不同排气阀片结构型式对冰箱往复式压缩机性能的影响.pdf
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1、流 体 机 械第 51 卷第 8 期2023 年 8 月 87 收稿日期:2022-08-30 修稿日期:2023-01-09基金项目:广东省自然科学基金面上项目(2020A1515011386)doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2023.08.013应用技术不同排气阀片结构型式对冰箱往复式压缩机性能的影响黄传顺1,2,朱红伟1,2(1.空调设备及系统运行节能国家重点实验室,广东珠海 519070;2.珠海格力电器股份有限公司,广东珠海 519070)摘 要:针对传统冰箱因容积效率下降出现冷量衰减的问题,对往复式压缩机在 100Hz 高速运行频率下设计 2 种不同排气阀
2、片结构模型,分析了不同排气阀片运动特性以及排气阀片对压缩机制冷量和性能的影响。结果表明:排气阀片刚度是影响压缩机高速运行容积效率的重要因素;采用小刚度排气阀片与缓冲片组合方案能够提升压缩机高频冷量和低频性能。以排量为 11cm3的压缩机为例,增加缓冲片后排气阀片组合刚度增加 252.4%,压缩机在 100Hz 运行时容积效率比原方案提升 3.9%,33Hz 运行时性能(COP)比原方案提升 0.04。关键词:往复式压缩机;高速;排气阀片;缓冲片;容积效率中图分类号:TH45;TB652 文献标志码:A Effect of different exhaust valve structure on
3、 the performance of refrigerator reciprocating compressorHUANGChuanshun1,2,ZHUHongwei1,2(1.NationalEngineeringResearchCenterofGreenRefrigerationEquipment,Zhuhai 519070,China;2.GreeElectricAppliances,INC.ofZhuhai,Zhuhai 519070,China)Abstract:Inviewofthecoolingcapacityattenuationproblemoftraditionalre
4、frigeratorsduetothereductionofvolumetricefficiency,twodifferentexhaustvalveplatestructuralmodelsweredesignedforreciprocatingcompressorsunderthehighspeedoperatingfrequencyof100Hz,andthemovementcharacteristicsofdifferentexhaustvalveplatesaswellastheimpactofexhaustvalveplateonthecoolingcapacityandperfo
5、rmanceofthecompressorwereanalyzed.Theresultsshowthatthestiffnessoftheexhaustvalveplateisanimportantfactoraffectingthevolumetricefficiencyofthecompressorathighspeed;Thecombinationschemeofsmallstiffnessexhaustvalveplatewithspringreedcanimprovethehigh-frequencycoolingcapacityandlow-frequencyperformance
6、ofreciprocatingvariablefrequencycompressor.Takingan11cm3displacementcompressorasanexample,thetotalstiffnessofexhaustvalveplatewithspringreedis252.4%higherthanthatoftheinitialexhaustvalveplate,thevolumetricefficiencyofthecompressoroperatingunder100Hzis3.9%higherthanthatundertheoriginalscheme,andthepe
7、rformance(COP)ofthecompressoroperatingunder33Hzis0.04higherthanthatundertheoriginalscheme.Key words:reciprocatingcompressor;highspeed;exhaustvalveplate;springreed;volumetricefficiency0 引言随着人民生活水平的不断提高,人们对冰箱的需求愈来愈大,节能、环保、大容量、深冷冻、多门、无霜是冰箱的发展趋势1。冰箱行业的发展带动了往复式压缩机技术的进步,变频、大冷量的压缩机成为冰箱的首选。高速压缩机能够在较低的排量设计条件
8、下达到与低速大排量压缩机相同的能力输出,并具有体积小、成本低等特点,目前高速压缩机已广泛应用于制冷空调行业2,并向冰箱行业延伸,成为当前冰压行业研究的热点。传统变频往复式压缩机最高运行频率通常为88FLUID MACHINERYVol.51,No.8,202375Hz,当运行频率增加到 100Hz 时,压缩机运行周期由 0.0133s 变为 0.01s,运行周期缩短 33%。如果压缩机工作时吸、排气阀片不能及时关闭,必然会造成压缩机高压气体回流,造成容积效率下降3-5。为提高阀片响应速度,常规做法是通过优化结构和增大阀片刚度以提高其固有频率,但阀片刚度增大会增加压缩机排气压力损失,造成压缩机性
9、能下降。郑传祥等6分析了阀片设计参数对其动态响应的影响,发现减小吸气阀厚度可提高压缩机性能。赵旭敏等7研究了压缩机在 75Hz 以上运行频率时冷量衰减规律,得出气阀刚度和固有频率是影响压缩机制冷量的重要因素。贺运初等8分析气阀对往复压缩机主要性能的影响。然而,变频往复式压缩机高速运行时排气阀片结构对冷量和性能的影响研究成果较少。因此,研究排气阀片结构型式在高速运行状态下对压缩机容积效率的影响显得十分重要。1 结构模型及原理分析往复式压缩机吸、排气系统物理模型如图 1所示。压缩机工作时,制冷剂在吸气压差作用下经吸气阀片进入到气缸,通过活塞往复运动将其压缩成高温高压气体,然后经排气阀片排出进入到气
10、缸盖,进一步引出到冷凝器,最后由蒸发器回流完成制冷循环。为了提高排气阀片的响应速度,通常在往复式压缩机排气端设置升程限位器。图 1 往复式压缩机吸、排气系统物理模型Fig.1 Physicalmodelofsuctionandexhaustsystemofreciprocatingcompressor本研究涉及 2 种不同排气阀片组件,物理模型如图 2 所示。图 2(a)示出不带缓冲片的排气阀片组件模型(定义为方案 1),组件包括:阀板、排气阀片和限位器。图 2(b)示出带缓冲片的排气阀片组件模型(定义为方案 2),组件包括:阀板、排气阀片、排气阀片缓冲片和限位器。(a)无缓冲片的排气阀片(b
11、)带缓冲片的排气阀片图 2 往复式压缩机排气阀片结构示意图Fig.2 Structurediagramofexhaustvalveplateofreciprocatingcompressor图 3 示出排气阀片开启过程中两种阀组结构的阀片负载与阀片位移关系曲线。图 3 排气阀片开启时阀片位移与阀片负载关系曲线Fig.3 Curveofvalveplatedisplacementvsvalveplateloadwhentheexhaustvalveplateisopened从图中可以看出,排气阀片随着负载增加沿A B C D4 点变动。在A 处,当气流推力大于润滑油的吸附力时,排气阀片从阀板支撑
12、面离开,并且从A B 仅有排气阀片发生变形,排气阀片因小负载发生较大变形。在B 处,排气阀片与缓冲片接触,从B C 排气阀片与缓冲片接触并同时被气流顶起,它们以组合形式发生弹性变形,此时阀片位移变化需要较大的负载。在C 处,排气阀片缓冲片与升程限位器接触,此时排气阀片位移达到最大。位移大小取决于升程,2 种不同结构型式的排气阀片升程均设计为 1.1mm。此后即使对排气阀片施加更大负载,阀片由于受到挡板作用也不会产生位移。89黄传顺,等:不同排气阀片结构型式对冰箱往复式压缩机性能的影响2 仿真计算结果与分析阀片刚度用试验方法测试比较困难,测试精度难以保证,此处可以通过有限元方法进行仿真计算得出。
13、由于此处阀片工作过程中升程为1.1mm,在这么小的变形范围内,施加的外载荷与阀片变形之间可以等效为线弹性关系,因此阀片刚度可认为是一个常数。其基本原理为:在阀片头部中心位置施加一个单位静力载荷,仿真计算该节点的变形量,施加的静力载荷与变形量比值即为阀片刚度。按线弹性材料定义各零件属性,排气阀片与缓冲片定义为柔性接触体。考虑到零件结构的不规则性,为提高计算精度和节省资源,排气阀片、缓冲片均采用四边形划分网格,并对排气阀片和缓冲片尾部约束区进行网格细化。排气阀片组件划分网格后的有限元模型如图 4 所示。边界条件设置如下:在阀片头部中心施加单位集中力,阀片尾部施加位移约束,将x,y,z3 个方向上的
14、位移设置为 0。(a)无缓冲片的排气阀片(b)带缓冲片的排气阀片图 4 排气阀片有限元仿真模型Fig.4 Finiteelementsimulationmodelofexhaustvalveplate无缓冲片的排气阀片结构变形云图如图5(a)所示。仿真计算结果显示,施加单位集中载荷,排气阀片中心位移为 3.88mm,由此得出方案1 排气阀片刚度为 0.258N/mm。排气阀片应力云图如图 5(b)所示。施加单位集中载荷对应排气阀片的最大应力 868MPa,出现在排气阀片的根部。(a)主视图(b)俯视图图 5 无缓冲片的排气阀片结构变形及应力分布Fig.5 Structuraldeformati
15、ondiagramofdischargevalvewithoutspringreed方案 2 排气阀片结构变形如图 6 所示。方案 2 中排气阀片升程高度为 0.8mm 时与缓冲片接触,然后在气流推力作用下二者同时弯曲,最后贴合到升程限位器达到最大升程高度。仿真计算结果表明,方案 2 排气阀片接触缓冲片前的刚度为 0.21N/mm,与缓冲片接触后二者组合刚度为0.74N/mm。阀片刚度增加 252.4%。对应排气阀片最大应力为 354MPa,最大应力区仍集中在根部。(a)主视图(b)俯视图图 6 带缓冲片的排气阀片结构变形及应力分布Fig.6 Structuraldeformationdiag
16、ramofdischargevalvewithspringreed90FLUID MACHINERYVol.51,No.8,2023方案 1,2 的刚度变化曲线如图 7 所示。从图中可以看出,无缓冲片排气阀片弹簧力随阀的升程增加逐渐增大,阀片刚度为一恒定值。带缓冲片的排气阀片组件随着阀片位移增加也是逐渐增大,开始时增大幅值较小,阀片升程达到 0.8mm之后,阀片弹簧力急剧增大。图 7 中示出的OA 段为接触缓冲片前排气阀片刚度,AB 段为排气阀片接触缓冲片后二者的总刚度。由于带缓冲片的排气阀片刚度小于不带缓冲片的排气阀片刚度,阀片只需要很小的压差即可开启,降低了排气阀片的开启阻力。同时排气阀片
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