散熱對無油渦旋空氣壓縮機性能影響的實驗研究

摘 要：針對小型家用制氧機用無油渦旋空氣壓縮機，分析了散熱對壓縮機各方面性能的影響機理，對研制樣機進行了3種不同冷卻方式下的實驗研究，研究結果表明：散熱是影響無油渦旋空氣壓縮機性能的一個重要因素；隨著排氣壓力的升高，排氣溫度升高，容積效率下降，電功率升高；自然冷卻方式下壓縮機的性能最差，額定排氣壓力下壓縮機的容積效率僅為20％，而動盤強制冷卻的效果最好，靜盤強制冷卻的效果介于兩者之間，因此動盤背面的強制冷卻是無油渦旋空氣壓縮機設計的首要考慮因素。

關鍵詞：渦旋空氣壓縮機；無油，散熱；實驗研究

中圖分類號：TH45 文獻標志碼：A 文章編號：0253-987X(2008)01-0005-04

隨著工業的發展，一些場合常要求供應的高壓氣體不被潤滑油污染，此時無油壓縮機就成為這些特殊場合壓縮機的首選，例如，食品加工、醫藥衛生、貴重的稀有氣體生產、燃料電池系統等場合都要使用無油壓縮機，渦旋壓縮機作為一種容積式壓縮機，具有節能、高效、可靠的特點，被廣泛應用于制冷空調及氣體壓縮領域，而無油渦旋式空氣壓縮機是其新的發展方向之一，由于無油潤滑的渦旋式壓縮機較其他形式的無油壓縮機在結構、工作效率、可靠性、振動、噪聲等方面有著不可替代的優勢，因此對無油潤滑的渦旋式壓縮機的研究已成為當今渦旋壓縮機研究領域的熱點，小型家用制氧機是一種使用分子篩技術分離空氣中氧氣的設備，其核心部件就是微型無油空氣壓縮機，本文針對應用于該系統的微型無油渦旋空氣壓縮機，主要研究散熱對壓縮機性能的影響。

1 散熱對壓縮機性能的影響

散熱是影響空氣壓縮機性能的主要因素之一，因為空氣的絕熱指數大，在壓縮過程中會放出更多的熱量，如果散熱不好，就會造成排氣溫度過高，如果壓縮過程散熱充分，壓縮過程就接近等溫過程，壓縮機功耗較小，反之，壓縮過程就接近絕熱過程，壓縮機功耗較大，此外，當壓縮機的轉速不同時，機器內部的傳熱情況也不一樣，轉速越高，壓縮機對外散熱效果越差，文獻[4－7)對渦旋壓縮機壓縮腔內的溫度場和換熱進行了研究，分析了不同溫度分布對壓縮機壓縮過程的影響，正是基于以上原因，空氣壓縮機往往采用噴油(水)系統，通過噴人壓縮腔的油(水)的吸熱，對壓縮過程進行冷卻，即內部冷卻，對于無油空氣壓縮機，上述方法是禁止使用的，因此只能采用外部冷卻的方法，達到間接對壓縮過程冷卻的目的，外部冷卻往往采用風扇等設備對壓縮腔外部進行冷卻，針對無油渦旋空氣壓縮機，就是對動靜渦旋盤外表面進行冷卻。

散熱除了對壓縮過程有重要影響，也對壓縮機部件有一定的影響，對于微型無油渦旋壓縮機，因其體積小，散熱面積小，當壓縮過程的熱量不能及時傳出時，壓縮機整機溫度就會升高，從而引起動靜渦旋盤的熱變形，渦旋盤不均勻的熱變形會使壓縮機出現密封效果降低、摩擦功耗增加，從而使壓縮機的可靠性下降，壓縮耗功上升。

此外，散熱不良還會引起壓縮機軸承負荷增加，軸承內潤滑脂溫度升高，使用壽命縮短。

2 數學模型

以渦旋壓縮機的一個壓縮腔為控制容積，應用能量守恒方程、連續性方程和氣體狀態方程，可以得到以下描述控制容積內工質參數在工作過程變化的基本方程

除了以上方程，計算工質的參數在工作過程任意時刻的變化還需要其他補充方程，如容積變化方程、泄漏方程和傳熱方程等，容積變化方程可以通過壓縮機型線參數的計算得到，泄漏方程可以通過噴嘴泄漏模型導出，對于傳熱方程，由于工質與渦盤之間屬于對流傳熱，故渦旋空氣壓縮機工作腔內的工質對流傳熱系數公式用Johnson-Rebesine公式較好”，即

Nu＝0.0296Re^4/5pr^2/3 (2)

對于渦旋壓縮機的一個工作腔來說，其中工質的傳熱量由4個部分組成：工作腔經靜盤內壁面向外界環境的傳熱量dQ₁；工作腔經動盤內壁面向機殼內、繼而傳向外界的傳熱量dQ₂；前一循環工作腔向本工作腔的傳熱量dQ₃；本工作腔傳向下一循環工作腔的傳熱量dQ₄，其關系式為

綜合以上方程，利用龍格一庫塔數值方法可以求出不同時刻工作腔內工質的狀態參數，進而求出排氣量、功率等宏觀性能，在求解過程中，各工作腔的初始參數用理想的絕熱壓縮過程代替，然后在下一循環計算過程中，用計算得到的新值代替舊值繼續計算，從而在求解過程中反復迭代，逐漸逼近真值，直到相鄰兩次計算新值和舊值的誤差小于某一指定誤差為止。

3 樣機及實驗系統

3．1 樣機

制氧機要求無油空氣壓縮機具有較高的工作效率，較低的噪聲和振動，而渦旋壓縮機具有這方面的優勢，能夠滿足制氧機的要求，本文研制了用于小型家用制氧機用的微型無油渦旋式空氣壓縮機(如圖1所示)，在壓縮機的靜盤和動盤之間均勻布置3個小曲柄銷來替代傳統渦旋壓縮機的十字滑環，將需要油潤滑的滑動轉變為安裝在小曲柄銷上的滾動軸承的滾動，軸承采用脂潤滑軸承，從而達到壓縮腔無油的目的，小曲柄銷除了完成防自轉的功能外，同時還承受壓縮機的軸向氣體力，此外，在動靜盤間布置防自轉機構可以減小壓縮機支架的結構尺寸，從而使整機結構緊湊。

為了研究散熱對無油渦旋壓縮機性能的影響，首先對不安裝動盤冷卻風扇的樣機進行實驗研究，然后在動盤背后的主軸上安裝冷卻風扇，主軸隨電機轉子轉動，同時驅動壓縮機和冷卻風扇。

3．2 實驗系統

實驗樣機的額定排氣壓力(表壓)p=206.8kPa，每轉排氣量V=64.28mL/r針對不同的冷卻方式，通過實驗測量了樣機在不同排氣壓力下的排氣量、耗功和排氣溫度等性能參數，樣機性能測試系統如圖2所示，各參數的測量按照國家標準GB/T3853—1998《一般用容積式空壓機性能試驗方法》進行，電功率測量采用電功率表，轉速測量采用手持式紅外轉速儀，吸氣溫度、壓力測量采用mr3000數據自動采集系統，環境溫度、大氣壓力由相應傳感器測得，排氣壓力采用壓力表測量，排氣溫度由紅外測溫儀測量。

4 結果分析

4．1 結果比較

為了研究散熱對無油渦旋壓縮機性能的影響，本文針對研發樣機做了以下3組對比實驗。

(1)自然冷卻：對樣機壓縮部分不作任何強制冷卻，靠自然對流對樣機進行冷卻；

(2)靜盤強制冷卻：使用獨立風扇對靜盤的背面進行強制對流冷卻；

(3)動盤強制冷卻：在動盤背面設置軸流風扇，對其進行強制對流冷卻。

研究結果如圖3～圖6所示，從圖3和圖5的數值計算結果和實驗測量結果的比較可以看出，計算和測試結果的變化趨勢基本一致，計算的排氣溫度低于測試溫度，這主要是由于計算過程中沒有計算由于機械摩擦產生的熱量，而機械摩擦損失隨著排氣壓力的上升大幅增加，導致模擬值與測試值有一定的偏差，容積效率的模擬值大于測試值，這主要是由于壓縮機在實際運行過程中，不均勻的溫度分布會導致渦旋盤變形，從而影響動盤和靜盤間的配合間隙，降低了壓縮機的容積效率。

4．2 冷卻方式的影響

從圖3可以看出，隨著排氣壓力的升高，壓縮機的排氣溫度隨之升高，但針對3種不同的冷卻方式，排氣溫度上升的幅度是不同的。其中，自然冷卻方式下排氣溫度最高，在額定排氣壓力下達到155.7℃，而靜盤強制冷卻方式下最高排氣溫度為101℃，冷卻效果最好。

從圖4可以看出，隨著排氣壓力的升高，不同冷卻方式下的樣機排氣量都隨之下降，但自然冷卻條件下的樣機排氣量下降速度最快，動盤強制冷卻條件下的排氣量下降速度最慢，從圖5所示的容積效率與排氣壓力的關系可以看出，在自然冷卻條件下，樣機的最低容積效率下降到20％左右，這樣低容積效率的壓縮機是不能使用的，通過強制冷卻，容積效率升高，其中通過動盤強制冷卻后壓縮機的容積效率在額定排氣壓力下達到70％。

從圖6中可以看出，在自然冷卻條件下，隨著排氣壓力的升高，壓縮機的電功率急劇上升，而其他2種冷卻方式下電功率的上升較為平緩，其中，靜盤強制冷卻由于采用的是獨立風扇，風扇耗功不包含在測量電功率內，因此測量結果中靜盤強制冷卻條件下的電功率小于動盤強制冷卻。

由以上結果可以看出，強制冷卻條件下微型無油渦旋空氣壓縮機的性能有明顯提高，從電功率上看，雖然增加了一個軸流風扇從而增加了功耗，但無油渦旋空氣壓縮機在低排氣壓力下工作時，耗功與原來的相似，而在高排氣壓力時，消耗的電功率較改進之前也下降了不少。

5 結 論

本文對微型無油渦旋空氣壓縮機進行了理論和實驗研究，研究了自然冷卻、靜盤強制冷卻和動盤強制冷卻等3種冷卻方式對壓縮機排氣溫度、排氣量、功率等性能參數的影響規律，研究結果表明，散熱是無油渦旋空氣壓縮機性能的一個重要影響因素，其中自然冷卻方式下壓縮機的性能最差，動盤強制冷卻的效果好于靜盤強制冷卻效果，因此，在設計無油渦旋空氣壓縮機時，首先要考慮動盤背面的冷卻，在條件許可的條件下進一步考慮靜盤的冷卻。

(編輯 王煥雪)