（制冷及低温工程专业论文）准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机性能研究.pdf

专业：生9 猃区低温王猩 ”竹1 一 一r - n ”_ - - - 一 ， 天津商业大学机械工程学院 二。一。年五月 r 一1 - - 普通的两级压缩制冷系统在其高压 压缩制冷系统，可以有效的提高两级压 机的使用寿命，本文根据准三级压缩制 压缩机进行了全面的测试。 本文首先对准三级压缩制冷系统的 细分析了涡旋压缩机的补气压缩过程， 压缩制冷系统与两级压缩制冷系统相比 通过详细的理论分析，确定准三级 通过对实验结果的分析，验证和修正了理论分析的结果和方法，弄清楚了准三级压缩制冷 系统用涡旋压缩机的内在规律。结果表明：在冷凝温度不变的情况下，随着蒸发温度的降 一1 6 压缩机的制冷量有所减少，但减少的速度低于普通两级压缩制冷系统用涡旋赢缩杌， 一 低，压缩机的制冷量有所减少，但减少的速度低于普通两级压缩制冷系统用涡旋隔缩杌， 一 压缩机的电功率有所增加，但增加的幅度不大，且压缩机的排气温度也有所降低故在低- - ，温工况下应用准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机比两级压缩制冷系统用涡旋压缩机效率。一一 更高，运行更加稳定。 本课题的研究成果可以有效改进普通两级压缩制冷系统用涡旋压缩机在低温工况下 的制冷性能，提高涡旋压缩机的使用寿命。 关键词：制冷系统经济器涡旋压缩机 a f t e ra d daa i r - c o m p e n s a t i n gc i r c u l c 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 ，i t s y s t e m ，t h i sk i n do fc y c l ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v ep e r f o r m a n c ea n dr u nr e l i a b i l i t yo fo r d i n a r y t w o s 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 mi nt h el o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t a t u so fq u a s i t h r e es t a g er e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fs c r o l l c o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i t h r e es 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 i sc o m p r e h e n s i v e l y a n a l y z e d i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h eq u a s i - t h r e 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 ma n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e w e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l c o n s i d e r i n gt h ew o r k i n gm e c h a n i s mo ft h eq u a s i - t h r e es t a g e c 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 mw i t hs c r o l lc o m p r e s s o r , t h em a t h e m a t i cm o d e lw a ss e tu p ， d e t e r m i n et h ea d v a n t a g e sa t q u a s i t h r e es 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 mc o m p a r ew i t h t h et w o s 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 a f t e rd e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d e s i g nt h ee x p e i i m 6 n t i lp r o j e 6 to fs c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi n q u a s i t h r e es 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 n s y s t e m ， a n dt h ep r o t o t y p ew a st 然e i l a c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t yt e s t b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm e a s u r e dd a t a ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t w a sv e r i f i e da n dt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sc o r r e c t e d f u r t h e r m o r e ，t h ei n h e r e n tl a w o fs c r o l l c o m p r e s s o ru s i n g i n q u a s i t h r e es 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 w i l l s c o m p r e h e n d e d t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ec o o l i n gc a p a c i t yo f t h ep r o t o t y p ed e c r e a s e sw i t h d e c r e a s eo ft h ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，b u tt h ed e c r e a s i n gr a t ei sm u c hs l o w e rt h a nt h a to f s c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi no r d i n a r yt w o - s 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 ee l e c t r i c p o w e ri n p u ti n c r e a s e sw i t hd e c r e a s eo ft h ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，b u tl t s 1 n c r e m e n tl sv e r y s m a l l a n de x h a u s tt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a ns c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi no r d i n a r yt w o 。s t a g e c 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 s om ee m c i e n c y o ft h es c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i 。t h r e e s 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 mi s h i g h e l t h a ns c r o l lc o m p r e s s o ru s i n gi no r d i n a r y t w o s 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 er u nr e l i a b i l i t yi sb e t t e r t h i sr e s e a r c hw i l li m p r o v et h ew o r k i n gp r i n c i p l ei nl o wt e m p e r a t u r ec o n d i t i o no ft h es c r o l l c o m p r e s s o ru s i n gi nq u a s i - t h r e es 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 ，e x t e n dt h eu s e o ft i m e o fs c r o l lc o m p r e s s o r k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m e c o n o m i z e r s c r o l lc o m p r e s s o r ， 目录 第一章前言1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 国内外研究现状与文献综述1 1 2 1 国内外低温制冷系统形式的发展现状与进展1 1 2 2 准三级压缩制冷循环的研究现状综述4 1 3 本文的主要工作6 1 4 本章小结7 第二章准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的理论分析8 2 1 普通涡旋压缩机的工作过程8 2 2 数学模型的建立9 2 2 1 低压压缩机模型9 - 。- 。 2 2 2 中间补气压缩涡旋压缩机的数学模型，1 0 2 2 3 中问冷却器模型1 5 2 2 4 补气一压缩过程的迭代计算模型1 5 2 2 5 压缩机的主要性能指标1 5 2 3 模拟仿真计算1 6 2 3 1 计算误差分析1 7 2 3 2 模拟仿真计算结果分析2 0 2 4 本章小结2 3 第三章准三级制冷系统用涡旋压缩机的实验研究2 4 3 1 准三级压缩制冷系统原理2 4 3 2 测试装置和测试方法2 6 3 2 1 测试装置2 6 3 2 2 测试方法2 7 3 3 测试数据整理3 0 3 4 测试主要内容3 0 3 5 本章小结3 0 第四章准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机性能测试结果分析3 1 4 1 中间补气涡旋压缩机性能随补气压力的变化规律3 1 一 4 2 准三级压缩制冷系统用涡 4 3 本章小结 第五章结论与展望 参考文献 攻读硕士期间论文及专利情况4 3 学位论文及研究成果使用授权声明4 4 附录- 4 5 致谢4 7 - 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的目的和意义 自改革开放以来，我国经济和科学技术水平迅猛发展，随之而来的低温试验和冷藏已 经成为许多行业所必须依赖的技术，例如：在高等院校实验室中进行低温试验研究；在生 物制药厂进行生化试验研究产品小试；在医院中对血浆、脏器和生物制品的保存；在科研 院所中对远洋制品、电子元件、化工材料、建筑材料等特殊材料的超低温实验及储存；以 及在冷冻冷藏中对各种名贵海产品( 如：沙丁鱼) 的贮藏。 e i 前，人们对冷冻食品的需求越来越大，对低温制冷机组的需求也随之自增长。一般 冷冻冷藏制冷系统，系统较为复杂庞大，运行时压缩机容易出现故障，在需要的温度较低 时，导致压缩机的压缩过程严重偏离正常工作过程，排气温度迅速上升，长期运行将使压 缩机遭到严重的损害，影响压缩机的使用寿命，还会造成机组运行停止，影响食物的贮藏， - 帽 造成不必要经济损失。因此，对制冷机组的改造，提高其运行成的可靠性是十分必要的。 1 2 国内外研究现状与文献综述 一。 1 2 1 国内外低温制冷系统形式的发展现状与进展 低温制冷技术经历了一百多年的发展，形成了几种成熟的制冷系统。以下介绍几种低 温常用的制冷系统： ( 1 ) 两级复叠式制冷系统 c a 、b - _ f 氐、高温压缩机；o 一冷凝器；d 一冷凝蒸发器；e 一蒸发器；卜节流阀 图1 1 常用复叠式制冷循环的系统 常见的复叠式制冷机一般由两个单独的制冷系统组成，分别称为高温部分和低温部分。 第一章前言 高温部分使用中温制冷剂( 如：r 2 2 、r 2 9 0 和r 7 1 7 ) ，低温部分使用低温制冷剂( 如：r 1 3 、 r 2 3 和r 1 7 0 ) 。用一个蒸发冷凝器将高温部分和低温部分分开，蒸发冷凝器对高温部分的 作用相当于普通制冷系统中的蒸发器，对低温部分的作用相当于普通制冷系统中的冷凝 器。在低温系统中的蒸发器内向被冷却对象将低温制冷剂的热量吸取( 即制取冷量) ，然 后将此热量传递给高温制冷剂，然后再由冷却介质( 水或空气) 将高温部分制冷剂将热量 吸收。 图1 - 2 三级复叠式制冷系统 由于压缩机压力比的限制，由两个单级系统组成的双级复叠式制冷循环，它所能达到 的最低温度为8 0 。c 9 0 。c 左右。如果想达到更低的温度，可采用三级复叠制冷循环( 即 用三种不同的制冷剂组成的复叠式制冷系统) ，如图1 2 所示。 ( 2 ) 两级压缩制冷系统 图l 一3 双级压缩制冷系统 压 缩 静毛 r k 绵 詹l | _ ” - 如图l 一3 所示，双级压缩制冷系统由两台压缩机、蒸发器、冷凝器、节流阀构成。制 冷剂蒸发器中蒸发所产生的低温低压制冷剂气体被低压级压缩机吸入，压缩后达到一个中 问压力然后进入高压级压缩机进一步压缩达到冷凝压力，在冷凝器中进行冷凝变为高压制 冷剂液体。从冷凝器出来的高压液体分为两路：一路流经中问冷却器内部的盘管，在盘管 内液体被盘管外的液体蒸发而使制冷剂达到过冷状态。再经节流阀节流，使制冷剂达到低 温低压状态后进入蒸发器蒸发，从而制取冷量：另一路经节流阀节流是制冷剂的压力达到 中间压力，进入中间冷却器，在中间冷却器内蒸发，从而冷却低压级压缩机的排气和盘管 内的高压液体，节流后产生的部分制冷剂气体和液体蒸发产生的制冷剂气体同低压级压缩 机的排气一同进入高压压缩机中，压缩到冷凝压力后进行冷凝。进入蒸发器的这一部分高 压液体在节流前先在盘管内被进一步冷却，可以使节流过程产生的闪发气体( 即干度) 减 少，从而提高系统单位制冷量。 ( 3 ) 准二级压缩制冷系统 图1 1 为准二级压缩制冷系统，准二级压缩制冷系统与普通的单级压缩制冷系统的最 大区别是：增加了一个补气回路，使压缩机除了吸气口和排气口之外还多了一个补气口， 从冷凝器出来的高压制冷剂液体分为两路：主路的制冷剂流经经济器后经节流阀节流降压 后进入蒸发器蒸发，辅路的制冷剂液体在进入经济器之前先经过节流阀节流降压，在进入 经济器与主路的制冷剂液体进行热交换后变为气态进入压缩机补气口进行补气，可以改善 压缩机的压缩过程。 e c a 压缩机；b 冷凝器；c 膨胀阀；d 一膨胀阀；e 蒸发器：f 二经济器 图l 一4 准二级压缩制冷系统 图1 4 是简单的单级低温制冷系统，这种制冷系统提高了单级压缩制冷系统的压缩比， 3 第一章前言 比较接近双级系统。但当压缩比大于1 0 ：1 时，制冷系统的效率会大大降低。这种系统近年 来在高温热泵中得到大量应用【3 1 。而在低温系统中，通常被用在蒸发温度较低时应用。 1 2 2 准三级压缩制冷循环的研究现状综述 准三级压缩制冷循环系统是在传统的两级压缩制冷系统的基础上，对其高压压缩机进 行改造，使其和普通涡旋压缩机一样具有吸气口和排气口之外还有一个补气口，并且在其 高压压缩部分增加一个经济器，形成以新的“补气压缩”循环。 ( 1 ) 两级压缩制冷系统研究现状 两级压缩制冷循坏按中间冷却方式可分为中间完全冷却循环和中间不完全冷却循环； 按节流方式又可分为一级节流循环和两级节流循环。所谓中问完全冷却是指将低压压缩机 级的制冷剂状态冷却到中间压力下的饱和蒸气。中间不完全冷却是指从低压压缩机排出的 制冷剂状态未达到中间压力下的饱和蒸气。如果将高压液体先从冷凝压力冷- 去i i ! i 中间压力 然后再节流降压至蒸发压力，称为两级节流循环。如果制冷剂有冷凝压力直接节流降压值 蒸发压力，则可称为一级节流循环。一级节流循环虽经济性较两级节流较差，但他利用节 流前本身的压力可实现远距离供液，故被广泛采用。 f b a 低压压缩机：b 高压压缩机：c 冷凝器；d 蒸发器；e 中间冷却器；f 、g - ：d 流阀 图1 5 一级节流、中间完全冷却的两级压缩系统图 a 低压压缩机；b 高压压缩机：c 冷凝器；d 蒸发器；e 中间冷却器；f 、g - 节流阀 图1 6 一级。岿流、中间不完全冷却的两级压缩系统图 在文献中前苏联学者a b b b l k o b t 2 9 】于1 9 7 6 年首次提出螺杆压缩机准二级压缩循环这 ， 一概念。作者分析了循环的特点，得出了经济器、中间补气过程的能量平衡方程，并把压 缩机补气过程假定为一个简单的“先等容混合，后绝热压缩”的过程，由此得到了反映该 循环主要特征的一些数学模型。 国内学者邬志敏将理想气体状态方程以及等熵压缩过程方程引入到中间补气过程的 能量平衡方程，但是该文没有考虑补气过程压缩机工作腔容积变化的问题，而是简单的用 一个等容混合一绝热增压过程来分析这一实际容积变化较大，补气过程持续时间较长的补 气混合过程，此外，该文推导出的补气量的计算公式也存在一定的问题，将补气量简单的 正比于回路的压力与开始混合式工作腔中的压力【3 。 j a i ns i d d h a r t h 和j a i ng a u r a v 定量分析了在应用于空调及制冷场合时，在涡旋压缩机中 应用蒸气喷射技术带来的潜在优势。蒸气喷射将压缩过程划分为两个阶段，减小压缩机功 耗和降低蒸发器吸气流量，从而提高其容量。另外比较了两套均采用涡旋压缩机并且同为 三冷吨容量的系统( 一套使用蒸气喷射技术而另一套则不使用) 。建立了一个多级压缩机 模型，考虑了过压缩和欠压缩并根据一个单级系统得到了验证。详细的数学模拟模型预测 表明，对于空调系统来说c o p 将提高约6 8 ，而压缩机排量将降低1 6 引。 f g a 一低压压缩机：b 高压压缩机；c 冷凝器：d 中间冷却器： e 经济器；f - 电子膨胀阀；h - 蒸发器；g - 热力膨胀阀：i 一电动膨胀阀 图1 7 准三级压缩制冷系统 r 本的a s i tk d u t t a 从实验和理论方面研究了液体制冷剂喷射对涡旋压缩机的基本和 实际的影响。在理论分析过程中，在考虑气缸到吸气口的传燕宿况下，分析气液混合物的 压缩模型，混合物由压缩和喷射制冷剂组成。为了研究液体制冷剂对压缩机性能的基本影 响，在保持油温稳定的条件下进行实验，并把结果与理论相比较。实验结果表明：喷射增 加了压缩能力，减小了压缩机的频率，而这取决于喷射制冷剂的传热效果。另外，还研究 了在不控制油温的实际运行情况下，液体制冷剂喷射涡旋压缩机的性能。在这种情况下， 由于喷射液降低了润滑油和汽缸的温度，压缩机性能较控制油温时要高f 3 5 1 。 准三级压缩就是将两级压缩与准二级压缩有效的结合在一起，在两级压缩的高压部分 增加了一个补气回路形成准三级压缩制冷系统，如图1 7 所示。 1 3 本文的主要工作 本课题的主要工作如下： ( 1 ) 从准三级压缩制冷系统涡旋压缩机的工作原理出发，建立准三级压缩制冷系统用 涡旋压缩机的数学模型。 ( 2 ) 根据数学模型，对压缩机进行仿真计算，对比准三级压缩制冷系统与传统两级压 缩制冷系统的制冷量、c o p 、排气温度等参数，分析准三级压缩制冷系统的优势。 ( 3 ) 对原有的实验台进行改造，建立准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机性能测试实验 台，对测试结果进行处理，验证理论分析的结果，弄清涡旋压缩机补气过程的内在规律。 1 4 本章，j 本章首 统，并在此基础上阐述了本文的主要工作。 第二章准三级压缩制冷系统用i 呙旋乐缩机的理论分析 第二章准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的理论分析 准三级压缩制冷系统与普通两级压缩制冷系统相比，最大的不同在于在高压压缩机 上增设了一个补气口，使其可以进行高压补气。涡旋压缩机增设了一个补气口后，其工 作特性与普通涡旋压缩机会有一些不同，本章的主要是通过理论分析，建立准三级压缩 制冷系统的模型，确定制冷量与压缩机功率增加的幅度，使系统的性能达到最佳。 本章分别介绍了普通涡旋压缩机与中间补气涡旋压缩机的工作过程，建立数学模 型，确定了补气口位置最优的情况下系统的性能。 2 1 普通涡旋压缩机的工作过程 普通的涡旋压缩机由动涡旋体、静涡旋体、曲轴、机座及防自转机构组成。动涡旋 体中心位于静涡旋体中心右侧，涡旋密封啮合线的左右两侧，涡旋外圈部分刚好封闭， 图2 1 涡旋压缩机 ， ，- 峥“ 此时最外圈两个月牙形空间刚好充满气体，完成吸气过程，随着曲轴的旋转动涡旋体做 回转平动，动静涡旋体仍保持啮合，外圈两个月牙型空问的气体不断向中心推移，容积 不断缩小，压力逐渐升高，进行压缩过程【5 1 。 2 2 数学模型的建立 i ) 图2 - 2 涡旋压缩机压缩过程示意图 电f 膨胀阀 热力膨胀阀 图2 3 准三级蒸汽压缩制冷系统示意图 2 2 1 低压压缩机模型 压缩机的质量流量：g 。：监 ，z 压缩机转速，r s ； k 压缩机吸气容积，m 3 ； m 压缩机吸气口气态的比容，n 1 3 l ( g ； 9 ( 2 1 ) 压缩机的功率：1 4 ：亟竺趔( 2 - 2 ) h 仍7 7 k 刀_ o g w 实际容积输气量，k g s ； h 1 点制冷剂气体的比容，m 3 l ( g ； 如吸气腔刚闭合时制冷剂的比焓，k j k g ； 吃压缩终了时制冷剂的比焓，k j k g ； 仇指示效率； 机械效率； 。电动机效率。 2 2 2 中间补气压缩涡旋压缩机的数学模型 在涡旋压缩机进行压缩时，中间补气压涡旋压缩机与普通涡旋压缩机最大的区别在 于增加了补气过程，使其影响因素变得较为复杂，不能简单的简化为多方压缩过程，其 压缩过程分为三个阶段。 。 。 ( i ) 补气前的压缩 从量热器出口出来的低温低压气态制冷剂从压缩机的吸气口吸入压缩机内后，气体 在压缩机内进行压缩，补气前压缩部分与普通涡旋压缩机的压缩部分几乎相同，主要区 别是气体制冷剂被压缩到补气口位置而不是压缩机排气口位置，制冷剂的状态与普通压 缩过程相比，无论压力还是温度都相对较低： 容积比： e 3 4 = v 3 k = 圪虼 ( 2 - 3 ) 压力方程：只= p 3 ( r , 一。) ” ( 2 4 ) 温度方程：正= 乃( 只18 ) 舻1 ” ( 2 5 ) 压缩功： 也一。= 么一岛 ( 2 6 ) 式中：毛一。吸气腔刚开始闭合时工作腔的容积和补气丌始时工作腔的容积比， 即补气前的压缩过程的容积比( 无量纲数) ； v 1 吸气腔刚闭合时的制冷剂比容，m 3 k g ； v 4 补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的比容，m 3 k g ； k 涡旋压缩机吸气容积，m 3 ； 圪补气前的压缩过程结束时工作腔的容积，m 3 ； 笙三皇壅三丝堡堑型堡墨丝! ! ! 塑鳖墨堑塑! 塑里堡坌堑 只吸气腔刚闭合时的制冷剂压力，k p a ； 只补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的压力，k p a ； z 吸气腔刚闭合时的制冷剂温度，k ； 乃补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的温度，k ； 叩v 容积效率； n 多方压缩指数； w ，4 补气前的压缩过程的比压缩功，k j k g ； 岛吸气腔刚闭合时制冷剂的比焓，k j k g ； 死补气前的压缩过程结束时工作腔中制冷剂的比焓，k j k g 。 ( 2 ) 中间补气过程 经过节流降压的气态制冷剂与未经节流降压的制冷剂在经济器内进行换热后，气态 制冷剂通过压缩机的补气口进入压缩机内，在压缩机内与从吸气口进入压缩机且已经压 缩到补气口位置的气态制冷剂进行混合，由于从补气口进入压缩机气态制冷剂温度和压 力都较低，所以混合后会气体制冷剂温度和压力都会降低，混合后的制冷剂越过压缩机 的补气口位置是，中间补气过程便告一段落。经过节流降压的温度压力相对较低气态制 冷剂从补气口进入压缩机内与压缩机内压缩到补气口位置温度压力相对较高的气态制 冷剂混合后其状态为点3 ，由于气态制冷剂从补气进入压缩机，压缩机内的气态制冷剂 的质量也会随之增加，由q x 增加到q p ，其中从补气1 2 1 进入压缩机内的部分q b - q p - q 。称为 中间补气过程增加的气体质量，即补气量。由中间补气过程非常复杂，混合后的气体的 参数非常难确定，为了方便计算，需引入两个基本假定：1 中间补气过程中气体的混合 非常快，可以认为是两种状态的气体制冷剂一接触即完成混合；2 可以认为气体混合过 程时气体的体积不发生变化，而且不与外界发生热交换。应用变工质的热力学第一定律， 可得下列方程： 相对补气量： 等容假定： 口。：韭：生二丛：乜! 垦二垦2 q pq pr k t 6 v 4 = ( 1 + a ) v 4 q n 补气管路制冷剂流量，k g h ； q ，压缩机出口制冷剂流量，k g h ； q x 压缩机进口流量，k g h ； l j ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 第二章准三级压缩制冷系统川涡旋j f i 缩机的理论分析 g 补气过程的压力损失系数； 屹、v 4 ，点4 、4 的制冷剂比容，m 3 k g ； r 制冷剂气体常数，k j ( k g k ) ； l r 制冷剂等熵指数； 只、忍点4 、6 的制冷剂压力，k p a 。 根据经济器的能量平衡方程，经济器能够供给的相对补气量可以表示为： 口，：盟( 2 9 ) 以一心 纹、玩、魄状态点7 、9 、1 0 制冷剂的比焓，k j k g 。 准三级压缩制冷系统在高压压缩部分增加经济器后，高压级压缩机与普通的涡旋压 缩机相比多了一个补气一压缩过程，在中间补气过程中，由于压缩机内的制冷剂质量在 压缩机压缩过程中会不断增加，所以压缩机的功率分为三个部分，即：补气前压缩部分、 中问补气压缩部分，补气后压缩部分，计算难度与普通涡旋压缩机相比，难度要大得多。 但是由于涡旋压缩机的补气过程中间补气过程中气体的混合非常快，因此分析时可认为 补气过程与外界不发生任何热交换。在中间补气过程中，随着压缩机压缩过程的进行， 压缩机动静涡旋体间的基元容积会不断的变小，同时制冷剂会不断的从压缩机的补气口 进入压缩机内，导致制冷剂质量不断增加，再考虑到经济器内的制冷剂压力与压缩机补 气口位置的制冷剂压力之差和补气口的面积不断变化，导致进入压缩机内制冷剂气体的 质量流率、压缩机内基元容积制冷剂质量及其温度、压力、体积、焓值都不断发生变化， 因此，压缩机的补气一压缩过程实质上是一个体积、质量不断发生变化，而且压缩过程 制冷剂的流动状态非常不稳定的过程。 图2 4 所示补气一压缩过程的压缩腔容积的非稳定流热力系统。设在微元dt 时间 内，由于压缩机的旋转，使压缩机工作腔容积发生变化，其变化量为：d v ，气态制冷 剂由补气孔口补入压缩机，其状态为：质量为d m ”，比焓为d h ，温度为t i ，由相邻高压 工作腔泄漏流入控制体的气体质量为d m ，比焓为d h ”，温度为t i i ，从控制体泄漏流出的 气体质量为d m ，比焓为h ，温度为t 。系统内的质量增量为d m s y s ，- f 质内能增量为d u ， 在微元dt 时间内系统与外界交换的功为6w = p d v 。因为过程进行得很快，系统与外界 的热交换量忽略不计即6q = o ，不考虑气体工质的流动动能和位能的变化，并设气体符 合理想气体的性质。 依质量守恒定律得： 依能量守恒定律得： 又因为： d m s y s = 锄+ 锄。一拥 d u = 艿形+ h d m + h d m ”一h d m + 西 = p d v + c p t d m l + cp t d m 一c p t d m d u = d ( m u ) = u d m s y s + m 。d u = c y t ( d m + d m ”一a m ) + m 班c 矿d t 将( 2 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) 整理得： 则： ( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) m v , c 矿d t = p d v + c 尸t d m + c | p t d m c p t d m c y t ( d m + 拥一d m ) ( 2 _ l3 ) 塑：土旦+ 一c e t 丛+ 一c e t 堡蔓鱼一上( 拥，+ 锄一一d m ) ( 2 1 4 ) 一= 一十一十一一一一一i “” - ， t c v tm 啪c y tm 掣s c y tm s y sc y m s 雌ms 嬉 由于： ( 2 1 5 ) 则( 2 1 2 ) 变为： 了d t 邓叫等+ c 等叫篆+ c 等叫嚣哪叫嚣 c 2 - 1 6 ， 非稳态流热力系统的气体微分状态方程为： d pd m d td y = + 一 pmty 1 3 ( 2 - 1 7 ) y 一丁p r 班 g m 一 ，叩一1叩 一生g c = 笙三童壅三望堕丝型堡墨竺型塑壁堕丝塑! 塑堡垒坌堑 将( 2 8 ) 、( 2 1 4 ) 代入( 2 1 5 ) 得： 一d p ：似一2 ) 一d v + k ! 丝+ 坚丝一k 堕 ( 2 1 8 ) p 、 vtm 。stm s v sm 眦s 、 p v = m , , p t ( 2 1 9 ) v d p = d ( e v ) 一p d v( 2 2 0 ) 将式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 与式( 2 1 6 ) 联立求解： pdv=击邶咿鲁tdm一鲁tdm”一兰dm(2-21)k1k 1 k1k 1一 ， 一 一一 忽略压缩腔中气体的气体泄漏，即d m ”= o ，d m = 0 ，积分( 2 1 9 ) 得补气过程压缩功为： w 4 - 4 吉( p 4 , q p v , , - p 4 q x v 4 ) 一告t 6 口q ，( 2 - 2 2 ) ( 3 ) 补气后的压缩 压缩机工作腔脱离补气v i 后，制冷剂气体在工作腔内依靠基元容积的减小继续进行 压缩，直至工作腔与压缩机排气口相连通，随后通过压缩机排气i = 1 进入冷凝器。 容积比： & - 5 = v 4 , v 5 ( 2 - 2 3 ) 压力方程： p 5 = e 4 ( r z v 气5 ) ” ( 2 2 4 ) 温度方程： 霉= r e ( 只e , ) 叫如 ( 2 2 5 ) 压缩比： w e q = 吃- h e ( 2 - 2 6 ) 式中：气，补气一压缩结束w t - r 作腔的容积和压缩过程终了的容积比，即补气 后的压缩过程的容积比( 无量纲数) ； v 掣补气一压缩结束时工作腔中制冷剂的比容，m 3 k g ； v 5 压缩终了时制冷剂的比容，m 3 k g ： p 5 补气一压缩结束时工作腔中制冷剂的压力，k p a ； p 4 压缩终了时制冷剂的压力，k p a ； 乃补气一压缩结束时工作腔中制冷剂的温度，k ； l 压缩终了时制冷剂的温度，k ； 玎v 容积效率； n 多方压缩指数； w 。5 补气后的压缩过程的比压缩功，k j k g ； 笙三童壅三丝堡堕型堡墨竺型塑壁堕堑型! 塑里笙坌塑 h 。补气一压缩结束时工作腔中制冷剂的比焓，k j k g ； h ；压缩终了时制冷剂的比焓，k j k g 。 2 2 3 中间冷却器模型 视中间冷却器中为绝热蒸发过程，根据其热平衡关系可求得高、低压级压缩机制冷剂 质量流量关系为： ( g 。g g 。d ) h 6 + g ，d ( h 6 一j l l l o ) = ( q 。g g 柏) 吃 ( 2 2 7 ) 式中：g 、g 加高、低压级压缩机制冷剂质量流量，k g s ； k 吃、如o 点3 、6 、1 0 制冷剂的比焓，k j k g 。 2 2 4 补气一压缩过程的迭代计算模型 在上一节中，根据对于涡旋压缩机补气一压缩过程的分析，我们得到了压缩机所能 容纳的中压相对补气量： ：坠：坠二红：熟! 垦二型( 2 2 8 ) 1 g pg pr k t 6 、。 根据经济器中的能量平衡关系，又得到了一个相对补气量计算式： ， 口：笠阜 ( 2 2 9 ) h 4 一瑰 、。 通过分析：由式( 2 2 8 ) 可知，随着补气压力的增加，经济器内的制冷剂压力与压 缩机补气口位置的制冷剂压力只差就越大，所以通过补气口进入压缩机的气体制冷剂就 越多，相对补气量也就越多，而由式( 2 - 2 9 ) 可知，经济器的相对补气量随中间压力的 升高而逐渐增加，因此要使系统达到平衡并处于稳定的运行状态，必然确定唯一的中间 补气压力使= 口：，所对应的中间补气压力称为平衡补气压力。平衡补气压力可通过 迭代的方法求得，计算时应先假定中间补气压力p m ，根据补气一压缩过程的计算模型、 经济器的能量平衡方程式分别计算出口。、口：，看口。、口：的误差是否小于设定值，并且 保证补气一压缩结束时压缩腔中的制冷剂压力小于中间补气压力p m ，结束迭代过程， 否则重新假定中间补气压力p m ，继续迭代过程。整个补气一压缩过程的迭代计算模型 如图2 5 所示。 2 2 5 压缩机的主要性能指标 制冷循环各点的状态确定后，可求出准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的主要性能指 标： 制冷量： q o = g 。( 啊- h 。) ( 2 - 3 0 ) 第二章准二级压缩制冷系统川涡旋压缩机的理论分析 低压压缩机电功率：w l ：鱼竺 型 y l 仍r r o 高压压缩机电功率：w j ：q x w 3 _ 4 + w 4 _ 4 , + q v w 4 , _ 5 7 j l q 棚m o 制冷性能系数： c o p = q o w , + ( 2 - 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) ( 2 3 3 ) 图2 5 补气一压缩迭代计算模块计算流样 2 3 模拟仿真计算 本文以大连三洋的c s b 3 7 3 h 8 a 和c s b 4 5 3 一h 8 a 型涡旋压缩机为例进行了模拟计 算，整个模拟仿真计算流程图如图2 5 所示。 压缩机的主要技术参数分别为：低压级：吸气容积为1 0 0 c m 3 r e v ，额定输入功率为 5 4 3 k w ，压缩机转速为2 9 0 0 r m i n ，额定工作电流为9 3 a ，制冷剂为r 2 2 ；高压级： 吸气容积为8 3 4 c m 3 r e v ，额定输入功率为4 5 4 k w ，压缩机转速为2 8 8 0 r m i n ，额定工 作电流为7 9 a ，制冷剂为r 2 2 。根据涡旋压缩机的产品样本，其额定工况的吸入气体 过热度为1 1 1 ，过冷却度为8 3 c ，因此模拟仿真计算时假设：压缩机的吸气过热为 1 0 ，冷凝出来的液体过冷5 c 。 第二章准二级压缩制冷系统用涡旋压缩机的理论分析 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ - 。_ _ _ 。i _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ - 。_ _ - _ - - - 。_ 。_ 。i _ _ - 。_ 。_ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ 。- _ _ _ _ _ _ _ 一 有研究表明：由于涡旋压缩机没有吸气阀，气体制冷剂由蒸发器进入压缩机的吸气 腔时，其压力损失非常小，一般只有2 0 p a 左右；因此无论系统是否存在排气阀，排气 阻力一般小于o 3 5 b a r ，因此在进行仿真模拟计算时，吸气节流降压过程以及排气节流降 压过程均可以忽略【3 9 1 。 计算开始 上 输入压缩机参数，计算工况 土 i 调用压缩机模块计算低压压缩机的制冷性能 上 l 调用中冷器模块计算混合制冷剂的状态 上 调用压缩机模块计算高压压缩机的制冷性能 上 调用补气一压缩模块进行迭代计算 上 进行补气结束后压缩过程的性能计算 上 性能对比计算 图2 6 模拟仿真计算流程图 2 3 1 计算误差分析 制热仿真工况假定为：冷凝温度4 5 c ，过热度为i o * c ，冷凝器出口的液体过冷度为 5 。c ，蒸发温度设定为4 0 。c 2 5 。c ，以模拟不同的外界低温环境状态。准三级压缩制冷 系统用涡旋压缩机制热性能的理论计算结果与试验测试结果的比较如图2 7 到图2 1 1 所 示。 从图中可以看出，理论计算结果与实验测试结果之i 日j 存在误差，但是误差在允许范 围之内，且理论计算出的准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机主要性能与测试结果相同工 况性能的实测值的趋势一致。因此验证了所建立准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的数 第二章准三级乐缩制冷系统川涡旋乐缩机的理论分析 一 焉西亚荪霹面再面基本适合。造成计算误差的原因可能是：模拟计算过程中引入的 。 一二二。一 一些修f 系数如辅助进气口的流量系数、容积效率、多方压缩指数、电功率效率等系数 的选取存在一定的误差，另外计算时过冷度和过热度均根据产品样本取规定值，而实测 时这些参数很难保持固定。 富 3 6 褥 置3 4 垂 鼯 考3 2 芷 程 蒸发温度 图2 - 7 制冷量随蒸发温度的变化 蒸发温度 图2 8 电功率随蒸发温度的变化 7 6 5 4 3 妻捌愈器 1 0 0 0 9 5 0 9 0 o 8 5 0 8 0 山 80 7 5 0 7 0 0 6 5 0 6 0 0 5 5 4 24 03 8 3 6 3 4- 3 2- 3 0- 2 8- 2 62 4 蒸发温度 c 1 0 2 1 0 0 9 8 9 6 9 4 9 2 9 0 8 8 8 6 8 4 8 2 图2 9c o p 随蒸发温度的变化 蒸发温度 图2 1 0 排气温度随蒸发温度的变化 p 蝥霸f 裁 第二章准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的理论分析 一4 2- 4 0- 3 8 3 6- 3 4 - 3 2 3 0 - 2 8- 2 62 4 蒸发温度 2 3 2 模拟仿真计算结果分析 图2 11 相对补气鼙随蒸发温度的变化 图2 19 到图2 2 2 模拟计算了准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机和普通两级压缩 e o 制冷系统用涡旋压缩机的性能，进行了对比。 图2 1 2 制冷龉随蒸发温度的变化 图2 1 2 为准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机和普通两级压缩制冷系统用涡旋压缩 机制冷量随蒸发温度的变化曲线。从图中可以看出，在各工况下准三级压缩制冷系统用 涡旋压缩机比普通两级压缩制冷系统用涡旋压缩机制冷量都要大，且随着蒸发温度的降 低，准三级压缩制冷系统用涡旋压缩机的制冷量基本按线形规律降低，但降低的速度比 竹 佗 ” 9 8 7 毋捌扩寿 7 6 5 4 3 2