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气阀运动规律模拟及其对制冷工质适应性研究

发布日期:2017-04-20 来源: 本网 查看次数: 147 作者:admin

核心提示:  研究论文bookmark0气阀运动规律模拟及其对制冷工质适应性研究赵远扬郭蓓李连生束鹏程刘云霞(西安交通大学能源与动力工程学院西安710049)王志柯(西安泰德压缩机有限公司)拟,得到了气阀在不同

  研究论文bookmark0气阀运动规律模拟及其对制冷工质适应性研究赵远扬郭蓓李连生束鹏程刘云霞(西安交通大学能源与动力工程学院西安710049)王志柯(西安泰德压缩机有限公司)拟,得到了气阀在不同工质、不同工况、以及不同设计参数下的阀片运动曲线。通过比较所得到的阀片运动曲线,发现气阀运动规律对于不同工质、工况是有差异的。数值模拟和理论分析的结果表明:气阀对工质、工况具有一定的适应性要求。采用新的制冷工质时,应首先对气阀运动规律进行分析。当原压缩机设计参数已经不能适应新工质的要求时,在压缩机结构参数变动不大的条件下,可以通过改变气阀弹簧的刚度和细微的调节阀片的升程来使之适应。

  1前言气阀是活塞式压缩机中的关键部件之一,其性能对活塞式压缩机的运转可靠性、经济性有很大影响。一方面,气阀的工作条件非常恶劣,是压缩机的易损部件之一,气阀寿命直接影响到机器的运转率,提高气阀的寿命对保证压缩机可靠运转是很重要的。这就要求气阀有较好的运动规律。另一方面,由于工作过程中气体流经气阀的流动损失占总气体流动损失的比重很大,所以气阀设计的好坏对压缩机的经济性能有着直接的影响。一个好的气阀设计方案,既要求设计的气阀有高的寿命,又要求有高的效率。在工程实际应用中,企业往往只考虑到管理及装配的方便,把同种结构参数的气阀应用在不同工质、不同设计工况的压缩机上。而这种做法往往会使气阀运行在偏离设计工况较大的状态下,从而使得气阀运动规律变差,压缩机的经济性、可靠性下降。

  坏导致全球变暖已成为不争的事实,因此工质替代就成为当今制冷技术发展的热点问题之一。当制冷系统使用R717(氨)、R134a或R407C等不同环保型工质时,活塞式压缩机气阀运动规律将发生变化,这就是文中主要研究内容。

  2气阀运动规律模拟2.1气阀运动规律模拟的数学模型有如下几个假设:。气缸内工质的状态均匀。即气缸内任意两点的气体具有相同状态;。气体进出气缸的流动均视为稳定绝热流动;。任何外界作用(机械能、热能及质量交换)都是瞬时均匀地传给气缸内的气体质点;。吸排气腔有无限大的容积。即不考虑吸排气腔的气流脉动。

  2.2模拟中使用的数学模型2.2.1能量守恒方程缸内气体吸收的热量,dEi为进入气缸的气体带入的能量,dE为离开气缸的气体带出的能量,dW为对气缸内气体所做的功。下标“i”表示流入汽缸,“o”表示流出气缸。

  由(1)式可以导出气缸内气体压力P随曲柄转角9变化的方程式111:度,y为预压缩量,y为阀片位移。

  2.2.4气缸工作容积变化方程气体的状态参数与气缸的工作容积及其变化率有关,为了描述压缩气体参数的连续变化,必须借助气缸工作容积变化的方程式。

  气缸的工作容积方程12:之比,S为活塞行程,Vo为余隙容积。气缸工作容积变化率方程:其中:A速度,v2为阀后气体的比容,h1、h2为阀前、阀后的焓值。

  2.2.3气阀运动学方程阀片运动时承受的力有气体推力Fg、弹簧力Fs、阀片和弹簧的重力、阻尼力等。但实验指出后两种力比前两种力小的多,可略去不计。由牛顿第二定律得:阀片上的气体推力,Fs为作用于阀片上的弹簧力,G为升力系数,Av为阀片平面面积,As为弹簧总刚式(8)、(9)、(10)中的各系数值见3. 2.3数值计算及计算框图假定通过气缸壁面的传热为零,即:d/d9 =0.将气缸工作容积变化方程(6)、(7)和气体的状态方程(8)、(9)、(10)分别代入能量守恒方程(2)、质量守恒方程(4),并考虑阀片运动方程(5)和压缩机各工作阶段(膨胀、吸气、压缩、排气)的特征,就可以得到描述压缩机各工作阶段的微分方程组。可以用四步龙格一库塔法对各方程组求数值解。是计算程序的流程图。中e1、e2为计算精度,m1、m2分别为低、高压级的质量流量。

  计算流程图(a)低压级阀片运动位移曲线计算结果及其分析通过对气阀运动规律的模拟,可以得到如下计算结果,见下图。

  (a)低压级阀片运动位移曲线不同弹簧刚度下的气阀阀片运动位移曲线(工质为R717)曲柄转角r)不同工质对应的气阀阀片运动位移曲线(弹簧刚度二1410N(a)低压级阀片运动速度曲线(W高压级阀片运动速度曲线不同升程下的气阀阀片运动速度从可以看出,采用相同气阀不同制冷工质时,R22与R134a之间的差异并不是很大,并且都有着较好的运动规律;而对于R717来说,气阀的运动规律则非常差。从可以看出对于工质R717来说,随着弹簧刚度的逐渐降低,阀片的运动规律越来越好。中h1,h2分别为吸气阀、排气阀的阀片升程,单位为mm.速度U>0表明阀片的运动趋势是使气阀打开,UCO则相反。如果速度U出现突跳则表明出现撞击,u的绝对值越大,表明阀片撞击的破坏性越大。从可以看出,改变升程对阀片的运动速度影响较小,但总的看来阀片速度随升程的降低而减小,这有利于提高气阀寿命。

  下面就以上现象进行理论上的分析。在气阀工作过程中,阀片在气体推力和弹簧力的作用下,在升程限制器与阀座间运动。气阀运动时还受到例如阀片和阀弹簧的重力、阻尼力、油粘着力等力的作用,但这些力与气体推力和弹簧力相比较都比较小,可以忽略不计。所以取得好的阀片运动规律的重要因素就是选取合适的气体推力和气阀全开时的弹簧力。

  就气体推力而言,从公式FgzCi中可以看出,Ci、Ar、只跟结构有关,只要压缩机和气阀的结构确定,这两个参数则保持不变,所以气体推力跟有关,而由下式确定:缩因子,h为阀隙速度,G为音速,C.=/kRT.阀隙速度h与活塞面积、压缩机转速、气缸内气体的热力学参数等因素有关,所以精确的计算比较困难。通常,近似地假定活塞运动时扫过的气缸容积等于流过阀隙的气体容积。即:为活塞瞬时速度,为每个气阀的有效通流面积。

  可以看出,h仅跟气阀的结构、曲柄转角、压缩机转速有关。从、转速确定后,仅与工质、工况有关,即气体推力与工质、工况有关。

  例如对于R134a的低、高压级吸气阀来说,由于低压级吸气压力小,由式(11)可以推得气体推力小,导致弹簧力相对偏高,所以低压级吸气阀片运动规律与高压级相比较差,这一点可以从看出。工质热力学性质对气体推力的影响比较复杂,我们可以假定比较0°C时的饱和蒸汽。R717的压力P为430.17kpa密度P为3.480561kgin3;R22的压力P为497. 59kpa密度P为21.215477kgin3.由于饱和压力相当,具有一定的可比性。R717的密度比R22的密度小的多,由式(1)可以得出工质为R717时的气体推力相对于R22时小得多,所以导致弹簧力相对很大,阀片产生颤振现象。而对于R134a,由于其与R22的热力学性质比较接近,所以也有着相对较好的运动规律。

  (;++;)可以看出,弹簧力跟选取的弹簧刚度、弹簧预压缩量,以及阀片升程有关,即跟气阀的设计参数和运行工况有关。改变弹簧的刚度与改变阀片的升程都能达到改变弹簧力的目的,但升程的降低是有限的,并且受气阀流通面积的制约,所以在改造气阀时主要考虑改变弹簧的刚度。、分别给出了变刚度、变升程情况下的阀片运动曲线。从图中可以看出变刚度对阀片运动的位移曲线影响较大,而改变刚度对阀片运动速度曲线影响较小。

  4结论1)。对于同一型号、相同设计工况的压缩机,同一结构的气阀对于不同制冷工质、不同工况的运动规律是有差异的。而阀片运动规律的差异必然会对压缩机的性能及气阀寿命产生很大的影响。所以气阀的设计应该是针对某一具体情况。制冷系统中采用新的环保型工质替代原工质时,原设计参数下的压缩机气阀的运动规律就会发生变化,所以在使用替代工质前要进行可行性分析。如果原设计参数已经不能适应新工质的要求,则在进行压缩机改造时,在结构参数没有较大改变的情况下,可以通过改变气阀弹簧的刚度和细微的调节阀片的升程来达到同样得效果。

  2)对单机双级制冷压缩机进行数值模拟的方法,可以应用到多级压缩的数值模拟中。

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