（工程热物理专业论文）COlt2gt跨临界循环滚动活塞膨胀机和涡旋压缩机的研究.pdf

天津大学博士学位论文 中文摘要 臭氧层破坏和温室效应的加剧，使得自然工质c 0 2 的应用研究重新成为国际 上的研究热点，开发高效的c 0 2 跨临界循环设备，提高c 0 2 跨临界循环系统的运 行效率，是促进该技术走向实用化的关键。本文通过理论分析、计算机模拟和 实验相结合，重点对c 0 2 滚动活塞膨胀机和涡旋压缩机进行了研究。 本文对c 0 2 滚动活塞膨胀机的主要运动部件进行了动力学分析，依据质量守 恒和能量守恒定律，以吸气腔和排气腔作为控制容积，建立了较为系统和完善 的滚动活塞膨胀机工作过程热力学模型，包括摩擦损失、泄漏损失、流动损失 和膨胀机效率方程。采用e u l e r 数值方法对方程离散求解，得出在不同转角时 膨胀机各个泄漏通道的泄漏量和工作腔内相应的热力参数变化规律，为膨胀机 的性能改进和优化设计提供理论依据。 利用弹性力学理论和有限元方法，对c 0 2 滚动活塞膨胀机运动部件在压差最 大工况时的变形进行了有限元分析，计算了滑板、滚动活塞和偏心轴的压差变 形，为膨胀机的设计和理论分析提供了依据。 在带膨胀机的c 0 2 跨临界循环水水热泵系统及其数据采集系统的基础上， 建立了膨胀机示功图测试系统，实现了较精确的膨胀机内部压力测量。通过对 系统主要运行参数的调节，对膨胀机在不同转速下的运行特性和示功图进行了 测试和分析，验证了膨胀机内部可能产生的三种膨胀过程并给以合理解释，指 出膨胀机在实际运行工况下的膨胀比是产生三种膨胀过程的内在原因。对带膨 胀机的c 0 2 跨临界循环系统特性进行了分析，当膨胀机在设计转速附近运行时， 膨胀机的效率、回收功和系统c o p 最佳。 参照国标的相关规定并结合c 0 2 跨临界循环的特点，设计了c 0 2 涡旋压缩机， 其涡圈始端型线进行了对称圆弧修正，计算了动涡盘的切向气体力、径向气体 力和轴向气体力，并对十字滑环、动涡盘和主轴进行了详细的动力学计算和分 析。考虑泄漏、摩擦、流动和传热等不可逆因素，建立了c 0 2 涡旋压缩机工作过 程的数学模型并对该模型进行了求解和分析，计算和分析结果可用于指导c 0 2 涡 旋压缩机的优化设计，为今后进一步研究涡旋压缩机打下基础。 关键词：c 0 2 跨临界循环；滚动活塞膨胀机；有限元分析：示功图：涡旋压缩机 天津大学博士学位论文 a bs t r a c t f o rt h ed e t e r i o r a t i o no fo z o n ed e p l e t i o na n dg r e e n h o u s ee f f e c t , r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no f n a t u r a lw o r k i n gf l u i dc 0 2h a sb e e nb e c a m eh o t s p o ta l lo v e rt h ew o r l d d e v e l o p i n gh i g he f f i c i e n c ye q u i p m e n t sa n di m p r o v i n gt h ec y c l ep e r f o r m a n c e b e c o m e t h ek e yp r o b l e mt op r o m o t et h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ei n t op r a c t i c e i nt h e d i s s e r t a t i o n ，t h ei n v e s t i g a t i o nh a sb e e nd o n ew i t hf o c u so nc 0 2r o l l i n gp i s t o n e x p a n d e ra n ds c r o l lc o m p r e s s o rb yc o m b i n i n gw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h d y n a m i ca n a l y s i so nt h em a i nm o v i n gp a r t so fc 0 2r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e ri s g i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n 。a c c o r d i n gt ot h em a s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o np r i n c i p l e s ， r e a s o n a b l et h e r m o d y n a m i c sm o d e lf o rt h er o l l i n gp i s t o ne x p a n d e rw o r k i n gp r o c e s si s e s t a b l i s h e dw i t hs u c t i o nc h a m b e ra n de x h a u s tc h a m b e ra sc o n t r o lv o l u m e ，w h i c h i n c l u d e se q u a t i o n so ff r i c t i o nl o s s ，l e a k a g el o s s ，f l o wl o s sa n de x p a n d e r se f f i c i e n c y w i t ht h eh e l po fe u l e rn u m e r i c a lm e t h o d ，t h ee q u a t i o n sa r es o l v e dd i s c r e t e l y , w h i c hb r i n g so u tt h el e a k a g er a t e st h r o u g ha l ll e a k i n gp a s s a g e sa td i f f e r e n tr o t a t i o n a l a n g l e sa n dt h er u l e so ft h et h e r m o d y n a m i c sp a r a m e t e r si n s i d ec h a m b e r s ，w h i c hc a n p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rm ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t a n do p t i m a ld e s i g no ft h e e x p a n d e r a p p l i c a t i o no fe l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y a n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i so nd i s t o r t i o no fm o v i n gp a r t si nt h ec 0 2r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h el a r g e s tp r e s s u r ed i f f e r e n c ei sc a r r i e do u t t h ed i s t o r t i o n v a l u e sf o r t h es l i d i n gv a n e ，r o l l i n gp i s t o na n de c c e n t r i c s h a f tu n d e rp r e s s u r e d i f f e r e n c ea r eg a i n e d w h i c hc a np r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i so fe x p a n d e r b a s e do nt h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ew a t e r - w a t e rh e a tp u m ps y s t e mw i t h e x p a n d e ra n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ep - vd i a g r a m t e s ts y s t e mf o rt h e e x p a n d e rh a sb e e ns e tu pa n da t t a i n e dm o r ea c c u r a t ei n s i d ep r e s s u r eo ft h ee x p a n d e r b ya d j u s t i n gt h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r so f t h es y s t e m ，t h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c a n dp vd i a g r a mo ft h ee x p a n d e ra r eo b t a i n e da n da n a l y z e da td i f f e r e n tr o t a t i o n a l s p e e d a n dt h et h r e ek i n d so fp r o b a b l ee x p a n s i o np r o c e s s e si n s i d et h ee x p a n d e ra r e v e r i f i e d a tt h es a m et i m e ，t h er e a s o n a b l ee x p l a n a t i o ni sp r e s e n t e dt h a tt h ee x p a n s i o n i i 天津大学博士学位论文 r a t i oa tt h ep r a c t i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o ni st h ei n t r i n s i cr e a s o nt or e s u l ti nt h et h r e e k i n d so fe x p a n s i o np r o c e s si n s i d eo ft h ee x p a n d e r i ti ss h o w nf r o mt h es y s t e m p e r f o r m a n c ea n a l y s i so fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ew i t he x p a n d e rt h a tt h ee f f i c i e n c y ， r e c o v e r yw o r ka n dc o e f f i c i e n to fp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma r eo p t i m a lw h e nt h e e x p a n d e ri sr u n n i n gn e a rt h ed e s i g n e dr o t a t i o n a ls p e e d a c c o r d i n g t or e l a t e dc h i n e s es t a n d a r da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，c 0 2s c r o l lc o m p r e s s o ri sd e s i g n e da n dt h et o pw r a pi sm o d i f i e db y p r e f e c tm e s h i n gp r o f i l e t h et a n g e n t i a l ，r a d i a la n da x i a lg a sf o r c e sa ta n yr o t a t i o n a l a n g l eo fo r b i t i n g s c r o l la r ec a l c u l a t e da n d 也ed e t a i l e dd y n a m i cc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i sf o rt h eo l d h a m - c o u p l i n gr i n g ，o r b i t i n g s c r o l la n dc r a n k s h a f ta r ea l s o p r e s e n t e d c o n s i d e r i n gt h ei n r e v e r s i b l ef a c t o r so fl e a k a g e ，f r i c t i o n ，f l o wa n dh e a t t r a n s f e r ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec o m p r e s s o ri s e s t a b l i s h e d t h es o l u t i o na n da n a l y s i sr e s u l t sf o rt h em o d e lc a ni n s t r u c to p t i m a l d e s i g na n dp r o v i d ef o rt h ef u t u r er e s e a r c hw o r ko fc 0 2 s c r o l lc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l e ；r o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；p - vd i a g r a m ；s c r o l lc o m p r e s s o r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞注太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者躲耀宝p 协签翎期：加。6 月踟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一硌苇却国 签字日期：纱。辟fz 月g e t 导师签名：二勿夕冬 签字日期：钐纺名年，沙月0 珀 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 目前，自然资源的日益匮乏和环境质量的不断恶化，给人类的生存和发展 带来巨大的危机，人类不得不重新审视人与自然的关系及人类在环境中的地位， 并希望通过全球的共同行动来改变这种危机，实现经济、社会和生态环境的可 持续发展，在这种国际大环境下，节能和环保日益成为2 l 世纪人类社会关注的 焦点。 在制冷空调系统中，由于本身耗能以及传统制冷工质对环境的破坏，系统 的节能和制冷工质的替代成为该领域的前沿课题。2 0 世纪3 0 年代以来，氟利 昂制冷工质的出现，对制冷技术产生了巨大的推动作用，由于其无毒、无味、 不易燃、腐蚀性小、热稳定性和化学稳定性好等优点，逐步成为一种较理想的 制冷剂，并得到了广泛的应用。1 9 7 4 年，美国加利福尼亚大学的r o w l a n d 教授 和m o l i n a 博士指出【1 】，氯氟烃类物质排放到大气中时，在紫外线的照射下，其 分子会发生分解，分子中的氯原子游离出来，与臭氧层中的氧原子结合，从而 导致臭氧层破坏，危及人类健康及生态平衡。另外，氯氟烃类物质在大气中浓 度增加，产生i 温室效应”，加剧了全球气候变暖。为保护地球大气层，国际社 会进行了一系列持续的努力，其中最有影响力的是1 9 8 5 年制定的保护臭氧层的 维也纳公约、1 9 8 7 年制定的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书和 1 9 9 7 年通过受限温室气体的京都议定书。因此，氯氟烃类制冷工质的替代 是历史发展的必然。 目前来看，作为氯氟烃类制冷工质的环保型替代工质主要有三类，即 h c f c s 、h f c s 和自然工质。考虑到环境的长期安全性，应尽量避免使用那些最 终会排放到生物圈并影响生态平衡的非自然工质，重新起用自然工质是一种非 常安全的选择。自然工质大体上可分为两类：一类是h c s 类物质，如丙烷、丁 烷和异丁烷等；另一类是各种天然无机物，如n h 3 、水、空气和c 0 2 等。其中 c 0 2 在自然工质中最具竞争力，被己故前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 称为是 “无可取代的制冷工质”1 2 j ，在他的大力提倡下，c 0 2 制冷技术又一次成为全球 范围内研究的热点。 c 0 2 作为制冷工质，其优点很多：它是一种安全无毒、不可燃的自然工质， 天津大学博士学位论文 其臭氧层破坏势( o d p ) 为0 ，温室效应潜值( g w p ) 为l ，价格低廉( 是合 成制冷工质的1 1 0 1 5 0 ) ，其单位容积制冷量为人t n 冷剂的5 8 倍，而且 其气体密度高，流体粘度小，从而使系统重量减轻、结构紧凑。但是也有不足 之处，其临界点温度较低( 3 1 1 ) ，临界压力很高( 7 3 8 m p a ) ，系统效率较低。 c 0 2 作为制冷工质时不宣采用普通工质的亚l 临界循环，而应采用跨临界循环。 l o r e n t z e n 教授在1 9 8 9 年首次申请t c 0 2 跨临界蒸气压缩循环装置的国际专利， 其高压侧压力由节流阀控制，应用在汽车空调上【3 1 。随着能源与环保形势的日 益严峻，c 0 2 跨临界循环技术逐渐走向了实际应用，如热泵热水器、汽车空调、 商业制冷、工业制冷等领域【4 - 9 1 ；而与之相对应的跨临界循环设备，如压缩机、 节流设备( 包括节流阀、膨胀机) 、膨胀压缩机、气体冷却器、蒸发器等，也都 得到不同程度的发展。目前，从地域上看，国际上c 0 2 跨临界循环的研究主要 有三个大的区域，欧洲( 包括挪威、德国、荷兰等) 、美国和亚洲( 包括日本、 韩国、中国等) ，以下主要从这三个区域对c 0 2 跨临界循环设备的现状进行介绍。 1 2c 0 2 跨临界循环设备的研究现状 1 2 1 压缩机 压缩机是制冷系统的关键设备之一，与普通工质的压缩机相比，c 0 2 跨临 界循环用压缩机具有以下特点： ( 1 ) 工作压力高，压差大，压比小。c 0 2 的临界点温度较低，只有3 1 1 ， 而临界压力为7 3 8 m p a ，采用跨临界循环时压缩机的入口压力可达3 5 4 5 m p a ，出口压力达8 1 2 m p a ，因此，压缩机工作压力高，对压缩机材料的强度 和刚度有严格要求；但其压比为2 5 3 5 ，小于常规工质的压缩比3 5 4 5 。 ( 2 ) 体积小，重量轻。c o ：制冷压缩机的工作压力高，但c 0 2 单位容积制冷量 大( 2 2 6 0 0k j m 3 ) ，分别是r 1 2 、r 1 3 4 a 、r 2 2 的8 2 5 、7 9 、5 1 - 2 倍。因此，在 相同制冷量时容积可减小，约为r 1 3 4 a 的2 5 ，压缩机的体积明显减小；与r 1 2 压缩机相比，重量可以减轻3 0 - - 一4 0 。 ( 3 ) 效率高。c 0 2 循环的压比较小，绝热指数值高，达1 3 0 ，减小了压缩机 余隙容积的再膨胀损失，使其绝热效率和容积效率高。 ( 4 ) 运动部件间隙难以控制。c 0 2 循环工作压力高，压缩机运动部件的间隙 比常规工质小，这样可以减少泄漏损失，但导致摩擦损耗升高。另外，c 0 2 压 缩机的零部件在加工和装配精度很高的情况下，可能产生动态的周期变形或者 永久变形，配合间隙难以达到设计值，造成摩擦损失和泄漏损失不能统筹兼顾， 2 第一章绪论 影响压缩机效率。 ( 5 ) 润滑较困难。由于c 0 2 压缩机在大压差下运行，需要压力较高的油泵供 油，油泵设计困难，而且润滑油温度也要采取相的措施进行冷却。另外，压缩 机出口的c 0 2 为超临界状态，会溶于润滑油，导致润滑油的粘度降低，不利于 压缩机正常工作。 正是因为c 0 2 压缩机具有以上特点，其研究开发一直是压缩机行业的难点。 目前，世界上许多公司都相继开发了不同形式的c 0 2 压缩机，其中部分产品已 经商品化和系列化。 最初的c 0 2 压缩机以往复式为主，图1 1 为b o e k 公司开发的客车空调压缩 机，两缸直列式，排量1 2 0 c m 3 ，缸径2 8 m m ，行程4 9 0 m m 。该压缩机是将原有 的f k x 3 型压缩机进行改进，即减小了活塞直径，保持曲轴负荷和压缩机程行不 变，每个活塞装有4 个活塞环用于曲轴与气缸之间的密封，采用机带齿轮泵进行 润滑。测试结果表明，其容积效率为5 8 9 0 ，轴效率为7 5 8 5 。b o c k 公司 还对传统使用的簧片式排气阀进行了改进，改良后的c 0 2 压缩机效率提高了7 u o 。 图1 1b o c k 公司c 0 2 往复式压缩机图i 2d 锄f o s s 公司c 0 2 斜盘式压缩机 图1 2 为丹麦的丹佛斯( d a n f o s s ) 公司轿车空调压缩机，三缸斜盘式，排量 2 6 c m 3 ，缸径1 8 5 m m ，行程3 1 9 m m 。该压缩机样机的旋转盘、连接杆及轴承均 取自标准的七缸砌2 压缩机，而并非专门设计；压缩机的容重比未进行优化，仅 根据制冷剂循环量的需要设计了三个小于9 c m 3 容量的气缸，采用传统的( 压力平 衡式) 机械轴封及挡板式吸排气阀，每个活塞有一个活塞环 1 0 。 丹佛斯公司还开发了容积为2 5 c m 5 的c 0 2 活塞式压缩机，如图1 3 所示，预 计产量达5 0 0 0 0 台，主要用于热泵、售货机和冷冻冷藏领域【1 1 。 奥地利的o b r i s t 公司开发了c 0 2 汽车空调压缩机，如图1 4 所示，该压缩机分 为定排量和变排量两种形式，其中定排量压缩机的排气量可达4 2 5 c m 3 ，有7 个 气缸，转速为6 0 0 - 3 0 0 0 印m ，进1 2 1 压力为1 8 m p a ，出口压力7 1 4 m p a ；变排 天津丈学博士学位论文 量的压缩机的排气量为3 3 c m 3 ，转速为6 0 0 8 0 0 0 删，其余参数与定排量的压缩 机相同 熏毋 圈l - 3d a n f o s s 公司c 0 2 活塞式压缩机囝1 - 4o b i r s t 公司c 岛汽车空调压缩机 意大利的都灵( d o f i n ) 公司与挪威s i n t e f 研究所等进行了半封闭式c o ： 压缩机的开发叫，并开始批量生产，包括双缸单级和两级活塞压缩机，额定转 速为2 9 0 0 1 3 5 0 0 i p m ( 5 0 6 0 h z ) 。双缸单级压缩机排气量为05 1 07 m 3 ， l ( 5 0 h z ) 、 06 1 29 m 3 t l ( 6 0 h z ) ，电机功率为o7 5 1 49 k w ，气缸直径为1 8 r a m 、2 2 m m 和3 4 r a m ，冲程为6 3 4 m m ：两级压缩机的排气量为06 1 2 6m 铀( 5 0 h z ) 、 o8 1 51 ( 6 0 i l z ) r 1 h ，电机功率为07 5 1 20 k w ，汽缸直径为2 8 m m + 1 9 r a m 、 3 4 m m + 2 2 m m 、5 2 m m + 3 4 r a m ，冲程为6 3 4 m m 。图1 - 5 ( a ) 为d o r i n 公司的3 k w 半封闭活塞压缩机，这是该公司较早的产品为了防止润滑油的过热，在油泵 的进出口处通过一根较长的散热管将润滑油引到压缩机的外表面进行冷却：而 新式的产品，如图1 5 ( ”所示，则取消了这根散热管并对其油泵盖进行了特 殊设计作为散热装置，但建议使用润滑油冷却装置，推荐适宜的润滑油运行温 度为3 0 6 5 。 妒麓 ( a ) ( 3 k w )( b ) ( 4 k w ) 图l - 5d o r l n 公司c 0 2 半封闭活塞压缩机 d a n s c n 公司与l u k 以及a u d i 、b m w 、d a i m l c r c h r y s l e r 、v w 等公司合作开 发c 0 2 斜盘式汽车空调压缩机i “，如图1 6 所示，是在r 1 3 4 a 压缩机的基础上进 行改造而成。s a k a m o t o 和g i e s e * j 6 种压缩机进行了研究，其中与目前的s d 7 v 型 第一章绪论 压缩机希t v d ar 1 3 4 8 型压缩机具有可互换性壳体材料为钢和铝。压缩机窖积 为3 0 c m 3 ，3 0 c 时进、出口压力, 为4 m p a 、1 2 1 v i p a ，转速为6 0 0 9 5 0 0 r p m - 容积 效率为7 0 8 0 ，并进行了可靠性、安全性以及润滑等方面的研究。 霭争 图1 - 6 d a n s e n 公司与l u k 等合作图1 - 7 z u r i c h u n i v i t y c 0 2 无油压缩机 开旋的c 0 2 斜盘式汽车空调压缩机 在l e a 资助的a n n e x 2 7 项目中，瑞士z u r i c h 大学进行了c 0 2 无油活塞压缩 机的可行性研究工作，主要应用于食品行业，如图1 7 所示。该压缩机设计 为半封闭式，转速为5 0 0 3 0 0 0 r p m ，排气压力为8 1 5 m p a ，由永磁同步高效 变速电机驱动，4 个缸体呈十字对称分布，但是目前没有见到相关研究的后续 报道。 德国的j u r g e ns u b 和h o r s tk l a l s e 对c 0 2 活塞式压缩机的指示效率进行了理论 分析和实验研究，该实验选用b o c k 公司的开式活塞压缩机和d a n f o s s 公司的斜 盘式压缩机作为样机。通常影响指示效率的因素有气阀和气室的压力损失、气 缸的泄漏损失和气缸壁的传热损失，测试结果表明压力损失和气缸壁的传热损 失对指示效率的影响很小，而气缸的泄漏损失对指示效率的影响很大，可采用 活塞环和润滑油进行有效的密封来减少泄漏损失：当压缩机压比3 、转速为 1 0 0 0 r p m 时，理论分析结果表明窑积效率高于6 0 ，最高可达到7 5 ，当冲程 缸径比为13 时，效率最高。 在a r t i 一2 i c r 的资助下，p u r d u e 大学的h u b a c h e r 和g r o l l 开发了制冷量为 2 8 k w 的全封闭双级转子式压缩机m 】，其测试结果表明，压比为l5 5 时压缩 机的容积效率为09 o7 8 ，等熵效率为0 7 ；但在压l l j , 于2 时，等熵效率下降 较大。 美国马里兰大学和日本静阿大学合作进行了滑片式压缩机应用于c 0 2 跨临 界循环的研究【。f u k u m 等人研究表明，滑片压缩机可作为单级压缩机、职级 压缩机和压缩膨胀机应用于c 0 2 跨临界循环中泄漏损失是影响其效率的主要 天津大学博士学位论文 因素，若把c 0 2 压缩机的问隙量减d x 至l j r l 3 4 a 压缩机间隙量的2 3 ( 约1 5 p m ) ， 可达到相同的容积效率。在滑片上开槽降低滑片的接触力，或减小滑片的背压， 可提高压缩机的效率。把滑片式压缩机设计为双级压缩，一级压缩腔和二级压 缩腔应采用不同的型线，此时作用于滑片上的压差相对减小，且转子与气缸之 间切点处的周向泄漏小，可提高压缩机的机械效率。另外，还可以将滑片压缩 机设计为压缩膨胀机，一半进行压缩过程，而另一半进行膨胀过程，但在设计 时要考虑轴的扭矩波动、传热损失、轴承载荷、气液流体通道的结构和润滑等 相关问题。 j e f f e r yj n i e t e r 和y uc h e n 对往复活塞式c 0 2 压缩机建立稳态运行模型并进 行了实验研究1 1 9 】。作者从热力学第定律出发，建立了热力学、流体力学和动 力学方程，以曲柄转角度作为变量计算制冷工质在各个瞬时的状态参数，并考 虑了制冷工质的泄漏和气缸内的传热，实验测试结果表明，模型与实验吻合， 如图1 8 所示。 一粕。陋i 氏 【，免c ，pl ii 、 、 j 一 掣 0 2 50 50 7 51 v o l u m e ( i n “3 1 图1 8 活塞式c 0 2 压缩机的理论模拟与实验对比 在亚洲，日本静冈大学的f u k u t a 等与日本d e n s o 公司合作开发了往复式活塞 压缩机样机【2 0 1 ，活塞直径为l5 m m ，冲程1 9 ，8 m m ，行程容积3 5 m m 3 r e v ，吸气 压力3 5 m p a ，排气压力1 0 1 m p a 。实际测试结果表明，容积效率超过7 0 。当 润滑油( p a g ) 的混合比在3 5 ，容积效率和绝热效率上升，超过该范围， 过多的油在高温下对吸气流量起到消极的影响。 e t 本s a n y o 公司开发了全封闭的两级滚动活塞c 0 2 压缩机样机 2 1 , 2 2 1 ，如图1 9 所示，主要应用于热泵热水器。为减小压差变形和泄漏，采用双级压缩，机壳 内腔的压力为中间压力( 约5 6 m p a ) ，第一级的排气分为两路，一路进入第二 级压缩腔，另一路进入壳体内保证壳体的压力为低压，然后再进入第二级压缩 腔，这样保证了压缩机壳内的压力为中间压力，而且还有利于轴和其它部件的 润滑。该压缩机尺寸为直径1 1 7 2 m m 、高2 4 4 3 m m ，排气容积为2 6 3 c c ，额定 伽 伽 伽 瞄 咖 伽 差暑 。 言i s e 2nsjd 第一章绪论 输入功率7 5 0 w ，能在2 0 1 2 0 h z 的频率范围内运行，其等熵效率在5 0 8 0 h z 范围内超过8 0 。在高、低压为9 2m p a 、32 m p a ，运行频率为6 0 h z 的情况下， 通过i d e a sm s 6 对滑板和偏心轴的压差变形进行了分析。第一级压缩腔在偏 心轴转角为i8 0 * 时滑板的变形量煅大，为32 6 z m ，其滑板厚度能够承受；为满 足压差变形和增大转动惯量，对上、下偏心轴尺寸进行了改进，其上偏心部分 在1 8 0 。时的最大变形为47 5 , a m 。 图i - 9s a n y o 公司c 0 2 开 发的双级滚动活塞压缩机 图1 1 0 d a i k i n 公司开发 的c 0 2 摇动转子压缩机 日本d a k i n 公司设计开发了c 0 2 摆动转子压缩机，如图1 - 1 0 所示，主要用于 c 0 2 热泵热水器和汽车空调1 2 3 1 。该压缩机尺寸为中1 2 6 r a m x 2 6 5 m m ，容积为 34 e r a 3 ，采用永磁式同步直流电机。o h k a w a 等研究表明，降低气缸的高和直径 的比值将使压缩机效率升高，这是因为通过活塞与气缸间隙的泄漏量减小。在 轴承可靠性范围内，采用了昂小的高径比，而且利用高粘度的油，减小气缸高 度。c 0 2 摆动转子压缩机与r 4 1 0 a 压缩机进行了强度比较，最大应力都不大于 r 4 1 0 a 压缩机，这是因为c 0 2 压缩机的偏心距小的原因。 日本d e n s o 公司与电力工业中心研究院共同研制了涡旋压缩机，主要用于 c 0 2 热水器中 埘，如图1 1 l ( a ) 所示。该压缩机容积为33 c m 3 ，采用滚动止推轴 承降低动涡盘端面的摩擦损失，利用精密的加工和装配减少动静涡盘之间的泄 漏损失，从而保证压缩机高效运行。另外，d e n s o 公司还开发了变排量c 0 2 压缩 机，如图i - ii ( b ) 所示，丰田( t o y o t a ) 公司的燃料电池汽车( f c h v ) 就是 配备该压缩机。 日本松下( m a t s u s h i t a ) 公司在r 4 1 0 a 涡旋压缩机的基础上，开发了c 0 2 涡 旋压缩机，设计制冷量为25 5o k w ( 3 0 6 0 h z ) ，其样机如图1 1 2 所示，结 构参数如袁1 i 所示。通过减少涡圈数降低压比来改变内容积比：将涡圈 曩 天津大学博士学位论文 薄圣逾 图i - l id s o 公司c 0 2 压缩机 表i i 松下公司c 0 2 涡旋压缩机的结构参数 圈】- 1 2 松下公司c o z 涡旋式压缩机样机 的高度降低来减少排气容积；壳体和排气端盖等也都进行了重新设计来提高其 耐压性能。实验结果表明，容积效率和压缩机效率随运行速度和进排气口压差 的增大而提高，容积效率为7 2 8 64 ，与r 4 1 0 a 压缩机的窖积效率相差不大， 但压缩机效率仅为4 33 4 71 ，明显低于r 4 1 0 a 的压缩机效率。动力学分析 结果表明，止推轴承的损失约占总损失的4 0 左右，因此，改进止推轴承的设 计是提高压缩机效率的有效途径。 松下公司还开发了不带气液分离器的c 0 2 涡旋压缩机m 】主要用于热泵热 水器，如图1 1 3 所示。通常，在c 0 2 跨临界循环系统中不设气液分离器时，部 分液态c 0 2 制冷荆直接进入压缩室，强烈冲刷润滑油，使得涡盘运动时因缺少 润滑油而磨损加剧。因此，松下公司采用了三种技术来解决这个问题。首先是 设计了液体制冷剂释放机构，当涡旋压缩机低温启动时，大量液体制冷荆返回 到压缩机，如果有气液分离器时，则排气压力会逐渐升高，但不设气液分离器 时，排气压力迅速增大，动涡盘在高压下可能与静涡盘接触，从而造成动涡盘 底面磨损。因此，在静涡盘限位端附近的适当位置，设计了一个液体释放阀， 第一章绪论 这样既使液体制冷剂被吸入压缩室，也能保证排气压力逐渐增加而不会对动涡 盘底面造成磨损，从而保证动涡盘运转平稳。其次是采用快速供油泵和动涡盘 支撑机构，保证润滑油能及时输送到动涡盘的摩擦表面，改善了止推轴承端面 的润滑状况，减少摩擦损失。另外，为提高压缩机的效率，必须减少压缩室之 间的泄漏。由于该压缩机的外壳是高压，可以把高压润滑油引入压缩室，随着 喷油速率的增加，制冷剂的泄漏减少，但喷油过多则会造成压缩室温升过高。 因此，需要优化喷入润滑油的速率，这样可以保证压缩机工作时的高效率。通 过以上几种措施，该涡旋压缩机噪声减小4 d b ，体积减少4 0 ，同时热泵热水 器的c o p 达到4 2 。 ，丑纠、 匐 。二! ! ，一 目滑喷 q 气腔 液体d h 荆释n 机构 自盘支撑机构 静i液体# 目 ，? ：蒸荔 ! ；鬻。f 、二， ： 、 l aj( b ) 图1 1 3 松下公司c 0 2 涡旋压缩机( 无气液分离罂) 日本日立( h i t a c h i ) 公司也开发了用于热泵热水器c 0 2 涡旋压缩机叫，该 涡旋压缩机的名义输出功率为26 k w ，排气量7 e r a 3 ，采用直流无刷电机驱动， 无集液器，尺寸为1 2 3 r a m 3 5 7 t u r n ，重量1 85 k g ，为卧式结构。由于涡旋压 缩机的中心部位压力最高，故对涡圈型线的始端进行加厚修正，实验表明该热 泵热水器的c o p 为46 。 日本三菱重工( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e s ) 在r 1 3 4 a 涡旋式压缩机基础上 开发了c 0 2 汽车空调用涡旋压缩机( 翊排量为1 3 c c ，如图1 - 1 4 所示。为减小压缩 机内部的泄漏损失动涡盘采用了背压技术，从压缩腔中引入适当压力的气体 形成轴向背力和轴向密封力，使得动涡盘在运行时与静涡盘的配台间隙能蟛保 持在较佳范围；另外，利用止推轴承代替滚动轴承，减小机械摩擦损失。理论 分析和实验结果表明，在转速为2 4 0 0 r p m 时压缩机绝热效率为7 6 ；在宽广的运 行范围内，随着转速的升高，压缩机的绝热效率也增加。 日本前川( m a y e o m ) 公司推出了的c 0 2 单级螺杆压缩机俐，其制冷量为 1 2 0 k w ，设计转速为2 9 5 0 r p m ，吸气压力为2 3 m p a ，排气压力90 m p a 可变速 天津大学博士学位论文 调节，主要应用于冷冻、空调系统，如图1 - 1 5 。该c 0 2 螺杆压缩机采用自差式的 油分离系统，油气混合物进入分离罐，分离出来的油与来自冷却塔的冷却水进 行热交换，降温后再回到压缩机，而c 0 2 则进入气体冷却器进行热交换。整个 机组的设计是冷、热同时利用，压缩机的排气用来加热热水，机组设有水蓄热 槽，低温c 0 2 用于制冷。 ( a )( b ) 圈l 一1 6s s b 公司c 0 2 压缩机及配备c 0 2 空调系统的曾桑车的环模试验 12 2 节流设备 在c 0 2 跨临界循环系统中，节流设备的进口和出口的压差大( 4 6 m p a ) ， 普通制冷工质的热力膨胀阀难咀承受如此高的压力，因此必须根据c 0 2 流体的 特性重新设计膨胀阀。c 0 2 跨临界循环系统中膨胀阀的节流损失较大分析表 明膨胀阀的节流损失占系统节流损失的3 72 1 3 2 ，而膨胀比小( 2 4 ) ，膨胀功 大( 约占压缩功的2 5 3 0 ) 因此可采用膨胀机代替膨胀阍来减少节流损 第一章绪论 失，而且可以回收部分膨胀功，进而提高系统的循环效率。另外，还有采用； 射器作为膨胀设备的相关研究报道。 i22 1 膨胀阀 目前，对c 0 2 跨临界循环膨胀阀的研究不多。d a n f o s s 报道了其开发的三种 c 0 2 膨胀阀w ：一种是电子线圈调节阀，可根据不同的工况条件和系统设计要 求，自动调节流动阻力：其次是机械式热力膨胀阀，可控制蒸发器出口过热度 为某一设定值；还有一种是机械式自动调节阀，能够控制闽门排气口压力为设 定值。德国的o t t o e g e l h o f g m b h 公司开发了步进式电子膨胀阀，主要是用于汽 车空调系统。澳大利亚的o b r i s t 公司也开发了相关的c 0 2 跨临界循环控制阀洲。 图l - 1 7 为日本的康奈可公司( c a l s o n i ck a n s e i ) 设计的c 0 2 电子膨胀阀的结构， 随着温度、压力和发动机转速的不同，电子膨胀阀开关时间各不相同【姻。当外 界环境温度为4 0 c 、湿度为5 0 、太阳辐射为1 0 5 0 w m 2 轿车在4 0 k m h 、i o o k m ，h 和怠速下运行时，通过该电子膨胀阀的精确调节，钡4 试结果表明c 0 2 汽车空调 系统具有与r 1 3 4 a 系统相当的温度调节功能。另外，日本的s a g i n o m i y a 、f u j i k o k i 公司也开发了膨胀阀，主要用于热泵热水器。日本的伊兹米有限公司( i z u m i g i k e n ) 开发了用于c 0 2 空调机的电子膨胀阀，使用压力为3 1 3 m p a ，压差为3 1 0 m p a ，标准电压为d c l 2 v 、电流2 6 0 m a 相，阀体冲程为25 m m ，如图1 1 8 所 尔。 图1 - 1 7k a l s o n i c 公司c 0 2 电子膨胀阀圈i 一1 8j 一1g i k e n 公司c 0 2 电子膨胀阀 222 膨胀机 l o r c m z e n 教授在1 9 9 4 年首先提出了使用膨胀机回收膨胀功的方法 3 6 ，目前， 开发c 0 2 膨胀机已经成为推动c 0 2 跨l 临界循环走向实际应用的重要手段。c 0 2 膨胀机的开发一般是在压缩机基础上进行的，但膨胀机的体积要小于压缩机， 特别是c 0 2 的比容很小，可以大大缩小膨胀机的尺寸：有些形式膨胀机需进行 吸气控制，控制装置的设计需保证吸气的角度和位置同时也要满足耐压和泄 漏小的特点。同c 0 2 压缩机的研究一样，目前国际上对于c 0 2 膨胀机也缺乏公开 天津大学博士学位论文 描述膨胀机原型机的研究和制造文献，而且开发的膨胀机效率还比较低，公开 报道的最高效率在4 0 左右。 德国的m a u