全封閉R32滾動活塞壓縮機的熱分析

吳建華,胡杰浩,陳昂,梅佩佩,周杏標,陳振華

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.廣東美的電器股份有限公司,528311,廣東佛山)

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全封閉R32滾動活塞壓縮機的熱分析

吳建華1,胡杰浩1,陳昂1,梅佩佩2,周杏標2,陳振華2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安;2.廣東美的電器股份有限公司,528311,廣東佛山)

利用計算流體動力學軟件對全封閉R32滾動活塞壓縮機殼體、泵體零件、電機、制冷劑及潤滑油的導熱與對流換熱進行了數值模擬。采用流固耦合傳熱分析法,將相接觸的流體域和固體域進行整體計算,并在房間空調器壓縮機高效工況以及ARI和ASHRAE/T1工況下測量了壓縮機內部氣缸、油池、電機及氣體的溫度。結果表明:計算與實驗結果吻合較好;在氣缸側面潤滑油溫降較大,在氣缸下部潤滑油溫度場較為均勻;氣缸內表面溫度沿周向從吸氣孔到排氣側逐漸升高;電機繞組溫度高于鐵心溫度,3種工況下定子繞組頂部溫度均最高,分別為94.0、119.2、136.9 ℃;ASHRAE/T1工況下定子繞組溫度已超過電機常用B級絕緣所要求的130 ℃,此時應采取措施降低壓縮機的排氣溫度。該結果可為R32壓縮機及其系統的研制提供參考。

滾動活塞壓縮機;R32;流固耦合;熱分析;數值模擬

房間空調器多使用全封閉滾動活塞壓縮機,其結構如圖1所示。該壓縮機一般采用高背壓殼體結構,利用排氣消聲器排出的制冷劑來冷卻電機,相對于利用吸入制冷劑冷卻電機的低背壓結構,可以有效減小吸氣加熱損失,但此時壓縮機電機處于高溫排氣中,泵體也處于高溫油池之中。制冷空調行業近年推廣的環保制冷劑R32的全球變暖潛能值(GWP)約為目前房間空調器常用制冷劑的1/3,其爆炸濃度下限(LFL)較高,充注量限制較寬松,但排氣溫度較高[1],這樣會導致電機與泵體零件失效。所以,對全封閉R32滾動活塞壓縮機需要進行熱分析,了解壓縮機內部傳熱機理,明確電機、泵體零部件及潤滑油的溫度分布。

圖1 滾動活塞壓縮機結構

國外學者研究滾動活塞壓縮機內部傳熱和溫度分布時均采用集中參數法[2-3],將壓縮機分為多個部分,每一部分視為等溫體,然后進行傳熱分析。這樣,各部分內部的三維溫度分布及換熱情況無法獲得,對流換熱系數選取也很困難。近年來,計算流體動力學(CFD)技術在壓縮機中應用發展較快[4],本文探索了使用CFD軟件對全封閉滾動活塞壓縮機內部進行三維流固耦合熱分析的方法,同時根據全封閉滾動活塞壓縮機的結構和傳熱特點,將難以確定邊界條件的流體與固體接觸面變為系統內邊界,對在目前高效空調器采用的工況(下稱“高效工況”)以及ARI和ASHRAE/T1工況下的全封閉R32滾動活塞壓縮機的傳熱進行了整場離散和整場求解,由此獲得了壓縮機的三維溫度分布,最后進行了實驗驗證。

(a)油池 (b)泵體 (c)整體網格劃分圖2 油池和泵體的計算模型

1 計算模型

為了減少網格數目以便于計算,本文將壓縮機內部分為上下兩部分分別進行計算。上部分包括殼體外空氣、殼體、電機定子、電機轉子、電機上下腔制冷劑氣體及電機內外通道中制冷劑氣體;下部分包括殼體外空氣、殼體及氣缸內制冷劑等。

1.1 泵體和油池

泵體和油池上表面溫度為排氣溫度。低溫氣體從壓縮機吸氣管進入氣缸,經壓縮后變為高溫高壓氣體,并與氣缸內壁進行換熱。泵體外表面與油池接觸后發生熱交換,同時高溫油池通過殼體向外界散熱。

1.1.1 物理模型 實體模型需做簡化處理。利用Pro/E建立油池三維模型,如圖2a所示。油池的入口I在油池上表面,池中油主要由氣缸排氣時進入壓縮機高壓殼體的油和通過主軸承螺旋油槽落回油池的油組成。油池的外側與殼體接觸,內側從上至下分別與主軸承、氣缸及副軸承接觸。油池的入口II在副軸承底端與曲軸外壁面接觸處呈月牙形。油池出口在曲軸底端中心。將油池三維模型導入GAMBIT軟件,利用體切割獲得泵體,如圖2b所示。油池、泵體的網格劃分如圖2c所示,網格總數為2 973 150。

1.1.2 邊界條件 油池與氣缸、副軸承、曲軸的接觸面為流固耦合面,邊界為耦合邊界。潤滑油入口為質量流量入口,通過壓縮機潤滑油路的模擬計算[4]可以得到油池入口的流量。油池出口為自由出流,油池外表面分為側面和底面,對流換熱系數和環境溫度為邊界條件,由Fluent軟件模擬獲得。由于氣缸、軸承之間的導熱情況良好,因此泵體可視為一個整體。氣缸內部壁面與制冷劑在活塞高速運動下的瞬態換熱等效為穩態換熱,平均氣體溫度和平均對流換熱系數為邊界條件[5]。油池的流動求解選擇層流模型,密度求解采用Boussinesq近似模型。壓縮機氣缸及軸承材料為鑄鐵,其熱分析所需物性包括密度、比熱容及導熱系數,分別為8 030 kg/m3、502.48 J/(kg·K)、16.27 W/(m·K)。潤滑油的比熱容為2 222.73 J/(kg·K)。

1.2 電機

1.2.1 物理模型 電機物理模型應解決流固耦合傳熱問題。本文將定子繞組等效為一個整體,將定子繞組絕緣漆、定子槽壁絕緣漆和槽內的間隙空氣三者等效為一個絕緣體[6],如圖3a所示。定子鐵心模型如圖3b所示,其中齒部之間為定子繞組和等效絕緣體,外圓上有切割的制冷劑氣體通道。

(a)繞組 (b)鐵心圖3 電機定子

電機定子繞組、定子鐵心、轉子及殼體在分別造型后裝配在一起,由此獲得相應的流固耦合模型。電機整體網格劃分如圖4所示,網格總數為5 726 584。

圖4 電機整體網格劃分

1.2.2 邊界條件 流體入口邊界條件為速度入口,入口溫度為消聲器的排氣溫度,壓縮機排氣口(流體出口)邊界條件為自由出流,殼體外對流換熱系數和環境溫度的邊界條件由Fluent軟件模擬獲得。流體的內表面分別與定子鐵心、定子繞組接觸,為流固耦合面,定子鐵心與繞組接觸面為耦合邊界。

本文通過測量電機的工作電流和電阻可以計算出電機銅損,使用商用場分析軟件計算出鋁損,鐵損則由測量得到的電機總損失及計算得到的銅損、鋁損獲得。在高效工況下,本文樣機的銅損、鐵損、鋁損分別為79.61、23.29、35.36 W,銅損為繞組的內熱源,鐵損為定子鐵心的內熱源,鋁損在轉子表面上以熱流密度的形式出現,轉子表面為旋轉壁面邊界條件。制冷劑R32在電機中的流動狀態視為三維黏性湍流流動,本文選取κ-ε湍流模型進行求解。

對于高效工況,R32的密度為60.606 kg/m3,比熱容為1 295.2 J/(kg·K),導熱系數為19.977 mW/(m·K),動力黏度為15.9 μPa·s;定子鐵心密度為7 650 kg/m3,比熱容為134 J/(kg·K),導熱系數為11.1 W/(m·K)。

2 實 驗

實驗在制冷壓縮機性能實驗臺上進行,壓縮機內部溫度采用熱電偶測量。壓縮機主要參數及測試工況分別見表1和表2。

表1 R32滾動活塞壓縮機主要參數

注:壓縮機的制冷量與電功率為高效工況下測得。

表2 R32滾動活塞壓縮機測試工況

3 結果分析

3.1 實驗結果與計算結果對比分析

3種工況下8個測點24個溫度計算值和測量值的比較見表3。由表3可以看出,大約有50%的計算值與測量值的誤差小于2 ℃,最大誤差為3.7 ℃,最大誤差出現在定子鐵心。定子鐵心與定子繞組溫度的計算值都比測量值高,原因一方面可能是測量點環境溫度較測量點溫度低,另一方面是繞組造型未考慮表面粗糙度,使得換熱系數與換熱量較低。

3種工況下壓縮機整體的溫度呈現逐漸上升的趨勢,這是3種工況下壓縮機排氣溫度逐漸升高的緣故。3種工況下電機定子繞組頂部溫度分別為94、119.2、136.9 ℃,其中ASHRAE/T1工況的定子繞組溫度已超過電機常用B級絕緣等級要求的130 ℃。在此工況或在低溫制熱等更惡劣的工況下,需要通過降低壓縮機排氣溫度來降低繞組工作溫度[7]。

表3 3種工況下溫度測量結果與計算結果對比

3.2 泵體油池溫度場分析

高效工況下油池與泵體的溫度模擬結果如圖5所示。由圖5可以看出:泵體和油池溫度有明顯的分界線;氣缸吸氣孔周圍及吸氣側的溫度較低,但遠高于吸氣溫度;氣缸內表面溫度變化幅度達15 ℃,但遠小于壓縮機排氣溫度(90 ℃)與吸氣溫度(18 ℃)之差;氣缸平均溫度接近壓縮機排氣溫度,但低于油池溫度約10 ℃。

油池入口溫度略低于壓縮機排氣溫度,并呈逐步下降的趨勢。靠近泵體處,油池溫度梯度較為明顯。4個高溫區域對應著壓縮機軸承上的4個扇形區域,對應于圖2a所示的潤滑油入口I。另外,氣缸吸氣側與排氣側溫度的差異也會影響油池周向溫度分布。油池下部溫度場分布較為均勻,其值低于進口溫度近18 ℃,這會導致曲軸下端吸入的潤滑油的黏度增大。

(a)主視圖

(b)主視垂直方向剖視圖

(c)A-A平面圖

(d)B-B平面圖

3.3 電機溫度場分析

高效工況下模擬計算獲得的電機定子鐵心、繞線上下空腔及內外側氣道的溫度分布如圖6所示。由圖6可以看出:制冷劑、電機定子鐵心溫度與繞組溫度差異明顯;定子繞組溫度明顯比鐵心高,鐵心外部溫度比內部低;電機定子沿軸向從下到上逐漸升高,各點溫度都高于外側氣體溫度;電機上部繞組溫度最高,與下部之差近4 ℃。電機溫度測點如圖7所示,圖中左側測點2、3、4表示定、轉子間隙,右側測點2、3、4表示定子外側氣道。圖7右測點1～6的溫度變化如圖8所示。壓縮機電機的定、轉子間隙很小,制冷劑流量較小,轉子鋁損及定子鐵損、銅損的溫升較大,達7 ℃。定子外側氣道的制冷劑質量流量較大,通過向殼體外散熱使得溫升相對較小。兩股氣流在電機上空腔經混合后進入排氣管入口處,使得該處制冷劑溫度比下空腔高2 ℃。

(a)主視圖

(b)中間高度橫截面單位: ℃圖6 定子鐵心、繞線上下空腔及定子內外側氣道的溫度分布

1～6:測點圖7 電機溫度測點

圖8 圖7右測點的溫度變化

圖9 圖7左測點的溫度變化

4 結 論

本文將CFD技術應用于滾動活塞壓縮機整機溫度分布研究,同時采用流固耦合傳熱分析法進行了數值模擬。高效、ARI、ASHRAE/T1工況下R32滾動活塞壓縮機的溫度分布研究結論如下。

(1)3種工況下8個測點的計算值與測量值的誤差較小,50%測點的誤差均小于2 ℃,最大誤差為3.7 ℃。

(2)3種工況下壓縮機溫度整體上升,電機定子繞組頂部溫度分別為94.0、119.2、136.9 ℃。ASHRAE/T1工況下定子繞組溫度已超過電機常用B級絕緣等級所要求的130 ℃,應采取措施降低排氣溫度。

(3)受吸入氣體溫度低、壓縮氣體溫度漸高的影響,氣缸內表面溫度沿周向從吸氣孔到排氣側逐漸升高,高效工況下溫度幅值約15 ℃,遠小于吸、排氣溫度差。氣缸側潤滑油的溫降較大,近18 ℃,氣缸下部的溫度場較為均勻。

(4)壓縮機電機定、轉子間隙的制冷劑流量較小,定、轉子溫升較大,定子外側氣道制冷劑溫升較小。電機繞組溫度高于鐵心溫度,繞組上部溫度最高。

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(編輯 苗凌)

Thermal Analysis for Hermetic R32 Rolling Piston Compressor

WU Jianhua1,HU Jiehao1,CHEN Ang1,MEI Peipei2,ZHOU Xingbiao2,CHEN Zhenhua2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Guangdong Midea Electrical Holdings Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528311, China)

The heat conduction and convection between components, refrigerant and lubricant oil in R32 rolling piston compressor are numerically simulated. The interactive fluid area and solid parts are totally evaluated by fluid-solid coupled heat transfer analysis. And the temperatures of cylinder, oil, motor and refrigerant vapor inside the compressor are measured experimentally under GX, ARI and ASHRAE/T1 conditions for a compressor used for room air conditioner. The theoretical predictions well coincide with the experimental data. The oil temperature on side of pump drops quickly and the temperature distribution in the bottom of pump is relatively uniform; the temperature on inner cylinder surface increases gradually from the suction port to exhaust side, and the winding temperature of motor is higher than core temperature; the temperatures at the top of stator winding are 94.0 ℃, 119.2 ℃, 136.9 ℃, respectively, under the above three conditions; the stator winding temperature under ASHRAE/T1 condition is more than 130 ℃ beyond common B insulation level, thus it is necessary to reduce discharge temperature of compressor.

rolling piston compressor; R32; fluid-solid coupled; thermal analysis; numerical simulation

2014-08-03。 作者簡介:吳建華(1963—),男,副教授。

時間: 2015-01-05

網絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20150105.1137.008.html

10.7652/xjtuxb201503003

TB652;TH45

A

0253-987X(2015)03-0014-05