外文翻譯（中文）--封閉往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮循環(huán)非穩(wěn)態(tài)分析

1、<p><b>　　中文4940字</b></p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　封閉往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮循環(huán)非穩(wěn)態(tài)分析</p><p>　　Giovanni A. Longo*, Andrea Gasparella</p><p>　　Universita` degli Studi d

2、i Padova, Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali, Stradella S. Nicola 3,I-36100 Vicenza, Italy</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　這項研究進(jìn)行了小型封閉式家用制冷往復(fù)壓縮機(jī)壓縮循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)分析。開發(fā)了一個特定

3、的閥門一維模型并且應(yīng)用質(zhì)量和能量平衡來確定壓縮過程中氣缸內(nèi)制冷劑的質(zhì)量、壓力和溫度狀況及熱功傳遞。這種分析被插入到壓縮機(jī)的傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型里來估算壓縮循環(huán)的效率和壓縮機(jī)組的性能。在一個廣泛的操作條件下對制冷劑R134a的工業(yè)設(shè)備通過實驗測量，證明了模擬程序的可行性，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值和實測值之間比較一致。該模擬程序是小型封閉往復(fù)式家用制冷壓縮機(jī)分析、設(shè)計和開發(fā)的有用工具。</p><p>　　關(guān)鍵詞：制冷壓縮機(jī) 往復(fù)式壓

4、縮機(jī) 封閉壓縮機(jī) 操作 瞬變狀態(tài) 建模</p><p><b>　　1. 導(dǎo)言</b></p><p>　　在公開文獻(xiàn)里可以到找小型往復(fù)式家用制冷壓縮機(jī)一些分析計算模型：范圍從簡單的模擬到整個系統(tǒng)更復(fù)雜的程序。在第一種類型的分析中，Brock等人 [1]的尤其有趣，考慮到了從壓縮過程到外部介質(zhì)和吸入氣的熱交換。Brock等人的分析采用既簡單的整體熱力學(xué)關(guān)系(熵

5、和多變方程)又采用以氣缸的吸氣排氣管線傳熱方程輔助的模擬模型。整體壓縮機(jī)最近來和最有趣的數(shù)字代碼要數(shù)Meyer等人[2]，Todescat等人[3，4]和Pe′rez-Segarra等人 [5-7]的了。Meyer等人的小型封閉式往復(fù)壓縮機(jī)模型是基于不同的組件和整體系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)能量平衡上開發(fā)的，它們的傳熱系數(shù)源自于現(xiàn)有的相關(guān)性和實驗測量。通過對容積效率和壓縮效率分別進(jìn)行實驗值假定來分析質(zhì)量流量和壓縮過程。Todescat等人的模型基于不同

6、壓縮機(jī)部件的穩(wěn)態(tài)能量平衡。此外，它包含一個在壓縮周期內(nèi)熱功傳遞的非穩(wěn)態(tài)分析。Pe′rez-Segarra等人開發(fā)了封閉式往復(fù)壓縮機(jī)的熱和流體動力學(xué)分析的數(shù)值模擬模型。他們解答了在整個壓縮機(jī)領(lǐng)域通過隱式控制體積規(guī)劃的流體的一維和瞬態(tài)控制方程(連續(xù)性，動量和能量)。</p><p>　　所有上述模擬程序表明一個小型封閉式往復(fù)壓縮機(jī)的詳盡分析需要一個對壓縮循環(huán)內(nèi)制冷劑流經(jīng)閥和進(jìn)入氣缸內(nèi)的動態(tài)模擬來計算瞬時的熱功轉(zhuǎn)移和壓

7、力質(zhì)量流量波動。此外，在制冷劑和汽缸壁之間的熱量傳遞的估算需要壓縮循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)分析，由于Fagotti等人[8]闡明的同時發(fā)生的熱功傳遞導(dǎo)致了在傳熱和溫差之間的相位滯后，使得該分析比較復(fù)雜。</p><p>　　閥門的動力學(xué)研究涉及質(zhì)量和剛度參數(shù)的估算以及通過閥門的非穩(wěn)態(tài)流動的分析。在制冷劑流經(jīng)閥門的最相關(guān)的非穩(wěn)態(tài)影響是由于該制冷劑流在氣壓變量和相對變化速度之間產(chǎn)生的時間延遲的慣性以及在制冷劑流和閥板之間的功傳遞

8、。后者更改了動能，因此，該制冷劑流的速度如Bo¨swirth [9，10]所示。</p><p>　　在這項工作中，為了估算壓縮循環(huán)的效率和壓縮機(jī)組的性能一個壓縮循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)分析和一個閥門的特定的一維模型被插入到一個壓縮機(jī)傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)模型[11]里。</p><p>　　2. 理論模型和計算機(jī)編碼</p><p>　　模型背后的基本假設(shè)是把流經(jīng)壓縮機(jī)除了閥門

9、和進(jìn)入汽缸的制冷劑看作一維穩(wěn)態(tài)電流。這樣就可以建立一個穩(wěn)態(tài)熱平衡來計算每個組件以及整個系統(tǒng)的溫度和熱功流量。壓縮機(jī)被細(xì)分為六個部分(外殼，壓縮機(jī)主體，吸氣消聲器，吸氣室，排氣室，排出管道)(見圖1)，并且為它們中的每一部分建立了質(zhì)量和能量平衡。壓縮機(jī)內(nèi)的主要的不可逆性(電能轉(zhuǎn)換損失，摩擦損失)通過適當(dāng)?shù)碾姎夂蜋C(jī)械效率予以體現(xiàn)。在Cavallini等人[11]的模型里就可以找到每個壓縮機(jī)組成部分的控制方程的詳細(xì)說明。</p>

10、<p>　　通過非穩(wěn)態(tài)的方式分析壓縮循環(huán)，穿過閥門的制冷劑流和閥門的動態(tài)。這樣讓熱功流量連同質(zhì)量流量的交換過程得到了直接計算，也讓壓縮循環(huán)里的主要特征參數(shù)的性能也得到了計算。</p><p>　　氣缸內(nèi)的制冷劑質(zhì)量性能M來自于以下的質(zhì)量平衡：</p><p>　　= ms(τ)-md (τ)-ml (τ) (1)</p&

11、gt;<p>　　其中ms，md ，ml和分別是吸入，排出和泄漏的質(zhì)量流量，τ是時間。</p><p>　　泄漏質(zhì)量流量ml用雅各布斯[12]模型計算</p><p>　　ml (τ)= (2)</p><p>　　其中ρ和μ是制冷劑的密度和動力粘度，D是氣缸直徑，s是活塞氣缸徑向間隙，L是活塞高度，Δp是

12、氣缸和外殼之間的壓強(qiáng)差。</p><p>　　吸入和排出的質(zhì)量流量用以下方程式計算：</p><p>　　mi(τ)=ρi(τ)Ai(τ)ui(τ) i=s， d (3)</p><p>　　其中Ai和ui分別是在進(jìn)氣閥s和排放閥d處的有效流通面積和制冷劑的有效流速。</p><p>　　有效流通面

13、積與閥板的升程Xi(τ)及流量系數(shù)CD有關(guān)：</p><p>　　Ai(τ)=πdsiCDXi (τ) i=s， d (4)</p><p>　　其中dsi是閥座直徑。流量系數(shù)按照Bo¨swirth [13]計算。有效的制冷速度與Bo¨swirth應(yīng)用伯努利方程里兩種不同關(guān)系得到的通過閥門的壓力損失相關(guān):</p

14、><p>　　Δpi(τ)= ≤0.15 i=s， d (5)</p><p><b>　　Δ(τ)=</b></p><p>　　>0.15 (6)</p><p>　　其中dbi是閥門支

15、撐面厚度，β是說明進(jìn)口損失的摩擦系數(shù)，Ji是幾何參數(shù)，F(xiàn)PLi是閥板上的流動動力。第一種在開始和結(jié)束階段有效的關(guān)系[方程(5)]是以乘法術(shù)語說明摩擦損失的伯努利方程。第二種在打開閥有效的關(guān)系[方程(6)]也是伯努利方程在解釋入口摩擦損失，氣體慣性效應(yīng)和非穩(wěn)態(tài)功在流體和閥板之間傳遞的更正。制冷劑和閥板間相互作用采用Bo¨swirth模型估測：</p><p>　　i=s， d

16、 (7)</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　其中Adi是閥門支撐面的面積，Asi是閥門座的面積，Api是閥門口橫截面面積(出口面積)。第一種關(guān)系[方程(7)]在流動動能相對于摩擦損失忽略不計的開始和結(jié)束階段有效，而第二個方程[方程(8)]適用于流動動能占主要地位的開閥。</p><p>　　閥門由通過下列的

17、二級微分方程控制的一維模型來模擬：</p><p>　　i=s， d (9)</p><p>　　其中mvi是等效質(zhì)量，bvi是阻尼，kvi是閥門剛度，Xpc.i代表預(yù)載。</p><p>　　熱力學(xué)第一定律適用于氣缸內(nèi)的制冷劑通過壓縮過程確定它的溫度性能，即由Todescat等人[3]建議的形式。</p><p><b>

18、;　　(10)</b></p><p>　　其中T，p，v，h和cv分別是氣缸內(nèi)制冷劑的溫度，壓強(qiáng)，比容，比焓和比熱容，而q是制冷劑和氣缸壁之間的熱流量，V是氣缸內(nèi)的容積。制冷劑到氣缸壁的熱傳遞計算應(yīng)用Annand等人[14]的公式像Todescat等人[3]所建議的乘以一個因數(shù)3：</p><p>　　q(τ)=α(τ)S(τ)[

19、 (11)</p><p>　　α(τ)=3×0.7[] (12)</p><p>　　其中α是傳熱系數(shù)，S是傳熱面積，Tc是氣缸壁的溫度，up是平均活塞速度，λ是制冷劑的熱導(dǎo)率。</p><p>　　在壓縮循環(huán)過程中的壓力表現(xiàn)通過制冷劑的狀態(tài)方程以溫度和比容來計算：</p><p>

20、　　p=f(T,v) (13)</p><p>　　在壓縮循環(huán)過程中活塞和制冷劑的瞬態(tài)功傳遞依照[15]按以下關(guān)系計算</p><p>　　dW(τ)=[p(τ)-]dV (14)</p><p>　　其中ps是吸氣壓力，因此每一壓縮循環(huán)里的純功結(jié)果：&l

21、t;/p><p>　　W=dV (15)</p><p>　　并且每單位質(zhì)量流的純壓縮功為</p><p>　　W= (16)</p><p>　　其中ΔM是在一個壓縮循環(huán)里處理的制冷劑質(zhì)量。在壓縮循環(huán)里的壓縮功率為：</p><p&g

22、t;　　w(τ)= (17)</p><p>　　在壓縮循環(huán)過程中氣缸內(nèi)的容積V和制冷劑與氣缸壁之間的傳熱面積S應(yīng)用以下的方程計算：</p><p>　　V(τ)=+(){()[1+ (18)</p><p>　　S(τ)=2 (19)</p><p>　　其中Vc是余隙容積，C

23、是活塞沖程，B是連桿長度，Φ是下死點曲軸轉(zhuǎn)角。</p><p>　　壓縮循環(huán)里的整個非穩(wěn)態(tài)分析由九個方程組表示，這些變量是溫度T，壓強(qiáng)p，質(zhì)量M，通過閥門的有效速度us和ud，閥板升程Xs和Xd，制冷劑流和閥板之間的相互作用FPLs和FPLd。該系統(tǒng)包括應(yīng)用有限的差分方法整合成的四個微分方程。</p><p>　　至于壓縮機(jī)的模擬計算機(jī)編碼，執(zhí)行一種疊合結(jié)構(gòu)。輸入值由邊界條件(環(huán)境溫度，制

24、冷劑吸入溫度和壓力，出口壓力)以及密封裝置的特征參數(shù)(幾何數(shù)據(jù)，制冷劑類型，電動機(jī)轉(zhuǎn)速，電能和機(jī)械效率)。估計值為氣缸入口處的制冷劑的質(zhì)量流量，制冷劑溫度，氣體流入外殼的溫度以及氣缸溫度。然后建立每個壓縮機(jī)組成部分的熱平衡，執(zhí)行壓縮循環(huán)的非穩(wěn)態(tài)分析。制冷劑性能由REFPROP5.1計算[16]。這樣一來，壓縮機(jī)內(nèi)和制冷劑流的特性溫度連同制冷劑質(zhì)量流量，熱流量和輸入的電功率一起被計算出來了。對比溫度和質(zhì)量流量的假定值和計算值進(jìn)一步重復(fù)迭代

25、直到達(dá)成一致。最終的輸出結(jié)果包括制冷劑質(zhì)量流量，出口溫度，密封裝置內(nèi)部溫度，熱流量，輸入的電功率以及在壓縮循環(huán)過程中的特性參數(shù)趨勢。計算機(jī)編碼由Fortan 77開發(fā)。圖2顯示了模擬計算機(jī)編碼的流程圖。</p><p><b>　　3. 實驗對照</b></p><p>　　該理論模型在和實驗測量的對照下得到了證實，該實驗是在活塞排量為6 的家用冰箱的R134a封閉式

26、往復(fù)壓縮機(jī)工業(yè)設(shè)備上進(jìn)行的。</p><p>　　工業(yè)設(shè)備閥門的等效質(zhì)量和剛度通過ANSYS 5.5.1[17]的動態(tài)FEM分析獲得。FEM模型被用于估算第一固有頻率ωni和閥門剛度kvi：這些參數(shù)通過以下的方程被用于估算等效質(zhì)量:</p><p>　　i=s, d (20)</p><p>　　FEM分析在對閥門的頻率

27、響應(yīng)的測量上得到了證實，該頻率響應(yīng)給出了閥門的實驗固有頻率。表1展示了由FEM分析的剛度，固有頻率和等效質(zhì)量的計算以及測量的吸氣及放泄閥簧的實驗固有頻率。在實驗和計算的固有頻率之間的相當(dāng)不錯的一致性在運用計算的等效質(zhì)量和剛度上得到充分的信任。編號[18]中報告了FEM分析和閥門頻率響應(yīng)的實驗測量的詳細(xì)描述。</p><p>　　該工業(yè)設(shè)備按照ANSI-ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)23-1993[19](冷凝器和蒸發(fā)器出口溫度

28、32℃，冷凝溫度55℃)在測量制冷能力的量熱設(shè)備上進(jìn)行測試。此量熱設(shè)備按照ANSI-ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)41.9-1988[20]操作如圖3所示。表2給出了實驗設(shè)備里不同測量儀器的主要特點。在每個測試?yán)餃y量以下的參數(shù)：輸入電功率，制冷能力，蒸發(fā)和凝結(jié)氣壓，壓縮機(jī)入口和出口處的氣體溫度，冷凝器和蒸發(fā)器出口制冷劑溫度。該壓縮機(jī)裝備有幾個銅-康銅熱電偶來測量壓縮機(jī)每個組件以及不同位置制冷劑的溫度。在每次運行中以下的數(shù)據(jù)被采集：外殼不同位置的溫度，

29、潤滑油的溫度，循環(huán)氣的溫度，電動機(jī)的溫度，氣缸和氣缸頭的溫度，吸氣消聲器入口處的制冷氣體溫度，氣缸進(jìn)口和出口溫度。表3給出了在同一操作條件下測量的實驗數(shù)據(jù)和通過模擬程序得到的計算值之間的比較。按照ANSI-ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)23-1993考慮三種不同的操作條件：蒸發(fā)溫度分別為-35℃，-23.3℃和-10℃。該比較顯示了在計算和實驗參數(shù)之間的充分一致。因此目前的模擬程序是家用冰箱里小型密封式往復(fù)壓縮機(jī)分析，設(shè)計和開發(fā)的有用工具。</

30、p><p><b>　　4. 結(jié)果分析</b></p><p>　　該仿真模型的輸出包括壓縮循環(huán)里特征參數(shù)的趨勢。圖4顯示了在不同操作研究條件下壓縮循環(huán)的pV圖：使研究壓縮階段，排氣階段和最后的吸氣階段的特征壓力波動，制冷劑在余隙容積里的再膨脹得以實現(xiàn)。</p><p>　　圖5顯示了溫度趨勢：在壓縮階段里直到排放閥打開時制冷劑溫度升高，由于與氣缸

31、壁之間的熱傳導(dǎo)引起溫度降低，在整個排氣和再膨脹階段直到吸入閥打開時溫度持續(xù)降低，由于新進(jìn)來的制冷劑的混入溫度再一次升高。圖6和圖7顯示了在考慮的操作條件下的熱功流量交換。在壓縮階段由于在制冷劑和氣缸壁之間的傳熱系數(shù)提高和溫差的加大導(dǎo)致了從制冷劑到氣缸壁的熱流量提高。然后在排氣和在膨脹階段熱流量迅速減小直到在吸氣階段它顛倒過來即從氣缸到氣體。在壓縮階段由于活塞上的壓強(qiáng)差的增加使得壓縮功率的絕對值增加；然后排氣階段在端點中心(沒有容積變化)

32、壓縮功率減小到零，之后在再膨脹階段變得活躍起來。隨后的吸氣階段需要一個微量的功率輸入。</p><p>　　壓縮循環(huán)效率的計算涉及理想的壓縮循環(huán)，其中制冷劑在壓縮機(jī)入口溫度和吸氣壓力下是理想氣體然后在排氣壓力下通過等熵過程很快被壓縮。圖8顯示了通過模擬程序和蒸發(fā)溫度在-23.3℃下理想循環(huán)所計算的壓縮循環(huán)。壓縮循環(huán)的等熵效率被確定為在理想循環(huán)下的單位壓縮功Wis和通過模擬程序計算的實際單位壓縮功Wr之比：<

33、/p><p><b>　　(21)</b></p><p>　　理想條件下的Wis通過傳統(tǒng)的等熵功關(guān)系來計算：</p><p><b>　　(22)</b></p><p>　　其中R是理想氣體常數(shù)γ是制冷劑的等熵指數(shù)。實際的單位壓縮功Wr由公式(16)計算。圖9顯示了在蒸發(fā)溫度-23.3℃下的實際和理

34、想的單位壓縮功的性質(zhì)。</p><p>　　考慮到在密封裝置里的摩擦損失和電能變換損失，壓縮機(jī)組的整體效率由理想單位壓縮功Wis與每單位質(zhì)量流輸入的電能E之間的比值來確定：</p><p><b>　　(23)</b></p><p>　　單位電能輸入E等同于輸入電功率和通過模擬程序計算的質(zhì)量流量之間的比值。</p><p&

35、gt;　　另一個評估壓縮機(jī)組性能的重要參數(shù)是容積效率，它是通過模擬程序計算的實際質(zhì)量流量和最大值之間的比值來確定的：</p><p><b>　　(24)</b></p><p>　　其中ρi是壓縮機(jī)入口處的密度，是活塞排量，f是轉(zhuǎn)動頻率。</p><p>　　表4給出了在考慮到的三種不同操作條件下的等熵效率，整體效率和容積效率：所有的效率幾乎

36、呈直線隨著蒸發(fā)溫度升高而升高。</p><p><b>　　5. 結(jié)論</b></p><p>　　在這項工作中一個用于小型封閉式往復(fù)式家用制冷壓縮機(jī)的非穩(wěn)態(tài)分析的計算機(jī)程序被展示。該模型能夠計算制冷劑的質(zhì)量流量，輸入的電功率，密封裝置內(nèi)的熱流量和溫度，壓縮循環(huán)里的特征參數(shù)趨勢以及壓縮循環(huán)和密封裝置的效率。</p><p>　　該計算機(jī)模型在廣

37、泛的操作條件下運行的R134a工業(yè)設(shè)備的實驗測量上得到了有效的證實：在預(yù)測和實測性能狀況下找到了一個相當(dāng)不錯的一致性。該模型能夠很容易的適應(yīng)于不同壓縮形態(tài)和不同操作流體，因此它是分析，設(shè)計和開發(fā)封閉式往復(fù)活塞壓縮機(jī)的有用工具。</p><p>　　表 1 閥門的剛度，固有頻率和等效質(zhì)量</p><p>　　[Hz] [Hz] [N] [g]</p>

38、<p>　　吸氣閥 377 394 808 0.1318</p><p>　　排氣閥 517 528 2783 0.259</p><p>　　表 2 不同測量儀器的規(guī)格</p><p>　　儀器

39、 參數(shù) 精度 范圍</p><p>　　T 型熱電偶 制冷劑溫度 ±0.1℃ -50÷150℃</p><p>　　壓力傳感器 制冷劑壓強(qiáng) ±0.5 kPa 0÷2

40、.5 MPa</p><p>　　電能表 電功率 ±1％ 0÷10 kW</p><p>　　熱量測量儀 制冷能力 ±2％</p><p>　　表 3 實驗和計算參數(shù)比較</p><p>　　輸入

41、數(shù)據(jù) </p><p>　　壓縮機(jī)入口溫度(℃) 38 35.8 34.2</p><p>　　壓縮機(jī)吸氣壓力(kPa) 66 114.8 200.5<

42、;/p><p>　　壓縮機(jī)排氣壓力(kPa) 1483 1484 1486</p><p>　　特征參數(shù) Exp. Calc. Exp. Calc. Exp. Calc.</p><p>　　輸入電功率(W)

43、 92.5 92.9 137.7 126.1 204.7 196.2</p><p>　　制冷劑質(zhì)量流量(kg) 1.316 1.234 3.016 2.530 6.009 5.764</p><p>　　氣缸入口溫度(℃) 97.3 98.6 98.

44、9 97.9 94.9 96.1</p><p>　　氣缸出口溫度(℃) 150.6 144.9 156.7 152.5 145.5 147.5</p><p>　　壓縮機(jī)出口溫度(℃) 85.5 94.2 102.1 102.2 111.9 109.4

45、</p><p>　　循環(huán)氣溫度(℃) 86.2 85.4 93.3 90 92.7 92.9</p><p>　　氣缸平均溫度(℃) 100.1 105.6 109.7 109.2 110.9 111.6</p><p>　　表 4

46、壓縮機(jī)的等熵效率，整體效率和容積效率</p><p>　　等熵效率(％) 66.8 68.9 72.6</p><p>　　整體效率(％) 33.6 40.4 44.3</p><p>　　容積效率(％) 44.9