直线压缩机的性能分析与优化

直线压缩机的性能分析与优化

压缩式冷却循环是冷压机的主要方式之一，在冷压机、冷冻和空调系统中得到广泛使用。因此，该装置被比作冷压机的心脏。在制冷干部工作时，必要消耗大量的能耗，占每个人的能耗的一半以上。因此，节能一直是冷压机行业的一个永恒主题。2003年，中国的冷食机市场引入了新的能耗标准，这进一步表明了节能研究的紧迫性。传统的冰箱压缩机大多是由旋转电机驱动的往复活塞式压缩机(RMC),它在近几年得到了较快发展,性能指标得到了很大的提高.由于其结构所限,这种压缩机性能的提高将十分困难,因此有必要研究开发一种新型的压缩机取而代之.直线压缩机(LMC)就是一种理想的机型,它不存在将电动机的旋转运动转变为活塞直线往复运动的转换机构,由直线电机直接驱动活塞运动,其行程及止点由程序或电磁力来控制,从而可使压缩机的结构紧凑,效率高、寿命长.有关这种压缩机的研究论文较少.作者认为,这种压缩机结构的不足之处在于:①气体力的非线性影响较大,不易实现电动机推力的线性化,影响效率的提高;②活塞行程控制较困难,影响余隙容积和运行效率;③直线电机的气隙均匀性要求严格,气隙不均匀将引起附加的侧向力,导致活塞与气缸之间的摩擦以及支撑部位的摩擦与磨损.针对这些问题,本文做了以下分析与研究.1电机的效率比较,采用传感器和控制电路,与动圈式永磁电机比直线压缩机可以被广泛应用于各种制冷系统,特别是冰箱与冷冻冷藏箱,其结构简图如图1所示.直线压缩机的驱动电机采用新型直线磁阻电机(LRM),与传统的旋转电机相比,具有效率高、易控制等特点.图2是这两种电机的效率比较(图中n、n0分别为直线和旋转电机的转速).与动圈式永磁直线电机相比,磁阻电机具有结构简单、成本低、寿命长等优点.电机的动子与活塞直接相连,动子两端连着两个谐振弹簧,气缸固定在电机的定子上,缸体上装有阀板、吸排气阀片、吸排气腔和吸排气消音室等.动子在电磁力的作用下推动活塞做往复振荡运动,并在控制电流和弹簧的作用下做谐振运动.高的容积效率对应于恰当的活塞余隙,活塞余隙的止点位置控制是通过传感器和控制电路来实现的.2阀片状态方程压缩机工作过程中流体的流动是一种复杂的多维、可压缩紊流,流动速度快,形状复杂,如果采用多维紊流模型对Navier-Stokes方程求解,则计算复杂,计算时间长,对计算机的要求也很高,在微机中应用较为困难.根据容积式压缩机压缩气体的特点,本文对直线压缩机的工作过程作了以下假设:一维稳态流动;不考虑流动中的轴向换热;气缸内气体状态是均匀的.直线活塞式压缩机系统示意图如图3所示,气体从吸气管进入,经吸气消音室、吸气腔到气缸,然后通过排气腔、排气消音室和排气管排出.整个区域可划分成14个单元,每个单元为一个控制容积,对控制容积采用通用的控制方程联立求解,就可以求出各控制容积中气体在不同时刻的状态参数(压力、温度等),进而可以求出整个循环的性能参数,如压缩机的耗功、容积效率η和性能系数(COP)等值.对于各个控制容积,假定其内部流体状态相同,可得到以下各个控制容积的控制方程(能量、动量、连续方程和状态方程)∑m˙o−∑m˙i+∂m∂x=0(1)m˙ovo−m˙ivi+∂(mv¯)∂x=Fs(2)∑m˙oeo−∑m˙iei+∂(me¯)∂x−v∂p¯∂x−p¯∂v∂x=Q˙−W¯¯¯¯s(3)f(p,T,ρ)=0(4)∑m˙o-∑m˙i+∂m∂x=0(1)m˙ovo-m˙ivi+∂(mv¯)∂x=Fs(2)∑m˙oeo-∑m˙iei+∂(me¯)∂x-v∂p¯∂x-p¯∂v∂x=Q˙-W¯s(3)f(p,Τ,ρ)=0(4)式中:下标i、o表示控制容积的进口、出口;x表示活塞位移;v¯v¯、p¯p¯、e¯e¯表示控制容积的平均速度、平均压力、平均比内能;Q˙Q˙表示流入控制容积的净热量;W¯¯¯¯sW¯s表示控制容积内的流体对外界做的功.在动量方程(2)中Fs=(pi−po)S−fρ|v|vA2(5)Fs=(pi-po)S-fρ|v|vA2(5)式中:f为表面摩擦系数;S为控制容积的界面面积;A为控制容积的换热面积.在能量方程(3)中,Q˙Q˙主要是由对流换热引起的,可忽略辐射换热,并考虑到各部分的热平衡,换热方程可表示如下qw=α(Tw−T)(6)其中α=AλDsReBPrC(7)qw=α(Τw-Τ)(6)其中α=AλDsReBΡrC(7)式中:λ为导热系数;Ds为当量直径;A、B、C为常数;Re=ρuDs/μ;Pr=μCp/λ.状态方程(4)采用表示状态参数较为精确且适用性较强的马丁-侯方程,表示如下p=∑i=16Ai+BiT+Cie−kT/Tc(v−b0)i(8)p=∑i=16Ai+BiΤ+Cie-kΤ/Τc(v-b0)i(8)阀片可视为弹性薄板,动态模型采用D∇4ω(x,y,t)+c∂ω(x,y,t)∂t+12ρδ∂2ω(x,y,t)∂t2=q(x,y,t)(9)D∇4ω(x,y,t)+c∂ω(x,y,t)∂t+12ρδ∂2ω(x,y,t)∂t2=q(x,y,t)(9)式中:D=Eδ312(1−μ2)D=Eδ312(1-μ2)为阀片刚度,E为弹性模量,δ为阀片厚度,μ为泊松比;c为阻尼系数;q(x,y,t)为单位面积的力.气缸中的活塞受力如图4所示,主要是电磁力、气体力、弹簧力、摩擦力及惯性力等.其运动质量主要包括活塞及电机动子质量,电机做功主要是克服气体力和摩擦力做功,因此活塞的运动平衡方程为md2xdt2+Cedxdt+Kex=Fe−Fg(10)md2xdt2+Cedxdt+Κex=Fe-Fg(10)式中:Ce是摩擦系数,若气缸与活塞之间存在油润滑系统,并假定润滑油为不可压缩流体,可以得到摩擦力Ff=Cedxdt=πDH(μδdxdt+pg−p02)(11)Ff=Cedxdt=πDΗ(μδdxdt+pg-p02)(11)弹簧力Fs=Kex电磁力Fe=BeLei气体力Fg=(pg-p0)·S式中:D是气缸直径;H是活塞长度;μ为润滑油粘度;δ是油膜厚度;pg是气缸内的气体压力,由方程(1)～(4)求得;p0为压缩机壳内压力,等于吸气压力;S为活塞的上表面面积;Be为磁通密度;Le为导线长度;i为线圈中的电流.3阀片运动特性的对比从方程(9)可以看出,阀片受到气体力的作用,气体力推动阀片运动,使阀片产生相应的位移和变形.另一方面,阀片的变形又影响气体力的大小,即影响气缸和吸排气腔内的状态.这种力和运动之间的耦合作用,贯穿了阀片运动和活塞工作的全过程.为实现对压缩机工作过程及阀片运动的模拟,就必须实现上述的耦合.首先,根据简单计算,给定各个控制容积的初始状态和步长Δt,对微分方程(1)～方程(3)采用Runge-Kutta法离散求解,得t时刻各个点的状态,进而求出此刻作用在阀片上的作用力,代入方程(9),利用有限元子程序求出阀片在此时刻的变形,计算出吸排气阀的有效通流面积.再代入微分方程(1)～方程(3)求解,得出t时刻各个点的状态,进而求得t+Δt时刻的状态,如此反复求解耦合阀片运动方程和控制容积的控制方程,便可模拟出一个周期(膨胀、吸气、压缩和排气)的工作过程和阀片运动的全过程,最后判断周期初始状态和结束状态是否重合,如果不重合,则以结束状态作为初始状态,进入下一个周期循环,直到重合为止.在直线压缩机的样机设计和计算中,采用了R134a、R600a两种工质.压缩机工况采用ASHRAE标准工况.压缩机的主要几何参数如表1所示.通过模拟计算,可以准确地计算出直线压缩机热力性能参数、工作过程、阀片运动规律及活塞受力情况等.表2给出了采用两种工质时,直线压缩机的性能参数和已有产品的性能对比.与传统的往复式压缩机相比,直线压缩机的性能可以提高30%以上,而性能的提高主要得益于电机效率的提高以及摩擦功耗的降低.在计算结果中,直线压缩机的排气温度较高,主要是由于活塞行程的增加所致.通过压缩机模拟计算,可以模拟出直线压缩机工作过程中各控制容积参数的变化,特别是气缸内的气体参数变化规律.图5给出了采用两种不同工质的压缩机的示功图,可作为分析压缩机运行过程的参考.另外,从图中可以准确地计算出吸气和排气过程的损失.图6是直线压缩机(R134a,50Hz)吸排气阀片的运动规律.从图中可以看出,在吸气阀片没有升程限制器时,阀片的振动比较明显,是压缩机噪声的主要来源之一,这不仅直接影响了气阀的工作过程,而且也影响阀片寿命,降低了整机的性能.因此,对阀片及阀组进行优化设计,提高压缩机性能将是我们今后工作的主要方向之一.图6还给出了压缩机气缸在一个周期内的温度变化,可以看出,在压缩腔中,气体与气缸壁之间的热交换比较明显,致使气缸壁温度升高,进而引起对吸进气体的加热,这也会导致压缩机的效率降低,因此需要合理设计结构,提高散热以降低各部件的温度.图7给出了直线压缩机(R134a,50Hz)活塞的受力情况,这可以明显看出活塞受到的惯性力较大,主要是因为磁阻电机的动子质量较大,不易平衡.可以通过改变活塞及轴的材质和尺寸来减小运动质量,同时需要合理设计谐振弹簧,使其运动更为合理.图8给出了直线压缩机的频率特性,压缩机在频率为30～60Hz之间时具有较高的频率,而在此范围之外,压缩机的频率下降较快,主要是受电机效率的降低以及阀片运动恶化的影响,而且系统也处于非谐振状态.4新型直线磁阻式压缩机的性能对比本文通过对直线磁阻式压缩机工作过程的数值模拟,能准确得到直线压缩机的性