外文翻译--热力学分析的往复式压缩机.doc

附件1：外文资料翻译译文往复式压缩机的热力学分析Pascal Stouffs a*, Mohand Tazerout b, Pierre Wauters ca ISITEM, La Chantrerie, BP 90604, 44306 Nantes cedex 3, Franceb cole des Mines de Nantes, 4, rue Alfred-Kastler, BP 20722, 44307 Nantes cedex 3, Francec Universit Catholique de Louvain, Unit TERM, place du Levant, 2, 1348 Louvain-la-Neuve, Belgique摘要 一种往复式压缩机的热力学分析总体模型。该模型是由5个主要和4个次要的无量纲物理参数构成。容积效率表达式，由单位工作质量和效率导出。此模型用以预测不同工况条件下的往复式空气压缩机的性能。实验表明，该模型是分析压缩机性能时非常准确和有用的工具。文章探讨了各项损失的相对重要性及不同工作参数对往复式压缩机的影响。特别是缸内残留气体质量和壁对流体传热对往复式压缩机性能的影响尤为明显。关键词 往复式压缩机 热力学分析 气到壁传热 容积效率 实验结果文章参数18Cp 定压比热容. . . J/kgKf 形状因子的方程(32)h 焓. . . . . . . . . . . . . J/kgm 气体质量. . . . . . . . . . . . . . . . kgp 压力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Paq 单位质量的热 . . . . . . . . . . .J/kgs 比熵. . . . . . . . . . . . . . J/kgKT 温度 . . . . . . . . . . . . . . . . KTm 平均温度. . . . . . . . . . . . .KV 体积 . . . . . . . . . . . . . . . . . . mv 单位质量的体积 . . . . . . . . . .m/kgW 功率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jw 比功率 . . . . . . . . . . . . . . . J/kg希腊符号2 热传导系数(12)3 热传导系数(13)dis 压力系数(3)suc压力系数(2) 熵参数c 因数v 容积系数f 工作参数(35)1 温度参数(9) 效率2 =T2/T2;s ,温度比s=T2,s/T1 熵压缩温度比平均热容比(42)w温度参数(10)1温度参数(9)= p2/p1, 缸内压力比dis=pdis/psuc, 压力比无量纲常数(37)无量纲常数(39)无量纲常数(40)下标A在压缩过程中该气反转点壁热通量B在扩大该气反转点壁热通量C气缸c清除dis释放f摩擦，不可逆转ind表示m机械s熵suc 吸力w壁1死点在气缸内的状态下时2在气缸内开始释放时状态3在汽缸内上止点的状态4在汽缸内开始在吸的状态*（上标）参考值（灵敏度分析）1. 引言往复式压缩机，广泛应用于很多工程应用。它们原理简单并可以接受很大差异的吸入及排出工况。它们的灵活性与每台机器的宽范围工作时体积最小功耗结合起来 1。然而，只有往复式压缩机能提供非常高的压力比。已开发了各种往复式压缩机热力分析建模方法。这些方法可大致分为全球模型2-6，并在不同模型6-11中的变量依赖于时间（或曲轴角度）。在这种全球模型中，有限数目的代数方程来描述往复压缩机热力学行为。几个参数必须给先验或将要确定的实验研究。其中，总有至少一个所谓的多变指数。很多时候，影响这些参数物理现象并不简单。此外，这种做法受到批评，因为通常压缩和膨胀过程与多变过程的气到壁传热很不同。此外，在这些模型中，剩余流体的影响（即包含没有释放清除体积的流体），一般不明确。在差分模式，至少考虑有三个节点，即吸入大量气体，气缸空间和排放大量气体。在这些模型中的一些10，11，单节点对应的汽缸被有限差分网格替换，使汽缸内速度场，和其中气到壁传热最终可以更好地评估。为了缩小精密差分模型和简单的有些经验的全球模型之间的差距，提出了更广泛的全球模型。这种模式主要依赖于5个主要和4个次要无量纲参数。这些实际意义参数表征往复式压缩机和其工作流体。该模型可以预测不同运行压力比下往复式压缩机的体积效力，具体的工作和指示效率。该模型允许物理解释。特别是对各种气体的气到壁传热影响的处理工作产生消极影响，并对消除量进行了评估。2全球模型2.1. 指标图往复式压缩机的运行，可以用指标图（或瓦特图）描述，这作为一个功能显示了活塞的位置气缸压力变化。这样的图，提出图1。在此图中，第1点被定义为最大体积状态，第2点为最小体积状态而点2及4通常定义为P2=P3和P4=P1.一个工作周期是由四个阶段： 在（1-2）这个过程中，活塞在缸内压缩气体;图1 往复式压缩机的示功图。 在这个过程中（2-3），活塞放出气缸气体排放到外界;在此过程中，压力与完全排放压力有所不同通过减少排放阀，非瞬时进行和阀门弹簧; 通常气缸在放气过程中的压力变化比压缩过程中的压力变化小很多； 在这个过程中（3-4），残留的气体使V3的体积扩大; 在这个过程中（4-1），气缸从外界吸满了气体，在此过程中，气缸压力吸力与完全压力吸力略有不同，由于通过吸入阀压降，非瞬时工作和阀门弹簧; 通常在缸的压力变化在抽吸过程中与压缩过程中压力变化相比是非常小。 在一个循环活塞对气体所做的工作是 Wind = (1)如果假定压力指标记录图与活塞表面压力是一样的。在全球模型，我们假设空间流体性质在汽缸内不均匀性足以使我们可以定义一个压力，一个温度和一个具体数量来描述瞬时在缸流态。2.2. 在气缸内流态图2 压缩过程的温熵图实验结果表明，在缸吸气和完全排空过程之间的区别是压力不依赖于工作压力的比例。因此，我们假设压力P1和P2=P3气缸分别从不同的压力psuc和pdis在吸和排放后，可得到表达式: p1=psuc psuc=psuc(1 suc) (2) p2= pdis+pdis= pdis+ dispsuc (3)在放气过程中的有些情况下可压力系数可能是负数由于排放阀行为和压力变化。为了方便起见，我们注意到放气到吸压力比以及缸压比：dis= , = (4)在下面的标2;S是指从压力P1和温度T1到压力p2（图2）将一个熵压缩取得的流体状态，而释放的下标，S是指这将是一个熵获得流体压缩的压力和温度psuc，Tsuc压力释放。它定义以下熵的温度比是有用的：s= (5)dis,s= (6)s只是缸压力比和温度T1的一个功能，然而dis,仅仅是完全对完全压力比dis和温度Tsuc的一个函数。这些功能取决于流体性质。例如，如果假定我们有气体是一个具有恒定的热容量s= ( 1)/， dis,s=dis(1)/ （7）在气缸中的流体温度T1刚压缩前表示为：T1=Tsuc+T （8） 其中温差T有两个部分：其中之一是独立的压力比表现为Tsuc，而另一种是温差（T1）的一小部分，所以：T1=(1 + 1)+1( T1)= （9）其实，从温度在T4的残留液和进入的流体混合得到温度T1的结果是由吸管和气缸壁混合物加热。然而这一复杂的现象，用手段（9）唯一的参数1和1正确地描述了方程。 认为在平面上的气缸盖内表面壁温，表示为：=+ （10）如果壁冷却有效上述参数w约0.5或更低。由推导的附录下面的表达式： （11）和=12 （12）在方程（12）是一个无量纲参数，该模型描述了在压缩过程中气到壁传热强度。它可以由方程（12），看到温度T2等于温度，为了气到壁传热的情况（=0），或者在压缩过程中壁面温度就像余热传热平衡等于零最后，由于气到壁传热过程中排放的过程温度T3不同于温度T2。传热规则建议的说明下面的表达式：= ( ) （13）其中3是在缸传热在释放过程中描述模型的参数。它是作为s的功能有用的表达T3。结合方程（10）和方程（13）：= （14）2.3. 容积效率作为单位体积V3所包含的气体质量，当活塞下降扩大量从压力p3升到压力p4，只有一部分活塞从上止点中心到下死点中心允许新鲜气体被吸入气缸。通过对一个周期压缩机的气体质量是：(15)排放因素c确定是由V3与气缸容量波及体积VC=V1-V3的比例得到。因此在一个周期的气体质量是， （16）压力损失通过吸入阀（ ）导致的气缸气体高于气体的比容吸。这是有益的参考吸力状态方程（16），这将产生： （17）表达（17）推出体积系数，作为质量与/的比，将填补在吸入管的气缸。从方程（17）我们有： (18)如果净空的因素减少从方程（18）可以推断的体积效率将更大，。另一方面，因为它实际上是不可能的删除清除量，压缩比增加将使容积效率体积更小。为了估计这一影响的重要性，我们假设从现在起，为简单起见，该流体是理想气体。该模型适应其他类型的液体很简单。因此，具体的数量比/方程（18）给出 (19)方程（18）给予了具体的体积比/ (20) 重写式（18）（19）和方程（20），我们得到： (21)方程（21）是一种压缩减函数比率2.4. 表示工作效率 忽视了动能和势能释放之间的吸收部分的变化，压缩流体收到的具体机械工作是 = (22)是与活塞一个周期具体工作有关的工作(或表示工作）的 （23） 在吸气到放气过程中不可逆性不能忽视，包括流经阀门。但是，在过程（1-2）和（3-4），我们可以假设，在缸的温度和速度梯度很小，足以使忽视不可逆性。如果我们还使压缩过程（1-2）是进行了质量M1封闭系统，而扩展（3-4）是进行了一个封闭的系统质量m3，我们得到： （24）最后两个条件方程（24）为工作的，由于放气过程和吸气过程中的压力变化的。这两项通常都很小。我们看到，从充满能量的的角度来看，如果我们忽视由质量上吸气和排放工作，往复式压缩机可以考虑为一个两台机器，其中一个操作质量压缩，另一个操作质量扩大。另一方面，我们有： （25）压缩机具体的工作给予投入 (26)方程（26）是由四个方面：第一个是质量mc的压缩机工作，二是由于工作气体的壁传热（另见）和最后两个分别对应的非等压吸排气工作。在具体工作对应的熵从吸气，到压缩状态。 将得到 （27）其中焓只是中压力作用比和在吸气液体状态。此功能同样依赖于流体性质。指定的效率定义为比率是真正的具体工作对熵的具体工作 ： （28）2.5. 剩余质量分数方程（26）有一个长期的剩余比例质量分数的。剩余的质量分数可如下计算： （29）这样产生的，使用公式（19）： （30）2.6. 影响缸内传热如果熵在气缸内是热力学过程，压缩过程中（1-2）将与扩大进程（3-4）抵触，使方程（26）第二个次内将消失。剩余气体将作为一个成分吸收在活塞表面，在扩展压缩过程中的能源和恢复所有的能量。但在实践中，这些进程不是绝热，使过程（1-2）和（3-4）不共性，所显示的状态图（图3）。图3 气缸内流体状态的温熵图据观察所得，在这个过程中（1-2），在具体的熵的增加，由于壁热量转移像壁温度Tw比气体温度高。相反，气体比熵降低同时热通量反转。在放气（2-3），由于热传递气体冷却，使熵减少。在吸气（3-4），剩余气体热转移效应将被视为压缩同样的方式。最后，在过程（4-1），气体被壁热传递加热的，使熵增加。应当指出，这种（T，s)图已获取的数值从一种不同的模式和实验，如下所示更远。然而，在实验结果中，观察到在短期温度滞后的反演壁热流：在熵压缩（A点，图3）对应的温度略高于在最小熵扩展（B点，图3）。这也许可以与对流动循环的性质：在振荡流，但众所周知，时滞温差和热通量可以观察到12，13。此外，扩大敲击时很可能气缸壁的温度较低，是由于冷却效果与活塞接触时，趋向顶端死点。这一进程（1，2，3，4）定义了一个封闭循环扭转大量的剩余质量。由于净热量转移到壁上活塞给出的工作对这个周期中的流体具有相同的价值。它代表的区域面积是（1，2，3，4，1）（图3）。从热力学图的属性，回顾吸气（4-1）和放气（2-3）过程被假定为等压，在压力过程中（1-2）和（3-4）不同之间的表面积有区别： （31）在尝试这方面的评价之前，在这里说几句这是有益的。首先，现在很清楚，由于往复式压缩机的气到壁传热的特殊性，压缩（1-2）和扩大（3-4）不能描述多变进程。此外，即使一多变的制定可能是有用的，基本上是多变指数依赖于气到壁传热，正如5因此，没有任何意义的假设多变指数已经在压缩过程就像扩大过程中相同的值。2.7. 逆转周期面积的估算因为它出现在具体的工作表现在方程（26）-（31），逆转周期中的温度熵图（图3）对估计面积是有益的。从曲线上点（1,2,3,4)，从通常的形状，我们假设这方面的可以表示如下： （32）其中f是一个形状因子。从标准热力学关系，我们有： （33）结合方程（11），（14），（33）和（32）得到： （34）2.8. 估计吸力和排放的具体工作吸气和排气的具体工作，在吸气和排气进程主要视乎对流体的速度。反过来，这主要取决于流在体活塞上的速度，但由压力比不是改非常多。因此，根据实验因此建议有关联的吸气和排气的具体工作的关系 （35）其中是工作参数。2.9. 估算的具体工作在方程（26）的第一部分（见附录A.2详细计算） （36）与无量纲长期工作给出 （37）结合方程（26），（34）（36），我们得到以下表达的具体工作： （38）如无量纲的工作条件，并得到以下表达式： （39） （40）具体工作体现方程（38）是由四个部分组成： 第一个代表等熵压缩的相对于气缸压力比工作; 第二个，比例由第一个无量纲作用项，是第一更正的项，以解释压缩过程传热，这校正可积极或消极的根据壁温度（参数瓦特）; 第三，比例由第一个无量纲长期工作，所做的工作描述通过对活塞质量，由于备用气到壁传热：这个项总是积极的。这取决于关因素，但也上压力比。事实上，当压力比的增加，不仅残留量增加，但也扭转周期方面，即是大规模的剩余气体每单位传热效果; 第四，比例由第一个无量纲长期工作，由活塞吸气和排放对应的工作。2.10. 估算显示效率从方程（27），（28）和（38），我们得到下面的指示效率表达式： （41）该处是一个平均的能力比，定义为 （42）总是接近1。例如，对于空气压缩机下一节考虑，范围从压力比= 0.982， = 3到 = 0:975，= 10。 据观察所得，指定的效率取决于三个因素： 吸气期间壁上的传热温度从增加至; 在吸排气管阀门的压力损失和压力的变化，因为其中在气缸压力比不同于大量到大量压力比，这作用是主导低压比; 在的传热传质的手段所说的效果以前，提出了无量纲的因素。2.11. 全球模型参数在过去提出的代数方程组第界定了往复全球模式压缩机。从吸气和压缩压力比这一全球性模型可以预测体积有效性，剩余的质量分数，具体的工作效率和表示。除了通常压缩机的几何数据和流体（热容和国家的热力学性质方程），全球模型依赖于9个量纲有意义的参数，这充分说明该系统。这是提醒以下简称： 温度参数：-和表示流体温度下死中心;-介绍了气缸壁温度 压力参数-介绍了由于吸力过程压力损失;-放气过程介绍了压力损失; 工作参数：-叙述了放气过程吸力和放气的工作; 传热参数：-描述了压缩过程缸传热过程中;-描述了放气过程缸传热过程中;-f描述了在具体工作缸传热效应。缸径：d=76.2mm行程：2R=63:5 mm间隙：=4.5%曲柄连杆长度：L=119 mm余隙体积：转速：表I 全球模型参数范围 表 压缩机的性能： 0.00.5 ：0.51.5： 0.00.5 ：0.040.4： 0.20.9 ：0.050.5：0.00.1 ：0.10.9：-1.01.0 对模型参数的9个部分，如温度，压力或工作参数，可估计很容易测量或直接从压缩机的设计的实际考虑。那个其他的基于数据识别的数据可以在充分分析压缩机实验结果后推断出来，但它可能是比压缩机的设计难以估计。但是，考虑到这些参数的方法定义，有人认为无论系统考虑他们通常的数值范围是很窄的。表一为价值观范围应该适用于大多数往复式压缩机。此外，它将证明，实际模拟结果并不十分依赖于数值的壁温度参数和传热参数,这是最困难的评估。因此，在推荐的范围默认值给予表1应该适合他们在大多数实际情况。3. 实验3.1. 实验装置图4 用于实验中的空气压缩机：1.双气缸压缩机; 2.阀门外壳; 3.绝缘排水管道; 4.入口罐吸管（未显示）; 5.排放罐; 6.排出压力压力表; 7.入口孔板流量测量; 8.杠杆臂扭矩的测量实验已经进行了一小商业系统（图4）。在双缸往复空气压缩机，其主要几何数据载于表二，上面是装满的压缩空气。它是由一台电动机，其中定子是把轴承为允许测量的时刻或扭矩由臂杠杆作用的手段经1测压测功机。空气通过管道吸入，允许转换气对在图4中的压缩机进气脉动流动 在质量流量测量部分源源不断。该流量是衡量一个孔板手段。压缩空气排入储罐通过1保温管，以使排气温度测量在压缩机的出口测量。放气压力测量手段的波登管压力计，其调节阀的手段是可控制。此外，通过电脑控制系统的手段测试设置包括数据采集。该系统主要是具备下列传感器（图5）： 其中压电压力传感器测量头冲洗与内部压缩机缸体头表面; 一个曲轴转角传感器; 让两个热电偶温度分别测量放气的空气和内部压缩机壁气缸垫。图5 实验用空气压缩机：1.压力传感器; 2.出口空气温度测量; 3.内壁温度测量由于压力准确地获得一个曲轴角度的功能，不仅指标图（P，V）可以绘制，而且任何热力学图，如温度熵（T，S）图. 转换图的指标性（P，V）为热力学图需要包含于气缸体积V瞬时质量的知识。这使得计算具体体积v.然后很容易转换古典状态变量（p,v）成的状态变量（T，S)。在扩大中，在缸内剩余流体质量m3是在放气过程结束。这种大质量可以从清除量V3确定，这是已知几何基准，从进口的具体数量v3可以推断排气压力和温度测量。在压缩中，在缸内流体质量是剩余和实际吸大气中的每个周期的总和。这种质量计算以旋转频率测量质量流量。3.2.（p,V）和（T,s）图实验测试已进行了5组不同的作业排放的压力，从471到到795千帕。在每一种情况下，很多措施为确保一个完整的稳态运行。该图是提出了两个极端排放的压力。图6给出了实验指标图。我们的共振态叠加相应的测量吸入及排出这些压力和相应的V3=和p2 = p3。在等压线p1=p4，V1=了没有制定，因为它几乎与吸气压力等压线共线。从这一数字可以看出，该阀门，特别是排放阀，不善设计，导致重要的吸排气工作。实际上，阀门是由一个23毫米直径，0.7毫米的高度，圆柱钢板，复位弹簧。最高板提升为3毫米。吸阀弹簧刚度430，而排放阀弹簧刚度是920.这个简单设计对压缩机的行为产生重要影响。回顾压缩机孔是76.2毫米，它可以可以说，阀门的差距和阀流通面积板面积低。第一点，导致在吸气和排气压力损失过程中很重要，因为它清楚地显示在图6。因此，需要相对较高的价值。在第二点，再加上相对高阀板的惯性，意味着需要获得阀门开启或关闭的时间。压力Pa体积图6 实验性（P，V）指标图不幸的是，阀门的运动并没有被记录。但是，考虑到图6，可以说，排放阀关闭有p，但得到的p。当阀门的最后部分关闭，往复式压缩机7以及在内燃机一个众所周知的现象。由于流体惯性的影响空气流动的最后部分从气缸排放完全。这意味着，p3. 由全球模型的观点这将导致C0，并使气缸压力比完全到完全的压力比小。图7给出了实验（T，s）图。可以看到这些图，气到壁传热产生一个不可忽视的消耗。3.3. 全球模型参数鉴定从全球模型计算结果获得的假设是一个理想的空气气体温度依赖热量的能力。全球模型使用的模拟参数值列于表三。温度K比熵图7 实验（T，S）热力学图表三 全球模型验证中使用的参数1= 0.36 suc= 0.03 2= 0.151= 0.0 dis= 0.3 3= 0.74w= 0.4 f= 0.165 f = 1.25这些参数已经取得了非常容易和轻松。事实上，每个作业压力比温度的T1，T2，T3和T4可从实验中提取文件。可以很容易地包含于图形比较实验和参照温度（图8）。已从确定的指标图表中记录（图6），而f推导是从实验和模式（T，S）中的周期面积的图形比较（图9）。一个很好的协议是观察与全球化的模型和实验结果，全球模型热量转移到质量的意义是正确的。3.4. 全球模型验证图10介绍了作为一个容积效率功能的排气压力。全球模型结果是很好的实验协议数据。可以看出，容积效率从大约0.67下降到0.51左右时，从300千帕的压力增加排放到1兆帕斯卡。图11作为函数列出的排放压力的具体工作。又一个很好的协议在全球模型和实验结果之间实现。一个好的协议之间也在全球模型和表示效率的实验结果之间实现了（图12）。指定的效率几乎不变，约0.56实验排气压力范围。容积效率-排气压力Pa-全球模型实验结果温度K排气压力Pa图8 流体和壁温度 图10 容积效率周期面积J.kg-1排气压力Pa具体工作J.kg-1-全球模型实验结果-全球模型实验结果图9 温度比熵周期面积 图11 具体工作随着全球模型可以预测流体温度，的（T，S）的周期面积，容积效率，具体的工作和效率表示非常准确，有人认为，应以依赖在交互压缩机压缩过程正确的物理描述。3.5. 讨论全球模型可以用来讨论实验压缩机演示。例如，给出了剩余的质量分数全球模型如图13.一个周期时当剩余质量m3为12%的mc此时，排气压力为300千帕，这是值得指出，当排气压力为1兆帕斯卡它超过45的质量。 全球模型也可以在具体的工作条件（方程（38）上给我们一个宝贵的见解。在谈到这个方程和图14，我们注意到，无量纲代表工作而言，在压缩过程中传热的影响几乎可以忽略不计。工作的无量纲术语，描述了活塞对剩余质量上所做的工作由于备用气到壁传递是一个排气压力的增函数。当排气压力为1兆帕斯卡，通过活塞对剩余质量的工作即代表近15的等熵压缩工作。因此，在能源消耗上高压缩比的剩余质量的影响不能被忽略，而它将其看作一个单纯的剩余量无效将扩展过程中释放所有的能量存储在压缩过程中。最后，无量纲长期工作，相应于活塞所做的工作吸入和排放流体是迄今为止最长的工作。同样，这可以解释为实验所用的压缩机阀门设计不当。活塞所做的排放300千帕压力的工作是用来传递占近50的等熵压缩工作的流体！然而，这是一个降低排气压力的作用，以便它只有1MPa的20，然后是与项目在同一数量级。-全球模型-实验结果排气压力Pa全球模型指示效率-排气压力Pa-全球模型实验结果图12 显示效率 图14 无量纲的工作条件排气压力Pa效率的因素-剩余质量分数-排气压力Pa全球模型图13 剩余质量分数图15作为释放压力的功能代表指定的三个因素的效率关系（41）。注意考虑在排放压力这里我们有独立温度T1400 K的压缩机的情况是非常重要的。在指定的效率第一要素（方程（41）是一个常数：我们。在指定的效率上吸气过程传热的影响是非常不利的！第二个因素取决于在气缸和完全对完全压力比之间的差异，而且接近和略优于之一。这来自一些不同寻常的事实，即压缩机的用于如前所述实验（图6）。在指定效率关系中的第三个因素的是在范围65-75内。在大部分排放的压力范围内它比第一个因素。再次应该注意一个事实，即从入口管道吸流体的传热往往是主要的亏损源。3.6. 全球模型参数的敏感性 当使用表三给的值模拟在实验中的压缩机压力从