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新冷媒用旋转式压缩机的排气系统最优化


     随着环保意识的不断提高,全世界已达成共识,即用HFC系列的冷媒R410A替代HCFC系列冷媒R22。而R410A用旋转式压缩机相对R22用压缩机再膨胀系数大,因此排气系统优化设计是不可忽略的重要环节。 
    关键词:特性;P-V分析;数据分析 
    行业人士都很清楚,目前我国匹配家用空调器用的压缩机大多是由日系厂家生产的,如日立、松下、东芝、三菱、三洋等,并且其产品技术也基本被日方垄断,中方所掌握的技术数据和实验手段都非常有限。 
    为最优化旋转式压缩机的排气系统,下面对排气系统中各参数与压缩机性能参数的相互关系进行具体描述。 
    1.R410A冷媒的特性 
    R410A相对R22具有压力大,压力差大,密度大的特点。特别是采用R410A的压缩机相对采用R22的压缩机在同一容积的行程条件下,因其密度大,所以冷冻能力大,且高压力差导致了理论动力大,输入功率大,能效比(EER)低,因此改善该压缩机的效率极其重要。 
    2.P-V分析 
    2.1效率以及损失 
    压缩机的可逆绝热压缩时的理论动力公式如下: 
    Pth=a△hcomp(1) 
    其中Pth:压缩机的理论动力 
    a:实际质量流动率 
    △hcomp:等熵压缩时的比焓差 
    而实际质量流动率等于冷冻能力除以指定蒸发器的比焓差的商。 
    旋转式压缩机的气缸内的气体压缩过程为多变压缩,可用下式进行表述。 
    PVn=const(一定)(2) 
    其中P:压缩室的压力 
    V:压缩室的体积 
    n:多变指数 
    另,体积效率如下式: 
    ηvol=Va/Vth(3) 
    其中Va:实际压缩室体积 
    Vth:理论压缩室体积 
    求解上述效率时,首先进行量热计试验,使压缩机在正常条件下运行,测出输入功率、冷冻能力和EER。另外通过冷冻能力,求出实际质量流动率,再除以理论质量流动率可求得体积效率。 
    2.2排气系统的结构 
    旋转式压缩机的排气系统是由气缸上的排气口、上轴承上的孔、平板形阀座、排气阀以及阀片限位板组成。另外冷媒的流动路径为,在压缩机的压缩室被压缩的冷媒气体通过排气口、上轴承孔,并通过阀片的有效流动面积,排到消音室中。 
    3.数据比较 
    3.1阀片厚度 
    压缩机的性能以及损失随阀片厚度的变化。阀片厚度较薄时,0.83t相对1t冷冻能力和输入功率基本没有差别。当采用1.25t时随着输入功率的增加EER有所下降,这是因为过压缩损失增加了17%。由此可知当阀片过厚时,阀片刚性过大,排气过程中阀片快速关闭,致使气缸内压力增加,过压缩损失也大幅度地增加。因此我们必须避免由于采用过厚的阀片,而导致过压缩损失剧增的现象。
    表1阀片厚度与损失的关系 
    项目0.83t1.0t1.25t 
    性能冷冻能力%100.12100.0099.92 
    输入功率%99.85100.00100.43 
    EER%100.31100.0099.48 
    效率体积%100.00100.0099.89 
    损失过压缩%92.86100.00116.67 
    全再、热、漏%101.19100.00101.19 
    规格阀片厚度%83100125 
    阀片升程%100←← 
    阀片有效长度%100←← 
    工具角度%100←← 
     
    3.2阀片升程 
    通常,阀片的升程对压缩机的性能有着较大的影响,但在本次研究中的1H~2H范围内基本没有影响。当阀片升程过小时,阀的有效流通面积变小,导致过压缩损失剧增,相反升程超过适当大小时,对过压缩损失的改善也毫无帮助。另外当升程过大时,阀片的挠曲应力增加,可靠性下降,因此在满足最佳性能的前提下,升程应取最小值。 
    3.3有效阀片长度 
    当采用有效长度为1.24L的阀片时相对1L阀片EER有所增加。这是因为排气过程中,过压缩损失有所降低,并且长阀片相对短阀片,即使作用力相同,但因力臂和力矩大,其开启性能以及持续性能良好,这有助于减少过压缩损失。因此在允许空间范围内,并且在无逆流损失递增的范围内应加大有效阀片长度,这对过压缩损失的改善具有良好的效果。 
    3.4刀具角度 
    众所周知,排气口的刀具角度对过压缩角度和再膨胀角度的影响很大,且两损失间存在互补关系。加大刀具角度时,过压缩损失下降,但余隙容积的增加导致再膨胀损失的增加。因此对两损失互补关系的优化设计尤为重要。 
    加大后的刀具角度1.65θ相对基准角度1θ,其相应的压缩机输入功率稍有下降,但冷冻能力的下降幅度较大,因此最终EER也下降。根据该结果,若从冷冻能力方面考虑,随着刀具角度的增加,余隙容积增加,体积效率下降,冷冻能力也降低。另外,若从输入功率方面考虑,随着排气的延迟,排气行程缩短,过压缩损失有较明显的改善,输入功率下降,但是由于冷冻能力有大幅度的降低,最后导致EER下降1.4%左右。由此可知,刀具角度的变化对性能的影响程度较大,所以必须优化该设计,提高压缩机性能。 
    表2工具角度与损失的关系 
    项目1.0θ1.65θ 
    性能冷冻能力%100.0097.99 
    输入功率%100.0099.42 
    EER%100.0098.56 
    效率体积%100.0097.89 
    损失过压缩%100.0092.31 
    全再、热、漏%100.00101.75 
    规格阀片厚度%100← 
    阀片升程%100← 
    阀片有效长度%124← 
    工具角度%100165 
     
    4.结论 
    以R410a用旋转式压缩机排气系统为对象,在一定范围内对各性能参数进行实机状态下的性能实验以及P-V实验后的分析,可得出以下结论。 
    (1)阀片过厚时,在排气过程中产生压力的二次上升现象,导致过压缩损失的增加。另外基准厚度和过厚厚度之间存在约0.8%的EER差异。 
    (2)本次研究结果表示,阀片升程量对性能的影响甚微,这是因为在对象能力范围内的设计中,已经确保了充分的升程量。 
    (3)有效阀片长度长时,相对短时在排气全过程中过压缩损失小,这是因为采用长阀片时力臂和力矩较大,能够改善阀片的开启性能和持续性能。另外,在阀片长或短的两个状态下,其EER约有0.7%的差异。 
    (4)加大排气口的刀具加工角度时,过压缩损失下降,输入功率下降,再膨胀系数增加,冷冻能力大幅下降,导致EER约下降1.4%,由此可知两种损失之间存在互补关系。 
    (5)在有限范围内对性能参数进行定量分析的结果可知,最好与最差之间存在约3%的EER差异,相信上述数据能够对R410a用高效率旋转式压缩机的研究起到一定的作用。
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