（化工过程机械专业论文）喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究.pdf

硕十学何论文 摘要 涡旋压缩机是一种新型高效、低噪、高可靠性的容积式压缩机，相对其它形式的压 缩机在很多方面有着较大的优势，特别是在小排气量、低压缩比的情况下，涡旋压缩机 的性能更为突出。目前涡旋压缩机的应用领域同趋广泛，特别是家用空调和汽车空调领 域，其研究也越来越引起国内外学者的普遍重视。喷水涡旋压缩机实现了无油润滑是涡 旋压缩机发展的又一里程碑。当前环保和节能性技术的要求对制冷系统提出了新的挑 战，本文采用清洁无污染的自然工质水、空气，利用空气压缩式制冷，采用喷水涡旋压 缩机压缩，整个系统实现了零污染，而且提高了单纯空气压缩制冷的制冷量，解决了单 纯水压缩制冷需要大型特殊压缩机的难题，具有理论研究价值和实际生产意义。 本文基于涡旋压缩机型线的分析，得出喷水涡旋压缩机压缩腔的体积计算方法；并 在此基础上，建立了喷水涡旋压缩机的数学模型，得出涡旋压缩机的排气温度随喷水量 的变化情况。 通过有限元分析和a n s y s 软件模拟，得出喷水涡旋压缩机的双端面机械密封环温度 场的分布云图，及其与喷水温度、转速的关系。推导出机械密封动、静环的热量分配计 算式并定量分析了喷水润滑与喷油润滑对密封端面温度场的不同影响，为机械密封的喷 水研究提供了理论依据。 从动力学分析的角度，分析了喷水涡旋压缩机的各摩擦副的组成和受力情况，并计 算出了各摩擦副的功耗。建立了喷水涡旋压缩机的泄漏模型，并推导出各泄漏量的计算 公式。分析了涡旋压缩机喷水润滑的密封机理及影响密封效果的因素，并提出了提高密 封效果的措施，为提高喷水涡旋压缩机密封效果，减少泄漏提供了理论依据。 介绍了水空气压缩式制冷循环的原理，对制冷循环做了热力计算。对涡旋压缩机 的功耗、制冷系数、制冷量与膨胀器出口温度参数随蒸发温度和冷凝温度的变化做了分 析。 通过试验样机的性能测试和性能参数测量，验证了理论计算的正确性。为使系统性 能得到更大提高，提出了改进措施和对后续工作的展望。 关键词：涡旋压缩机；喷水润滑；机械密封；制冷；有限元分析；泄漏； 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 a b s t r a c t a san e wh i g hp e r f o r m a n c e ，h i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s ea n dh i g hr e l i a b i l i t yp o s i t i v e d i s p l a c e m e n td e v i c e ，t h es c r o l lc o m p r e s s o rh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e rt y p e s o fc o m p r e s s o r , e s p e c i a l l yi ns m a l l e rd i s p l a c e m e n tv o l u m ea n ds m a l l e rp o w e rc o m p r e s s o r , t h e s c r o l lc o m p r e s s o rh a sh i g hp e r f o r m a n c e i th a sb e e nm o r eu s e di n l o t so fa r e a s ，e s p e c i a l l yi n h o u s ea i rc o n d i t i o n i n ga n dm o t o ra i rc o n d i t i o n i n g i t sr e s e a r c h e sh a sm o r ea t t a c h e db yt h e r e s e a r c h e r sn o w w a t e r - i n j e c t i o ns c r o l la i rc o m p r e s s o ri st h el a n d m a r ki nt h es c r o l l c o m p r e s s o rr e s e a r c h i n gh i s t o r y c u r r e n t l y , p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n ta n de c o n o m i z et h ee n e r g y i sab i gc h a l l e n g et ot h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h i sd i s c o u r s eu s et h ec l e a n n e s sa n dn o n c o n t a m i n a t i n g m a t t e rw a t e ra n dg a si n c o m p r e s s i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e m u s i n g t h e w a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o ra c h i e v en o nc o n t a m i n a t i n g n o to n l ya d v a n c et h e c o n t a m i n a t i n gc a p a c i t yi ng a ss i n g l e n e s sc o m p r e s s i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，b u ta l s os o l v e t h eb i gc a p a c i t yc o m p r e s s o rp r o b l e mi nw a t e rs i n g l e n e s sc o m p r e s s i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，i t h a sv e r yb i gv a l u ef o rt h e o r yr e s e a r c h i n ga n dp r a c t i c em e n a n i n g i nt h i sp a p e r , a n a l y s e dt h es c r o l lc o m p r e s s o r st y p el i n e ，a c h i e v e dh o wt oc a l c u l a t et h e s c r o l l c o m p r e s s o r sc a p a c i t y a n du s i n gt h i s ，b u i l d e d t h e w a t e r - i n j e c t i o n s c r o l l c o m p r e s s o r sm a t h e m a t i cm o d l e a c h i e v e dc o n n e c t i o nb e t w e e n t h ee x h a u s tt e m p e r a t u r ea n d t h e w a t e r - i n j e c t i o nc a p a c i t y t h et e m p e r a t u r ef i e l do fd o u b l ef a c e sm e c h a n i c a ls e a li sa n a l y z e du s i n gs o f t w a r e a n s y s d i s c u s s i n gt h ea f f e c to ft h ev a r i a b l ea x i s sp e e da n dt h ev a r i a b l et e m p e r a t u r eo f w a t e r - i n j e c t i o no nt h e s e a l se n df a c et e m p e r a t u r ef i e l ds e p a r a t e l y c o n c l u d e dt h eq u a n t i t yo f h e a td i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h em o b i l el o o pa n dt h ei m m o b i l el o o p ，a n dq u a l i t a t i v ea n a l y s e dt h e f r i c t i o n sq u a n t i t yo fh e a to ft h ed o u b l ef a c e sm e c h a n i c a ls e a l c o n t r a s t e dt h ee f f e c tb e t w e e n t h ew a t e r i n j e c t i o na n dt h eo i ll u b r i c a t i o no nt h ed o u b l ef a c e sm e c h a n i c a ls e a l c o m p o s eo ft h ef r i c t i o np a i r sa n di t s f r i c t i o nf o r c ef r o mt h ed y n a m i c s t h e o r y , a c c o u n t e dt h ep o w e rc o n s u m eo ft h ef r i c t i o np a i r s c o n s t r u c t e dt h el e a k a g em o d l ei n w a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o la n dc o n c l u d e dt h ef o r m u l ao ft h eq u a n t i t yo f t h el e a k a g e a n a l y s e dt h ew a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o r ss e a lm e c h a n i s ma n dc o n c l u d e dw h a tc a n a f f e c e ti t ss e a lp e r f o r m a n c e ，t h i sc a np r o v i d et h et h e o r yf o rh o wt om i n i s ht h el e a k a g ee n o u g h a n dh o wt oi n c r e a s et h es e a le f f e c t i n t r o d u c et h et h e o r yo ft h ew a t e ra n dt h eg a sc o m p r e s s i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ， a n a l y s e dt h e c i r c l es y s t e mu s i n gt h et h e r m o d y n a m i c st h e o r y ，a n a l y s e db e t w e e nt h e w a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o r sp o w e r , r e f r i g e r a t i o nc o e f f i c i e n t ，r e f r i g e r a t i o nc a p a c i t y , t h e i l 硕十学何论文 e x h a u s tg a s st e m p e r a t u r eo ft h eb u g g l em a c h i n ew i t ht h ee v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e c o n d e n s a t i o n t e m p e r a t u r e at e s tw a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o ri s d e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，t h et e s tr e s u l t s a g r e e dw i t ht h et h e o r y f o rd e v e l o p i n gt h ew a t e r - i n j e c t i o ns c r o l lc o m p r e s s o r , t h i sp a p e r p r o p o s e dh o w t oi m p r o v et h ee q u i p m e n t sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：s c r o l l c o m p r e s s o r ；w a t e r - i n j e c t i o n l u b r i e a t i o n ；m e c h a n i c a l s e a l ； r e f r i g e r a t i o n ；f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) ；l e a k g e i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 空砀 日期：2 形；年 r 月拥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：壶劢日期：力矽年j 月纱日 导师签名：穷。1 彳公兮日期：知口序，月沙日 11 涡旋压缩机的概论 第1 章绪论 涡旋压缩机的结构及特点 涡旌j | 、缩机的一要部件有动涡旋盘 ( ，环、圆柱销、球形连轴器) ，人 刚，涡旋j f 、缩机分为外驱动式( 如图1 抒涡旌髓，蚺轴和史架体，防白转机构 小平衡铁等”i ：根据电机放置位告1 的小 ) 和全h 刚，( 蛐崮l2 ) 两种。 目1i 卧式外驱动结构蛩1 二立式全茁_ 习j 结构 涡旋爪缩机柏对于其它形式的l j ：缔0 l 有着无【，r 比拟的优点 l 、体积小、重量轻 满旋雎缩机多个压缩腑同时t 作，相邻爪缩舱之间的气体i j ：差小，气体泄漏 帚! p ，窬税效率岛，提高了单位安装空间和，”化质量的排气量，机器易达到小型 轻量化。 2 、r 靠性高 n ) 涡旋压缩机的主机零件少，足活雍机数鞋的l 8 ，零件的减少足t ，j 稚性 提高的火键要素。 ( 2 ) 转半径小，线逮厦仪为2 m s ，吲而磨损小，机械效率高，振动小。 ( 3 j 高可靠性特别适用f 变转速运转和变频调速技术。 ： 、噪音低 动涡盘与 轴等运动部什的受力变化小，杜机振动小。没冉吸、排气阀， 消除了阀片的敲击声和气流的爆破声。山于吸排气过程几乎川时进行，排气均匀， 脉动小，整机噪声低。 d 、能耗低 ( 1 ) 吸。i 增压效应和没有余隙容积，使涡旋压缩机的容积效率高达9 8 以e 。 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 ( 2 ) 气体在若干个工作腔被逐渐压缩，一个压缩过程分几次压缩，故热效率高。 ( 3 ) 无吸、排气阀，故进、排气的阻力损失几乎为零。 5 、维护费用低 主机零件少，易损件更少，可靠性高，维护费用低。 但是，涡旋压缩机是也存在着如下缺点： 1 、运动机件表面多呈曲面形状，这些曲面的加工和检验均较复杂，因此加工工 艺复杂，成本较高。 2 、高压缩比和大排气量压缩气体的需求限制了涡旋压缩机的发展。增加涡旋齿 的圈数造成涡旋盘直径的增大，整机尺寸的增加，轴向力、径向力和倾覆力 矩的增加，使机械磨损严重，震动加剧。高转速会使动静涡旋盘相对运动的 线速度增加，摩擦损耗大，泄漏增加，效率降低。 1 1 2 涡旋压缩机的工作原理 涡旋压缩机是一种借助容积变化来实现气体压缩的流体机械，这一点与往复 式压缩机相同。其主要部件是两个形状相同但角相位置相对错开1 8 0 。的渐开线 涡旋盘( 如图1 3 ) ，其一是固定涡盘，另一个是由偏心轴带动，其轴线绕着固定 涡旋盘轴线做无自转、只公转的动涡盘。装配好后，两个涡旋盘之间形成了数对 月牙形的封闭腔，随着偏心轴的转动，这些月牙腔的形状大小一直在变化。气体 从吸气口进入吸气腔，相继被摄入到外围与吸气腔相通的月牙形气腔罩，随着这 些外围月牙形气腔的闭合而不再与吸气腔相通，其密闭容积便逐渐被转移到定涡 盘的中心且不断缩小，气体被不断压缩压力升高。由于动静涡旋不断形成封闭腔， 使吸气、压缩、排气过程连续进行，而且是多腔同时进行，整个过程连续、平稳， 所以涡旋压缩机的振动和噪声比其它的压缩机低。 图1 3 涡旋压缩过程示意图 1 1 3 涡旋压缩机的发展状况及研究现状 1 、涡旋压缩机的发展状况 2 一 硕十学位论文 涡旋压缩机是二十世纪八十年代初实现工业化批量生产的一种新型回转压 缩机，其工作原理最初是由法国人l e o nc r e u x 于1 9 0 5 年提出并在美国注册专利【2 】 的。在其专利中，涡旋盘采用圆渐开线，动涡盘采用公转结构，涡圈端部设计有 密封材料，从现在的机器结构来看，这三项技术都被保留下来，并成为涡旋压缩 机高性能的基本保障。继l e o nc r e u x 的专利之后，l n o r d i 在1 9 2 5 年提出了涡旋 液泵的专利3 1 。 但在2 0 世纪七十年代以前，有关涡旋机械的技术并没有取得多大发展，这 一方面是因为没有理论上的突破，更主要的原因是加工手段、工艺设备等条件的 制约限制了其商业化发展。进入上世纪7 0 年代，世界能源危机的加剧和高精度 数控铣床的涌现，促进了涡旋压缩机的发展。1 9 7 3 年美国a r t h u rdl i t t l e 公司成 功开发出压缩氦气的涡旋压缩机【4 j ，应用在远洋海轮上，并在此基础上与瑞士合 作开发了多种工质的涡旋压缩机样机，标志着涡旋压缩机商品化年代的到来。2 0 世纪八十年代初涡旋压缩机开始实现工业化批量生产。其中涡旋制冷压缩机作为 一种新型高效节能压缩机已经在空调和制冷领域获得广泛的应用，是涡旋机械研 究的重点。 日本最先开始涡旋压缩机的规模生产，1 9 8 1 年同本三菱重工( m h i l ) 公司 开始生产用于汽车空调的涡旋压缩机，日立公司于1 9 8 3 年首先推出柜式空调涡旋 压缩机【5 j 。产品覆盖了从3 匹n 5 匹几个型号，实际应用效果良好。随后各大公司 相竟开展研究开发工作，并不断推陈出新，涡旋压缩机的制造业迅速崛起。松下 电器于1 9 9 0 年开始大规模生产小型立式空调涡旋压缩机，1 9 9 2 年又成功地研究开 发了分体式空调卧式涡旋压缩机。此后一系列卧式涡旋压缩机由日立、大金等公 司开始投入生产，除此之外，三菱电机、东芝、三洋、三井精机、岩田涂装等公 司也都批量生产涡旋压缩机。 在美国，谷轮公司于1 9 8 7 年开始生产涡旋压缩机，现在年产量达2 5 0 万台以 上，是目前世界上最大的涡旋压缩机制造商。开利公司和特灵公司1 9 9 2 年开始生 产涡旋压缩机，泰康公司1 9 9 5 年也开始了涡旋压缩机的生产。此外，韩国的l g 电子和三星公司也批量生产涡旋式空调压缩机。 在我国，2 0 世纪八十年代后期，涡旋机械逐渐成为研究热点，先后有甘肃工 业大学、西安交通大学、机械部通用机械研究所以及一些其它的院、所和工厂对 涡旋技术进行规模研究，并研制成功多种形式的涡旋式空调压缩机、空气压缩机、 汽车空调压缩机、油泵等产品样机，对涡旋式机械的一些主要技术问题进行了研 究，并在理论研究和工程实践上取得了相当的成果。 现在涡旋压缩机的应用范围广泛，主要应用领域有制冷空调压缩机、空气压 缩机、涡旋泵等领域。由于采用涡旋增压技术对中小型发动机有着无可比拟的优 势，目前国内外的很多专家开始对其进行研究，德国大众汽车公司于八十年代末 研制成功配有涡旋增压器的1 3 l 和1 8 l 汽油机，开辟了涡旋机械新的应用领域， 功率提高了3 5 ，运行性能亦很优良；我国主要有兰州理工大学涡旋研究所的刘 振全、李超教授，西安交通大学的顾兆林教授等研究涡旋压缩机。 2 、研究现状及存在的问题 由于涡旋压缩机的应用越来越广泛，国内外学者对涡旋压缩机的研究做了大 量的工作。 ( 1 ) 在无油润滑涡旋压缩机的研究方面： 文献1 6 j 通过分析燃料电池空气压缩机采用无油润滑双涡圈涡旋式压缩机的 结构特点，建立了双涡圈齿头型线修正方程和动涡旋圆盘与支架体之间缝隙泄漏 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 的数学模型，给出了压缩机功耗随缝隙宽度变化的试验结果：文献 7 1 通过分析无 油润滑涡旋压缩机的工作过程，针对各摩擦部位的特点，提出了采用自润滑形 式等实现无油自润滑的技术关键；文献【8 】针对涡旋压缩机无油润滑技术，从材料 和结构两方面阐述了密封条的基本特点，介绍了密封条的两种结构模型，说明 了各自的工作原理，并对两种模型进行了受力分析，得出了密封条j 下常工作应 满足的条件及选用两种结构模型应注意的问题。 ( 2 ) 在喷水润滑涡旋压缩机的研究方面： 文献1 9 】从变质量系统热力学原理出发，考虑喷水涡旋空气压缩机的换热及工 作特点，建立了其热力学模型通过对喷水涡旋压缩机工作过程的模拟，分析了转 速、喷水量、功率、排气温度等参数之间的关系；文献【lo j 以热力学理论为基础， 提出压缩过程中湿空气始终处于饱和状态的假设，对喷水涡旋空气压缩机的压缩 过程进行了较详细的理论分析，建立了相应的数学模型并进行了数值求解；文献 【l l 】对喷水涡旋空压机高速运行时动静盘之间发生碰磨现象的原因进行了分析。提 出了对间隙合理控制的有效措施，并在此基础之上指出了喷水涡旋空压机发展的 关键技术。 ( 3 ) 制冷涡旋压缩机的研究方面： 文献【l2 】从理论和实验上深入研究了注入液体制冷剂对制冷涡旋压缩机行为 的影响，建立了基于缸壁传热基础上的气液混合的压缩模型，并通过实验研究了 液体制冷剂的注入对压缩机性能的影响。还探讨了液体注入对油粘性和制冷剂在 油中的溶解性的影响以及与机械损失和压缩机可靠性的关系；文献【l3 】对双头制 冷涡旋压缩机提出了型线设计方案，推导出相应的容积计算和动力计算公式，并 在此基础上进行了计算机优化设计；文献【1 4 j 建立了带经济器的涡旋压缩机制冷 循环的数学模型，分析了辅助回路使用热力膨胀阀系统的各种情况下的动态特 性；文献【l5 j 建立了适用于制冷空调仿真的涡旋压缩机的参数分布简化模型。推 导出适宜于任意渐开线初始角的包含吸气、压缩和排气全过程的分段函数形式工 作腔容积模型和泄漏面积模型；文献【l6 】提出了对车用涡旋压缩机性能起决定作 用的动盘防自转及轴向支撑、驱动机构调节和补偿、密封、齿型修正及排气孔设 计、减振及降噪、容量调节、润滑等关键技术的代表性解决手段。 通过上述文献描述的内容可以看出，涡旋压缩机的研究存在的问题： ( 1 ) 无油润滑中主要考虑自润滑材料的应用，而研究喷水润滑的理论相对较少； ( 2 ) 喷水润滑理论只是考虑涡旋压缩腔的润滑问题，而没有进行机械密封的水 润滑分析； ( 3 ) 没有比较水润滑与油润滑对机械密封作用效果的区别； ( 4 ) 以研究立式全封闭型涡旋压缩机为主，而很少针对卧式开启式结构的涡旋 压缩机的研究。 1 2 本课题研究的背景 1 2 1 喷水润滑涡旋压缩机的应用需求 涡旋压缩机是目前开发出来的新型压缩机，它与传统压缩机相比，具有结构 新颖，体积小、重量轻，可靠性高，噪音低，能耗低，输气平稳连续，维护费用 少等一系列优异的技术性能，被行业内誉为“无需维修压缩机和“新革命压缩 机”，是5 0 h p 以下压缩机的理想机型。 4 硕+ 学化论文 根据所用润滑剂的物质形态，润滑分为气体润滑，液体润滑，半固体润滑和 固体润滑四大类。然而由于加工技术和材料的限制，涡旋压缩机仍多采用液体润 滑。但是随着工业的发展，常要求气体在压缩时不被润滑油所污染或根本不允许 和润滑油接触。例如： l 、燃料电池中，被增压的空气含油时会污染燃料电池内电极上的催化剂，影响 燃料电池的性能； 2 、空气分离时的氧气，含油时会引起燃烧、爆炸； 3 、氨合成塔中的触媒会因氨氢气含油而使合成效率降低； 4 、贵重的稀有气体生产时以保证气体的纯度； 5 、石油气中有些烃类因易溶于润滑油中，使润滑油稀释粘度下降，从而降低了 润滑效果； 6 、深冷工程中的气体温度很低，如乙烯为一1 0 4 ，甲烷为一1 5 0 ，此时润滑 油早己冻结，更需要无油润滑压缩机； 7 、食品工业和制药工业的产品不允许被润滑油污染等。 因此，喷水润滑压缩机的研究有着重要的理论意义和实际价值。本文研究的 主要是空气压缩式制冷用涡旋压缩机，利用喷水技术既润滑了涡旋压缩机，又发 挥了水空气制冷剂的优点，既减少了使用润滑油时的设备，又提高了制冷效果。 1 2 2 制冷技术对喷水的需求 1 、自然工质制冷的良好前景 在1 6 0 多年的制冷工艺发展历史中，已经有5 0 多种制冷工质被广泛用于压缩 式制冷和热泵装置，并获得了不同程度的成功。但是，由于一些制冷工质自身特 性的限制，以及能源和环境危机所要面临的问题，必将被淘汰。例如：1 、由于 r 1 2 、r 2 2 对臭氧层的极强破坏作用，蒙特利尔议定书、京都议定书要 求禁止使用c f c 类制冷工质并逐步淘汰h c f c 类制冷工质。2 、由于r 1 3 4 a 替 代r 1 2 、r 2 2 时，制冷设备需更换特殊的润滑油，又因为其本身是需减排的温室 气体，这些局限性决定其只能是一种替代冷媒而不是能长久使用的制冷剂。 因此开始了世界范围内的替代制冷工质，特别是自然工质的研究和发展。为 了适应绿色环保、经济节能的要求，空气、水、c 0 2 等自然工质的制冷研究越来 越受到人们的关注。但是自然工质中氨具有刺激性、毒性和易燃性的特点，而且 氨和润滑油不相溶，需要辅助设备，制冷装置占地面积大。c 0 2 作为制冷工质的 主要缺点是运行压力较高和循环效率较低。 空气是工业上最早使用的制冷工质之一，具有来源丰富、安全、环保等优点， 而且在一定的情况下有理想气体性质，空气压缩式制冷装置在很宽的较低制冷温 度范围内( 5 0 以下) 具有优良的运行性能。 2 、单纯水及单纯空气制冷的局限性 水作为自然工质，对生态环境和人体无任何危害，是与环境最为友善的制冷工 质。由于大气压力下水的沸点为1 0 0 。c ，因此作为制冷循环，系统在真空下运行，具 有较高的安全可靠性。而且，较高的临界参数使水应用于空调和热泵领域，可和 其他工质一样，在亚临界条件下循环，并能获得较高的循环性能系数。 纯水作为工质的局限性表现在： 1 ) 运行压力低，但压缩比较大；所需的压缩比较常规制冷工质大很多。当蒸发 温度为5 、冷凝温度为5 0 时，压缩比可达1 4 以上。由于过大的压缩比，导 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 致压缩机的容积效率降低和节流损失的增大，因此对于水制冷循环，应采用多级压 缩的方式。 2 ) 单位容积的制冷量小，需要的压缩机的排气量大。 3 ) 水的单级压缩的排气温度过高。不但加大了过热损失，而且恶化了润滑效果。 4 ) 最大的缺点是在一般蒸发温度下的饱和压力太低，真空度太高而难于保持。 单纯空气压缩式制冷循环采用两个定压过程来代替定温过程，即逆布雷顿循 环。单纯空气作为工质的局限性表现在： 1 ) 制冷系数比同温限下蒸汽压缩制冷循环低很多，经济性较差。 2 ) 由于空气的定压比热很小，空气压缩制冷循环的制冷量也受到限制。 这两个缺点是由空气的热力性质决定的，虽然在采用回热循环和大流量叶轮 式压气机和膨胀机后，在制冷量方面有所改善，但仍不能彻底解决问题； 3 ) 水空气混合制冷剂的优点 水空气混合工质制冷循环可以视为空气压缩制冷循环和蒸汽压缩制冷循环 的组合。其优点表现为： 1 ) 在相同压缩比下，混合工质压缩过程中水发生相变吸收压缩热，从而使排气温度 降低。 2 ) 在相同的温限下，混合工质制冷循环的制冷量高于空气压缩制冷循环，而混合 工质制冷循环的循环功小于空气压缩制冷循环的循环功。 即混合工质制冷循环与空气压缩制冷循环相比，不但拥有较高的制冷量，而且 有着更高的制冷系数，这都是因为水的相变产生的效果。 1 2 3 水的冷却作用 水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃性等特性，是最具有发 展潜力的润滑介质。因此，可以减少各种摩擦副产生的摩擦、摩损、振动、冲击、 噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，节省大量油料和贵重有色金属等 战略资源，。水润滑的优越性具体表现为： ( 1 ) 购买和使用成本低。用水替代油作润滑介质，既节约了能源，又节省了购买、 运输、储存油液所需的费用和麻烦。 ( 2 ) 环保。矿物油作润滑介质对环境的污染存在严重问题，泄漏的油液使空气中 充满异昧，工作环境和周边环境变得恶劣，使用过的废液必须回收处理；用水作 摩擦副润滑介质，工作场所清洁，对环境没有任何危害。 ( 3 ) 水不会燃烧，安全性好。而油液在高温、明火下很容易燃烧而可能导致恶性 事故。 ( 4 ) 易维护保养。水本身就具有清洁功能，所以用水作介质的摩擦副系统的维护 保养非常方便，清洁、维护成本比油介质系统低。 1 3 喷水涡旋压缩机水，空气压缩式制冷装置介绍 1 3 1 制冷装置的组成 此水空气压缩式制冷系统，采用压缩空气为主，辅以喷水作用，利用水的 相变提高了制冷效果；采用涡旋压缩机压缩制冷介质，同时，采用喷水润滑代替 传统的油润滑；对于此开启式涡旋压缩机的机械密封也采用水密封。制冷装置由 6 硕十学何论文 下列部件组成： 涡旋压缩机、膨胀器、冷凝器( 风冷) 、蒸发器( 风冷) 、气液分离器、干燥 过滤器、水泵、风冷器、水过滤器、储水罐、分水器、皮带轮、电机等，如图 1 4 。 1 3 2 制冷装置管路的说明 图1 4 制冷装置系统图 此系统采用两个循环回路，第一循环回路是单纯的水路，用于涡旋压缩机的 机械密封，水通过水泵经过滤器后进入涡旋压缩机的机械密封，通过吸收机械密 封的热量后经风冷器冷却回到储水罐完成一个循环。 第二循环回路是空气和水的混合循环，空气与喷口喷出的水经涡旋压缩机压 缩后进入冷凝器，通过气液分离器，这部分水被分离出来，空气经干燥过滤器后 与喷口喷出的水混合进入膨胀器，通过气液分离器、蒸发器、回到涡旋压缩机完 成一个循环；被分离出来的水经风冷器冷却回到分水器后又被喷到涡旋压缩机中 继续循环。 涡旋压缩机内水路的说明： 涡旋压缩机型号为：w k y l 5 0 1 0 6 。 wky 1 5 0 1 0 6 捧气压力0 6mpa ( 表压) 进气压力0 1mpa ( 表压) 最大流量1 5ni n3 ，mi n 压缩机 空气 涡旋式 一部分水经喷口进入吸气腔，对动、静涡旋盘的轴向及径向泄漏起密封润滑 7 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 作用；另一部分进入主轴润滑水路润滑各轴承和曲柄销，然后通过背压腔进入压 缩腔，随压缩气体排出；机械密封处水通过水泵进入密封腔，换热后排出到储水 罐( 如图1 5 ) 。 图1 5 涡旋压缩机内水路图 1 3 3 水空气压缩式制冷系统的研究现状及存在的问题 1 、研究现状 由于水、空气自然工质的清洁无污染性，以及蒸气压缩式制冷技术的成熟应 用及不断发展，未来采用自然工质蒸气压缩式制冷系统应用于家用空调、汽车空 调等领域有着良好的前景，对于水、空气压缩式制冷的研究也越来越多。 文献【1 7 】介绍了以空气和水为混合工质的制冷循环，对循环进行了简单的热 力分析，并在不同的给定条件下，对各点的状态参数和循环性能参数进行了理论 计算；文献【l8 】通过与蒸汽压缩式制冷循环的比较，论述了空气制冷循环的特性， 指出了在制冷空调中应用空气制冷技术及开发空气制冷装置需要解决的关键技 术。文献【l9 】叙述了水制冷剂压缩式制冷机的原理及优缺点，以及该制冷机在冷 水机组、热泵、制冰及冰蓄冷方面的应用。 2 、存在的问题 ( 1 ) 只对单纯的水或单纯的空气压缩式制冷系统的研究，而对于水空气混合工 质压缩式制冷的研究较少； ( 2 ) 主要是对于氟制冷涡旋压缩机经济器的研究，而对于水一空气制冷涡旋压 缩机经济器的研究较少； ( 3 ) 没有把水制冷剂和水润滑结合起来考虑对涡旋压缩机及整个机组性能的影 响。 8 硕+ 学位论文 1 4 本课题来源及研究的主要内容 1 4 1 本课题来源 本课题属国家“8 6 3 计划协作项目，甘肃省自然科学基金( 3 z s 0 6 2 - - b 2 5 珈2 9 ) 项目。 1 4 2 研究的主要内容 1 、对喷水涡旋压缩机的压缩过程进行分析，建立其热力学模型，分析转速、喷 水量、功率、排气温度等参数之间的关系。 2 、运用有限元理论和a n s y s 软件，模拟机械密封环在水润滑条件下的温度场 分布情况；分析密封环失效的原因和最易失效的地方；判断机械密封动静环 温度场随润滑水量、初始温度及主轴转速间的变化关系。 3 、通过有限元软件模拟，比较水润滑与油润滑对机械密封效果的影响。 4 、建立动静环热量的分配关系式，分析转速与各密封坏端面摩擦热的关系。 5 、分析涡旋压缩机各摩擦副的受力情况，计算各摩擦副的功耗，根据功耗确定 喷水量，包括涡旋压缩机中涡旋盘的喷水量、机械密封的供水量。 6 、建立涡旋压缩机的泄漏模型，分析轴向密封和径向密封的影响因素，并提出 提高密封效果的相应措施。 7 、对水空气混合制冷工质的制冷循环进行热力计算。 8 、对此制冷装置提出改进措施。 1 5 本课题研究的创新点 1 、将涡旋压缩机的喷水润滑和水空气混合介质压缩式制冷系统相结合。 2 、通过有限元分析和a n s y s 软件，模拟水润滑对涡旋压缩机的机械密封环温 度场的影响。 3 、将水润滑和油润滑对涡旋压缩机的机械密封温度场的影响做了系统比较。 4 、对喷水空气压缩式制冷系统进行了热力计算。 1 6 本章小结 1 、介绍了涡旋压缩机的结构、工作原理、优缺点。 2 、阐述了发展状况、研究现状及存在的问题。 2 、介绍了喷水涡旋压缩机水空气压缩式制冷装置的组成及原理，对此制冷装置 的各循环回路做了说明。 3 、阐述了水空气压缩式制冷的研究现状和存在问题。 4 、介绍了本课题来源、研究的主要内容及创新点。 9 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 第2 章喷水涡旋压缩机的数学模型 2 1 喷水涡旋压缩机涡旋型线方程 2 1 1 涡旋盘渐开线方程 构成涡旋压缩机涡旋的曲线可以采用线段，多边形以及圆的渐开线等。最常用的涡 旋型线是基圆半径保持不变的圆渐开线及其修正型线【2 0 】。目前投放市场的涡旋压缩机 几乎都采用圆渐开线。这除了圆渐开线有简单的数学描述外，还在于它的生产方式。本 文也采用圆渐开线进行说明。 x 图2 1 圆的渐开线 如图2 1 基圆半径为a ，以圆的渐开角妒为参变量的圆渐开线方程： x = 口( c o s 妒+ s i n 妒2 ( 2 1 ) 【y = a ( s i n + + 驴c o s o ) 由于涡旋压缩机的涡旋体有一定壁厚，涡旋体的横截面为具有一定厚度的渐开线， 若以倪表示基圆上渐开线的初始角，则涡旋体内外壁面的渐开线分别表示为： 内侧； 外侧： ( 2 3 ) ( 式中i ，卜分别代表内、外侧) 考虑到静涡盘与动涡盘相差1 8 0 度，如图2 2 所示，如把上式看成静涡盘的涡旋型 1 0 月月 倪 晓 + + 协协 o 以孵 + 一 + + 吨吨水出 i j = ” 朋儿 晓 优 一 一 慨纸 o s c 吼吼 + 一 优 一 一 她峨 o “ 水小 = = k 儿 线方程，那动涡盘渐开线方程为： 内侧： 外侧： 2 1 2 各压缩腔容积的计算 硕+ 学位论文 + r c o s ( - 0 ) + r s i n ( - 秒) ( 2 4 ) + r c o s ( - ) + r s i n ( _ 目) ( 2 5 ) 图2 2 涡旋压缩机压缩腔图 1 一静涡盘，捌涡盘。 一中心压缩腔( 排气腔) 第二压缩腔 吸气过程未结束时的吸气腔 z 2 3 由基圆和它的渐开线围成的面积 搬= 丢g 矽m ( 2 6 ) 1 1 川朋 刀 万 + + 口 口 一 一 瓴慨 咖 啷 仍仍 + 一 、，、j 万 万 + + 口 口 一 一 妣峨 o h l 卜l p 口 口 = = 而乃，j、【 u 朋月 万 万 + + 口 口 + + 瓴帆 咖 螂 + 一 万 万 + + 口 口 + + 诹地l 卜l p 口 口 i l 1 1 儿 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应用研究 s = r 三( 口) 2 d = 吉口2 矽3 ( 2 7 ) 腔 l 尸 莲 因为组成第i 压缩腔的动涡盘的内壁面型线( 圆渐开线，图中用l o i 表示) 和静涡旋 盘的外壁面型线( 圆渐开线，图中用三弦表示) 的展丌角范围分别是： x c 于l o , t 2 i + 1 万一口一目锄2 万+ t 2 i + 1 万一口 ( 2 8 ) 对扛丁2 i - 1 万+ 口一矽s 办2 万+ t 2 i - 1 万+ 口一 ( 2 9 ) 所以： 耻肛3 i他 耻印3 i汜 从而有： s ，= s 止一s 店= 2 n u 2 仞一2 口i - 1 ) 7 r 一秒】( 2 1 2 ) 由于涡旋压缩机形成的各压缩腔都是对称形的两个，故所形成的第i 压缩腔的容积为： v ，= 2 s i h = 舻( p - 2 卟小昙)眨 1 、吸气容积 当涡旋型线不是整数圈时，只要确定了吸气终了所对应的最大压缩腔数和吸气结束 角，可将有关参数带入式( 2 1 3 ) 计算吸气容积。吸气结束角秒。的计算公式为： 1 2 硕十学位论文 以= ( i n t n + q 一，z ) 3 6 0 。( 2 1 4 ) 当涡旋压缩机的涡旋型线圈数为n 时，吸气容积的计算式为： 圪= 舻( p - 2 t ) h ( 2 i n t 川+ 急) 眩 2 、压缩容积： 式( 2 1 5 ) 中的范围是0 3 6 0 0 之间，本文的理论模型则将一个控制容积从吸气开 始到排气结束当作一个完整的过程，目的取值范围也相应的由0 变化到 i n t n 3 6 0 。+ 矿。根据这一范围，可将压缩容积的计算式表示为： 圪= 舻( p - 2 t ) h ( 2 m 】_ l 一志) 其中：幺乡i n t i n 一1 】3 6 0 。+ 秒+ 3 、压缩终了容积： 圆渐开线涡旋型线的最初一段不做修正时，压缩过程将在第二压缩腔中结束，压缩 终了容积可用下式表示： k = r t p ( p - 2 t ) h 3 一焉) 旺 4 、形成容积比 形成容积比是吸气容积与压缩终了容积之比 矿 y = 二_ = 圪 2 一1 3 0 | 死 h - 1 9 s | 死 3 一秒+ 肋 ( n 为整数，n 为非整数) ( 2 1 8 ) 2 1 3 排气角的确定 涡旋压缩机不设置排气阀，中心室与排气腔相连通瞬间的回转角曰即为排气开始 角9 ，秒通常根据加工刀具与渐开线的干涉来决定。这种干涉状况如图2 6 所示。加 工涡旋体的铣刀中心始终在x 轴上，在刚开始加工时刻中心同时在基圆的圆心上。图 2 6 p 点是涡旋体外侧圆的渐开线与铣刀外圆的焦点，缈是p 点处的渐开角。而与中心 室连通瞬间是与涡旋体加工时刀具对涡旋体开始过切点相对应。 喷水涡旋压缩机在水空气制冷剂系统中的应川研究 y 簇 _ z孰n 厂 嵝 吣 一3 一 、 、_ 图2 6 刀具与圆的渐开线干涉 y 黼量 n 、 、汀 ，令撅 行心拟沁 一 ( | 淤剽x 一 八动融 图2 7 开始排气角的确定 刀具半径为： r = 0 0 2 = 口仞一口) 则刀具圆如图2 7 ，其方程为： g + 口) 2 + y 2 = 【2 白一口) 】2 将( 2 3 ) 式与上式联立可得： ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 妒2 + 2 妒s i n 一口) + 2 c o s 一口) = 仞一口) 2 2 ( 2 2 1 ) 1 4 硕+ 学位论文 解之，得切点p 的渐开角伊。在无排气阀的压缩机中，与开始排气时的回转角有关。 他们的关系如图所示，有图中可看出对应的排气角为： 气 0 + = 二万一够+ + 1 2 ( 2 2 2 ) 2 2 2 喷水涡旋压缩机的数学模型 在涡旋压缩机的静涡旋盘上开