汽车空调用变排量压缩机动态特性仿真

1、文章编号:10050329(200305001903汽车空调用变排量压缩机动态特性仿真蒋祖华王屹陈江平(上海交通大学,上海200030摘要:以7S16为例,建立了变排量压缩机工作过程的控制方程组,并利用M AT LAB/S imulink进行求解,得出了反映气缸内制冷剂压力、温度、比容和质量等参数的瞬态特性,仿真结果与试验结果吻合较好。关键词:变排量压缩机;动态特性;仿真中图分类号:TH45文献标识码:ADynamic Perform ance Simulation on V ariable2displacement Mobile CompressorJiang ZhuhuaWang Y iC

2、hen JiangpingAbstract:The controlling equations are established for the variable2displacement com press or w orking process.Based on the commeri2 cial s oftware M AT LAB/S imulink,the real2time per formance can be derived,for exam ple,the pressure and tem perature cycle,as well as specific v olume a

3、nd mass flux,The numerical results are com pared to experimental results from the com press or7S16.K eyw ords:variable displacement com press or;dynamic per formance;simulation1概述压缩机工作过程模拟仿真是以压缩机实际循环中的四个过程为研究对象,综合考虑各种因素的影响,建立数学模型,并通过计算机进行求解。这样不仅能得出压缩机的宏观特性容积流量和功率,也能得出压缩机的主要热力学参数,如压力、温度和气体体积随时间变化的瞬态特

4、性,通过对仿真结果的综合分析,可以对压缩机的结构进行优化,并揭示出提高压缩机效率的潜力。国内外有许多学者进行了制冷压缩机工作过程的模拟计算和优化14。但针对变排量压缩机的研究较少。本文以7S16压缩机为例,对变排量压缩机的工作过程进行了计算机仿真,为变排量压缩机的设计提供参考。2压缩机工作过程模型2117S16压缩机7S16压缩机是旋转斜盘式压缩机,通过安装于后盖内的控制阀,调节吸气压力和机箱体内的压力差来实现汽排量调节,从而实现制冷系统的容量控制,调节汽车室内温度。原理如图1所示 。图1压缩机排量调节原理P a1大气压力;P s1吸气压力;P c1腔体内压力;P d1排气压力212数学模型假

5、设制冷剂在进、排气通道和气缸内的各参数集总,且随时间变化;忽略制冷气体动能和位能的变化,即气体在流经气阀的小孔时位能变化忽收稿日期:20020520修稿日期:20021008略不计;由于制冷剂与润滑油相互作用的复杂性,暂不考虑润滑油对制冷剂的影响(由此引起的误差,通过实验结果修正;假设通过气阀的气体作绝热流动;非稳态流动的每一瞬时都为平衡态。由于变排量斜盘压缩机有较大的进、排气阀腔,且压缩机的工作转速很高,制冷剂气体流经进、排气腔时的气流脉动幅值很小,忽略气流脉动。由此建立包括压缩机气缸、进排气阀的热力系统的控制方程为:(1能量方程d Q d +d m s d h s =d W d +d m

6、dd h d +d (mu c d (1其中d W d =p d Vd ;d (mu c d =m d u cd +u cd md (2质量守恒方程d m d =d m sd -d m d d (2制冷工质流经吸、排气阀的流量分别为:d m s d =(A sv s2kk -1RT s 1-(P P sk -1k(3d m d d =(A dv c 2kk -1RT c 1-(P dPk -1k(4(3气缸内气体比容变化率5d v d =1m d V d -v m d m d (5d V d =12V h sin =12SA sin (6结合制冷剂HFC134a 工质热物性6,及气缸中的换热系

7、数经验公式参考文献7,可得出封闭方程组。压缩机的指示功率可表示为:N i =-P d Vd d (73模拟求解利用MAT LAB 软件中的Simulink 交互式仿真集成环境模块来求解模拟压缩机工作过程的数学方程。首先根据式(1(7,建立模拟仿真模块,见图2。整个压缩机工作过程模拟仿真框图可以作为一个子系统,便于和空调系统中其它构件(如冷凝器和蒸发器的模拟仿真系统相连。 图27S16压缩机工作过程模拟控制4压缩机工作过程仿真分析两个典型工况仿真结果如图3、4所示。图3为工况的仿真,即压缩机主轴转速600r/min ;吸气压力01475MPa ;排气压力21475MPa ,吸气温度31155&#

8、176;图4为工况的仿真,即压缩机主轴转速2000r/min ,吸气压力01245MPa ,排气压力117MPa ,吸气温度17136°。411气缸内气体压力的变化分析如图3(a 和图4(a 所示。600r/min 工况下,进气压力的计算值为0.49MPa ,比厂方的实测数据0.475MPa 大,这是由于实际气体在进入气缸前经过管道和吸气阀时产生的流动阻力造成压力损失,而模拟计算时没考虑这复杂的过程,从而使计算值大于实验值。排气压力计算值为2.35MPa 比实测数据2.475MPa 小,这是因为实际排出的气体要克服排气阀和中间管道的阻力,使实际排气压力大于模拟计算值。这两个模拟计算值

9、与实测值的误差都在5%左右 。图3工况 仿真图4工况仿真412气缸内气体温度变化分析如图3(b 和图4(b 所示,膨胀开始时气体的温度高于气缸的壁温,气体向外放热,使气体温度不断降低,随着气缸壁与气体温差渐小,气温下降变慢。在进气阶段气体的温度变化不大,但仍逐渐升高,主要是因为吸气阶段气体不断地从气缸壁面吸热所致。压缩阶段气体的温度快速上升过程比较陡,这时活塞对气体做功使气体内能和温度升高很快。排气阶段气体温度变化也不大,略有下降。600r/min 工况下,吸气温度的模拟计算值298K 小于实测数据304.7K ,是实际气体在流经吸气阀时类似于绝热小孔流动,使气体温度升高。在2000r/min

10、 工况下,吸气温度的计算值272K 也低于实测值290.5K 。413气缸内气体比容的变化分析如图3(c 和图4(c 所示,膨胀阶段,由于吸气阀还没打开,余隙容积内质量不变的残存气体随着体积的增加,比容急剧增大,反映出过程曲线很陡直。在进气阶段,随着活塞的移动气体体积逐渐增加,同时进入气缸的气体也不断增加,使气体的比容基本保持不变。压缩阶段,气体质量不变,但体积不断被压缩,使比容快速下降。排气阶段,一方面气体逐渐减少,另一方面气缸的容积也不断变小,使比容变化很小。600r/min 工况下,进气开始时的比容模拟计算值是0.045m 3/kg ,厂方的实测值是此时的气体密度为21.2kg/m 3,

11、即0.0471m 3/kg ,可见模拟计算的结果相当准确的。2000r/min 工况时,进气起点的比容模拟计算值为0.084m 3/kg ,与实测值010806m 3/kg 比较误差仅为4.2%。414气缸内气体质量的变化分析如图3(d 和图4(d 所示,在膨胀阶段,吸气阀关闭,没有气体进入气缸,气体的质量不变。进气阶段,气体不断涌入气缸使气体质量不断增加。压缩阶段,由于没有考虑泄漏,气体质量也不变。排气阶段,气体质量逐渐减少。由于吸/排气处和气缸内的制冷工质的质量无法在实验中测得,故模拟计算出气缸内的气体质量变化规律是有重大意义的,根据模拟计算出的工质质量,可以得出实际排气的质量流量和实际制

12、冷量。在2000r/min ,指示功率的计算值是3.38kW ,实测值是3.1kW ,相对误差是9%;在600r/min ,指示功率的模拟计算值是1.62kW ,厂方实测值是1.54kW ,相对误差是5.2%。(下转第32页原油在开采与输送过程中,压力不断下降,溶解在原油中的伴生气不断释放,为了使在原油中达到释放压力的气体尽量析出,油、气混合物应接近相平衡状态,这一方面取决于气、液系统的状态,和分离时间;另一方面取决于气、液之间的接触面。油、气、水在管路中混合输送时,流速较高,气、液界面十分小,上述两个条件都达不到,使得原油中含有气体存在,情况变得更加复杂。当油、气、水混合物进入旋流器时,在较

13、大的离心加速度的作用下,旋流器中心形成低压区,混存在油水中的那部分气体会迅速向旋流器轴心运动,而原油中的水则向旋流器壁面运动,水滴在旋流场下受到油的阻力以及间歇的气泡阻力。对这种情况下的聚结还需要进一步探讨。5结语旋流器内的非强制旋流场有利于聚结过程的发生,从而强化液2液或气2液分离过程,可用于液2液体系、液2气体系中对分散相的聚结分离。它是聚结与沉降的复合过程,因此,它具有很高的分离效率,对于O/W体系,分离效率可达到99%以上,同时,可以将油滴浓度由几百几千mg/L增浓到300000400000mg/L。参考文献oiling hydrocyclones for marine applica

14、tionsA.2nd Int.C or f.On HydrocyclonesC.19841J.Annual review of fluid mechanics.Annual ReviewInc.,Palo Alto,197113.4袁惠新.分离工程M.北京:中国石化出版社.2002,14815Saffman,P.G.,J.of Fluid Mechanics,1968,2138516李清平,薛敦松.叶片式多相泵内部相态分离过程的研究J.石油大学学报(自然科学版11997,21(317余大民.旋流聚结技术初探J.油气田地面工程.1996,15(5.作者简介:张敏,男,1975年生,硕士研究生。通

15、讯地址: 214063江苏无锡市江南大学分离工程研究所。(上接第21页5结论(1实验证明所建立的压缩机模型能够较准确地反映压缩机动态特性。(2计算机建模分析避免了不合理的结构设计,为缩短设计周期提供了条件。(3从压缩机的动态仿真结果中,可分析压缩机性能参数对制冷装置总体性能的影响,有助于压缩机的正确选型。(4将仿真模拟结果中的热力参数的瞬态变化特性输出到压缩机动力学仿真环境中去,可更精确地得出压缩机的力学特性,为进一步的动力分析打下了基础。参考文献1Fukuta M,Y angagisawa T,Shimizu T et al,Mathematicalm odel of Vane2com press ors for com puter2simulation of au2tom otive airconditioning cycleJ.JS ME International Jour2nal Series B Fluids and Thermal Engineering,1995,38(2,199205.2陈芝久,阙雄才,丁国良.制冷系统热动力学M1北京:机械工业出版社,199813梁月,史琳.汽车空调压缩机性能模拟M1清华大学学报,1999,39(11,7982