（工程热物理专业论文）co2双级滚动转子压缩机的设计与模拟.pdf

摘要 制冷剂的替代是一个世界性问题，自然工质越来越受到广泛的关注。采用自 然工质c 0 2 的跨临界循环技术具有广阔的应用前景，而提高c 0 2 跨临界制冷循 环系统性能是推广此技术应用的关键。本文通过理论分析，开发c 0 2 双级滚动 转子压缩机，通过双级压缩实现系统性能的提高。 论文对两种常见的c 0 2 双级压缩制冷循环系统进行了分析，探讨两者自身 的特点，对两者的系统性能进行比较，给双级压缩制冷循环系统提供了选择参考。 论文分析了c 0 2 双级滚动转子压缩机的工作过程，开发了c 0 2 双级滚动转 子压缩机的设计程序，并详细分析了结构特征尺寸对压缩机工作过程的影响，给 出了适合c 0 2 的双级滚动转子压缩机结构特征尺寸的选择依据。 为了更为真实地描述压缩机的工作过程，本文对润滑油和c 0 2 混合物的溶 解特性和热物性进行了分析。然后详细地建立了c 0 2 双级滚动转子压缩机的泄 漏数学模型并计算了各部分的泄漏量以及导致的泄漏功率损失。 论文分析了滑板的受力情况，探讨了滑板与滑板槽的摩擦力和滑板与滚动转 子的摩擦力。然后对c 0 2 双级滚动转子压缩机高、低压级压缩机各部分的机械 摩擦建立数学模型，并计算各部分的机械摩擦功率损失。为今后c 0 2 双级滚动 转子压缩机的优化设计奠定基础。 本论文受国家自然基金( n o ：5 0 5 0 6 0 1 9 和n o 5 0 6 7 6 0 6 4 ) 资助。 关键词：跨临界循环双级滚动转子压缩机泄漏机械摩擦 a b s t r a c t n o w a d a y s t h en a t u r eg a sa t t a i n e dm o r ea t t e n t i o nf o rt h er e f r i g e r a n ts u b s t i t u t i o n t h en a t u r a lr e f r i g e r a n tc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l et e c h n o l o g yh a sab r o a da p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d i m p r o v e m e n to fc y c l es y s t e mp e r f o r m a n c ei s t h ek e yf o r t h ec 0 2 t r a n s c r i t i c a i c y c l et e c h n o l o g yp o p u l a r i z a t i o n i n o r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m e f f i c i e n c yb yt w os t a g ec o m p r e s s i o n ，c 0 2t w os t a g er o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o rw a s e x p l o i t e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i ss t u d y t w oc o m m o ns t y l e so fc 0 2t w os t a g ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l ew e r e a n a l y z e do na s p e c t so ft h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n ds y s t e mp e r f o r m a n c e t h er e s u l t sw i l l b er e f e r e n c et oc h o o s i n gt w os t a g ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h ep r o c e s so fc 0 2t w os t a g er o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o rw e r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , m o r e o v e lt h ed e s i g np r o c e d u r eo ft h ec o m p r e s s o ra l s ow a se x p l o i t e d t h e i m p a c to fs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r t op r o c e s so fc o m p r e s s o rw a sa n a l y z e d d e t a i l e d l v t h ec o n c l u s i o nw i l lb er e f e r e n c et od e s i g no fc 0 2t w os t a g er o l l i n gp i s t o n c o m p r e s s o r t h ep e r f o r m a n c ea n dt h e r m a lp r o p e r t i e so fc o f l p a gm i x t u r ew e r er e s e a r c h e df o r d e s c r i b i n gt h ep r o c e s so fc o m p r e s s o rm o r ev e r i t a b l y t h e nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o m p r e s s o rl e a k a g ew a se s t a b l i s h e dd e t a i l e d l y , w i t hw h i c h t h el e a k a g ea n dp o w e rl o s s o fc o m p r e s s o rw e r ec a l c u l a t e d t h ef o r c eo fs l i d i n gv a n ew a si n v e s t i g a t e dw i t hc a l c u l a t i o no ff r i c t i o nb e t w e e n s l i d i n gv a n ea n dg r o o v eo rr o l l i n gp i s t o n t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e c h a n i c a l 矗i c t i o no fc 0 2t w os t a g er o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o rw a se s t a b l i s h e dd e t a i l e d l y , w i t h w h i c ht h ef r i c t i o np o w e rl o s sw a sc a l c u l a t e d t h er e s u l t so ft h i ss t u d yw i l ll a yt h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m a ld e s i g no fc 0 2t w o s t a g er o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，t w os t a g er o l l i n gp i s t o nc o m p r e s s o r , l e a k a g e ， m e c h a n i c a lf r i c t i o n 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，也不包含为获得墨鲞叁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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： l 习算 签字日期： 膨 7 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞基堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗基鲎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) 学位论文作者签名： 签字日期。纱扩，年 第、章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 温室效应问题 2 0 0 5 年2 月1 6 日，遏 制全球气候变暖的京都议 定书在中国正式生效。京 都议定书是人类历史上首 次以法规的形式限制温室气 体排放，可谓是“人类自救 的第一步”。有预测分析，到 2 0 2 0 年全国年平均温度将增 加02 37 c 到2 1 0 0 年将 增加13 - 89 。到2 0 5 0 年， 我国沿海海平面将上升约 1 2 5 0 e r a ，沿海一些地区面 第一章绪论 1 d 韭 | ；i 。0 2 ；： s t r o n g g l o b a l w a r m i n g o b s e r v e d g l o b a l a v 自r a q e n e a 一h 啦h 呷e m u r 8 6 1 删 - 黼心 ” 囝1 - 】1 8 6 1 - 2 0 0 5 全球近地表温度变化趋势 一t | 日 * fr p c c * = 女* * * * 临被淹没的威胁【1 m 。而气候变暧可能使得其他气候要素发生变化。从目前的监 测来看，本世纪己过去的5 年中，华北等地区已经出现了干旱的趋势。中国困气 候变化造成的损失占到整个g d p 的3 。图1 1 给出了1 8 6 1 年到2 0 0 5 年问全球 近地表温度的变化趋势。 为了应对全球变暖的威胁，世界做了程对的工作和努力。1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地区的代表在日本东京召开联合国气候变化框架公约缔约方第三次 会议，会议通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议 定书。并于2 0 0 5 年2 月1 6 日生效。 在对于落实京都议定书上，欧盟做法与行动晟认真”。2 0 0 6 年5 月1 7 日欧盟通过了e c 9 4 2 2 0 0 6 氟气体法规规定“氟气体”包括h f c s 、p f c ( 全氟 化碳) 等。严格控制氟气体的生产和使用，对含有氟气体的容器、产品和设各进 行严格的密封、标记和报废时的回收等。法规中还规定，h f c s 应该只用在没有 其它安全、技术可行、成本有效和环境更可接受的选择物存在的场合。这样像 r l3 4 a 、r 4 1 0 a 的空调、热泵系统，在产品制造和使用、进出口贸易方面会受到 第章绪论 严格的限制，在汽车空调方面，欧盟同时在2 0 0 6 年5 月i7 日通过了2 0 0 6 n 0 e c 指令，即从2 0 1 1 年开始控制，到2 0 1 7 年完全淘汰g w p 值大于1 5 0 的工质，这 当然主要是针对r 1 3 4 a 的。图1 2 给出了多种制冷剂的环境特性”i ，可以看出现 有的制冷剂中能达到欧盟要求的并不多。 e_h”1u 二 01c 1 _ 0j 。m 1 h 。“】ic _ c ，c ! 业j _ _ 二。型业! 型! 兰生- 图i - 2 制挣剂的环境特性( o d p 和g w p ) 此外，2 0 0 7 年底，世界各国首脑和环境保护人士召开丁巴厘岛环境大会， 就后京都议定书时代的环境保护问题进行了磋商。这表明，温室效应问题势 必一直成为全球关注的话题。 a n t a r c t i co z o n eh o l e 图i - 31 9 7 9 - 2 0 0 6 年间南极上空臭氧层空洞 一 9o ； 9 拿 oe簟一 第一章绪论 1 1 2 臭氧层破坏问题 1 9 7 3 年，美国化学家马里奥莫利纳首次警告说，地球的臭氧层已受到损害， 但当时并没有引起关注。1 9 8 5 年，英国南极观测站的科学家法曼等人发现，从 1 9 7 7 1 9 8 4 年，南极郝利湾上空春季时的大气臭氧含量大约减少了4 0 1 7 1 。图1 3 给出了从1 9 7 9 年到2 0 0 6 年南极上空臭氧层空洞变化的情况1 5 , 6 。 臭氧层的破坏引起了世界各国的关注。1 9 8 5 年，2 8 个国家在奥地利首都维 也纳通过了保护臭氧层维也纳公约。1 9 8 7 年9 月1 6 日通过了关于消耗臭 氧层物质的蒙特利尔议定书，并于1 9 8 9 年1 月1 日起生效。1 9 9 0 年、1 9 9 2 年 和1 9 9 7 年分别通过了议定书的伦敦修正案和蒙特利尔修改案，对议定书 内容进行实质性的补充。1 9 9 8 年通过开罗宣言对o d s 的控制做出了明确的 规定；1 9 9 9 年通过蒙特利尔议定书北京修正案，加强了对h c f c s 的控制， 受控物质扩大为七类9 5 种物质；2 0 0 0 年通过的瓦加杜古宣言呼吁各方加强 技术领域的国际合作；2 0 0 3 年中国加入议定书哥本哈根修正案。2 0 0 5 年1 2 月在达喀尔举行了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约方第十七次会议。 2 0 0 7 年9 月1 7 日，蒙特利尔议定书第1 9 次缔约方大会在加拿大蒙特利尔举 行【8 9 j 。根据近年来臭氧层破坏及恢复的科学观测数据，缔约方同意加速淘汰氢氯 氟烃( h c f c s ) 的生产与消费，并做出最新的决定： 对于正在按议定书第5 条款运作的缔约方( 注：指发展中国家) ，其消费量与 生产量分别选择2 0 0 9 与2 0 10 年的平均水平作基准线，把2 0 13 年的消费量与生产量 冻结在此基准线上。n 2 0 1 5 年削减1 0 ；n 2 0 2 0 年削减3 5 ；至u 2 0 2 5 年削减6 7 5 ；直至u 2 0 3 0 2 0 4 0 年允许有年平均2 5 数量供维修用。 而对于正在按议定书第2 条款运作的缔约方( 注：指发达国家) 则必须在2 0 2 0 年完成生产量与消费量的加速淘汰，依据以下削减步骤：到2 0 1 0 年削减7 5 ： 到2 0 1 5 年削减9 0 ；直到在2 0 2 0 2 0 3 0 年期间允许有0 5 供维修用。 同时，1 9 9 5 年1 月2 3 日联合国大会决定，每年的9 月1 6 日为国际保护臭氧 层日，旨在唤起人们保护臭氧层的意识，并采取具体行动以保护地球环境和人类 健康 1 1 , 1 2 j ，2 0 0 6 年9 月1 6 日，联合国安南秘书长在国际保护臭氧层日上发表文 告，呼吁保护臭氧层以拯救地球生命。 1 1 3 制冷剂替代 制冷剂替代一直都是围绕上述两个全球环境问题而开展的。目前，人们认为 制冷技术已经历了三代制冷剂，第一代是1 9 3 0 年以前的原生代，以n h 3 和c 0 2 等自然工质为主；第二代是含氯的合成制冷剂，即c f c s ( r 1 1 、r 1 2 、r 1 1 4 等) 第一章绪论 和h c f c s ( r 2 2 、r 1 4 2 b ) ，因为引起臭氧层破坏而已被停止生产或即将停止生产； 第三代是含氢和氟的合成制冷剂即h f c s ( r i3 4 a 、r 3 2 、r 1 2 5 、r 1 4 3 a 等及其混 合物r 4 0 7 c 、r 4 1 0 a 等) ，第三代制冷剂解决了臭氧层破坏问题，在当时被称为 “环保工质”、“绿色工质 或“无氟工质”等，被称之为中长期替代物，随着生 产量的增加，它们带来强烈的温室效应，因此也将面临着淘汰；人们面临着研发 第四代制冷工质：零o d p 并低g w p 。在第四代制冷剂的发展方向上，存在着两 个截然不同的方向。 方向一：寻找更难于合成的新化合物充当制冷剂。 杜邦和霍尼韦尔公司是全球大型的化学公司，r 1 3 4 a 就是杜邦公司在上世纪 七八十年代为替代r 1 2 而推出的替代物，如今面对更为严格的欧盟法规，r 1 3 4 a 也将面临淘汰。两家公司在2 0 0 6 年末推出了新型替代制冷剂，杜邦称之为d p 1 ， 霍尼韦尔称之为f l u i d h 。当初两家公司都宣称该工质是二元共沸物，o d p 为0 、 g w p q v r e a l q v r y e s 1 r 计算压缩机工作过程中压缩腔 一判断e d 设定的角度i 压力变化规律和排气角度0 d 上 结束，输出结果 莺 图3 2c 0 2 双级滚动转子压缩机的设计流程图 2 6 第三章c 0 2 双级滚动转子压缩机的设计和热力计算 根据以上分析，图3 2 给出了c 0 2 双级滚动转子压缩机的设计流程图。如图 所示，整个设计思路分析如下： ( 1 ) 给定的双级压缩机排气量实际上为高压级压缩机的实际排气量。设定 为q ，r h ，因此首先根据高压级的进出口状态参数确定双级压缩机的质量流量q m r h ， 计算公式如( 3 9 ) 。 q 劬= 导 ( 3 - 9 ) v s l l 式中vs h 为高压级压缩机进口比容，可利用高压级压缩机的进出口压力和 温度编制程序计算。 ( 2 ) 对于双级压缩机低压级的实际排气量计算，依据双级压缩机中质量流 量相等的原理进行分析，即q 袖= q m d 。已知了低压级压缩机的质量流量以后，可 根据式( 3 1 0 ) 计算实际排气量。 vs l q 州2 q m 高 ( 3 1 0 ) 式中vs l 为低压级压缩机进口比容，可利用低压级压缩机的进出口压力和温 度编制程序计算。 ( 3 ) 根据前两步的计算确定两级压缩机高低压缩单元的实际排气量、进出 口的压力和温度。调用单缸滚动转子压缩机的设计程序。 ( 4 ) 单缸滚动转子压缩机的设计思路为：首先根据压缩机的实际排气量， 初步假设容积效率、相对偏心距和相对气缸高度，利用公式( 3 1 ) 和( 3 8 ) 计 算气缸直径，利用表3 1 中压缩机结构尺寸及其相互关系计算压缩机各个结构尺 寸。然后根据c 0 2 压缩机和膨胀机设计经验假设进排气口的位置。根据计算的 初步尺寸估算容积系数九。压力系数九 温度系数九。、泄漏系数九。以及容积效 率轨，具体计算方法将在下一节介绍。 ( 5 ) 利用公式( 3 。11 ) 计算在这种尺寸结构下的实际排气量，然后将计算的 排气量与输入的实际排气量相比，形成判断语句。当满足设定的比较精度时，结 束判断，进行下一步计算；否则，调整初设的相对气缸高度，重新进行第( 4 ) 步的计算，直至满足设定的精度。 q 涮2 万r l h ( r 2 一r 2 ) n ( 3 一1 1 ) ( 6 ) 完成第( 5 ) 步计算以后，计算工作腔的容积和压力随着转角的变化规 律，并且求出工作腔压力达到的排气压力时转子旋转的角度，即排气角度。d 。然 后将排气角度0 d 与设定的排气角度相比较，形成判断语句。当满足设定的比较 精度时，结束判断，输出压缩机的设计结果。否则，调整初设的相对偏心距，重 新从第( 4 ) 步进行计算，直至满足设定的精度。工作腔容积和压力的计算方法 2 7 第三章c 0 2 双级滚动转子压缩机的设计和热力计算 也将在f 一节详细介绍和讨论 3 3c o ：双级滚动转子压缩机热力性能分析 3 3 1 气缸容积变化规律 本课题设计的是额定制冷量为4 k w 的c o z 立式全封闭双级滚动转于压缩机。 根据前文分析，压缩机月牙形空间被滑板分成吸气容积v ：和压缩容积v d 。随着 压缩机的转动，两部分容积也 将随着变化，本节主要讨论两 级气缸容积的变化规律。图 3 - 3 给出了滚动转子压缩机工 作时的几何关系图。 从图中可以看到，在任意 转角时，微元面积为： d a = ；( r 2 一p 2 ) 却 ( 3 1 2 ) 其中：r 为气缸半径；d 为矢径o a 的长度，计算如下 圉3 - 3 滚动转子压缩机气缸几何关系 p = o a ；r j ( 1 一。) c o s ( 口一) + ( 1 一口rc o s 2 p 一) 十2 4 1 ( 3 1 3 ) 其中：4 = r r 为滚动转子与气缸的半径比。 如果不考虑滑板厚度的影响，任意转角e 处，气缸内表面、滚动转子外表面 及滑扳所盛成的工作腔截面积为： 坤) = 肚如= 引( h 2 ) 一一华s m 一一 拙s t n 阻) 如一卜( i 砷n 锕村一2 可 浯 滑扳伸入到气缸的长度为： k = r 1 1 一( 】一日) c 。s 口“i 一) 2c 矗目+ 2 d 一1 ( 3 - 1 5 ) 如果不考虑滑板厚度的影响，则气腔容积v ( o 产a ( 9 ) h 。如果考虑滑板占的体 积影响。实际的吸气腔容积为： 舣。，慧警篇廿抛地硝 1 7 ) k ( 巾t t ( 帆b v 日= s 一五h 丫以 “矿? 7 黼嚣器，描狲栅蝴v 觚榔 v d 随转角的变化规律 3 第三章c 0 2 职级滚动转子压缩机的设计和热力计算 缸径向尺寸的变化相对平缓 图3 石高压级气缸半径随相对气缸高度的变化圈3 7 高压级工作容积随转角的变化 图3 - 7 给出了在不同的相对气缸高度下，高压级压缩机工作腔容积随转子转 动角度的变化趋势。此时固定相对偏心距为0l 。从图中可以看出，高压缴压缩 机工作腔容积随相对气缸高度的变化规律与低压级的变化规律相同。同样滚动 转子的转角8 在0 0 3 0 。以及在3 2 5 。3 6 0 0 范围内时，工作腔容积随转角的变化 根小变化值大约分别占气缸容积的o7 和03 5 。因此认为，吸气孔前边缘 角度在3 0 0 3 5 。之间排气孔后边缘角度在2 5 。3 5 。之间，对输气量的影响不明 显。 3 3 1 2 气缸半径和工作客积随相对偏心距的变化规律 ( i 口o o u 。” 0 1 日 。2。 。w o ”。6口2 图3 - 8 低压级气缸半径随相对偏，t 5 距的变化 图3 - 9 高压级气缸半径随相对偏心距的变化 图3 - 8 给出了低压级气缸