基于热动力学的摆动活塞式空气压缩机数学模型的建立.pdf

2 0 1 0 年6 月 第2 7 卷第3 期 沈阳航空工业学院学报 J o u r n a lo fS h e n y a n gI n s t i t u t eo fA e r o n a u t i c a lE n g i n e e r i n g J u n 2 0 1 0 V 0 1 2 7N o 3 文章编号：1 0 0 7 1 3 8 5 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 6 5 0 3 基于热动力学的摆动活塞式空气压缩机 数学模型的建立 吴黎艳1陈耀东1宋兆华2 ( 1 沈阳航达机载设备公司，辽宁沈阳1 1 0 0 3 4 ；2 海军驻沈阳地区航空军事代表室，辽宁沈阳1 1 0 0 3 4 ) 摘要：为了能够使仿真技术更好地应用于制冷空调系统的优化设计，以热动力学为基础，研究 了摆动活塞式空气压缩机的动态特性，将压缩机进、排气流道作为制冷系统的一个环节，建立数 学模型。针对数学模型进行计算方法的探讨，并编制程序，实施动态仿真，得出动态过程表示在P y 图上，其研究思路为改进压缩机性能提供良好的参考依据。 关键词：摆动活塞式空气压缩机；热动力学；数学模型；动态仿真 中图分类号：T P 3 9 1 7 2文献标识码：A 如何利用现代科学技术，在较短的周期和较 低的成本下，设计和生产出性能优良的制冷空调 装置，近十年来一直是制冷空调技术研究领域内 的研究热点。计算机动态仿真和自动控制技术的 研究、发展和应用就是当代科学技术发展的一个 重要特征。而对压缩机动态特性的研究，有利于 整个制冷系统数学模型的建立、系统的匹配和优 化控制。 建立压缩机的数学模型可回答压缩机在设计 阶段发生的许多问题，减少以致避免昂贵而费时 的样机和试验，避免不合理的结构，使系统设计及 早优化；扩大了分析范围，可用数学模型检验实际 试验不能实现的工况；减少试验研究时必须的环 境条件与设备消耗；计算机仿真可以排除实验中 不可排除的附加影响；为预测压缩机的性能，根据 所建立的模型，可预测出实际试验结果，借助于仿 真块模型，在实际机器上所得到数据，可推广转换 到其他机器上去；可以从制冷装置动态仿真结果 中，看压缩机性能参数对制冷装置总体性能的影 响，有助于压缩机的正确选型。 1 模型简化假设 压缩机的实际工作工程和理论工作过程并不 相同。为了建立摆动活塞式空气压缩机的物理模 型，需要进行一些简化假设，并忽略次要因素的影 收稿日期：2 0 1 0 0 4 0 6 作者简介：吴黎艳( 1 9 7 6 一) ，女。江两丰城人，T 程师，主要研究方 向：飞机地面保障设备的设计和开发，E l l l a i l ；w u l i y a n 0 5 1 9 s o - h u C O m o 响。 ( 1 ) 在压缩机的理论工作过程中，理论上压 缩机气缸内不存在余隙容积，气缸容积能全部被 利用； ( 2 ) 制冷剂蒸汽的吸人和排出时没有流动损 失； ( 3 ) 制冷剂蒸汽与气缸壁等零件接触时没有 热交换； ( 4 ) 工作过程中运动机构没有摩擦，而且制 冷剂气体没有泄漏现象。 2 摆动活塞式空气压缩机数学模型 以气缸、摆动活塞和吸、排气阀为边界，建立 控制体，如图1 所示。 p d y 图l摆动活塞式空气压缩机物理模型 能量守恒方程 d ( m u ) = d Q - p d V + d E( 1 ) 万方数据 沈阳航空工业学院学报第2 7 卷 一d m P p D 代人式( 1 ) ，化简得 吸气过程： m d u = a Q - p d V + ( h ，一u ) d m 压缩过程：m d u = d Q - p d V 排气过程：m d u = d Q p d V + p V d m 再膨胀过程：m d u = d Q p d V 由上述方程和辅助方程( 状态方程) 工( T ，P ，y ) = 0 ， 五( 丁，V ，h ) = 0 ， 五( r ，y ，l ) = 0 ， 解出气缸内制冷剂的质量m 和比内能拓。然 后通过公式h = u + p V 决定过程比焓的变化。 上述方程中的各d y ，d Q 和d m 项都要予以确 定。 ( 1 ) 气缸内气体体积的变化率d V d t 。 图2 气缸几何关系图 由图2 可得 警= 扣跏岫印+ 离镒) 其中输气系数A = 恐儿 ( 2 ) 气缸内的传热量d Q d t 警= 正a ( 成例d L 4 尽管气缸壁温三维不均匀分布，然而从系统 角度考察，上述过程过于复杂，简化得 警= 口A ( 卢。一届) ( 3 ) 通过气阀的质量流量d m d t i d m = 口A 蕊可y 上述式中h 。、h ：分别是气阀前后气体的比 焓，a 为换热系数，A 为表面积。 3 计算方法 ( 1 ) 假定初始条件。在压缩机动态仿真模型 中，制冷剂气体的压缩运输环节的时间常数与压 缩机转速直接相关，近似为摆动活塞每一个运动 周期所需要的时间( 例如，对于5 0 H z 的转速，时 间常数约为0 0 2 s ) ，它远小于制冷系统压力变化 过程的时间，视为无变化。对于制冷装置来讲，摆 动活塞在一个运转周期中的流量的变化，是一个 频率过高的信号，可以取每个周期的平均值来滤 掉该高频信号。因此。压缩机进出口状态对于压 缩机流量的影响没有时间延迟，计算模型仍采用 稳态模型。这样就可以在当前假定初始条件下进 行一次循环，循环结束时得到的便是下一次循环 的初始值。如果该值与真实值接近，则可视作初 始条件。 ( 2 ) 解微分方程。通过解微分方程组来保证 必要的精度。计算时调用预先编好的子程序，如 遇不能直接求得的参数则使用牛顿迭代法来求 解。计算流程图如图3 所示。 4 仿真结果 某型摆动活塞式空气压缩机的额定排气量为 3 5 m 3 m i n ，主轴转速为9 6 0 r r a i n ，排气压力为0 2 0 0 1mP a 。将其压缩环节作为一个仿真对象进 行数学仿真，其结果用P V 图表示如图4 所示。 其中虚线表示理论工作过程，实线表示实际仿真 结果。 5 结论 ( 1 ) 建立了摆动活塞式空气压缩机进、排气 流道的数学模型，为制冷系统的仿真和计算机控 制提供了有利条件。 万方数据 第3 期吴黎艳等：基于热动力学的摆动活塞式空气压缩机数学模型的建立 6 7 图3 压缩机计算流程图 ，、0 2 墨0 1 8 暑 一0 1 6 4 0 14 0 1 2 0 1 0 0 8 0 0 6 0 0 4 O 0 2 05 1 01 5 2 0 2 j ：，0 3 5 V ( a 3 n i a ) 图4 压缩环节的P V 图 ( 2 ) 编制了所建数学模型的程序，并进行动 态仿真，将仿真结果在P V 图上表示出来。展 示了压缩环节输入参数和输出参数之间的关系， 为改进压缩机实际工作性能提供了良好的动态数 据，对生产实践中可能出现的变工况分析更为有 用。 参考文献： 1 沈幼庭热力系统及设备最优化 M 北京：机械工业出版社， 1 9 8 8 2 谢洁飞，邹家柱无油润滑压缩机动态虚拟设计 J 压缩机 技术，2 0 0 4 ( 3 ) ：9 1 2 【3 G e n t r y ，C C ，R o d b a m e h e a te x c h a n g e r t e c h n o l o g y 【J C h e m i e a lE n g i n e e r i n gP r o g r e s s ，1 9 9 0 。8 6 ( 7 ) ：4 8 5 6 4 朱圣东无油润滑压缩机 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 0 5 郁永章容积式压缩机技术手册 M 北京：机械1 = 业出版社， 2 0 0 0 6 王庆，张以都，景武基于仿真的机械产品设计系统 J 沈阳 航空工业学院学报，2 0 0 7 ，2 4 ( 3 ) ：3 6 3 7 7 任廷荣，孙嗣莹，周乃锋摆动活塞式压缩机热力特性分析 J 流体机械，1 9 9 4 ，2 2 ( 6 ) ：2 0 2 3 8 顾春伟。陈美兰D E S 模型在压气机叶栅中的应用研究 J 工程热物理学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 1 2 ) ：2 0 0 r 7 2 0 1 0 9 刘岩基于改进G P 算法的往复式压缩机故障诊断技术 ( J 】齐齐哈尔大学学报，2 0 1 0 ，2 6 ( 2 ) ：3 3 3 6 1 0 郑志力故障诊断技术在空气压缩机故障诊断中的应用 J 云南化工，2 0 0 9 ( 5 ) ：8 2 8 5 1 1 张广，徐志晖，陆超压气机跨音速叶栅叶型的数值模拟 J 沈阳航空工业学院学报，2 0 0 8 ，2 5 ( 4 ) ：2 6 - 2 9 1 2 任福忱，王力军，谢超蒸发器内燃油喷雾预热预蒸特性的数 值模拟 J 】沈阳航空工业学院学报，2 0 0 9 ，2 6 ( 1 ) ：1 2 一1 5 E s t a b l i s h m e n to fs w i n g i n gp i s t o na i rc o m p r e s s o rm o d e lb a s e d o nt h e r m a ld y n a m i c s W UU y a n lC H E NY a o d o n 9 1S O N GZ h a o h u a 2 ( 1 S h e n y a n gH a n g d aA i r b o r n eE q u i p m e n tC o m p a n y ，L i a o n i n gS h e n y a n g1 10 0 3 4 ；2 T h eP L AN a v yA v i a t i o n M i l i t a r yD e l e g a t eO f f i c ei nS h e n y a n g ，L i a o n i n gS h e n y a n g11 0 0 3 4 ) A b s t r a c t ：I no r d e rt oa p p l ys i m u l a t i o nt e c h n i q u eb e t t e ro no p t i m i z a t i o no fr e f r i g e r a t i o na n da i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e m ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa na i rc o m p r e s s o rw i t hs w i n g i n gp i s t o ni ss t u d i e db a s e do nt h e r m a ld y n a m i c s T h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e dt op r o v i d et h ei n t a k ea n de x h a u s tf l o wc o m p r e s s o ra sal i n kt o t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m T h ec a l c u l a t i n gm e t h o di sf u r t h e rs t u d i e df o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n di t sc a l c u l a t i n gs o l u t i o ni sp r o g r a m m e d ，i t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c si sp l o t t e do nP Vc h a r ta f t e rs i m u l a t i o n T h i st e c h n i e a ls o l u t i