英语原文共 10 页

活塞排量分布对轴流活塞式压缩机制冷循环性能的影响

乔瓦尼·戈洛皮

洛伦佐法拉利

^一佛罗伦萨大学工业工程系，Via di Santa Marta 3，50139 Florence，Italy^乙意大利比萨大学能源、系统、领土和建筑工程系（destec），156122，拉戈·卢西奥·拉扎里诺

活塞表面布置对活塞性能的影响

交通工具分类：轴向活塞压缩机；轮廓放置；冷冻循环；数字分析；平均输出效率（cop）；机械应力

1.介绍

商用制冷系统基于一个蒸汽压缩循环（VCC），该循环利用电动压缩机提供的机械工作将热量从冷源传递到热源。在过去几十年中，为了减少环境和经济影响，提高这些系统的能源效率是一个广泛存在的问题（Hundy等人，2008年）。在此背景下，压缩机的性能优化是提高整个循环效率的解决方案。对于给定的制冷效果，减少气体压缩所花费的功在吸收能量和运行成本方面都具有优势。因此，应特别注意降低压缩机的吸收功率，尤其是在制冷应用中具有连续工作条件的机器。

众所周知，几何结构是影响压缩机性能的主要因素。与Baek等人（2014年）所做的研究一样，文献中也有一些关于这一问题的研究。江等人（2016年）以双转子压缩机的气缸容积比为重点，分析了在空气源热泵中运行的两级压缩机容积比的影响。Rigola等人（2005年）和Chaudhary和Gupta（2013年）研究了斯特罗克托孔径比对制冷循环COP的影响。此外，Perez Segarra等人（2005年），Castaing Lasvignottes和Gibout（2010年）和Farzaneh Gord等人（2015年）在一些研究中还分析了通过改变密封往复压缩机的间隙容积而获得的压缩比的影响。

本文分析了一种采用轴向活塞式压缩机压缩气体的制冷循环。在这些机器中，活塞由一个旋转盘移动，旋转盘的几何结构保证了活塞的正弦位移。总行程的变化（压缩比）是通过修改旋转盘角度获得的（Jorgensen，1998）。因此，活塞位移曲线是不变的，并保持正弦。由于压缩比的变化，这种变化允许压缩机调节，但效率非常低（Koelzer等人，2002年）。

为了在给定的压缩比和循环压力下提高压缩机的性能，详细研究了活塞位移廓线对热力学清洗机械应力的影响。由于压缩机的工作原理，通过适当地调整旋转盘的圆周形状，可以施加不同的活塞位移。重要的是要强调的是，压缩机基本上都配备了自动阀，其装配由气缸内压力和气室压力之间的压差调节。因此，阀门的开启时间、吸入和排出质量流量以及缸内压力都取决于活塞位移曲线。

由于本研究的目的是对压缩机性能进行全局预测，因此采用了简化模型，而不是更为详细和昂贵的三维CFD分析。

（Costagliola，1950年；Winandy等人，2002年）。更详细地说，活塞排量分布对压缩机性能和制冷循环效率的影响是通过作者开发并成功应用于先前研究（Stiaccini等人，2015年；Stiaccini等人，2016年）的Re.Co.A.（往复压缩机分析）数值模型来实现的。作者在之前的一项研究中提出了一个初步分析，仅限于少量剖面（Galoppi等人，2016）。研究表明，在不增加压缩机旋转盘应力的情况下，采用不同于正弦曲线的活塞位移廓线，可以有效地降低压缩机所吸收的功率。在这项工作中，基于谐波曲线和摆线曲线（Moon，1962），分析扩展到一组广泛的活塞位移分布。此外，为了评估结果对蒸发和冷凝温度的敏感性，在制冷循环的三种不同操作条件下进行了分析。利用制冷用多林往复压缩机的几何数据，对轴流活塞式压缩机进行了分析。还计算了作用在旋转盘上移动活塞的轴向和周向力，以确定机械应力的变化。通过对压缩机性能、接触力和制冷循环效率的COP估算，量化了活塞位移曲线变化带来的优势。

2.第2条。往复压缩机建模

作者在Matlabreg;中建立了一个灵活、快速的数值模型，用于评估排量分布对压缩机性能的影响。Stiaccini等人（2016年）证明了与实验结果相比的结果的准确性。模型在时间域中执行，通过求解能量和连续性方程计算热力学循环，并考虑了整个循环中的真实气体性质。该模型通过计算作用在旋转圆盘上的力来估算机械应力。因此，可以找到在性能和机械应力之间最佳折衷的位移剖面。

2.1.压缩机循环

理论热力学循环是通过一个0d准稳态数值模型（即Re.Co.A.，往复压缩分析）得出的，该模型是曲轴的全旋转。对于每个时间步进增量（即曲柄角位置），数值模型通过求解三个连续性和能量方程计算新的气缸容积值和新的气缸容积值的内部能量。气缸容积直接作用于活塞位移。压力和温度是根据实际气体特性表计算的，其密度和能量是可忽略的，在模型中，摩擦损失和气缸壁与活塞之间的热相互作用被认为是可以忽略的，因此压缩和膨胀阶段被建模为绝热过程。这一假设在设计过程的最后阶段被普遍接受。在吸入和排出阶段，阀门瞬时打开，质量流量通过非喷嘴等熵流公式计算。在整个曲轴旋转过程中，重复此过程数次，直到缸内压力循环达到收敛。更多细节见Stiaccini等人（2015）。

2.2.力分析

该数值模型还计算了活塞杆和旋转盘之间的机械应力，特别是这些力取决于缸内压力和活塞加速度。缸内压力决定了一个力（Fpres），该力指向同一方向，无论活塞的位置是什么（如从活塞到盘）。此外，活塞的运动决定了仅由活塞加速度引起的惯性力（Finer）。由此可见，惯性力的方向是位移廓线的函数，因此，根据曲柄角位置和旋转盘廓线，惯性力可以增加或减少压力的贡献。从活塞到盘的轴向作用力计算如下（式1）：

图1–活塞杆在旋转盘上施加的机械力。

Fax=Fpres Finer=Pcyl*Sp*10^-5-Mp*ap*sign(ap) (1)

由此可见，在计算所示循环后，仅考虑压缩机的几何数据即可计算轴向力；事实上，活塞加速度是由活塞位移得出的。

旋转盘的形状也在活塞杆和盘之间产生横向力（平面），从而沿曲轴轴产生扭矩。参考图1，考虑到部件之间的单点接触，导致旋转盘上扭矩的力可表示为（等式2）：

Flat=Fax*tanalpha; （2）

其中alpha;是圆盘表面的倾斜度.虽然在每个曲柄角位置（如从活塞到盘）轴向力的方向总是相同的，但侧向力的方向只取决于位移剖面的倾角和旋转过程中的变化。

三。测试用例

以一台使用R134a制冷设备的多林往复压缩机的几何数据为例。压缩机数据汇总在表1中。必须考虑的是，如果活塞杆和旋转盘之间的接触是准时的，则位移剖面和盘剖面是相同的。

通过考虑这些部件设计的所有典型约束条件，对测试的参数进行了定义。由于在制冷应用中是一种常见的做法，旋转盘的设计相对于曲轴角度的180°对称，因此压缩机的旋转可以顺时针进行。逆时针方向。这类曲线分为两类：谐波曲线和摆线曲线。与多项式曲线相比，如

抛物线或重力曲线，这些曲线族允许有一个平稳和连续的加速度（Moon，1962年）。如图2所示，谐波曲线和摆线曲线之间的主要区别在于加速度：谐波曲线（等式3）在轮廓的开始和结束处有一个有限的加速度，与摆线相反。Al-One（式4）：

式中，x是以曲柄角theta;的函数表示的位移，h是最大位移，beta;是最大位移h所属的角位置（即180°）。

只要考虑到位移、速度和加速度曲线的连续性，就可以通过上述曲线的耦合段生成其他曲线。如果两条不同曲线之间的连接出现在加速度为零的曲线内，则可以保证每个加速的连续性，只需确保速度之间的匹配。例如，图3所示的曲线是由两条最大位移等于2h1和2h2的不同谐波曲线耦合而成。通过等式（3）计算的速度相等，得到以下方程：

h1/h2= theta;1/theta;2 (5)

如果考虑两条摆线曲线之间的耦合，这种关系也是有效的。值得指出的是，高度和角度之和必须分别等于行程和180°，因此，整个系统只有一个自由度，通过改变等式（5）中的一个参数就可以得到轮廓。在这项工作中，测试了十个剖面：五个通过耦合两个谐波曲线，另一个通过耦合两个摆线曲线（图4）。等式（5）中的参数值对于每个族都是相同的。需要注意的是，正弦曲线是通过施加h1得到的谐波曲线的一种特殊情况。在下图中，为了清晰起见，正弦曲线被命名为“sin”而不是“har”，并被视为参考。

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