压缩式制冷系统介观热力循环优化分析(二)

甄 仌，吴玉琴，姜培学，庞菁男，黄 烁，佟泽天

(1.哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028；2.清华大学 能源与动力工程系，北京 100084)

5 基于气液两相微团平衡依据确定液体微团参数

当气液两相处于热平衡时，气体微团与液体微团温度相等，以冷凝器内部介观微团为例，利用气体微团参数推导与之处于相平衡的液体微团参数.

1)冷凝器中的气体微团

uA(t)=umsinωt

(21)

pA(t)=p0

(22)

(23)

T0+Tmcosωt

(24)

(25)

(26)

2)冷凝器中的液体微团

由气液两相平衡条件，pB-pA=2σ/r，TA=TB，得

uB(t)=umsinωt

(27)

(28)

(29)

T0+Tmcosωt

(30)

(31)

(32)

相应的压缩式制冷系统其他设备中的气体、液体均可参照以上公式给出相应的介观参数表达式.

6 压缩式制冷系统介观热力循环优化分析

6.1 整流

制冷系统的实际工作是非稳态的，压缩机作为运动部件，在非稳态条件下，当其驱动频率较高时，管道内的流体流动特性较稳态情况有很大区别[12]，其速度和压力发生很大变化，使得流动变得非常不均匀.因此，可考虑在压缩式制冷系统中加装整流器.

压缩式制冷系统的实际工作过程是周期振荡的，对于整个系统是不断进行周期循环的，所以不存在绝对的驻波，故有热功转换，而热功转换在时间尺度和空间尺度上强调热量和动量传递的时域，因此要求在进行系统热力学分析时应采用介观尺度[13].故针对加了整流结构的压缩式制冷系统，可以从介观尺度研究其整流机理.

6.2 压缩机吸气阀前整流对提高能效比影响的介观分析

在压缩式制冷系统中，压缩机作为运动部件对介观微团的热力学参数影响较大，为了提高系统能效，设计了各种形式的压缩机，已开发的压缩机主要包括以下几种：往复式活塞压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机等.

对于某一确定的压缩机，其对介观微团的影响已确定，为了进一步改变微团热力学参数，从而增加压缩机有用功，提高压缩机性能，本文提出在制冷压缩机吸气阀前加装整流器.从宏观角度看，整流可以改善流动的均匀性和稳定性，为深入理解整流的本质作用机理，需要对其进行介观角度的分析.

针对不同的压缩机，应有不同的整流方式.常见的整流方式有整流栅、多孔板、导流板.下面根据往复式活塞压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、螺杆压缩机自身的特点，给出不同的整流方案.

往复式压缩机的工作特点：在汽缸中活塞的往复运动是周期性的, 吸排气呈现出周期性、间歇性, 管内为脉动气体.管内气体参数(压力、速度和密度等)不仅随系统位置变化，而且随时间周期性变化.压力脉动通常用不均匀度来衡量[14].为了提高压缩机性能，应尽量减少气体压力脉动，保证气流的均匀性.从介观角度来看，气体在活塞压缩机中周期性压缩、膨胀，由于活塞的阻碍，易于形成驻波，驻波型的周期振荡其循环功为0，故为了提高热功转换效率，可在压缩机前设置整流结构，使得压缩机内气体振荡尽可能接近行波型的周期振荡.由于往复式压缩机不是速度型压缩机，转速较小时要考虑增设整流结构所造成的总压损失对压缩机性能的影响，故在增设整流结构时要尽可能减少阻力损失.另外，压缩机进口气流角过大会很大程度影响压缩机效率.根据往复式活塞压缩机的特性，提出在其吸气阀前设置多孔板式整流器.

针对某一制冷系统，在该系统往复式活塞压缩机(S41-C，沈阳第一冷冻机厂生产)前设计一整流结构，以提高压缩机的性能.制冷系统实际运行中，从蒸发器出来的流体往往是两相状态，气体微团与液体微团的速度不同，流动稳定性差，为了保证流动均匀性，并且减小压力与速度的夹角，在压缩机进气口前设置如图3所示整流结构(孔尺寸和数量在实验中可作调整).

针对该制冷系统，分别对加了整流部件和未加整流部件的循环进行实验研究，测出压缩机吸排气压力，见表1.

图3 多孔整流板

表1 压缩机吸排气压力

从表1可以看出，在压缩机前加了整流部件的循环，吸气压力更加稳定，压缩机吸排气压力比更小，故压缩机耗功小，系统更加安全.此外，实验还研究了压缩机的电流和噪声变化情况，发现经过整流后的压缩机电流也更加稳定，噪声变化幅度更小.

涡旋压缩机可用于小型制冷装置，其容积效率和压缩机效率随着转速的增加而提高，对于这种压缩机，气体泄漏量是唯一的容积损失参数[15].因其自身的结构，当转速一定时，可通过在压缩机前加装整流结构来改变气体速度，进而来减小气体泄漏量，故可以在进气口前设置预旋整流栅来改变气体速度，减小气体泄漏量.但整流栅的加入会造成较大的总压损失，所以设置整流结构时要综合考虑气体泄漏量和总压损失两个因素.当转速高时，气体泄漏量占主导因素，可以整流；转速低时，不宜整流.

滑片压缩机由气缸、转子和滑片组成，滑片式压缩机的转子偏心设置在气缸内，转子旋转时，滑片受离心力的作用从槽内甩出[15].滑片式压缩机适于在高转速下工作，转速越高，作用在滑片上的惯性力越大，会增大滑片顶端的摩擦力，致使效率随转速的增加而降低.故对于这类压缩机，可以在进气口前设置预旋整流栅，减小压力与速度的夹角，减少气流与壁面的摩擦，从而减少压缩机由于高速运转所造成的损失.因为转速高，整流栅的加入造成的总压损失可忽略，适合整流.

螺杆式压缩机主要用于大型制冷系统中，其容积的大小随着转子的旋转而变化，达到吸气，压缩，排气的目的[15].影响螺杆机效率的主要因素是内泄漏，而造成泄漏损失的主要原因是气体的流速.在螺杆机中，提高螺杆的圆周速度，可使螺杆式压缩机的外形尺寸和质量等都减小，气体通过螺杆式压缩机间隙的相对泄漏量就会减少，有利于提高压缩机的容积效率和热效率.但圆周速度也不宜过快，过快会增加气体流动损失.在螺杆的圆周速度和转速不变的情况下，为了减少内泄漏，可在压缩机入口改变气体的流速，故可在压缩机进口设置预旋整流栅.因为转速高，整流栅的加入造成的总压损失可忽略，适合整流.

6.3 压缩式制冷系统中不同转速下压缩机的整流方式

研究表明整流器的加入能使不稳定的流体快速均匀并稳定下来，但同时它的加入会增大局部阻力，造成总压损失.为保证总压损失(整流器加入引起)的影响远远小于流动均匀性对系统的影响，在压缩机吸气阀前设计整流时要尽可能减小阻力.

当压缩机低速运转时，管道内的流体运动并不剧烈，涡流效应并不明显，此时整流器的加入所造成的总压损失对系统的影响起主要作用，所以此时尽量不设置整流器.如果管道中有弯头等，为了减轻由于弯头这种特殊结构所造成的局部阻力，可以在弯头前设置自身阻力小的整流器，如导流片.

当压缩机较高转速运行时，管道内流体不稳定，此时涡流效应明显，应尽可能减少涡流的产生，整流器的加入所造成的总压损失对系统的影响虽然不起主导作用，但也不宜过大.故可在压缩机吸气阀前安装导流片或多孔整流板等自身阻力不是太大的整流器.

当压缩机高速运转时，管内流体运动剧烈，非常不稳定，此时涡流所造成的能量损失起主导作用，此时整流器的加入所造成的总压损失可以忽略.应尽可能的减小流体压力与速度的夹角，减小由于涡流所造成的流体与壁面的摩擦，故可在压缩机吸气阀前设置能够改变流体夹角的预旋整流栅.

6.4 整流机理介观分析

压缩式制冷系统实际运行中，由于各种复杂情况和各部件的作用，其流动状态是不稳定的.而且从蒸发器出来的流体往往是气液两相状态，气体与液体的速度不同，流动更加紊乱.整流器的加入宏观上可减轻涡流所造成的能量损失，保证了流动均匀性，并且减小压力与速度的夹角，减少由于摩擦所造成的能量损失，进而提高系统能效比.故从这一层面上讲，当压缩机进口前流体越混乱，越适合整流.

实际上压缩式制冷系统的工作过程也是周期振荡的，从蒸发器出来的流体这一周期振荡现象更加明显，故有热功转换，而热功转换在时间、空间角度上强调热量和动量传递的时域，应采用介观角度进行热力分析.故针对加了整流结构的压缩式制冷系统，应从介观角度研究其整流机理.

当气体微团和液体微团经过整流器(如多孔整流板)，由于其速度不同，经过整流器后气体微团和液体微团相对分开，它们之间的相互作用减少，进一步解释了整流后流体会相对稳定的现象，与宏观层次的影响一致.另外，流体经过整流板后宏观现象中看到的是速度减小，压力增大，由于气体黏度小，故惯性力占主导作用，由于固定点速度变化引起的惯性力而造成的压降，在整流器出口处最明显，随着整流后流动越来越平稳，压降也越来越小.

7 结 论

对压缩式制冷系统的介观研究有利于工程实践和相关学科的发展.本文主要致力于根据介观热力循环理论，研究压缩式制冷系统压缩机吸气阀前整流对提高能效比的影响，主要研究结果如下：

1)建立压缩式制冷系统的介观模型，分析了系统内微团的介观热力循环和介观微团热力参数对系统性能参数的影响，部件设备对介观微团热力参数的影响.基于吉布斯相平衡理论确定了气液两相微团的平衡判据，基于气液两相微团平衡判据确定了液体微团参数.

2)从宏观角度出发，分析得到适合往复式压缩机、涡旋压缩机、滑片压缩机、螺杆式压缩机等压缩机的整流方式，得到不同转速下压缩机的整流方式.将介观理论运用到整流机理研究，分析得出整流器的加入使得微团的振动接近行波相位，大大增加热功转换效率，提高系统能效比.