不同制冷劑對氣懸浮壓縮機電機冷卻及系統性能的影響

劉義騰 高一鳴 劉廣彬 宋君楠 鞏捷明

(青島科技大學機電工程學院 青島 266061)

建筑能耗問題日益嚴峻[1]。暖通空調系統是商業建筑的主要能源消耗來源[2],空調和制冷系統的能源消耗占全球能源消耗的20%[3],為了滿足環保和可持續發展的要求,減少暖通空調系統的能耗至關重要。離心式冷水機組是商業建筑暖通空調系統中的一類重要設備[4],冷水機組中壓縮機的功耗最高,約占整個冷水機組的50%～60%[5]。提高壓縮機性能是提升冷水機組性能、節約能源的重要方向。懸浮軸承無摩擦、無油、高速等特點可使壓縮機更高速高效運行[6],氣懸浮軸承相比于磁懸浮軸承,具有成本低、無需主動控制等優點,近年來受到越來越多的關注。使用高速永磁電機直驅的氣懸浮離心制冷壓縮機可使冷水機組高速高效運行,但其緊湊的結構使得壓縮機的散熱環境更為惡劣,因此氣懸浮離心制冷壓縮機需要更有效的冷卻[7]。制冷劑的性質也是決定冷水機組性能的重要參數,隨著環保要求的提高,國際上逐漸禁止使用全球變暖潛值(Global Warming Potential,GWP)高的制冷劑,以減少對環境的負面影響[8]。R134a是最廣泛使用的氫氟碳化合物(HFCs)制冷劑之一[9],但由于其GWP較高,需要替代品替代。R1234yf、R1234ze(E)等氫氟烯烴(HFOs)制冷劑由于GWP較低,被認為是制冷系統中常用的HFCs合適替代品[10]。

許多學者對壓縮機電機冷卻及冷水機組中制冷劑的替代進行了研究,He Zhilong等[11]建立了一個流動和熱力學模型來研究吸入制冷劑冷卻雙螺桿壓縮機電機的冷卻過程,結果表明,定子冷卻導管的形狀和尺寸對電機內部溫度影響較大,當中心角由約10°增至約60°時,最高溫度增加約10 ℃。當機殼內徑由140 mm增至180 mm時,最高溫度增加約20 ℃。S. Branch[12]基于該結構建立了電機內部模型,并模擬了吸入式制冷劑冷卻電機的溫度分布,結果表明,吸入側的繞組溫度最低,轉子溫度最高;當每個實驗的最大溫度值設置為1 ℃時,吸入側端部繞組溫度為0.57 ℃,轉子溫度為0.73 ℃。當制冷劑質量流量減少或電機功率增加時,電機內部溫度會顯著升高。何永寧等[13]建立了半封閉雙螺桿壓縮機電機內部流道模型,數值模擬了電機內部溫度場與制冷劑速度場的分布,結果表明,系統蒸發溫度升高時,冷卻電機效果減弱。F. C. Possamai等[14]使用微型熱管冷卻往復式制冷壓縮機,對壓縮機的傳熱過程和溫度分布進行了分析和實驗研究,研究表明,使用微型熱管冷卻可使壓縮機的重要部件溫度降低10～15 ℃。Liu Li等[15]提出了一種用熱虹吸制冷劑直接冷卻螺桿壓縮機電機的新方法,建立了系統能量和的數學模型,并建立了NH3/CO2復疊制冷系統的實驗回路,結果表明,熱虹吸管冷卻壓縮機電機的方法可以顯著改善NH3/CO2復疊制冷系統的性能。S. F. Yana Motta等[16]在小型制冷設備中測試了使用制冷劑R134a、R1234yf和R1234ze(E)的性能,結果表明,R1234yf和R134a的效率相似,但R1234ze(E)的效率較低。D. Snchez等[9]在相同的操作條件下,在配備封閉壓縮機的相同制冷設施中,對幾種替代R134a的低GWP 制冷劑進行了測試和對比,結果表明,R1234yf的制冷能力下降4.5%～8.6%,耗電量增加1.6%～6.7%,平均COP降低約10%,考慮到安全等級為A2L的制冷劑相應安全要求,可被視為R134a的直接替代品。R1234ze(E)的制冷量和功耗分別降低24.9%和17.8%,說明要使用排量更大的壓縮機來實現相同的冷卻能力,制冷設備的COP下降約8.6%。綜合考慮,其不適合直接引入作為替代方案。柴玉鵬等[17]搭建實驗臺,對 R1234yf的制冷及制熱性能進行測試,并與 R134a進行對比,結果表明,R1234yf能在更大的工況范圍內運行,功耗比R134a高,制冷量和制冷COP與 R134a相比因工況的不同而大小不同,R1234yf的制熱量和制熱COP比R134a低。

本文針對氣懸浮冷水機組采用新型蒸發冷卻布置,利用制冷劑潛熱來高效冷卻壓縮機電機。冷卻電機的工質來自制冷系統,利用高壓差提供驅動力,無需引入多余的設備及工質,但冷卻回路會對系統產生一定的影響。目前針對傳統壓縮機電機冷卻以及冷水機組中制冷劑替代的研究較多,但缺乏對氣懸浮離心制冷壓縮機電機冷卻、不同制冷劑對電機冷卻的影響以及電機冷卻回路對系統性能影響的研究。壓縮機電機的溫度決定了電機運行是否安全可靠。當制冷系統使用不同的制冷劑時,冷卻電機的效果不同,電機冷卻回路對系統的影響程度也不同,因此研究不同制冷劑對電機冷卻過程以及制冷系統對氣懸浮冷水機組安全經濟運行的影響具有重要意義。

1 制冷系統及冷卻布置

圖1所示為使用氣懸浮離心壓縮機的制冷系統。如圖1所示,從冷凝器出口引出制冷劑,流經節流閥后進入電機外殼夾層冷卻機殼和定子,然后通過內部通道冷卻繞組和轉子后返回系統蒸發器,完成電機冷卻過程。根據不同工況,可通過節流閥調節制冷劑流入電機的狀態,以達到理想的電機冷卻效果。

圖1 使用氣懸浮離心壓縮機的制冷系統

圖2所示為壓縮機電機冷卻結構,來自冷凝器的制冷劑從電機外部進入殼體夾層,然后沿著兩側的螺旋流道流向兩端。螺旋流道的末端關閉,幾個噴孔在電機繞組的端部位置向心打開。冷卻定子后,制冷劑通過兩端的噴孔噴出,進入電機腔混合并冷卻轉子和繞組,然后沿出口返回蒸發器。入口和出口之間存在的較大壓差可為冷卻過程提供驅動力,而無需其他附加設備。

圖2 壓縮機電機冷卻結構

本文使用的壓縮機電機為高速永磁電機,電機的主要參數如表1所示。

表1 電機主要參數

2 數值模型

2.1 電機損耗

電機損耗包括定子損耗、轉子損耗、機械損耗[18]。

定子損耗包括定子繞組銅耗和定子鐵耗。根據下式計算:

定子繞組銅耗[19]:

PCu=mI2R

(1)

式中:m為電機的相數;I為定子繞組電流的有效值,A;R為每相繞組的電阻值,Ω。

定子鐵耗[20]:

PFe=khfBα+kc(Bf)2+ke(Bf)1.5

(2)

式中:kh、α均為磁滯損耗系數;f為頻率,Hz;B為磁通密度峰值,T;kc為渦流損耗系數;ke為附加損耗系數。

轉子損耗[21]:

(3)

式中:σ為所求區域內的電導率,S/m;s為z方向截面積,m2;Jz為電流密度的z方向分量,A/m2。

機械損耗包括摩擦損耗和風磨損耗,對于高速電機,風磨損耗較大,因為風磨損耗與轉子速度和間隙內流體物性有關。本文使用的是氣體軸承,摩擦損失較小,可忽略不計。

風磨損耗[22]:

Pf=kCfπρω3r14λ

(4)

式中:k為轉子表面的粗糙程度,表面光滑時k=1;Cf為表面摩擦系數;ρ為轉子周圍流體的密度,kg/m3;ω為轉子的角速度,rad/s;r1為轉子半徑,m;λ為轉子長度,m。

2.2 電機內部傳熱

傳熱主要以導熱和對流的形式進行。與其他熱源相比,輻射傳熱對于電機溫度的影響較小,因此,本文忽略了輻射傳熱的影響。

2.3 制冷劑物性對比

制冷劑R134a、R1234yf、R1234ze(E)的臭氧損耗潛值(ozone depletion potentian,ODP)均為0,但R1234yf和R1234ze(E)相比于R134a具有極低的 GWP,由于R1234yf與R1234ze(E)還具有中低可燃性、良好熱穩定性等特點,是R134a優良的替代品。在本文選用的蒸發溫度為4 ℃、冷凝溫度為37 ℃工況下,R134a與R1234yf的循環壓力接近,R1234yf的循環壓比略低于R134a,更有利于壓縮機的安全運行。R1234yf循環的焓差要小于R134a,想獲得相同制冷量,需更大的制冷劑流量。R1234ze(E)循環的焓差與R134a相近,系統性能也相近。

2.4 網格設置

圖3所示為電機網格模型,本研究的計算域分為固體域和流體域。固體域包括機殼、定子、繞組、轉子、永磁體、軸。定子、繞組、轉子、永磁體、軸用六面體網格劃分,其他固體域和流體域采用四面體網格劃分。模擬采用k-ε湍流模型,電機損耗以熱源形式加載在固體域中。邊界層設置在壁面附近。設置流體與固體的交界面,進行流-固熱耦合模擬。邊界條件為根據不同運行工況設置的入口溫度、壓力、干度及出口壓力。

圖3 網格模型

4種不同網格數下的繞組平均溫度如表2所示。由表2可知,模擬1和模擬2之間的偏差約為4.79%,模擬2和模擬3之間的偏差約為2.84%。模擬3和模擬4之間的偏差約為1.03%。模擬3與模擬4之間偏差非常小,因此可認為,當網格的數量大于模擬3時,網格對溫度的影響較小。所以研究采用的網格數為6 230 510。

表2 網格無關性研究

3 結果及分析

圖4所示為相同制冷工況下,使用不同制冷劑冷卻電機時的壓縮機電機內部溫度云圖。出口所在的B側溫度高于A側,電機間隙側的永磁體溫度最高,采用R1234ze(E)、R1234yf、R134a的電機永磁體最高溫度分別為251、164、156 ℃。采用R1234yf和R134a的電機內部溫度接近,采用R1234ze(E)的電機內部溫度要顯著高于其他兩種制冷劑。這是因為B側噴孔噴出的制冷劑有一部分直接從出口流出而未參與電機冷卻,所以電機B側溫度高于A側。制冷劑通過間隙時會產生風磨損耗,導致間隙側的永磁體溫度最高。當溫度相同時,不同制冷劑的飽和壓力不同,R1234yf的飽和壓力與R134a相近,R1234ze(E)的飽和壓力較低。入口壓力的差異導致冷卻電機的流量不同,入口壓力越低,流量越小,換熱效果越差,所以采用R1234ze(E)的電機內部溫度要顯著高于R134a和R1234yf。

圖4 電機內部溫度云圖

在制冷系統中,可根據不同工況,調節電機冷卻回路中的節流閥,來達到合適的電機冷卻效果。圖5所示為電機內部繞組的平均溫度和永磁體最高溫度隨節流后冷卻入口制冷劑溫度的變化,平均溫度由繞組整體計算域各節點的平均值得出。采用R134a、R1234yf、R1234ze(E)的電機繞組平均溫度均隨冷卻入口溫度的升高而降低,采用R134a和R1234yf的電機繞組溫度接近,而且隨冷卻入口溫度變化較小,冷卻入口溫度增加23 ℃,繞組均溫下降約3 ℃。采用R1234ze(E)的電機繞組溫度顯著高于其他兩種工質,冷卻入口溫度增加23 ℃,繞組均溫下降約6 ℃。采用R1234ze(E)的電機永磁體溫度最高,比R134a、R1234yf電機高60～90 ℃。采用R134a和R1234yf的電機永磁體最高溫度隨冷卻入口溫度的升高而下降,冷卻入口溫度每上升4.5 ℃,永磁體最高溫度下降2～9 ℃;采用R1234ze(E)的電機永磁體最高溫度隨冷卻入口溫度的升高先升后降,冷卻入口溫度約為25 ℃時,永磁體的最高溫度最高。這是因為隨著冷卻入口溫度的升高,冷卻電機的流量增加,增強了換熱效果,導致繞組和永磁體的溫度下降。采用R1234ze(E)的電機冷卻回路,流量最小,換熱效果最差,所以電機繞組和永磁體溫度最高。制冷劑流量增加的同時,電機損耗也在增加,采用R1234ze(E)并且冷卻入口溫度較小時,電機損耗增加對永磁體溫度的影響要大于制冷劑流量增大的影響,所以永磁體最高溫度隨冷卻入口溫度的升高先增后降。

圖5 電機內部溫度隨冷卻入口溫度的變化

圖6所示為冷卻電機回路的制冷劑質量流量、電機損耗和出口干度隨節流后冷卻入口制冷劑溫度的變化。由圖6可知,制冷劑的質量流量和電機損耗隨冷卻入口溫度的升高而增大,質量流量的增大增強了換熱效果,使電機內部的溫度下降,電機內部的損耗是電機溫度升高的原因,但電機損耗增加對電機內部溫度的影響要小于質量流量變化帶來的影響,所以在綜合影響之下,電機內部溫度隨冷卻入口溫度的上升而下降。相同冷卻入口溫度下,制冷劑R134a的質量流量最大,R1234yf次之,R1234ze(E)的質量流量最小,符合3者電機內部的溫度差異。冷卻電機回路的出口干度隨冷卻入口溫度的升高而下降,下降趨勢逐漸趨于平緩,冷卻入口溫度每升高4.5 ℃,出口干度下降約3%～5%,制冷劑R134a的出口干度最小。這是因為制冷劑流經節流閥為等焓過程,節流閥出口溫度即冷卻入口溫度越大,冷卻入口壓力越大,制冷劑質量流量越大,導致出口干度隨冷卻入口溫度的升高而減小,但電機損耗的增加會導致熱量增加,比熱容也會隨冷卻入口溫度的增加而下降,所以下降趨勢逐漸趨于平緩。采用R134a的冷卻回路質量流量最大,而R134a的比熱容又小于其他兩種制冷劑,所以冷卻工質為R134a的電機冷卻回路出口干度要小于另兩種制冷劑。

圖6 冷卻電機回路質量流量、電機損耗和出口干度隨冷卻入口溫度的變化

從系統中引出支路進行冷卻電機,無需額外制冷劑和設備,而且利用制冷劑潛熱來冷卻電機比傳統冷卻方式更加高效。冷卻電機的制冷劑來自系統,會對系統產生影響,因此針對電機冷卻支路對系統的影響進行研究,為壓縮機的電機冷卻方案提供參考,使整個系統更加經濟高效。

圖7所示為制冷系統的制冷量和COP隨節流后冷卻入口制冷劑溫度的變化。由圖7可知,在相同制冷工況下,采用R134a、R1234ze(E)的系統COP相差較小,采用R1234yf的系統COP最低,帶電機冷卻支路的系統與傳統系統相比,電機溫度可以控制在更安全的運行范圍之內,但采用R134a、R1234yf、R1234ze(E)的系統COP分別降低1.23%～1.82%、1.23%～1.65%、1.14%～1.17%。隨冷卻入口溫度升高,系統制冷量和COP逐漸下降。這是因為系統主路在進入蒸發器前吸收了電機損耗產生的熱量,隨冷卻入口溫度的升高,冷卻電機支路的質量流量越大,產生的電機損耗和熱量也越大,導致制冷量和COP逐漸降低。R1234yf的單位容積制冷量較小,相同制冷量時需要更多的制冷劑流量,壓縮機功耗較大,因此采用R1234yf的制冷系統COP小于制冷劑為R134a和R1234ze(E)的系統COP。

圖7 系統COP隨冷卻入口溫度的變化

圖8所示為在選定的調節范圍內,制冷系統的熱力參數和電機內部溫度的變化范圍。在相同制冷工況下,采用R134a和R1234yf時,電機內部溫度變化范圍相近,R1234yf略大于R134a。采用R1234ze(E)的電機永磁體溫度變化范圍較小,繞組溫度的變化范圍與另兩種制冷劑相差較小。這是因為R134a和R1234yf系統電機冷卻支路的質量流量相近,所以二者電機的溫度變化范圍相近。采用R1234ze(E)時,電機冷卻回路的質量流量較小,質量流量越小,電機損耗對永磁體溫度的影響就越大,所以采用R1234ze(E)的電機永磁體溫度變化范圍較小。壓縮機的安全經濟運行需要選擇合適的電機冷卻方式,這為氣懸浮離心式制冷壓縮機的電機冷卻方案提供了參考。

圖8 系統參數和電機溫度的變化范圍

4 結論

本文數值模擬了氣懸浮離心式制冷壓縮機電機冷卻過程,分析了不同制冷劑和節流程度對電機冷卻過程及制冷系統性能的影響。得到如下結論:

1)電機內部間隙側的永磁體溫度最高,采用R1234ze(E)的電機永磁體最高溫度比采用R134a和R1234yf時高60～90 ℃;采用這3種制冷劑時,電機繞組平均溫度均隨冷卻入口溫度的升高而降低;采用R134a和R1234yf的電機永磁體最高溫度隨冷卻入口溫度的升高而降低,采用R1234ze(E)的電機永磁體最高溫度在冷卻入口溫度約為25 ℃時最高。

2)相同冷卻入口溫度下,制冷劑R134a的質量流量最大,R1234yf次之,R1234ze(E)的質量流量最小。冷卻回路出口干度隨冷卻入口溫度的升高而降低,冷卻入口溫度每升高4.5 ℃,電機冷卻回路的出口干度下降約3%～5%。

3)帶電機冷卻支路的系統與傳統系統相比,電機溫度可以控制在更安全的運行范圍之內,但采用R134a、R1234yf、R1234ze(E)的系統COP降低1.23%～1.82%、1.23%～1.65%、1.14%～1.17%。