全封闭旋转式二氧化碳压缩机的研究论文.pdf

申请上海交通大学硕士学位论文 摘要 i 全封闭旋转式二氧化碳压缩机研究 摘 要 随着制冷业内工质替代议题的深入 自然工质二氧化碳正以其无可 比拟的热物理特性而逐渐成为热门首选 在此背景下 相关二氧化碳制 冷技术的研究与开发工作近年来获得了快速发展 尤其是在核心部件二 氧化碳压缩机方面 然而 相比国外 我国目前在二氧化碳压缩机方面 的研究可以说还是空白 本文通过分析总结二氧化碳独特物性特点以及目前业内现有二氧化 碳压缩机现状 成功开发了新型全封闭滚动转子式二氧化碳压缩机 该 压缩机采用具有中间冷却的两级压缩机构 壳体压力为最终排气压力 另外 就压缩机设计开发过程中的关键部件 文中做了阐述说明 为全面分析所开发新型二氧化碳压缩机性能表现 本文基于气体流 量计法设计开发了与之相配套的压缩机性能测试实验系统 该系统可满 足制冷能力为 1000 6400w 的全封闭二氧化碳压缩机性能测试需要 在对所开发新型二氧化碳压缩机进行全面性能测试后发现 该二氧 化碳压缩机性能上已达到业内同类型压缩机性能水平并存在进一步提高 的潜力 另外 文中对二氧化碳压缩机各运行参数对其运行性能的影响 也作了全面的分析并对所开发二氧化碳压缩机性能图谱作了精确拟合 关键词 二氧化碳 全封闭 压缩机 性能 测试 申请上海交通大学硕士学位论文 摘要 ii research on hermetic rotary carbon dioxide compressor abstract with the advancement of refrigerant replacement co2 shows great competitiveness because of its great thermophysical properties under this circumstance researches around co2 refrigeration technology get great development especially in co2 compressor however compared to some other countries works around co2 compressor are rather limited in china in this paper after analyzing and summarizing thermophysical features of co2 and the state of the art of co2 compressors a new hermetic rolling piston co2 compressor is developed this compressor adopts a two stage compression mechanism with intermediate cooling and the inside shell pressure is the final discharge pressure key parts of the compressor are analyzed in this paper in order to comprehensively measure the performance of the developed compressor a test stand is designed and constructed based on gas flow measument method co2 compressors with the cooling capacity range of 1000 6400w can be measured on this stand after performance measurements the developed co2 compressor is proved to be as good as similar co2 compressors inside the industry and has opportunities for further improvement besides effects of co2 compressor operation parameters on compressor performance are analyzed and the performance mappings of the developed compressor are also fitted key words co2 hermetic compressor performance measurement 申请上海交通大学硕士学位论文 目录 iii 目 录 摘摘 要要 abstract 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究现状及意义 3 1 3 本文主要研究内容 6 第二章第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发滚动转子式二氧化碳压缩机开发 7 2 1 二氧化碳热物性及传输特性 7 2 2 二氧化碳压缩机研究现状及新型二氧化碳压缩机开发 16 2 3 小结 37 第三章第三章 二氧化碳压缩机性能实验台开发二氧化碳压缩机性能实验台开发 38 3 1 国内外相关二氧化碳压缩机性能实验台研究 38 3 2 二氧化碳压缩机性能实验台开发 44 3 3 小结 59 第四章第四章 二氧化碳压缩机性能测试二氧化碳压缩机性能测试 60 4 1 压缩机效率计算及测试工况设计 60 4 2 性能实验结果分析 64 4 3 压缩机性能图谱 72 4 4 小结 79 第五章第五章 结论与展望结论与展望 81 参考文献参考文献 83 附录附录 压缩机性能测试工况表压缩机性能测试工况表 87 致致 谢谢 90 攻读硕士学位期间发表的论文及其他攻读硕士学位期间发表的论文及其他 91 申请上海交通大学硕士学位论文 主要符号表 v 主要符号表 pseudo t 伪临界温度 p 压力 bar v q 容积制冷量 j m3 表面张力 n m 粘度 kg m s e 弹性模量 pa 泊松比 角度 rad e 偏心度 mm r 轴承内径 mm r 轴颈外径 mm b 轴承宽 mm d 轴承外径 mm p 油膜压力 pa 相对偏心率 轴承相对间隙 润滑油粘度 spa 轴颈轴瓦相对角速度 rad s h 焓 j kg re 雷诺数 pr 普朗特数 nu 努塞尔数 f c fanning 摩擦系数 k 系数 导热系数 w m k 密度 kg m3 1w t 温度 k pr 平均普朗特数 f darcy 摩擦系数 u 流速 m s p c 定压比热 kkgj v 容积效率 i overall 总等熵效率 r v i 实际体积流量 m3 h t v i 理论体积流量 m3 h m i 质量流量 kg h n 压缩机转速 r min d v 压缩机气缸排量 cm3 c p 输入电功率 w p1 吸气压力 pa th 吸气过热度 p2 排气压力 pa p2s 二级吸气压力 pa tm 二级吸气温度 下标下标 申请上海交通大学硕士学位论文 主要符号表 vi pseudo 伪临界点 f w 内管壁 co2 f co2 sc 超临界 co2传热 scb 超临界 co2平均温度传热 cpb 常物性 co2平均温度传热 w 管壁 w1 管壁内表面 v 容积效率 i overall 总等熵效率 r 实际体积流量 t 理论体积流量 d 气缸排量 c 压缩机输入功 h 过热度 1 一级吸气 m 二级进气 2 二级排气 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 1 1 研究背景 制冷业内关于制冷剂替代的话题一直是个热点 并且在不同的阶段 替代标准 与方向也是反反复复 早在制冷业刚刚起步的十九世纪中后期乃至随后的 100 多年 里 由于受到当时科学技术手段的限制 人类只能从众多的自然气体中进行制冷剂 的筛选 而这其中主要有氨 二氧化碳 空气以及水等自然物质 其中自然工质二 氧化碳被广泛用于船用空调系统及固定制冷设备中 1 但是 由于这些自然物质有的 具有毒性 有的具有可燃性 且绝大部分系统在当时的科技水平下往往系统效率很 低 因此 在二十世纪三十年代 当合成化合物 氟利昂出现后 自然工质类制冷剂 逐渐被淘汰 氟利昂是烷烃的卤代物 是由氟 氯和溴原子代替烷烃中全部或部分 氢原子而形成的新的化合物 氟利昂类制冷剂从性能上来说要比最初的自然工质更 优良 也更能使制冷系统充分发挥制冷能力从而获得高效率 也正是因此 一系列 能适应不同工作温度范围的氟利昂类制冷剂从那时起风靡制冷领域 制冷业在这一 时期也因此得到了迅猛的发展 然而 随着人类环保意识的提高以及科技的进步 人们发现氟利昂类制冷剂会严重地破坏地球大气臭氧层进而危及地球上的生命 因 此 在被大量广泛使用六十多年后 氟利昂类合成制冷剂最终逐渐成为淘汰对象 而在证实了氟利昂类制冷剂能造成严重的臭氧层损耗后 世界各国开始采取一 系列措施 1985 年 即南极臭氧洞发现的当年 联合国环境署通过了保护臭氧层的 维也纳公约 首次在全球范围内建立了共同控制臭氧层破坏的协议 1987 年 蒙 特利尔议定书 通过 该议定书及其后几次修订案明确提出了保护臭氧层的受控物 质种类和相应淘汰时间表 这一议定书的顺利通过标志着 cfcs 和 hcfcs 类制冷剂 由于其对臭氧层的破坏作用 odp 而开始逐渐淡出制冷行业 而分别于 1992 年和 2005 年通过的 联合国气候变化框架公约 以及 京都议定书 又对合成制冷剂的 替代在范围上和日程上作了更详细规定 这意味目前在制冷行业广泛使用的 hfcs 类制冷剂由于其具较高的全球温室效应指数 gwp 而最终也会被淘汰 也正是在这 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 样一个大环境下 自然工质再次重新受到广泛关注 其中 二氧化碳凭借自身环保 无毒 不燃以及良好热物理特性等特点而倍受瞩目 2 二氧化碳相比其它制冷剂来说主要优势是其全球变暖指数 gwp 为 1 臭氧破坏 指数 odp 为零且无毒无害 如表 1 1 表 1 2 所示 可以说 相对其它制冷剂 co2是一种绝对安全制冷剂 3 表 1 1 co2与其它制冷剂比较 ashrae number odp gwp 安全性 hfc r134a 0 1300 安全 hc r290 0 3 可燃 nh3 r717 0 1 有毒 co2 r744 0 1 安全 另外 从热物性角度分析 二氧化碳与其它制冷剂相比单位容积制冷量相当大 如表 1 2 而粘度较小 这无疑又是其较其它制冷剂更具竞争优势的原因 表 1 2 co2与其它常用制冷剂单位容积制冷量比较 0 r 12 r 22 r 134a r 407c r 410a r 717 r 290 r 744 分子量 kg kmol 120 9 86 5 102 86 2 72 6 17 44 1 44 常规沸点 a 229 8 240 8 226 2 243 8 252 6 233 3 242 1 278 4 临界压力 mpa 4 11 4 97 4 07 4 64 4 79 11 42 4 25 7 38 临界温度 112 96 101 1 86 1 70 2 133 96 7 31 1 制冷能力 b kj m3 2734 4356 2868 4029 6763 4382 3907 22545 a ashrae 手册 2001 b 0 时的容积制冷量 正是因为二氧化碳这一系列的优点 使得其从二十世纪末开始重新受到制冷业 内相关人士的青睐 众多科研机构与企业纷纷开始着手开发新型高效的二氧化碳制 冷系统 这当中 前国际制冷学会主席 挪威 gustav lorentzen 教授首先觉察到了二 氧化碳这一古老制冷剂时代的再一次到来 并于 1989 年在自己的专利中首次提出了 超临界二氧化碳循环 系统 4 这对二氧化碳制冷技术的进一步发展起到了至关重 要的推动作用 也正是从那时开始 一系列的科研机构以及国际大公司纷纷展开有 关二氧化碳制冷系统及关键部件的研究与开发工作 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 1 2 研究现状及意义 目前以 co2作为制冷剂的跨临界制冷循环系统在汽车空调 热泵热水器 hpwh 和房间空调领域得到了最广泛的关注 其中 co2热泵热水器已得到推广应用 而由 于车用空调和房间空调的社会保有数量巨大 每年导致几十万吨的温室效应气体排 放 所以 co2汽车空调也已成为 co2应用研究的焦点 co2热泵热水器是最早被投入商业化使用的基于二氧化碳跨临界循环的成熟产 品 并因其高效节能的特点而被市场广泛接受 特别在日本市场上 co2热泵热水 器以其良好的节能生态性能赢得了 eco cute 生态精灵 的称号 从 2001 年投放 市场以来 其销售量稳步上升 2005 年日本 co2热泵热水器的产销量为 23 万套 预计到 2010 年累计总销量将达到 520 万套 市场发展十分迅速 汽车空调方面 随着世界各国汽车保有量的增加 汽车引擎的化学燃料燃烧后 的排放引起的环境污染问题已成为行业的焦点问题 各国制订的汽车排放标准不断 提高 电动汽车特别是燃料电池汽车被认为是汽车发展的趋势 由于燃料电池汽车 中的动力为燃料电池的电力 冬季车内采暖所采用的发动机余热已不存在 必须为 车内的冬季供暖设计新的方式 故采用热泵型制冷系统被认为是今后汽车空调的实 用方式 而 co2作为冬季热泵循环的冷媒具有出风温度高 制热量大的特点 这一 优势进一步增强了 co2作为车用空调冷媒的地位 第一套车用 co2空调系统是由挪 威的 ntnu 和 hydro aluminium 开发的 系统测试表明该系统在效率 重量 体积 等方面都具有与现有 r134a 冷媒系统的竞争力 随后由欧洲的汽车制造商开展的 race项目研究结果表明 co2汽车空调系统在制冷能力 油耗及tewi方面与r134a 系统相当 为了推动 co2技术的发展 从 1999 年开始至今 历年的 sae 替代制冷 剂会议上都有多辆装配有 co2汽车空调系统的汽车参展 实车运行效果良好 从 2001 年至 2003 年由 sae 发起的 arcrp 替代制冷剂共同研究项目 对基准的 r134a 系 统 改进的 r134a 系统 co2系统及 r290 二次冷却系统共四种系统在美国的伊利诺 伊大学 uiuc 空调制冷中心 acrc 实验室进行了严格的评估 他们的结果也认为 co2系统完全可以与 r134a 系统相媲美 5 7 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 在房间空调方面 与现有冷媒 r22 和 r410a 空调相比 根据样机试验和仿真计 算得到的 co2冷媒空调器的 cop 仅为 r22 冷媒空调的 70 制冷 和 80 制热 为 r410a 冷媒空调的 62 制冷 和 77 制热 通过进一步的改进 co2冷媒 空调的最高 cop 有望达到 r410a 最高水平空调的 70 75 制冷 和 80 85 制 热 因此 应该讲有关二氧化碳循环理论方面的工作研究到目前为止已经取得了一 定的积累与成果 特别是在车用空调 家用热泵热水器 hpwh 以及相关商用制冷设 备上 而决定接下来二氧化碳能否进一步得以发展前进的因素应该是相关成熟系统 部件的开发与研制 近几年 日本的 denso sanyo daikin 和 matsushita 以及意大 利的 dorin 等公司均对二氧化碳系统用压缩机展开了研究 8 9 换热器方面 一系 列新型高效换热器也在开发研制阶段 挪威科学家 pettersen 等首先设计研制了适合 用于二氧化碳系统的微通道结构换热器 10 而 saginomiya 和 fujikoki 等日本公司以 及 danfoss 等欧洲公司也都在对二氧化碳系统用的一些控制阀件进行研究与开发并 已有产品问世 然而我们可以看到 在二氧化碳系统部件的研制开发方面 相比国际上来讲我 们国内的研发实力还算不上很强 国内除了上海交通大学制冷与低温研究所 11 14 以及天津大学热能研究所 15 17 在二氧化碳制冷方面有理论及实验研究工作外 几乎 没有其它科研组织在进行相关的研究 为此 我国如果要在被誉为是 环保世纪 的二十一世纪中在制冷业上与国外竞争并在新冷媒制冷的知识产权和市场上占领一 席之地 就必须花大力气进行二氧化碳制冷系统部件的开发与研制 提高相关科研 单位的研究能力 增强相关企业的技术工艺 这其中 作为制冷系统的 心脏 的 二氧化碳压缩机研制开发应该说至关重要 其性能的好坏能直接影响系统整体的性 能高低及其稳定性 而目前日本一些主要的制冷企业以及欧洲科研单位均已开发出 成熟二氧化碳压缩机产品 挪威 sintef 实验室采用往复式压缩机结构 在原有 danfoss 的机型上设计变更研制了三缸斜盘式压缩机用于最初的 co2汽车空调的 测试 之后又开发了半封闭两级二氧化碳压缩机 18 19 bock 公司研制了排量为 120cc rev 的二氧化碳两缸直列式客车空调压缩机 20 日本的 denso 公司 21 在原来 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 车用压缩机技术基础上开发了全封闭涡旋压缩机 日本三菱重工 22 通过改进动涡盘 背部的止推轴承的可靠性 开发了 co2车用涡旋压缩机 日本松下公司 23 24 则开发 了新型动涡盘背压调节机构并研制出了 co2变频涡旋压缩机 英国伦敦城市大学和 hylod 的 nikola stosic 开发了用于 co2冷媒的螺杆式压缩机 25 考虑到今后车用动 力的环保趋势 燃料电池和混合动力汽车是未来和现实的方向 日本三菱重工在开 启式压缩机的基础上又开发了电动车用全封闭co2空调压缩机 日本denso公司 26 还开发了可以由引擎皮带和电机任一选择组合驱动的混合动力驱动 co2车用空调压 缩机 并申请了新的转速调节机构的专利 在 co2热泵热水器用压缩机方面 日本 sanyo 公司 27 28 开发了两级压缩滚动转子式全封闭变频压缩机 大金公司则在其 原有摇摆式压缩机基础上改进开发了高背压摇摆式单级单缸压缩机 静冈大学与 maryland 大学合作对滑片式 co2压缩机的研究表明该种结构压缩机同样可以达到目 前的压缩机性能水平 29 美国 maryland 大学与泰康压缩机公司开发了一种新型的 co2滚动转子压缩机 30 国内方面 上海交通大学制冷研究所陈江平研究梯队与上 海易初通用合作开发出了车用斜盘式 co2压缩机样机并进行了一系列的考核项目测 试 31 34 在二氧化碳压缩机性能实验台方面 目前行业内主要有 purdue maryland 以及 norway科技大学这三个研究机构根据各自特点设计开发了专门用于测试二氧化碳压 缩机的性能实验台 这其中 purdue 大学是在由空调制冷技术协会 arti 资助的名 为 21 世纪空调制冷研究 的项目中承担并完成了二氧化碳压缩机性能测试的课题 并基于热气旁通原理设计开发了二氧化碳压缩机测试实验台 35 maryland 大学与 norway科技大学所开发的二氧化碳压缩机性能实验台主要为测试两级压缩式二氧化 碳压缩机而设计 30 36 因此 无论是出于对国内制冷行业长远发展考虑还是基于全球环保运动出发 我国必须加快二氧化碳压缩机部件的研制开发 并建立与之配套的性能测试系统 从而通过测试为所开发二氧化碳压缩机的进一步结构 性能及可靠性改善提供实验 依据 最终推动二氧化碳制冷技术在我国的快速与成熟发展 申请上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 1 3 本文主要研究内容 本课题为上海交通大学制冷与低温工程研究所与上海日立电器有限公司有关二 氧化碳压缩机开发及相关性能测试项目而设立 旨在通过产学研合作的形式完成具 有我国自主知识产权的全封闭两级二氧化碳压缩机的开发与研制工作 从而填补我 国在这一领域的空白 通过借鉴目前国内外相关二氧化碳压缩机研究成果及凭借上 海日立电器有限公司在压缩机设计开发上的技术积累 同时结合考虑二氧化碳制冷 剂在热物理特性及传输特性方面的特点 开发完成具有中间冷却的二氧化碳工质用 全封闭两级滚动转子式压缩机原型机 设计并搭建与所开发二氧化碳压缩机相配套 的压缩机性能测试系统从而对所开发压缩机性能作出准确评价同时也为后续压缩机 的进一步结构 性能以及可靠性方面的改善提供实验依据 本文主要研究内容为 1 分析归纳二氧化碳热物性和传输特性数据特点及国内外相关二氧化碳压缩机研 究技术特点 参与完成具有中间冷却的全封闭滚动转子式两级二氧化碳压缩机原 型机的开发工作 2 设计二氧化碳压缩机性能测试实验台系统 部件及工况控制方案 完成所开发性 能实验台系统主要部件的设计试制与选型工作并完成实验台的搭建 3 对所开发二氧化碳压缩机进行全面性能测试与分析从而为后续的压缩机结构 性 能及可靠性方面的改善工作提供实验依据 归纳总结所开发二氧化碳压缩机各运 行参数对其性能的影响 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 7 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 二氧化碳压缩机技术的不成熟是目前阻碍二氧化碳制冷产业进一步发展的重要 因素 因此进行二氧化碳压缩机的开发十分有必要 本文首先分析归纳了二氧化碳 作为目前制冷剂替代议题中的热门制冷剂其自身的特点以及目前行业内所开发出的 二氧化碳压缩机现状 进而为具有中间冷却的新型两级滚动转子式全封闭二氧化碳 压缩机的开发提供较好的指导方向与技术参考 另外 对于所开发的新型滚动转子 式二氧化碳压缩机 本文就设计开发过程中的关键点进行了阐述与说明 2 1 二氧化碳热物性及传输特性 2 与二氧化碳工质三相点及临界点所对应的温度与压力分别为 56 6 31 1 以及 0 52 mpa 7 38mpa 而其 0 时所对应的饱和压力为 3 5mpa 如图 2 1 所示 早在 1993 年 liley 和 desai 41 二人便以表格的形式对 co2热动力学特性进行了 描述 之后的 1998 年 rieberer 等人开发出涵盖了 co2亚临界及超临界区域的物性 数据库 co2ref 37 基于该数据库得到的 co2热动力物性和传输特性与由 vdi 38 得 到的数据相当一致 尽管它们所使用的不是同一状态方程 而 2001 年 ashrae 也 公布了 co2的热动力学物性的表格数据 39 应用范围为三相点到临界点区域 随后 pettersen 等人使用由 ntnu sintef 开发的 co2lib 程序库对 co2的物性进行了分析 40 并主要描述了 co2 自身物性对其蒸发特性的影响 下文中 主要是将 co2的热动 力学特性和传输特性与其它传统制冷剂进行了比较 所用到的热物性均通过 ees 计 算获得 42 2 1 1 co2热力学特性 1996 年 span 和 wagner 43 二人利用其手上的 co2热动力学物性数据 结合 helmholtz 自由能模型以显式基本方程的形式拟合出了新的 co2状态方程 该方程能 满足技术应用上所涉及到的主要区域范围 压力与温度范围极限分别为 30mpa 和 523k 目前 ees 软件中 co2的热动力学物性 42 便是采用该基本状态方程计算得到 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 8 图 2 1 co2相图 figure 2 1 phase diagram of co2 图 2 2 为 co2的压 焓图和温 熵图 图 2 3 则给出了定压条件下 co2气体冷 却过程焓和熵的变化曲线 可以看到 随着温度的下降 co2焓 熵值在近临界点 处呈现较为剧烈的变化 在临界温度以上 压力对焓和熵的影响明显 而在临界温 度以下 压力的影响显著减小 故而允许冷却过程较大压降现象的出现 a 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 9 b 图 2 2 co2压 焓图 a 和 温 熵图 b figure 2 2 pressure enthalpy and temperature entropy diagrams of co2 a pressure enthalpy diagram b temperature entropy diagram 图 2 4 和图 2 5 分别给出了 co2相对于其它制冷剂其蒸汽压力和饱和温度线 斜率变化趋势 可以看到 co2的蒸汽压力要比其它制冷剂高得多 而其在临界点 附近更大的斜度意味着在一定的压力变化下所产生的温度偏移会较小 因此 对于 co2来说 其在蒸发器内由于压降原因而产生的温度变化相对会较小 例如 0 时 1kpa 压降下的 co2的温度变化约为 0 01k 而对 r410a 和 r134a 而言 同样的压降 将分别产生 0 04k 和 0 10k 的变化 即为 co2的 4 10 倍大 如图 2 5 所示 a 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 10 b 图 2 3 co2气态冷却过程焓熵变化图 a 温 焓图 b 温 熵图 figure 2 3 enthalpy and entropy changes of co2 in gas cooling process a enthalpy change b entropy change 由于 co2高蒸汽压力以及临界点附近具有独特特性的特点 使得其在液相和气 相密度上与其它制冷剂也有很大的不同 因两相流动中相密度差决定了相分离特征 而蒸汽密度影响气相流动动量以及气相与液相之间的剪切力 40 故蒸汽密度对两相 流动模式有相当重要的影响 图 2 6 和图 2 7 分别给出了 co2密度随温度的变化 曲线以及不同制冷剂液相与气相密度比值曲线 可以看到 与焓 熵值类似 co2 密度在临界点附近变化剧烈 而其气 液相密度比要较其它制冷剂小得多 例如 0 时 co2的液相密度与气相密度分别为 927kg m3和 98kg m3 对应比值约为 10 图 2 4 各制冷剂蒸汽压力 figure 2 4 vapor pressure for refrigerants 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 11 而相应的 r410a 和 r134a 的密度比分别为 65 和 89 co2的这种低密度比特性可使 其获得更为均匀的两相流 44 而在蒸发器中 制冷剂液相与气相的密度比起到相当 重要的作用 因为它决定了流动形式 因此也就决定了传热系数 40 图 2 5 各制冷剂饱和温度线斜率变化曲线 figure 2 5 slope of saturation pressure curve dt dp for refrigerants 另外 co2蒸汽密度比其它制冷剂蒸汽密度要高得多 0 时 r410a 和 r134a 的蒸汽密度分别为 31kg m3和 14 kg m3 分别只是 co2蒸汽密度的 32 和 14 而 正是这种高蒸汽密度特性使得 co2具有了更高的单位容积制冷量 图 2 8 为各制冷 剂单位容积制冷量变化曲线图 可以看到 co2的单位容积制冷量较其它制冷剂要 高的多 且随蒸发温度的提高而增大 并在 22 时达到最大值 此后再开始下降 图 2 6 co2密度曲线 figure 2 6 density of co2 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 12 图 2 7 饱和状态下各制冷剂液气密度比 figure 2 7 ratio of liquid to vapor density at saturation for refrigerants 图 2 8 各制冷剂单位容积制冷量 figure 2 8 volumetric refrigeration capacity for refrigerants 制冷剂的表面张力能对核状沸腾和两相流流动特性产生影响 较小的表面张力 能降低蒸汽气泡生成与增长所需的过热度 而蒸汽气泡对增强传热效果是有利 当 然 co2液体的润湿特征同样受表面张力影响 最终影响到蒸发换热特性 由表面 张力过小而造成的液体表面稳定性的降低可能对换热产生不利影响 因为这会增加 液滴形成以及被挟带的可能性 40 图 2 9 给出了饱和 co2液体与其它制冷剂相比其 表面张力随温度的变化曲线 可以看到 co2的表面张力较其它制冷剂要小得多 且其值随着温度的上升而下降 并在临界点变为零 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 13 图 2 9 各制冷剂表面张力 figure 2 9 surface tension for refrigerants 超临界流体在近临界点处的最重要特性之一是其在定压条件下物性随温度变化 剧烈 特别是在伪临界点处 一定压力下比热出现极大值的温度点 这一点可以从 图 2 10和图 2 11中清楚地看出 值得注意的是 传热计算中 ntu或者lmtd方 图 2 10 co2定压比热容随温度变化曲线 figure 2 10 isobaric specific heat of co2 法要求制冷剂比热在整个测试区域为常数 因此 当使用 ntu 或 lmtd 方法分析 数据时 应当仔细研究比热是否为定值 co2的伪临界温度可用以下方程 45 计算获 得 223 122 66 1240 16570 17730 0005608 75140 pseudo tppppp 其中伪临界温度 pseudo t和压力p的单位分别为 和 bar 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 14 图 2 11 co2不同压力下伪临界温度及其最大比热容曲线 figure 2 11 pseudocritical temperature and maximum isobaric specific heat of co2 2 1 2 co2传输特性 关于 co2的传输特性 粘度和导热系数 1990 年 vesovic 46 等人所做的工作是 目前最主要的参考文献 而 1998 年 fenghour 等人 47 在其基础上对 co2粘度特性进 行了进一步的研究 早期的 co2粘度数据是基于部分不连续液态实验数据 气相和 液相采用了各自独立的方程 而 fenghour 等人公布的数据基于的是新的实验数据 且采用单一方程对 co2整个热力学表面粘度进行了描述 制冷剂的传输特性对传热和压降特性有重要影响 图 2 12 为 co2在亚临界和 超临界压力下导热系数和粘度随温度的变化特性曲线 其较高的导热系数对于单相 流动和两相流动中的传热系数相当重要 粘度参数 特别是液相粘度以及液相与气 a 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 15 b 图 2 12 co2传输特性 a 导热系数 b 粘度 figure 2 12 transport properties of co2 a thermal conductivity b viscosity 相粘度的比值 对流体流动特性 对流特征 两相传热以及压降而言又是重要的参 数 0 时饱和co2液体和蒸汽的导热系数分别比r134a高20 和60 而co2液体的 粘度仅为r134a液体粘度的40 两种流体的蒸汽粘度相差不多 40 普朗特数对传热系数而言也是一个重要参数 图 2 13为超临界区及两相区co2 普朗特数随温度的变化曲线 可以看到 与定压比热随温度的变化相类似 普朗特 数在伪临界温度点处突跃至最大值 且该最大值随压力的升高而减小 而温度对普 朗特数的影响取决于压力 在跨临界区域 当温度大约高于 60 时 co2的普朗特 数随压力的升高而升高 而当温度小于 20 时 其值又随压力的升高而减小 图 2 13 co2不同压力下普朗特数随温度变化曲线 figure 2 13 prandtl number of co2 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 16 co2这样的一种特性最终导致了与温度及压力参数紧密相关的局部传热系数变 化剧烈 37 总之 与其它传统制冷剂相比 co2特有的热动力学物性和传输特性会对 传热和压降特性产生更为有利的影响 2 2 二氧化碳压缩机研究现状及新型二氧化碳压缩机开发 二氧化碳一系列的独特物理特点决定了由其作为制冷剂的制冷系统与传统制冷 系统间存在较大区别 特别是在核心部件压缩机的设计开发上有其特殊的要求及注 意点 1 摩擦泄漏问题 与常规制冷系统相比 co2制冷系统工作压力相当高 这一特点会导致压缩机泵 体内部部件接触面间的摩擦增大 而这种摩擦损失会消耗输入轴功 最终导致压缩 机效率下降 同时摩擦所产生的热量被二氧化碳工质所吸收 使得排气过热 此外 co2系统中 压缩机通常工作压差较大 高低压差可达 6mpa 在间隙量不变的情况 下 大压差比小压差的泄漏要严重 而泄漏被确认为是影响 co2压缩机性能的最主 要因素之一 因此 应该合理控制 co2压缩机泵体各摩擦副的间隙 使摩擦损失和 泄漏损失之和最小 这样 一方面不至于使间隙过大 导致内部泄漏严重 另一方 面也不会使间隙过小 导致摩擦损失太大 2 机械强度问题 由于 co2跨临界循环在较高工作压力下运行 高压侧可达 12 mpa 低压侧也有 3 mpa 左右 因此对压缩机零部件尤其是壳体的耐压性能要求较高 即在大压差运 行工况下变形要小 3 密封问题 同样也是因为 co2压缩机工作压力高的特点 其内部密封的结构形式也是一个 需要注意的问题 特别对于两级压缩机 第二级的密封结构的好坏对整个压缩机的 性能优劣有重要影响 另外 高压下 co2对压缩机中的密封材料 如橡胶等 具有很强 的渗透性 当系统突然释压后 在密封材料表面有可能会出现起泡或破裂现象 进 而使密封失效泄漏增加 因此 对于 co2压缩机 密封材料的选择方面也需要全面 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 17 考虑 4 润滑油问题 目前在 co2系统润滑油的选择上面临许多困难 超临界状态的 co2容易溶解于 润滑油中 稀释后的润滑油粘度会大大降低 压缩机承受压力负荷较高 润滑油膜 可能会被流动的超临界状态的 co2破坏 润滑油膜可能会被溶解在润滑油中的 co2 汽化而破坏 超临界状态的 co2可能会与润滑油发生化学反应及腐蚀 关于润滑油与 co2的混合性 超临界情况下 co2对于各种类型的碳氢化合物 来说都是有效的溶剂 不管选择什么样的润滑油 都会由于 co2的溶解能力而产生 润滑油携带问题 为了不妨碍传热 必须保证润滑油能流回压缩机中去 这就使得 润滑油的低温流动性和混合性变得很重要 co2粘度很小 润滑油中溶解 co2后其 粘度与纯润滑油相比会显著降低 因此选择润滑油应根据稀释后的粘度而不是名义 粘度 现有的研究发现 poe 润滑油与 co2表现出良好的混合性 而当 co2浓度很 高时 pag 烷基苯 pao 以及矿物油就不能与 co2混合 关于润滑油对压缩机密封性能的影响 通过密封弹性材料的泄漏量以及在系统 急速释压后密封材料表面上出现起泡或破裂的现象都会对 co2系统性能产生极大的 影响 与其他气体如 n2 o2以及 h2相比 co2对橡胶密封材料有很强的渗透性 故泄漏量要大的多 而 co2在橡胶材料中的扩散率却很低 因此便导致了爆发性减 压情况下密封材料的破坏 关于润滑油的稳定性 润滑油的老化会导致部件腐蚀 过滤器堵塞和系统效率 下降等一系列的问题 pao 油和 ab 油在 co2环境中是稳定的 润滑油既不老化也 不与催化剂发生反应 pag 油中为提高润滑性能而加入的添加剂磷酸盐抗磨剂会发 生老化 co2和 pag 油反应会生成烷基磷酸盐并腐蚀铝 且老化产物有可能和铜 钢金属发生反应 poe 油会发生水解反应生成酸和水 所产生的酸性物可能与金属 反应 加之 co2溶解在酯类润滑油所含水分中而生成碳酸 进而会加速 poe 油的老 化 因此原则上 co2压缩机中采用 poe 油时要严格控制水分 总得来说 在 co2压缩机润滑油的选择上 需要综合考虑以上因素 hsnhengli 和 thomas e rajewski 48 曾对 co2制冷系统中润滑油的情况进行相关实验研究 chris 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 18 seeton 和 jorg fahl 49 也进行过 co2与不同油的混合物润滑的机械磨损实验 相关实 验分析结果表明 聚乙二醇类润滑油 pag 以其良好的粘温特性 长期稳定性和润滑 性成为 co2系统的首选 酯类润滑油 poe 由于长期稳定性略差而稍逊一筹 聚烯烃 类润滑油 pao 也是一种可行的选择 总的来说 对于 co2跨临界循环系统润滑油的 选择目前尚无明确的定论 2 2 1 全封闭二氧化碳压缩机发展 正如第一章中所提到的 以 co2作为制冷剂的跨临界循环系统在热泵热水器 hpwh 领域获得了广泛关注并已成功投入商业化 目前日本的电装 denso 三洋 sanyo 三菱 mitsubishi 以及大金 daikin 等公司均已在各自所开发的全封闭式二氧 化碳压缩机基础上推出了各自的二氧化碳热泵热水器产品 其中 电装 三洋及大 金三家公司所投入市场的二氧化碳热泵热水器规格比较如表 2 1 所示 除此之外 日本三洋 sanyo 公司还在其自主开发的全封闭式二氧化碳压缩机的基础上推出了环 保的二氧化碳系统自动售货机并在 2004 雅典奥运会上获得了成功应用 表 2 1 日本市场 co2热泵热水器比较 电装 denso 三洋 sanyo 大金 daikin 工 质 co2 co2 co2 压缩机类型 全封闭涡旋 两级全封闭滚动转子 全封闭摇摆式 供电电压 单相 200v 单相 200v 单相 200v 能力 4 5kw 4 5kw 4 5kw 功耗 1 14 kw 1 16 1 21 cop 3 95 3 88 3 72 出水温度 65 90 90 65 90 噪音 39db 40 45db 39db 外机尺寸 820 300 640mm 930 290 620mm 825 300 735mm 水箱尺寸 690 740 1890mm 600 610 1900mm 700 840 1800mm 540 600 1900mm 667 700 1788mm 水箱容量 370l 300l 370l 240l 370l 勿庸置疑 目前日本企业在二氧化碳系统热泵热水器及相关商用制冷系统方面 处于领头羊的地位 究其原因是因为这些公司都拥有了生产全封闭式二氧化碳压缩 机的能力 而这与其近十年来所进行的全封闭式二氧化碳压缩机的研究开发工作是 分不开的 最早提出全封闭式二氧化碳压缩机的要属 fagerli 50 他于 1997 年对活塞式全封 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 19 闭二氧化碳压缩机的开发可行性进行了理论论证与实验研究 当时其所开发的原型 机采用单气缸结构 排量为 2 6cm3 壳体通过法兰连接且部分零部件采用原 r22 压 缩机部件 其通过实验所测得的压缩机绝热效率比 r22 工质压缩机要低 9 15 容积效率则低 5 左右 这在当时是一个很大的突破 它为全封闭式二氧化碳压缩机 的后续发展带来了希望 之后 日本三洋 sanyo 公司 suzai t 51 和 tadano m 52 等人于 2000 年开发出全封 闭滚动转子式二氧化碳压缩机 该压缩机采用两级压缩结构 壳体内部压力为一级 排气压力 额定输出功率为 750w 具体结构示意图与参数规格如图 2 14 与表 2 2 所示 其最终实验获得的性能数据表明该压缩机无论在效率还是可靠性方面均有优 良的表现 表 2 2 sanyo 公司 2000 年所开发两级滚动转子式 co2压缩机规格参数 型式 全封闭式 压缩结构 两级滚动转子式 电机 变频电机 20 120hz 额定输出 750w 工质 co2 排量 2 63cc 外形尺寸 外径 117 2 高度 244 3mm 重量 11 5kg 图 2 14 sanyo 公司 2000 年所开发两级滚动转子式 co2压缩机结构示意图 figure 2 14 two stage rolling piston co2 compressor compression mechanism schematic sanyo 2000 同年 日本松下 matsushita 公司 hasegawa h 23 等人基于其在 r410a 涡旋压缩机 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 20 开发经验的基础上研制出全封闭涡旋二氧化碳压缩机 通过减小涡盘的高度 该压 缩机排量被定为 7 23cc 其结构示意图与参数规格如图 2 15 与表 2 3 所示 通过 压缩机性能测试 hasegawa h 发现该压缩机容积效率较 r410a 涡旋压缩机要低的多 但压缩机效率会随着转速的提高而提高 通过理论分析 他们发现止推轴承损失对 二氧化碳涡旋压缩机的效率有重要影响 表 2 3 matsushita 公司 2000 年所开发全封闭涡旋 co2压缩机规格参数 排量 7 23cc 基圆半径 2 92mm 高度 4 40mm 涡盘 壁后 4 40mm 容积比 1 75mm 主轴承直径 47 0mm 滑动轴承直径 22 0mm 止推轴承直径 95 0mm 图 2 15 matsushita公司 2000 年所开发全封闭涡旋 co2压缩机结构图 figure 2 15 cross section of the prototype hermetic scroll co2 compressor matsushita 2000 2002 年 日本大金 daikin 公司 ohakawa t 53 等人开发出全封闭单级摇摆式二氧 化碳压缩机 其结构示意图与参数规格如图 2 16 和表 2 4 所示 为获得较高的压 缩机效率 ohakawa t 等人对气缸尺寸及滑动部件间隙进行了重新设计以减小泄漏 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章 滚动转子式二氧化碳压缩机开发 21 该压缩机在随后的热泵热水器系统上进行了测试 系统 cop 达到了 3 0 同时相关 的耐久性实验结果也令人满意 表 2 4 daikin 公司 2002 年所开发全封闭摇摆式 co2压缩机主要参数 压缩结构 单级摇摆式 电机型式 永磁同步电机 变转速 排量 3 77cc 图 2 16 daikin 公司 2002 年所开发全封闭摇摆式 co2压缩机结构图 figure 2 16 cross section of hermetic swing co2 compressor daikin 2002 2004 年 美国 tecumseh 30 公司与马里兰大学合作开发了全封闭两级滚动转子式 二氧化碳压缩机 该压缩机泵体高低压气缸单元分别位于电机上下两侧 其结构图 如