密封涡旋式压缩机的建模：模型验证和应用外文翻译资料

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总共10，第3 空调研究 2014年七月

密封涡旋式压缩机的建模：模型验证和应用

于晨 埃克哈特·格罗尔博士 詹姆斯·布劳恩博士 成员ASHRAE

封闭式涡旋压缩机的详细模型已经在配套文件中提出了。目前提出的这个研究结果，是以实验数据和模型研究设计的应用为依据而得到的。这些实验研究包括一系列的操作过程,以及包括利用热气旁通的方式来控制压缩机的负载。并对该模型整体性能上的预测进行了验证(包括制冷剂质量流量、排气温度和压缩机功耗等)和内部测量的预测(外壳内各点处的压力随着卷轴沿涡轮轨道角度、温度的函数变化而变化)。该模型在预测整体性能方面的表现非常出色,对于预测内部测量也是绰绰有余的。但在参数化建模研究这方面，确实潜在着有待改进的地方。更值得一提的是,它指出，若对滚动轴几何形状稍微变化，可以使整个压缩机效率提高约5%。

简介

第一个密闭涡旋式压缩机的整体模型是由于晨等人提出的(2002 a,2002 b)。他们对R-22压缩机模型进行了整体性能的测试和验证。于晨同事发表了一篇论文，陈述了改善原来的压缩机结构的重要性。将这些改进的试验结果应用到了新式的R410A压缩机中后，说明提供模型的附加验证是有必要的。不仅如此，提供该模型更为详细的验证过程也是有必要的,它包括随着滚轴旋转时，预测制冷剂蜗形圈内的温度分布和温度函数的变化。当前的这篇论文就处理这些验证问题。此外，该模型的验证对系统的一些重要的设计性能方面的参数进行了研究，包括制冷剂径向和侧面泄漏区域的研究，制冷剂之间的相互传热,和滚动轴滚动几何形状效果的研究。关于更多详细的实验方法、模型验证和参数方面的研究，可以直接询问于晨(2000)。

压缩机整体性能测试

对于于晨等人所指条件中的压缩机，有一个热气旁通负载站专门用来控制测试压缩机操作条件 (2004)。对于该热气旁通负载,制冷剂经压缩机排出后分流，该流的一部分绕过冷凝器并直接膨胀回到压缩机的吸入侧，而流动的其它部分的制冷剂流经过冷凝器发生相变后，在返回到压缩机之前，通过膨胀并与旁路流混合。这种类型的负荷站的优点是：不需要蒸发器和一个较小的冷凝器。而且它提供了一个相对简单的方法来控制压缩机外部的操作条件，同时保持了一个非常稳定的持续特性。

热气旁通负载站的示意图如图1所示。制冷剂在一个周期内的不同状态，可以通过p-h示意图显示出来，如图2所示。点1，表示过热制冷剂在压缩机吸入端被吸入，压缩机排气端压力和温度在点2。经压缩机排出后,制冷剂通过膨胀阀(EEV)到点2rsquo;,然后分为两个蒸汽流。其中一股蒸汽流直接膨胀扩展到点5，它仍然处于吸入压力的过热区域，而另一个冷剂流经过冷凝后在冷凝器处于过冷状态如点3. 经过点3，过冷制冷剂通过膨胀阀进行膨胀，在吸入压力点4进入两相阶段区域。如果找到了旁路制冷剂流和冷凝流之间的质量流量的适当比例，那么在点4和5的两个流就可以混合在一起，并在点1返回到过热状态。在启动时,如果制冷剂处于混合状态,则说明冷剂处于点6状态。

图1. 热气旁通负载站

图2. 压力和焓的负荷站

由于点6状态的旁通流量和来自冷凝器的二相流温度低于实际压力的饱和温度, 因此需要一个额外的加热器去加热过冷剂流，以防止液体进入压缩机。另外，在压缩机上安装了一个附加的电子膨胀阀，用来精确地控制排出压力。压力传感器和温度热电偶分别安装在压缩机的吸入口、排出口，分别测量吸入压力、吸入温度、排气压力和排气温度。并在分离器后面安装了一个质量流量仪表用来测量制冷剂的质量流量。有关测量到的具体的压力、温度和质量流量如于晨所述。

负载站设计过程中涉及的操作条件列于表1所示。

表1 操作条件的压缩机负载站

图3. 各种压缩机室的定义

压缩机有关设备的具体测量

压缩机各种腔室的定义

如图3所示，不同的压缩机腔室通过不同数字表示（参见于晨等人[2002年a]）。吸气口与吸入室位于吸气管口的旁边，被标记为腔室1; 经由凹槽沟道连接的吸入室被称为腔室2。腔室3是由腔室1演变而成的压缩室，腔室4是由室2演变而成。随着压缩室不断压缩，直至排出区域,腔室3变成室腔5，腔室4变成腔室6。最里面的区域被标记为腔室7。如果腔室5和腔室7压力相等,则这两个腔室被视为一个控制腔—腔室8； 如果腔室6和腔室7压力相等，则该控制室被标记为腔室9如果腔室5、6和7压力都相等,那么整个控制室则被标记为腔室10。

压力测量

动态压力传感器是用来测量每个压缩机腔室中制冷剂瞬时压力的设备。由于涡旋卷轴的工作速度大约3600 rpm/min,而目前所研究调查的这个涡旋压缩机的尺寸相对较小(滚轴外半径是36.8毫米),因此必须要使用具有快速响应和尺寸小的特点的压力传感器。本研究使用到的压力转换器的规格已在表2中给出。

表2 动态压力传感器的规格

表3 压力传感器的位置

由于传感器的输出电压与压力成正比,因此压力可以通过测量电压而确定。其传感器的校准证书由制造商提供。

本压缩机模型采用了六个位置确定的压力转换器，并使每个压力传感器与压缩机室有一定的相关联，从而能够使传感器在压缩机每一转的大部门范围内持续保持对制冷剂压力的监测。表3列出了压力传感器和与每个压力传感器的相关联的压缩机室的索引号的位置。其中X和Y的值是压力换能器相对于所述卷轴的中心的坐标。

图4中表示了压力传感器的位置。传感器1至6分别贴上P1,P2 hellip;P6的标志。虚线表示的是压力传感器的位置和排出阀的形状。由于该排出阀是非常微小,压力传感器5和6只能位于阀门的边缘。压力传感器5和6是用来测量腔室5和6的压力,并且都分别可以完完整整的检测压缩机旋转一圈的腔室压力。持续旋转意味着传感器5只能测量腔室5中 0°至270°之间旋转角，且在旋转角0°至270°之间时，传感器6只能测量的压力室6的压力。由于旋转角180°之后，腔室5和6不再存在，因此持续旋转过程中，传感器5和6的重新定位并不会导致任何丢失的信息。据图我们可发现，室7直接连接到排出口;因此，没有传感器可安装在腔室中以测量室7的压力。

图4 压力传感器的位置(p1 p6),光学传感器和热电偶(t1 t6)

压力传感器不可能只通过涡轮压缩机旋转一转，而准确测量整个轨道内制冷剂的实际压力。这是因为在转动一圈的这个时间内有一段时间，压力传感器测量到的压力与制冷剂实际压力不相等。这是由于以下两个原因：第一, 每当压力传感器测量回转涡旋内的压力时，该传感器被动涡旋盘覆盖，以致不接触的制冷剂。第二, 涡旋盘旋转过压力传感器之后,该传感器便会立即接触到制冷剂，这些冷剂的压力远远低于其在轨道内被压缩时的压力，因此被困在传感器和回转涡旋之间的制冷剂在达到平衡之前需要一些时间膨胀扩张。从而导致测量不准确。

轨道角测量

测量轨道角时，需要与瞬时压力同时测量，以便将每个腔室中的制冷剂压力绘制成为与轨道角有关的函数。经研究人们发现，固定涡旋件和轨道卷轴之间的距离dfixed_orbiting在吸入腔的开始与轨道角有以下关系:

dfixed_orbiting=ro (1 – costheta;) （1）

由此可知，轨道角的测量可以在远处完成。

如图4，安装了一种光电传感器，用于测量旋转涡旋盘的距离。该光学传感器通过发射光，照射到涡旋盘上，由于反射光的强度与涡旋盘的距离成一种函数关系,因此就可以通过使用光探测器测量光的强度，从而确定涡旋盘的距离。经研究发现，若是有油混在制冷剂中，将对反射光的强度产生一定的影响。由于制冷剂中油的浓度不能确定,所以光强度与涡旋盘距离之间的准确关系无法获得。然而, 后来发现，无论何时所述动涡旋最接近固定涡旋时，反射光的强度是最强的。因此,当光探测器的输出电压达到最大值时, 动涡旋和固定涡旋之间的距离是最小的,这时对应的轨道角为零。摘自Ishii et al（1988）。据说, 涡旋盘的角速度波动很小(低于0.5%)，因此在涡旋盘每旋转一转这一期间内，角速度可以假定是恒定不变的。该光探测器的测量电压周期为2pi;。因此, 轨道角度0度和2pi;分别对应着电压输出的两大极值, 由于角速度假定是恒定不变的，从而0度和2pi;之间的角度是均匀分布的。

温度测量

为了准确的计算制冷剂与压缩机涡旋盘之间的传热量,涡旋盘的温度必须要知道。为此，在固定涡旋盘的边上，安装了六个热电偶用于测量其温度。这些热电偶的位置选择，必须使得每两个热电偶之间的滚轴的长度等于(参见图4)。由于热电偶一端插入固定涡旋内，使得热电偶的外端是只占蜗形圈高度的一半。热电偶的位置如表4所示。其中，X和Y的值是热电偶相对于涡旋中心的坐标。

此外,为了验证整个压缩机模型的预测温度能力，分别使用热电偶测量吸入管，电机绕组，润滑油，以及压缩机外壳的温度。t型热电偶由于具有精度高(plusmn;0.1°C)的特点，被使用其中。

新型压缩机外壳

如图5，这是一张将压力传感器、光电传感器和热电偶安装在压缩机头部的照片。为了在原始压缩机

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