小型往复式压缩机等温压缩过程的数值分析和工程实现方法研究

魏 双 章国江 朱谷昌 刘远峰 柯凌云 李 蓉 郑传祥

(1. 浙江大学化工机械研究所；2. 杭州钱江压缩机有限公司)

小型往复式压缩机效率的高低决定了整个制冷系统的效率。逆向卡诺循环是理想的制冷循环，在相同的温度范围内，其制冷因素最高[1]。但从制冷的功耗考虑，绝热压缩消耗的功率最大，而等温压缩消耗的功率最小。由于功耗是压缩机的重要性能指标，因此等温压缩的实现有重要的现实意义[2]。笔者针对以R600a为制冷剂的WS75YV型压缩机进行工作工况下压缩过程运动特性的数值模拟，测得很难通过试验方法得到的压缩过程气缸内压力变化曲线和示功图，较为精准地计算等温压缩可以节省压缩机输入功耗。因为等温压缩过程需要很高的热流量，而且制冷剂的温度易受外界温度影响，很难实现。但在达到冷凝温度前进行绝热压缩，之后进行等温压缩是可行的[3，4]。通过合理的润滑油系统对压缩机各结构降温实现近似等温，设计了含有螺旋流道和中心排气孔道的润滑油通道，并通过改变注油量润滑油系统性能的试验确定最优注油量。

1 数值模拟

对于压缩过程的模拟，主要是基于多维瞬态控制体方程计算温度、速度、压力的分布，忽略了阀片的开合与制冷剂的互相作用。实际上，压缩过程是个流场和固场耦合的复杂开放系统，阀片的响应对制冷剂的流动和传热必然产生影响。笔者分别在ADINA流场和结构场模块主要采用自带native的自底向上建模，由点至线再至面完成气缸、阀组和活塞的三维模型[5]。网格划分仍然采用ADINA软件的有限元技术的算法(Flow Condition Based Interpolation，FCBI)划分三维八节点网格，三维有限元模型如图1所示。

图1 三维有限元模型

流体模块和固体模块分别施加相应的边界条件，相互接触的平面通过流固耦合面上扫射网格的拟合实现流体和结构的双向耦合。吸气压力和温度分别为62.4kPa、32.2℃，排气压力和温度分别为761.3kPa、102.4℃。采用FSI(Fluid-Solid Interaction)方法进行流固耦合场，对两个场的求解文件进行计算，模拟压缩机气缸内部流场和结构(阀片)变化过程。

2 模拟结果

研究近似等温压缩过程对压缩机输入功率的影响，分别对绝热压缩过程和近似等温压缩过程进行动态模拟，得到在两种压缩过程中气缸内压力的变化曲线和示功图。为了得到多组数据对比，可以改变阀片的厚度，根据现有的几种阀片，分别取阀片厚度为0.152、0.203、0.254mm。

2.1气缸内压力

图2是两种压缩过程不同厚度阀片气缸内的压力变化曲线，可以看出，近似等温压缩比绝热压缩过程缸内压力增大发生滞后，压缩过程后半程压力才开始快速增大，直到活塞反向运动后，气缸压力才开始下降，而且在气阀开始回落过程压力出现大幅度的增幅振荡，但相应曲线形态类似。

a. 绝热压缩过程

2.2示功图

图3是不同厚度的阀片在两种压缩过程下的示功图，整体来看绝热压缩指数主要影响了压缩曲线，多变指数降低使得压缩过程近似等温压缩，缸内压力增大和阀片的动态都发生滞后。

电机功率Ns的模拟计算公式为：

(1)

其中ηm为机械效率，取0.850；ηe为电机效率，取0.885；Δp为示功图上排气和吸气压力差；V是气缸体积。

a. 绝热压缩过程

b. 近似等温压缩过程

根据式(1)，可得两种压缩过程消耗电机功率的模拟值，并准确计算出节省功率，见表1。

表1 电机功率模拟值对比

从3组模拟结果可以看出，等温压缩过程相比绝热压缩过程可以节省约43%的功，对降低压缩机功耗具有重大意义，如果能够找到合适方法得以工程实现，可以大幅提高压缩机的COP值。

3 润滑油冷却的近似等温工程实现方法

压缩机各部件的冷却对于实现等温压缩具有积极意义。气缸内喷油或加水虽然能够在一定程度上降低压缩工作过程的功耗，但是第二介质与制冷剂的分离和第二介质的引入使得系统结构复杂，且总体功耗并未减小，还有可能带来压缩机的液击现象[6]。通过合理的润滑油系统可以实现压缩机的近似等温过程而避免上述不利影响。

改进压缩机的供油系统(图4)吸油管的下端位于油面以下，压缩机运行时，油在吸油管中被提升并沿着轴线经油道向上流动。到达吸油孔时，油从吸油孔流出并进入螺旋槽，此位置的油润滑主轴承和端面，其余的油通过曲轴的轴向流道上升分别从出油孔和油孔流出润滑连杆的大头孔。曲轴旋转时，当油孔润滑连杆大头和曲柄在上述各摩擦面被润滑的同时，仍有一部分油沿着曲轴的轴向流道上升并从端部出油孔流出，在离心力的作用下向四周甩出，洒在活塞表面润滑活塞和气缸。油被甩在机壳的内壁上，沿着内壁向下流至机壳底部。油在机壳内壁下流的过程中将热量传递给机壳。由此看出降低润滑油的温度不仅可以降低摩擦热，使得摩擦零部件的温度不会过高，

同时对气缸和活塞来说是有效的降温措施。

图4 润滑油供油系统结构示意图

压缩机曲轴上的润滑油通道如图5所示，螺旋线通道使得润滑油能够在离心力作用下随着油槽上升，降低了润滑油的流动压降，油孔的大小基于经验数据取得。

图5 曲轴油道

4 润滑系统性能试验

对于非变频的电机控制压缩过程，通过控制油槽高度(即吸油器深入油槽的高度)来调节注油量，在制冷压缩机量热计测试台上完成压缩机的性能参数的测量[7]，如制冷量、功耗、制冷系数(COP)和排气温升(图6)。

随着注油量的增大，压缩机的制冷量增大、功耗先减小后增大、排气温度逐渐降低。显然，注油量的增大使润滑油经过各个接触副的流量增大，加快了润滑油的冷却速度，使得压缩机各部分的温度，尤其气缸的温度降低，减小了的吸气预热量，从而使制冷量增大、压缩机的排气温度降低，致使压缩机指示功降低；另外随着注油量增大，润滑充分，压缩机的机械功耗在初始时刻先减小，如果注油量继续增大，尽管能够充分润滑，但由于油槽中润滑油对曲轴旋转的阻力也同时增大，使得压缩机机械功耗增大。因此，在一定范围内增大注油量对于提高压缩机制冷量和功耗都具有积极作用。

a. 制冷量

b. 功耗

c. COP

d. 排气温升

对于该型号的压缩机来说，最优的注油量为120mL。该注油量下既能满足充分润滑，又能有效降低结构温度得到高效的压缩过程，而且不会使润滑油对曲轴旋转的阻力过大。

5 结束语

笔者基于实际排气阀和压缩过程的模拟，建立了近似等温过程的模拟，分析了不同排气阀阀片厚度对压缩功率消耗的影响，对比发现等温压缩过程理论上可以节约43%的功耗。整体上气缸内温度在吸气和压缩过程都增大，所以采用全程冷却的方法实现近似等温过程。采用润滑油降温的方法实现工程上的近似等温过程，设计了含有螺旋流道和中心排气孔道的润滑油通道。试验表明增大注油量可以降低排气温度、提高制冷量，功耗则随着注油量的增大先减小后增大，制冷系数COP随着注油量的增大先增大后减小，由此可以得到WS75YV型压缩机的最优注油量为120mL，为提高压缩机的性能提供了依据。

[1] 沈维道，蒋智敏，童钧根.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2001：42.

[2] 刘桂平，王志强，王汝金，等.准等温压缩技术在转子式压缩机上的应用[J].制冷与空调，2014，14(2)：15～18.

[3] Ribas F A.Thermal Analysis of Reciprocating Compressors[C].Nineteenth International Compressor Engineering Conference.West Lafayette：Purdue University，2006：1306.1～1306.8.

[4] Bonjoura J，Bejan A.Optimal Distribution of Cooling during Gas Compression[J].Energy，2006，31(4)：409～424.

[5] 马野，袁志丹，曹金凤.ADINA有限元经典实例分析[M].北京：机械工业出版社，2011：10.

[6] Wang X D，Hwang Y，Radermacher R.Investigation of Potential Benefits of Compressor Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2008，28(14)：1791～1797.

[7] 王晓燕.小型制冷压缩机全自动性能测试台研制[J].实验室研究与探索，2011，30(8)：52～57.