汽車空調(diào)用變排量壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性仿真

1、文章編號(hào):10050329(200305001903汽車空調(diào)用變排量壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性仿真蔣祖華王屹陳江平(上海交通大學(xué),上海200030摘要:以7S16為例,建立了變排量壓縮機(jī)工作過程的控制方程組,并利用M AT LAB/S imulink進(jìn)行求解,得出了反映氣缸內(nèi)制冷劑壓力、溫度、比容和質(zhì)量等參數(shù)的瞬態(tài)特性,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。關(guān)鍵詞:變排量壓縮機(jī);動(dòng)態(tài)特性;仿真中圖分類號(hào):TH45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADynamic Perform ance Simulation on V ariable2displacement Mobile CompressorJiang ZhuhuaWang Y iC

2、hen JiangpingAbstract:The controlling equations are established for the variable2displacement com press or w orking process.Based on the commeri2 cial s oftware M AT LAB/S imulink,the real2time per formance can be derived,for exam ple,the pressure and tem perature cycle,as well as specific v olume a

3、nd mass flux,The numerical results are com pared to experimental results from the com press or7S16.K eyw ords:variable displacement com press or;dynamic per formance;simulation1概述壓縮機(jī)工作過程模擬仿真是以壓縮機(jī)實(shí)際循環(huán)中的四個(gè)過程為研究對(duì)象,綜合考慮各種因素的影響,建立數(shù)學(xué)模型,并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。這樣不僅能得出壓縮機(jī)的宏觀特性容積流量和功率,也能得出壓縮機(jī)的主要熱力學(xué)參數(shù),如壓力、溫度和氣體體積隨時(shí)間變化的瞬態(tài)特

4、性,通過對(duì)仿真結(jié)果的綜合分析,可以對(duì)壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,并揭示出提高壓縮機(jī)效率的潛力。國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了制冷壓縮機(jī)工作過程的模擬計(jì)算和優(yōu)化14。但針對(duì)變排量壓縮機(jī)的研究較少。本文以7S16壓縮機(jī)為例,對(duì)變排量壓縮機(jī)的工作過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,為變排量壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。2壓縮機(jī)工作過程模型2117S16壓縮機(jī)7S16壓縮機(jī)是旋轉(zhuǎn)斜盤式壓縮機(jī),通過安裝于后蓋內(nèi)的控制閥,調(diào)節(jié)吸氣壓力和機(jī)箱體內(nèi)的壓力差來實(shí)現(xiàn)汽排量調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的容量控制,調(diào)節(jié)汽車室內(nèi)溫度。原理如圖1所示 。圖1壓縮機(jī)排量調(diào)節(jié)原理P a1大氣壓力;P s1吸氣壓力;P c1腔體內(nèi)壓力;P d1排氣壓力212數(shù)學(xué)模型假

5、設(shè)制冷劑在進(jìn)、排氣通道和氣缸內(nèi)的各參數(shù)集總,且隨時(shí)間變化;忽略制冷氣體動(dòng)能和位能的變化,即氣體在流經(jīng)氣閥的小孔時(shí)位能變化忽收稿日期:20020520修稿日期:20021008略不計(jì);由于制冷劑與潤(rùn)滑油相互作用的復(fù)雜性,暫不考慮潤(rùn)滑油對(duì)制冷劑的影響(由此引起的誤差,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正;假設(shè)通過氣閥的氣體作絕熱流動(dòng);非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的每一瞬時(shí)都為平衡態(tài)。由于變排量斜盤壓縮機(jī)有較大的進(jìn)、排氣閥腔,且壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速很高,制冷劑氣體流經(jīng)進(jìn)、排氣腔時(shí)的氣流脈動(dòng)幅值很小,忽略氣流脈動(dòng)。由此建立包括壓縮機(jī)氣缸、進(jìn)排氣閥的熱力系統(tǒng)的控制方程為:(1能量方程d Q d +d m s d h s =d W d +d m

6、dd h d +d (mu c d (1其中d W d =p d Vd ;d (mu c d =m d u cd +u cd md (2質(zhì)量守恒方程d m d =d m sd -d m d d (2制冷工質(zhì)流經(jīng)吸、排氣閥的流量分別為:d m s d =(A sv s2kk -1RT s 1-(P P sk -1k(3d m d d =(A dv c 2kk -1RT c 1-(P dPk -1k(4(3氣缸內(nèi)氣體比容變化率5d v d =1m d V d -v m d m d (5d V d =12V h sin =12SA sin (6結(jié)合制冷劑HFC134a 工質(zhì)熱物性6,及氣缸中的換熱系

7、數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式參考文獻(xiàn)7,可得出封閉方程組。壓縮機(jī)的指示功率可表示為:N i =-P d Vd d (73模擬求解利用MAT LAB 軟件中的Simulink 交互式仿真集成環(huán)境模塊來求解模擬壓縮機(jī)工作過程的數(shù)學(xué)方程。首先根據(jù)式(1(7,建立模擬仿真模塊,見圖2。整個(gè)壓縮機(jī)工作過程模擬仿真框圖可以作為一個(gè)子系統(tǒng),便于和空調(diào)系統(tǒng)中其它構(gòu)件(如冷凝器和蒸發(fā)器的模擬仿真系統(tǒng)相連。 圖27S16壓縮機(jī)工作過程模擬控制4壓縮機(jī)工作過程仿真分析兩個(gè)典型工況仿真結(jié)果如圖3、4所示。圖3為工況的仿真,即壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速600r/min ;吸氣壓力01475MPa ;排氣壓力21475MPa ,吸氣溫度31155&#

8、176;圖4為工況的仿真,即壓縮機(jī)主軸轉(zhuǎn)速2000r/min ,吸氣壓力01245MPa ,排氣壓力117MPa ,吸氣溫度17136°。411氣缸內(nèi)氣體壓力的變化分析如圖3(a 和圖4(a 所示。600r/min 工況下,進(jìn)氣壓力的計(jì)算值為0.49MPa ,比廠方的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)0.475MPa 大,這是由于實(shí)際氣體在進(jìn)入氣缸前經(jīng)過管道和吸氣閥時(shí)產(chǎn)生的流動(dòng)阻力造成壓力損失,而模擬計(jì)算時(shí)沒考慮這復(fù)雜的過程,從而使計(jì)算值大于實(shí)驗(yàn)值。排氣壓力計(jì)算值為2.35MPa 比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2.475MPa 小,這是因?yàn)閷?shí)際排出的氣體要克服排氣閥和中間管道的阻力,使實(shí)際排氣壓力大于模擬計(jì)算值。這兩個(gè)模擬計(jì)算值

9、與實(shí)測(cè)值的誤差都在5%左右 。圖3工況 仿真圖4工況仿真412氣缸內(nèi)氣體溫度變化分析如圖3(b 和圖4(b 所示,膨脹開始時(shí)氣體的溫度高于氣缸的壁溫,氣體向外放熱,使氣體溫度不斷降低,隨著氣缸壁與氣體溫差漸小,氣溫下降變慢。在進(jìn)氣階段氣體的溫度變化不大,但仍逐漸升高,主要是因?yàn)槲鼩怆A段氣體不斷地從氣缸壁面吸熱所致。壓縮階段氣體的溫度快速上升過程比較陡,這時(shí)活塞對(duì)氣體做功使氣體內(nèi)能和溫度升高很快。排氣階段氣體溫度變化也不大,略有下降。600r/min 工況下,吸氣溫度的模擬計(jì)算值298K 小于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)304.7K ,是實(shí)際氣體在流經(jīng)吸氣閥時(shí)類似于絕熱小孔流動(dòng),使氣體溫度升高。在2000r/min

10、 工況下,吸氣溫度的計(jì)算值272K 也低于實(shí)測(cè)值290.5K 。413氣缸內(nèi)氣體比容的變化分析如圖3(c 和圖4(c 所示,膨脹階段,由于吸氣閥還沒打開,余隙容積內(nèi)質(zhì)量不變的殘存氣體隨著體積的增加,比容急劇增大,反映出過程曲線很陡直。在進(jìn)氣階段,隨著活塞的移動(dòng)氣體體積逐漸增加,同時(shí)進(jìn)入氣缸的氣體也不斷增加,使氣體的比容基本保持不變。壓縮階段,氣體質(zhì)量不變,但體積不斷被壓縮,使比容快速下降。排氣階段,一方面氣體逐漸減少,另一方面氣缸的容積也不斷變小,使比容變化很小。600r/min 工況下,進(jìn)氣開始時(shí)的比容模擬計(jì)算值是0.045m 3/kg ,廠方的實(shí)測(cè)值是此時(shí)的氣體密度為21.2kg/m 3,

11、即0.0471m 3/kg ,可見模擬計(jì)算的結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確的。2000r/min 工況時(shí),進(jìn)氣起點(diǎn)的比容模擬計(jì)算值為0.084m 3/kg ,與實(shí)測(cè)值010806m 3/kg 比較誤差僅為4.2%。414氣缸內(nèi)氣體質(zhì)量的變化分析如圖3(d 和圖4(d 所示,在膨脹階段,吸氣閥關(guān)閉,沒有氣體進(jìn)入氣缸,氣體的質(zhì)量不變。進(jìn)氣階段,氣體不斷涌入氣缸使氣體質(zhì)量不斷增加。壓縮階段,由于沒有考慮泄漏,氣體質(zhì)量也不變。排氣階段,氣體質(zhì)量逐漸減少。由于吸/排氣處和氣缸內(nèi)的制冷工質(zhì)的質(zhì)量無法在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得,故模擬計(jì)算出氣缸內(nèi)的氣體質(zhì)量變化規(guī)律是有重大意義的,根據(jù)模擬計(jì)算出的工質(zhì)質(zhì)量,可以得出實(shí)際排氣的質(zhì)量流量和實(shí)際制

12、冷量。在2000r/min ,指示功率的計(jì)算值是3.38kW ,實(shí)測(cè)值是3.1kW ,相對(duì)誤差是9%;在600r/min ,指示功率的模擬計(jì)算值是1.62kW ,廠方實(shí)測(cè)值是1.54kW ,相對(duì)誤差是5.2%。(下轉(zhuǎn)第32頁原油在開采與輸送過程中,壓力不斷下降,溶解在原油中的伴生氣不斷釋放,為了使在原油中達(dá)到釋放壓力的氣體盡量析出,油、氣混合物應(yīng)接近相平衡狀態(tài),這一方面取決于氣、液系統(tǒng)的狀態(tài),和分離時(shí)間;另一方面取決于氣、液之間的接觸面。油、氣、水在管路中混合輸送時(shí),流速較高,氣、液界面十分小,上述兩個(gè)條件都達(dá)不到,使得原油中含有氣體存在,情況變得更加復(fù)雜。當(dāng)油、氣、水混合物進(jìn)入旋流器時(shí),在較

13、大的離心加速度的作用下,旋流器中心形成低壓區(qū),混存在油水中的那部分氣體會(huì)迅速向旋流器軸心運(yùn)動(dòng),而原油中的水則向旋流器壁面運(yùn)動(dòng),水滴在旋流場(chǎng)下受到油的阻力以及間歇的氣泡阻力。對(duì)這種情況下的聚結(jié)還需要進(jìn)一步探討。5結(jié)語旋流器內(nèi)的非強(qiáng)制旋流場(chǎng)有利于聚結(jié)過程的發(fā)生,從而強(qiáng)化液2液或氣2液分離過程,可用于液2液體系、液2氣體系中對(duì)分散相的聚結(jié)分離。它是聚結(jié)與沉降的復(fù)合過程,因此,它具有很高的分離效率,對(duì)于O/W體系,分離效率可達(dá)到99%以上,同時(shí),可以將油滴濃度由幾百幾千mg/L增濃到300000400000mg/L。參考文獻(xiàn)1J.Listewnik.S ome factors in fluence t

14、he per formance of de2oiling hydrocyclones for marine applicationsA.2nd Int.C or f.On HydrocyclonesC.198412C ox.R.G.Suspended particles in fluid flow through tubesJ.Annual review of fluid mechanics.Annual ReviewInc.,Palo Alto,197113.3D.F.K elsall,T rans.Inst.Chem.Eng.1952,3018710414袁惠新.分離工程M.北京:中國(guó)石化

15、出版社.2002,14815Saffman,P.G.,J.of Fluid Mechanics,1968,2138516李清平,薛敦松.葉片式多相泵內(nèi)部相態(tài)分離過程的研究J.石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版11997,21(317余大民.旋流聚結(jié)技術(shù)初探J.油氣田地面工程.1996,15(5.作者簡(jiǎn)介:張敏,男,1975年生,碩士研究生。通訊地址: 214063江蘇無錫市江南大學(xué)分離工程研究所。(上接第21頁5結(jié)論(1實(shí)驗(yàn)證明所建立的壓縮機(jī)模型能夠較準(zhǔn)確地反映壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)特性。(2計(jì)算機(jī)建模分析避免了不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為縮短設(shè)計(jì)周期提供了條件。(3從壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果中,可分析壓縮機(jī)性能參數(shù)對(duì)制冷裝置

16、總體性能的影響,有助于壓縮機(jī)的正確選型。(4將仿真模擬結(jié)果中的熱力參數(shù)的瞬態(tài)變化特性輸出到壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真環(huán)境中去,可更精確地得出壓縮機(jī)的力學(xué)特性,為進(jìn)一步的動(dòng)力分析打下了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1Fukuta M,Y angagisawa T,Shimizu T et al,Mathematicalm odel of Vane2com press ors for com puter2simulation of au2tom otive airconditioning cycleJ.JS ME International Jour2nal Series B Fluids and Thermal Engineering,1995,38(2,199205.2陳芝久,闕雄才,丁國(guó)良.制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)M1北京:機(jī)械工業(yè)出版社,199813梁月,史琳.汽車空調(diào)壓縮機(jī)性能模擬M1清華大學(xué)學(xué)報(bào),1999,39