涡旋式压缩机在热泵系统中可靠性的研究外文翻译资料

 2022-09-11 10:09

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涡旋式压缩机在热泵系统中可靠性的研究

Y Zhao, L Li, H Wu, P Shu and J Shen

流体机械及压缩机国家工程研究中心,能源与动力工程学院

西安交通大学,西安,中国

天津商学院,天津,中国

摘要:漩涡压缩机因为具有体积小、效率高、振动小和噪声低等优点而被应用于热泵和制冷系统。在制冷循环中,涡旋压缩机运行的较为平稳和流畅,但是在热泵系统中,因为工作条件的恶化导致出现了一些问题。这篇文章中会讨论到不同的因素影响热泵系统运行的可靠性,如大气条件、电压波动、涡旋压缩机的配置等,并且还指出了在热泵系统中,检查热力学行为和一些基本的设计概念对涡旋式压缩机运行可靠性的影响。实验结果表明,从压缩机出口排出的气体与高压壳式压缩机盘绕导线排出的气体温度差为10华氏度。计算和测试结果都得出了良好的论证。低压壳体中电机的绕线温度比高压壳体涡旋式压缩机低很多。因此,低压壳体涡旋式压缩机比高压壳体涡旋式压缩机具有较高的运行可靠性。

关键词:涡旋压缩机,可靠性,热泵,制冷系统

符号 下标

cp 恒定压力下的比热 a 压缩机环境

F 换热面积 dis 压气机排出腔

I 电流 h 高压壳体

k 比热比 ia 室内空气

m 制冷剂流量质量 in 压气机进口

N 电机输入功率 k 冷凝

p 压力 l 低压壳体

  1. 热交换量 m 电机绕线
  2. 气体常数 o 蒸发器
  3. 温度 oa 室外空气
  4. 电压 ou 凝汽器出口

W 压缩过程中所做的功 suc 压缩机吸气室

a 传热系数

DTm 对数平均温差

Zm 电机效率

Zmc 机械效率

1 引言

在室内空调系统中,往复式和旋转式压缩机在较长的时间内一直起着关键作用。涡旋压缩机是90年前发明的,但是由于制造困难,直到1981年才开始应用于商业[1]。最近,2.5-20马力输入功率的涡旋式压缩机因其优异的性能被广泛应用[2]。它具有体积小、效率高、振动和噪声低的重要特性[3]。

冬天,在加热周期时,压缩机负荷的增加使该系统的工作条件恶化,尤其是室外环境温度的降低。一般情况下,当室外环境温度高于5摄氏度时,热泵循环会保持较高的效率。在一个真正的循环中,涡旋压缩的工作状态随着大气条件、室内空气温度、电压、该涡旋机组配置等因素的变化而变化。本文讨论了这些因素对涡旋式压缩机运行可靠性的影响。最常见的问题是切断安装在电机上的过热保护器的电源动作。

过热保护器确保压缩机的可靠运行。如果电机的温度高于预先设定的值,电源就将被切断。然后由环境气体冷却压缩机,电机的温度不断下降,直到它的值低于设定值,电源就会自动打开,压缩机就会再次运行。

冬季,该系统使用来给房间提供热量的。如果电源经常处于关闭状态,室内空气的温度就很那达到用户设定的阀值。

2 涡旋压缩机两个基本的内部结构

涡旋型压缩机具有两个基本的内部结构:

  1. 低压外壳(如图1所示)。在这里,从蒸发器(在夏天用作冷凝器)传来的低温低压的制冷剂先进入压缩机壳体,并且在吸收电 图1 低压壳体压缩机的内部结构图动机的热量后进入压缩机的吸入室。
  2. 高压外壳(如图2所示)。 在这里,低压气体直接进入吸入室,并且,之后被压缩,高温高压气体从压缩室排出进入气体和电机发生热交换的压缩机壳体中。然后,气体从出口排出。

图3显示了涡旋压缩机内部结构的框图。由此看出,在涡旋式压缩机中,制冷气体不仅被压缩了,而且还从发动机中吸收了热量。然而,吸收热量的顺序是不同的,制冷剂在被低压壳压缩之前、被高压壳压缩之后吸收电极所发出的热量。因此,在低压外壳中电机图2 高压壳体压缩机的内部结构图

被吸入气体所包围,而在高压外壳中它被从压缩式排出的气体所包围。

在热泵系统中,制冷剂状态的变化可以被分解成四个过程,并在图4中呈现。在低压壳系统中,热力循环顺序是2-3-4-5-6-1-2,在高压壳系统中是1-4-3-4-5-6-1。在这里,假定从压缩机排出的制冷气体的温度相同,那在低压压缩机壳体的过程是1-2-3,然而它在高压壳中的过程是1-4-3。 图3 低压涡旋式压缩机(a)和高 图4 使用涡旋压缩机2个内部结

压涡旋式压缩机(b)的过程 构的 热泵系统中的热力循环

从热力循环中可以看出,在低压压缩机壳体中,电机被吸入气体所冷却,所以电机温度比高压压缩机壳体的低。然而,由于在低压壳体中,吸入的气体是由电机过热的,所以在压缩过程中所做的 功比在高压壳体旋涡式压缩机的高。

3 影响运行可靠性的主要因素

3.1 涡旋式压缩机的内部结构

涡旋压缩机的两个内部结构之间主要的差别是壳体中制冷气体的压力和温度。在图1中,低温和低压的气体首先进入压缩机外壳,吸收来自电机的热量,然后进入吸气室,最后直接从出口排出。电机周围所吸入的气体使之保持冷却,电动机和制冷气体之间的热交换量可以用[4,5]来计算。

(1)

(2)

(3)

其中,DTm是对数平均温度,它可以通过使用等式(1)到(4),电机导线的温度Tm,来计算。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

涡旋式压缩机的转速在更高的水平(3000转/分)。因此压缩过程(从气体吸入到气体放电)可以认为是瞬间完成的,这意味着在压缩机内气体和外部气体的热交换量可以忽略不计。因此,压缩过程可以被视为绝热[6]。

这里要指出一点,电机工作效率随着压缩机转速、负荷、温度等因素的变化而变化。在本文中,电机效率的效率图表是由制造商提供的。

在图2中,压缩室排出的高温高压气体先进入涡旋压缩机的壳体,然后和电机发生热交换,最后通过出口排出。电机的温度可以通过方程式得出。虽然方程(1)(4)和(5)(8)是相似的,但是电机温度的实际值是不同的。首先,在方程式(1)中的吸入气体温度(Tsuc)比方程式(5)中的要高,在方程式(1)中的电机效率(Zm)比方程式(5)中的要高。因此,电机(Ql)和制冷剂(Qh)气体之间的热交换是不同的。其次,方程式中的温度Tsuc和Tin要比方程式(8)中的温度Tdis和Tout低很多。因此,低压壳体中的电机温度(Tm)要比高压壳体中的低。

然而,涡旋式压缩机的壳体是否处于低压下,如果压缩机工作条件是相同的,那通过涡旋压缩机出口的气体温度将不会表现出很大的差异。这是因为吸入室吸入气体的温度是不同的。最后吸入气体的温度(Tsuc,即压缩前的气体温度)会比压缩机壳体保持低压状态时更高,并且从压缩室排出的相应气体的温度也会更高。

3.2 室外环境温度

在热泵系统中,室外环境温度(Toa)对涡旋压缩机的运行可靠性有很大的影响。压缩机的压力比随着Toa的减小而增大,并且更高的压力比会导致电机更大的负荷和更高的温度增加。在一般情况下,Toa值限于确保热泵系统运行的可靠性。

室外环境温度的变化影响热泵系统的蒸发温度。由此,制冷剂的质量流量被改变了。制冷剂的质量流量对电机温度的影响是由吸入压力(Psuc)决定的。

3.3 室内空气温度

在热泵循环中,室内空气温度(Tia)对压缩机排出的制冷气体温度有着直接的关连。温度Tia也反映了系统的负载。较高的Tia需要较高的冷凝温度Tk,即涡旋压缩机的以较高的压缩比运行。从压缩机出口流动的气体温度(Tout)比室内的(Tia)要高,只是为了确保热交换所需要的温度差。高压气体的温度(Tout)可以如下计算。

3.3.1低压壳体

对于低压壳体式压缩机,压缩后的压缩气体直接从压缩机壳体流出。因此,从压缩室排出气体的温度(Tdis)与从压缩机出口排出气体的温度(Tout)相同。 (9)

这里,Tsuc是指吸入到密封压缩室中气体的温度,包括由于电机和气体热交换而导致的温度增加。

3.3.2高压壳体

(10)

在高压外壳中,蒸发器的气体直接进入压缩室,所以温度Tsuc要比方程式(9)中的低,但是和压缩机进口的气体温度相同。方程式(10)的第一部分是压缩室排出的制冷气体温度,第二部分是因为制冷气体和马达发生热交换而升高的温度。

3.4 电力电压波动

空调和热泵系统消耗大量的电力,特别是在炎热的夏天和寒冷的冬天,这往往导致电力电压波动。随着电压的降低,电机电流将会增加,电机绕线的温度也会相应的增加。如果电机导线的温度超过乐过热保护器的设定值,那么压缩机将停止运行。因此,电压波动是影响热泵系统运行可靠性的一个因素。

4 结果与讨论

可以看出,高压壳体涡旋式压缩机中的电机温度会高于低压壳体。因此,高压壳式压缩机电机过热保护器的动作频率高于低压壳式压缩机。

在冬季,经常使用电机的过热保护器是不可靠的。在热泵系统中,为了获得涡旋压缩机的运行特性,高压式涡旋压缩机安装在制冷和热泵系统的试验台并在不同的条件下进行测试。

图5显示出了在热泵系统中高压壳体涡旋压缩机的测试系统。该系统是由一个室内单元和一个室外单元组成。这个试验系统对温度、压力、电流、电压这些参数进行了测试。装置的安装位置如图5所示。

图5 测试系统

4.1 测试结果与讨论

表1和表2显示了在不同条件下热泵运行的测试结果。从测试结果可以看出,随着蒸发器温度的降低,冷凝温度Tk和从压缩机出口噢爱出的气体温度(Tout)将会增加;随着电压的降低,从压缩机出口排出的压缩气体温度和电机绕线的温度将会升高。

当蒸发温度从-6摄氏度变为8摄氏度时(如图6所示),从压缩机出口和电机排出的气体温度差大约是10华氏度。

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