腔压力升高,略高于吸气压力。第2阶段,θv1≤θ≤θs1,吸气腔开始形成但未与吸气口相通,为封闭容积,内部的工质的主要来源是泄漏。在这个阶段中,压缩腔与吸气口、余隙腔连通。余隙腔的高压气体向压缩腔回流,压缩腔的容积不断减少,使得压缩腔内的压力升高,并通过吸气口向吸气管回流。第3阶段,θs1≤θ≤θs2,吸气腔开始直接从吸气管吸气,吸气口处存在严重的吸气节流现象,使得吸气腔吸气不足,腔内压力下降。压缩腔仍与吸气口、余隙腔连通,其内压力有所升高,继续回流。第4阶段,θs2≤θ≤θc,吸气腔完全与吸气口相通,开始从吸气管大量吸气,腔内压力上升至正常的吸气压力。压缩腔封闭,开始压缩。压缩腔与余隙腔有质量交换,以保持两腔压力近似相等。θc为开始排气角。第5阶段,θc≤θ≤θd1,吸气腔继续从吸气管吸气。此时,余隙腔内的气体压力足以克服排气阀阻力损失,开始排气。压缩腔的气体克服流动阻力进入余隙腔,以保持连续排气。第6阶段,θd1≤θ≤θd2,余隙腔同时与吸气腔、压缩腔连通。在此过程之初,压缩腔的气体进入余隙腔,余隙腔有气体回流进入吸气腔;过程后期,有可能出现压缩腔压力低于余隙腔压力的情况。泄漏是影响它的主要因素,压缩腔压力下降,余隙腔内的工质同时向两腔回流。第7阶段,θd2≤θ≤θv2,压缩腔成为封闭容积,泄漏是它与外界质量交换的唯一通道。余隙腔与吸气腔完全连通,余隙腔内气体膨胀大量回流。第8阶段,θv2≤θ≤2π,压缩腔消失,余隙腔内的气体继续向吸气腔回流。此时吸气腔容积达到最大。以上过程,各个控制体与其边界均有热量交换,各泄漏通道也同时有泄漏现象发生。3压缩机内部模型压缩机内部工作过程可由各控制体的容积变化来描述。但由于过程的复杂性,在建立该过程的数学模型时,有必要根据工程实际和研究的重点采取一些简化的假设。(1)各控制体内部状态参数相同,并忽略气体的位能和动能;(2)不考虑压缩机吸排气压力脉动,吸气压力为标准工况下蒸发器的工作压力,排气压力为冷凝器的工作压力;(3)稳定运行时润滑油的压力和温度保持恒定,并忽略油滴在各工作腔内的体积;(4)通过吸排气孔口的流动在每一个微小时间段内为稳定。另外,在以下的模型中,同时考虑的因素还有:进排气过程的质量交换;压缩机内部工质及润滑油的泄漏;控制体与边界的热量交换;残余气体的再膨胀;吸气加热损失等。3.1dmij—连续性方程根据质量守恒,控制体内质量的变化就是流入控制体内的质量流率及流出控制体的质量流率之差。即dmi=∑dmij(1)式中i——控制体,i=1,2,3,分别代表吸气腔、压缩腔、余隙腔j——控制容积质量交换的通道dmij——进入或流出控制体的质量符号的规定:加入控制容积内气体的能量为正,带出的能量为负;进入控制体的气体质量为正,流出控制体的气体质量为负,以下各式的符号相同。3.2控制容积基本方程由热力学第一定律,在dt时间内,控制容积内的气体内能的变化为d(mu)=∑d(mjhj)+∑dQj+dW(2)式中u——控制容积内工质比内能Qj——边界或通道j传给控制体的热量,控制容积向外散热取负值W——外界对控制容积做功,控制容积向外做功取负值,气腔与外界只存在容积变化功的交换将dW=-pdV代入u=h-pv中,其中v=V/m,将式(2)两边同时对曲轴转角微分,并冠以下标i=1,2,3来代表3个控制容积,并带入主轴运动方程θ=ωt,假设曲轴转速不随负载变化,dθ=ωdt通过推导可以得出dTidθ=[1vi(∂hi∂v)T−(∂pi∂v)T]dvidθ−1Vi∑[dmijdθ(hij−hi)]−1Vi∑dQijdθ(∂pi∂T)v−1vi(∂hi∂T)v(3)或以压力为自变量dpidθ=1vi⎡⎣⎢⎢⎢(∂hi∂v)T−(∂hi∂T)v⋅(∂pi∂v)T(∂pi∂T)v⎤⎦⎥⎥⎥dvidθ−1Vi∑[dmijdθ(hij−hi)]−1Vi∑dQijdθ1−1v(∂hi∂T)v(∂pi∂T)v(4)式中(dvidθ)=1midVidθ−Vim2idmidθ(5)控制容积连续性方程和能量方程应用于吸气腔、排气腔和余隙腔时,式中的V和dVdθ为所研究的控制体的容积及容积变化率;dmi为吸气腔、排气腔和余隙腔之间以及它们与吸气管和排气管的质量交换;dQi为吸气腔和排气腔气缸壁面的传热量。3.3制冷剂气体导热系数kt的计算为了求解控制容积内的状态参数,还需要工质的状态方程。由于滚动转子压缩机采用氟利昂制冷剂,所以选用马丁—侯(Martin-Hou)方程,它对于空调器用压缩机热力参数的变化范围内有较高的准确性,其基本方程式如下P=RTv−b0+A2+B2T+C2e−KT/Tc(v−b0)2+A3+B3T+C3e−KT/Tc(v−b0)3+A4+B4T+C4e−KT/Tc(v−b0)4+A5+B5T+C5e−KT/Tc(v−b0)5+A6+B6T+C6e−KT/Tceαv(1+c′eαv)(6)计算表明,式(6)中第6项的数值很小,对于工程计算来说可以忽略。另外,制冷剂气体的粘性、导热系数等物性数据可以从文献中选取。由连续性方程(1)、能量方程(3)或(4)以及状态方程(6)组成了滚动转子压缩机气缸内控制容积的热力学基本方程组,利用四阶龙格库