热泵涡旋压缩机的热力学特性.pdf
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1、第49 卷第4期2023年8 月文章编号:16 7 3-519 6(2 0 2 3)0 4-0 0 42-0 7兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of TechnologyVol.49No.4Aug.2023热泵涡旋压缩机的热力学特性彭斌*,周天昊,刘慧鑫,刘(兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州7 30 0 50)摘要:基于热泵涡旋压缩机几何参数、热力学第一定律、质量能量守恒定律等,建立了热泵涡旋压缩机的几何模型和热力学模型.利用欧拉法对所建热力学模型进行求解,得到了压缩机运行1个周期工作腔内工质温度、压力、质量的变化规律,并进一步分析了不同工况条件下
2、热泵涡旋压缩机工作过程中泄漏量的变化规律.同时,通过搭建实验平台对所建热力学模型进行了验证.结果表明:吸气压力和吸气温度对压缩腔的影响最大,吸气压力降低0.1MPa时第三压缩腔泄漏量降低9.45%,吸气温度降低5时第三压缩腔泄漏量降低6.8 41%;而转速的变化对涡旋压缩机各个工作腔泄漏量的影响比较平均;且实验值与模拟值接近,验证了模型的正确性,可为热泵涡旋压缩机的性能优化提供一定的理论参考.关键词:热泵涡旋压缩机;热力学模型;工况参数;实验验证中图分类号:TH128Thermodynamic characteristics of heat pump scroll compressorPENG
3、 Bin,ZHOU Tian-hao,LIU Hui-xin,LIU Shuai,YANG Bao-kun,HE Ji-xiang(School of Mechanical and Electrical Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:Based on the geometric parameters of heat pump scroll compressor,first law of thermodynam-ics,the laws of conservation of mass and ene
4、rgy and so on,the geometric model and thermodynamic mod-el of the heat pump scroll compressor were established in this paper,and the method of Euler was used tosolve this model,then the changing trend of temperature,pressure and mass of working fluid in the work-ing chamber of compressor were obtain
5、ed.The leakage changing law of the heat pump scroll compressorunder different working conditions was analyzed.Finally,the established thermodynamic model was veri-fied by building a test platform.The results show that the suction pressure and temperature have the grea-test influence on the compressi
6、on chamber.When the suction pressure decreases by O.1 MPa,the leakageof the third compression chamber decreases by 9.45%.When the suction temperature decreases by 5 C,the leakage of the third compression chamber decreases by 6.841%.While the influence of speed changeon the leakage of each working ch
7、amber of scroll compressor is average,and the experiment values areclose to the simulation values,which verifies the correctness of the model.The research in this paper pro-vides a some theoretical reference for the performance optimization of the scroll compressor of heat pumps.Key words:heat pump
8、scroll compressor;thermodynamic model;operating parameters;experiment ver-ification为了响应国家节能减排号召,清洁能源的开发利用在日常生活中越来越受到重视.其中,空气能收稿日期:2 0 2 1-10-0 9基金项目:国家重点研发计划-科技助力经济2 0 2 0 重点专项(SQ 2 0 2 0 Y FF0 42 0 98 9),国家自然科学基金(516 7 52 54,5196 6 0 0 9),兰州市人才创新创业项目(2 0 2 0-R c-2 3),甘肃省科技计划项目(2 0 YF8GA057)通讯作者:彭斌(
9、197 6-),男,新疆伊宁人,博士,教授,博导.Email.P帅,杨宝坤,何吉祥文献标志码:A热泵在使用过程中仍然存在一些技术问题,比如作为热泵系统关键部件的涡旋压缩机,所占系统的有效能损失比例远大于其他部件.这是由于涡旋压缩机在工作过程中存在制冷工质的泄漏、传热以及压缩机本身的机械摩擦损失等问题,其中泄漏又是造成压缩机工作过程质量压力变化的最主要原因.热泵以制热为目的,无论冬夏冷凝温度始终要求比一般制冷或者空调系统高,而高冷凝温度就意味着存第4期在高排气压力、电机过载等问题,这些问题的研究都需要先建立起完整的热力学模型再对其进行分析.王永强建立了完整的余热-空气能热泵系统数学模型,通过分析
10、得出应着重对压缩机进行优化的结论.Rasheed等2 利用TRNSYS-18程序建立了热泵的整体模拟模型,但所建压缩机模型不够精细.涡旋压缩机的数学模型中几何结构是影响压缩机效率的主要因素之一,许多学者在这方面做了大量研究.Morishita等3 和Wang等4 分别提出了基于特殊渐开线初始角和基于任意渐开线初始角的涡旋压缩机几何模型,但没有进行后续热力学模型的建立和分析.Qiang等51建立了基于积分方程的涡旋压缩机压缩过程模型,但只提出了涡旋齿的型线方程,没有对压缩腔的容积变化进行分析.刘涛等6 提出了利用法向等距线生成涡旋压缩机型线的新思路,但没有进行完整几何模型的建立.查海滨等门和王君
11、等8 等建立了涡旋压缩机间隙内考虑摩擦的可压缩实际气体绝热稳态流动数学模型,但是运用CFD分析模拟流动场和温度场.赵生显9 和彭斌等10 针对现有涡旋压缩机相关研究的不足,建立了比较完整的压缩机数学模型,但以理想气体作为工质进行处理.Chen 等1-12 给出了涡旋压缩机压缩过程的详细模型,但该模型适用于基于特殊渐开线初始角的压缩机,具有一定的局限性.Sung等13 建立了涡旋压缩机的瞬态分析模型,但没有对连续的压缩过程进行分析.王建吉等14建立了任意主轴转角的轴向间隙泄漏量计算模型,但仅考虑了压缩机的轴向间隙泄漏,且着重于分析基圆半径、轴向间隙等几何参数对压缩机的影响.Park等15 建立了
12、涡旋压缩机的热力学模型,但主要分析了制冷剂喷射对压缩机性能的影响.为了准确分析在特定工况下热泵涡旋压缩机的热力学特性,本文通过MATLAB和refprop软件建立并求解热泵涡旋压缩机的几何模型和热力学模型.通过查阅以往涡旋压缩机优化分析文献发现,学者们大都把目光投向涡旋压缩机几何参数对压缩机工作过程各方面的影响.因此,本文将着重研究热泵涡旋压缩机工况参数与热力学特性的关系,通过改变吸气压力、吸气温度和转速这3个工况参数,对比压缩机各工作腔泄漏量的变化情况,定量分析工况参数对泄漏的影响,并且通过实验进行验证.1热泵涡旋压缩机的几何模型几何模型是研究涡旋压缩机热力学特性的基础,也是建立热力学模型的
13、前提.本文研究的涡旋压彭斌等:热泵涡旋压缩机的热力学特性缩机渐开线形状为圆渐开线,双圆弧修正,几何参数如表1所列.图1为所测热泵涡旋压缩机的型线和工作腔划分示意图.表1热泵涡旋压缩机几何参数Tab.1 The geometric parameters of heat pump scrollcompressor名称基圆半径a/mm内壁面渐开线开始角;/rad外壁面渐开线开始角。/r a d涡旋体壁厚t/mm涡旋体高度H/mm渐开线节距p/mm动静涡盘基圆中心距r/mm最终展角e/rad排气角Qa/rad图1型线和工作腔划分Fig.1Vortex profile and working cavit
14、y division该热泵涡旋压缩机为基于圆渐开线的涡旋型线,依据其几何参数,将压缩机工作腔分为吸气腔、第三压缩腔、第二压缩腔以及中心排气腔.由于吸气、压缩、排气是连续的过程,所以体积也可由连续的方式给出。1)吸气腔容积.当主轴转角0 E(0 2 元),涡旋压缩机处于吸气阶段.吸气腔打开,动涡盘随着偏心主轴转动而将制冷剂气体吸人腔内.考虑修正后吸气腔容积为4V,=H200-02-0(i+。+元)+2(1cos 0)2(e元)sin 元/4sin 20(1)2)压缩腔容积.当0 E(2 元,4元)和E(4元,4元十a)时,涡旋压缩机处于压缩阶段.第三和第二压缩腔的容积为V。=2 元H(pe-20
15、-i。+元)3)排气腔容积.当0 E(4元十0 a,。一元/2 十0 a)时,涡旋压缩机处于排气阶段,将压缩后的高温高压制冷剂气体经排气口排出.排气腔容积为Va=H(e-0+0a-元/2)X(g0di。+7 元/2)43数值2.2280.785-0.7853.528.5143.520.42044.7124动涡盘第三压缩腔第二压缩腔一排气腔一吸气腔静涡盘(2)(3)44通过MATLAB软件对该压缩机容积腔容积进行计算,得到容积腔容积随主轴转角的变化规律,如图2 所示.可以看出:气体从吸气管道进入吸气腔,吸气容积随着主轴转角的增大而增大,达到最大值后略微减小;压缩阶段容积呈线性递减;排气阶段容积先
16、加速减小而后趋于平缓.同时,对各工作腔容积表达式进行求导,得到各阶段容积腔容积变化率,如图3所示.可以看出:吸气阶段容积变化率先大于0,最后小于0;压缩阶段容积变化率为恒定负值,由于第二压缩腔与第三压缩腔的容积变化率值相等,所以只取至主轴转角2 元处,以此代表整个压缩腔容积的变化规律;排气阶段容积变化率绝对值慢慢减小,与压缩腔容积变化情况吻合。543210图2 容积随主轴转角变化Fig.2Volume varies with orbiting angle1.6吸气腔1.2压缩腔一排气腔0.80.40-0.401234567主轴转角/rad图3容积腔容积变化率Fig.3Volume change
17、 rate of cavity2热泵涡旋压缩机的热力学模型依据已经建立的压缩机几何模型,可以继续进行涡旋压缩机热力学模型的构建.涡旋压缩机在工作过程中影响热力学性能的主要因素为传热和泄漏.2.1基本方程秉着考虑主要因素而淡化次要因素的原则,基于能量守恒方程和热力学第一定律,得到工作状态兰州理工大学学报下腔内制冷剂工质温度随主轴转角变化的基本方程为dT1domcvmin(h一him)+腔内气体质量随主轴转角变化的基本方程为dmdo式中:T为工作腔内制冷剂工质的温度;P为腔内制冷剂工质的压力;V为工作腔容积;m为腔内制冷剂工质的质量;Cv为恒定容积比热容;为腔内制冷剂工质的比容;w为主轴的角速度;
18、min为进入工作腔内制冷剂工质的质量;mout为流出工作腔内一吸气腔制冷剂工质的质量;h为工作腔内制冷剂工质的比压缩腔一排气腔510主轴转角/rad第49卷FdV(min 一mout)doQmin恰;h为进人工作腔内制冷剂工质的比恰;Q为工作腔与外界的热交换量.2.2传热2.2.1吸气加热将吸气过程的传热视为管内对流换热,采用迪1520(4)mout(5)25特斯波尔特(Dittus-Boelter)方程,表面传热系数为h。=0.0 2 3k R e 0.8 P r 0.4/d p(6)4mRe元dpnPr=CK则制冷剂工质与进气管传热量为=mce(T,-T.)1-exp(-limcp式中:k
19、为热导率;dp为管径;Re为雷诺数;Pr为普朗特数;n为流体黏度;c为定压比热容;T,为进气管温度;Ts为工质进入进气管的温度;Lp为进气管长度;m为工作腔内质量.2.2.2工作腔传热对于涡旋压缩机工作过程中工作腔之间传热,本文采用螺旋板式换热器平均对流模型计算制冷剂工质与涡旋齿的传热过程.涡旋盘的热交换系数为9Khcm=0.023DefRe0.8Pr0.4(1+8.481exp(5.35Sr)Def=4V/ARaver号(9;一元/)+(gk-1 一/2)(7)(8)(9)Def1+1.7RaverX(10)(11)(12)第4期式中:Def为当量直径;Raver为平均半径;Sr为斯特劳哈尔
20、数;A为工作腔面积;kPk-1分别为工作腔两端的渐开角.2.3泄漏2.3.1泄漏面积1)切向泄漏切向泄漏的泄漏线长度为涡旋齿齿高,即Lf=2H径向间隙的大小可表示为关于压力比Pa/P。的线性函数关系式,其中,Pd为排气腔压力,,P。为吸气腔压力,即r=-9.61510-5(Pa/P1.67)+210-5(14)则通过径向间隙的切向泄漏面积为A=orXLI2)径向泄漏径向泄漏的泄漏线长度为主轴转角的函数,即Lri(0)=p(2i元一0)轴向间隙大小可表示为压力比的线性函数,即8,=1.1 X 10-6(Pa/P,-1.67)+10-6(17)则通过轴向间隙的切向泄漏面积为A,=o,XLri(0)
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