熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能分析

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(1.北京航空航天大學(xué)， 北京　100196; 2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所， 北京　100190)

引言

在空氣相對濕度較大的陰雨地區(qū),衣物的晾曬往往需要很長時(shí)間，干衣機(jī)應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的干衣機(jī)利用PTC 發(fā)熱元件, 通過電加熱的方式, 把空氣溫度加熱至一定溫度(通常為60 ℃左右) ,在干風(fēng)機(jī)作用下使熱空氣流經(jīng)衣物表面, 通過熱濕交換帶走衣物的水分, 實(shí)現(xiàn)衣物的加速干燥[1,2]。由于這種方式一方面需要消耗大量的高品質(zhì)電能，另一方面流過衣物的高溫高濕的氣流直接排出，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

熱泵技術(shù)由于具有能耗低，對環(huán)境空氣影響小，干燥效果好等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)干衣機(jī)節(jié)能減排的一個(gè)重要發(fā)展途徑。熱泵干衣機(jī)的原理如圖1所示，在整個(gè)熱泵干燥系統(tǒng)中，熱泵循環(huán)與空氣循環(huán)在蒸發(fā)器與冷凝器處相聯(lián)，進(jìn)行熱量交換。熱泵通過壓縮機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)制冷劑循環(huán)，使得制冷劑在蒸發(fā)器中吸收來自干燥箱的排氣廢熱，使得濕空氣降溫除濕，吸收的熱量合并壓縮機(jī)的耗能，在冷凝器處加熱將進(jìn)入干燥箱的空氣，以提高空氣攜帶水分的能力。循環(huán)空氣在風(fēng)機(jī)的推動(dòng)下，經(jīng)過被干燥物料的濕熱空氣首先在蒸發(fā)器中放熱，溫度降低；低至露點(diǎn)溫度以后，水蒸氣冷凝析出，空氣的含濕量降低。冷凝水由下部設(shè)置的接水盤引出。低溫低含濕量的空氣隨后通過冷凝器被加熱，溫度升高，含濕量不變，但相對濕度降低，從而提高空氣吸收水分的能力。最后高溫低相對濕度的空氣吹過衣物表面進(jìn)行熱濕交換，放出熱量，帶走水分，空氣的溫度降低、含濕量增加、相對濕度增加。由此，從干衣桶排出的空氣又被重新送回到蒸發(fā)器處，形成一個(gè)完整的循環(huán)。相比于電熱式干衣機(jī)，熱泵式干衣機(jī)雖然干衣時(shí)間稍長，但除濕能耗顯著低于電熱能，干衣過程中能效范圍為1.60～2.60，平均能效為2.27，2.5 kg的衣物大約可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能30%[1]。

圖1　熱泵干衣機(jī)結(jié)構(gòu)原理及空氣處理過程圖[3]

作為熱泵循環(huán)系統(tǒng)的“心臟”，壓縮機(jī)是保證熱泵干衣機(jī)性能的核心部件，目前尚無熱泵干衣機(jī)專用的壓縮機(jī)，現(xiàn)有應(yīng)用中通常采用回轉(zhuǎn)式或渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)替代[4,5]。由于干衣機(jī)所需的制熱量較小，而實(shí)際空調(diào)壓縮機(jī)的功率相對較大，難免出現(xiàn)“大馬拉小車”的情況，同時(shí)回轉(zhuǎn)式或渦旋式壓縮結(jié)構(gòu)較高的泄漏率對于小容量制冷系統(tǒng)來說是不可忽略的效率影響因素，這使得原本高效的回轉(zhuǎn)式或渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)在熱泵干衣機(jī)中得不到較高的工作效率。相比而言，活塞壓縮機(jī)較低泄漏率使其對于小型制冷裝置來說具有很大的效率優(yōu)勢。而進(jìn)一步，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的線性壓縮機(jī)，由于省去了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，直線電機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)力方向始終與活塞的運(yùn)動(dòng)方向在同一直線上，極大地減少了活塞的摩擦功耗和磨損，可以延長壓縮機(jī)的使用壽命，易于實(shí)現(xiàn)無油潤滑和小型化。同時(shí)可以靈活調(diào)整的活塞行程也給壓縮機(jī)的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)提供了更大的自由度。因而線性壓縮機(jī)在熱泵干衣機(jī)應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景[6]。

1　線性壓縮機(jī)基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)流程

圖2為本研究采用的線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)方案示意圖，活塞與直線電機(jī)動(dòng)子直接連接，由直線電機(jī)在電磁場的作用下產(chǎn)生軸向驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)活塞克服氣體壓力往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；通過諧振彈簧的設(shè)置來平衡活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)所形成的慣性力；當(dāng)活塞向左側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)形成一定的負(fù)壓，吸氣閥打開，氣體通過吸氣閥進(jìn)入氣缸工作腔，被活塞壓縮后，氣體壓力升高，當(dāng)壓力高于排氣腔內(nèi)的背壓時(shí)，排氣閥打開，氣體由排氣管排出壓縮機(jī)外。活塞初始位置距排氣閥距離為XS,壓縮氣體時(shí)，由于活塞兩側(cè)氣體壓力不同，在氣體力的作用下發(fā)生一定的偏移，偏移量為ΔX,活塞在距離排氣閥X0(X0=XS+ΔX)的位置作振幅為X的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2　線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 [7]

根據(jù)線性壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，其理論模型主要分為兩部分，一部分為直線電機(jī)的電磁場模型，控制直線電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換過程。另一部分為機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型，控制直線電機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)活塞壓縮氣體過程，進(jìn)一步得到其理論控制方程為[7]：

(1)

(2)

其中，u為供電電壓；i為電流；Re為直線電機(jī)當(dāng)量電阻；Le為當(dāng)量電感；K0為電磁力系數(shù)；x為活塞位移；m1為運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量；m2為機(jī)身質(zhì)量；cf為摩擦阻尼系數(shù)；ks為諧振彈簧剛度；cg為氣體等效阻尼系數(shù)；kg為氣體等效剛度。

在上述理論基礎(chǔ)上進(jìn)行線性壓縮機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)開發(fā)步驟如圖3所示，首先根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)工況與負(fù)荷要求，確定線性壓縮機(jī)的吸排氣壓力，計(jì)算其設(shè)計(jì)排氣量，在此基礎(chǔ)上確定活塞截面積與行程，根據(jù)線性壓縮機(jī)的吸排氣壓力計(jì)算其氣體等效剛度kg與等效阻尼系數(shù)cg[8]；根據(jù)電壓平衡方程，由設(shè)計(jì)的供電電壓及設(shè)計(jì)電流確定直線電機(jī)的電磁力系數(shù)K0；再以直線電機(jī)的電磁場理論為基礎(chǔ)，根據(jù)電磁力系數(shù)要求進(jìn)行直線電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定直線電機(jī)的線圈匝數(shù)，永磁厚度以及硅鋼片尺寸；最后根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程的頻率特性進(jìn)行諧振彈簧配置，使得線性壓縮機(jī)處于高效的動(dòng)力學(xué)和電學(xué)性能狀態(tài)中。

圖3　設(shè)計(jì)步驟簡述

設(shè)計(jì)計(jì)算主要通過Ansoft 和MATLAB軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，通過不同參數(shù)的試算分析，進(jìn)行線性壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化配置。

2　主要部件設(shè)計(jì)

2.1　設(shè)計(jì)工況

根據(jù)熱泵干衣機(jī)的應(yīng)用要求，初步設(shè)定干衣機(jī)內(nèi)循環(huán)空氣的溫度變化過程為：從干衣桶流出溫度為33 ℃空氣進(jìn)入蒸發(fā)器，經(jīng)蒸發(fā)器降溫除濕至16 ℃后，進(jìn)入冷凝器，經(jīng)冷凝器加熱至56 ℃后進(jìn)入干衣桶。熱泵干衣機(jī)設(shè)計(jì)制熱量Qh為2000 W(約3.1 kg衣物)，供電電壓為220 V。

熱泵工質(zhì)采用R134a，制熱額定工況為：冷凝溫度63 ℃,過冷度0 ℃，蒸發(fā)溫度7 ℃，過熱度3 ℃。理論循環(huán)的制熱量qc=144.561 kJ/kg,蒸發(fā)量qe=111.718 kJ/kg,輸入功pc=32.8 W/kg, 制熱COP=4.4，吸氣比容v=0.05536 m3/kg，吸氣壓力ps=0.374 MPa,排氣壓力pd=1.804 MPa。

壓縮機(jī)設(shè)計(jì)排量:

(3)

其中,ηv為排氣效率；f為運(yùn)行頻率；s為設(shè)計(jì)放大系數(shù)。這里根據(jù)熱泵系統(tǒng)工況和制熱量需求，考慮90%的排氣效率及1.2的設(shè)計(jì)放大系數(shù)，額定運(yùn)行頻率f為60 Hz，經(jīng)計(jì)算，制冷劑質(zhì)量流量為0.01384 kg/s,理論耗功454 W，線性壓縮機(jī)設(shè)計(jì)每秒排氣容積為0.000766 m3。

2.2　參數(shù)的設(shè)計(jì)匹配優(yōu)化

緊湊結(jié)構(gòu)、提高效率和降低成本是熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)設(shè)計(jì)主要考慮因素。當(dāng)線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)排量確定時(shí)，氣缸直徑與活塞行程的關(guān)系也就確定了，直徑越大，活塞行程越小。當(dāng)活塞行程確定時(shí)，氣體力的等效剛度kg與等效阻尼系數(shù)cg也就確定了[8]。由動(dòng)力學(xué)方程(2)，通常將在設(shè)計(jì)時(shí)使得線性壓縮機(jī)的慣性力與彈性力相一致,實(shí)現(xiàn)速度共振從而達(dá)到最高電機(jī)效率狀態(tài)，即:

(4)

此時(shí)，線性壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)方程(2)轉(zhuǎn)化為:

(5)

同時(shí)由于實(shí)際應(yīng)用中的供電電壓通常是統(tǒng)一的,由電路平衡方程(1)可知,其中的感生電動(dòng)勢項(xiàng)受總供電電壓的限制,總是要小于供電電壓，即使考慮其中電阻項(xiàng)與電感項(xiàng)非常小的理想條件下：

(6)

因而，當(dāng)供電電壓值確定時(shí)，電磁力系數(shù)也就確定了，活塞行程越小，電磁力系數(shù)越大，為便于分析，在電機(jī)設(shè)計(jì)中電磁力系數(shù)通過改變永磁體的厚度來實(shí)現(xiàn)，保持勵(lì)磁線圈的匝數(shù)等參數(shù)不變，從而使得直線電機(jī)的當(dāng)量電阻保持不變。

當(dāng)線性壓縮機(jī)的活塞行程幅值X確定時(shí)，就可以確定其工作電流的有效值和輸入、輸出功及壓縮效率：

(7)

(8)

(9)

η=po/pi

(10)

根據(jù)上述理論，初步設(shè)定動(dòng)子質(zhì)量m1為0.85 kg,機(jī)身質(zhì)量m2為7.0 kg，在上述設(shè)計(jì)條件下則可以得到諧振彈簧剛度，圖4顯示了氣體等效剛度與諧振彈簧剛度隨氣缸直徑的變化曲線。由于氣體等效剛度隨氣缸增加而增加，當(dāng)質(zhì)量與頻率參數(shù)確定時(shí)，氣缸直徑越大需要配置的諧振彈簧剛度越小。

圖4　氣體等效剛度與彈簧剛度變化曲線

圖5和圖6分別顯示了在上述設(shè)計(jì)條件下，不同氣缸直徑條件下，電磁力系數(shù)設(shè)計(jì)值與壓縮效率的變化曲線，可以看出，受供電電壓調(diào)節(jié)的限制，電磁力系數(shù)隨著氣缸直徑的增加而增加，直徑越大電磁力系數(shù)增加率越大；壓縮效率也隨著氣缸直徑的增加而增加，但直徑越大效率增加率越小。氣缸直徑36 mm與40 mm 相比，電磁力系數(shù)增加了24.4%,而效率僅增加了1.5%。由于電磁力系數(shù)與永磁片厚度成正比，也就意味著需要增加24.4%的永磁材料來實(shí)現(xiàn)，相比于增加的效率來說經(jīng)濟(jì)效益較低，因而選擇氣缸設(shè)計(jì)直徑為36 mm，相應(yīng)地活塞設(shè)計(jì)行程為16.8 mm，設(shè)計(jì)電磁力系數(shù)為98 N/A，設(shè)計(jì)電流為3.25 A,諧振彈簧剛度為54.85 N/mm。

圖5　電磁力系數(shù)隨氣缸直線變化曲線

圖6　壓縮效率隨氣缸直線變化曲線

2.3　直線電機(jī)設(shè)計(jì)

在氣缸直徑，活塞行程，電磁力系數(shù)，設(shè)計(jì)電流等參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行直線電機(jī)設(shè)計(jì)。本研究采用動(dòng)磁式直線振蕩電機(jī)作為熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其斷面磁路結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。圖中環(huán)繞著線圈外側(cè)的為外定子，下面的梯形部分為內(nèi)定子，內(nèi)外定子之間為永磁體動(dòng)子部件。內(nèi)、外定子采用硅鋼片導(dǎo)磁材料。磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以借助于電磁場有限元分析軟件進(jìn)行，其關(guān)鍵點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面，一是為了合理的引導(dǎo)磁路， 減少漏磁通而需進(jìn)行的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)； 二是為了盡可能的減少鐵磁損耗而進(jìn)行的尺寸設(shè)計(jì)，這里不再贅述。

圖7　動(dòng)磁式直線振蕩電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)直線電機(jī)的電磁力系數(shù)可表示為：

(11)

其中,N為勵(lì)磁線圈匝數(shù)；Hc為永磁體的矯頑力；μr為磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率；z為充磁方向厚度；l為永磁體半長；g1，g2分別為氣隙寬度。

當(dāng)內(nèi)、外定子與氣隙尺寸確定時(shí)，電磁力系數(shù)與線圈匝數(shù)，永磁體矯頑力以及永磁體厚度成正比。根據(jù)電磁力系數(shù)與工作電流的設(shè)計(jì)值就可以確定勵(lì)磁線圈的線徑與匝數(shù)，進(jìn)一步選擇永磁材料并確定永磁體的厚度與長度等參數(shù)。

3　性能分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，開發(fā)出熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)，其主要參數(shù)如表1。

表1　線性壓縮機(jī)樣機(jī)的主要參數(shù)

在此基礎(chǔ)上分析其在熱泵系統(tǒng)中的運(yùn)行性能。性能分析主要通過上面線性壓縮機(jī)的理論模型公式(1)和(2)，在MATLAB平臺(tái)上，分析線性壓縮機(jī)在不同工況下的性能特點(diǎn)。圖8為線性壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度為7 ℃不變時(shí)，冷凝溫度從63 ℃下降到40 ℃的制熱COP及壓縮效率，可以看出隨著冷凝溫度的降低，線性壓縮機(jī)的壓縮效率略有下降，但是由于熱泵循環(huán)制熱能效COP受冷凝溫度的影響較大使得其制熱COP從3.06增加到了5.43。圖9為冷凝溫度為63 ℃不變時(shí)，蒸發(fā)溫度從7 ℃下降到0.2 ℃的制熱COP及壓縮效率，可以看出隨著蒸發(fā)溫度的降低，線性壓縮機(jī)的壓縮效率略有增加，但是熱泵循環(huán)制熱能效COP隨著蒸發(fā)溫度的降低而大幅下降，使得線性壓縮機(jī)的制熱COP從3.06下降到了2.7。

圖8　壓縮機(jī)性能隨冷凝溫度變化曲線

圖9　壓縮機(jī)性能隨蒸發(fā)溫度變化曲線

性能分析結(jié)果顯示，通過線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以使其在不同工況下均保持較高的壓縮性能，但在熱泵系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)性能受工況的影響較大而使得線性壓縮機(jī)的制熱COP值隨工況變化較大。需要說明的是，這里計(jì)算的制熱COP主要是線性壓縮機(jī)在不同工況下的性能，不包括系統(tǒng)換熱器等其他部件對系統(tǒng)性能影響，因此，熱泵干衣機(jī)的系統(tǒng)實(shí)際制熱COP比計(jì)算值要低一些。

5　結(jié)論

本研究針對熱泵干衣機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并進(jìn)行了系統(tǒng)性能分析，采用線性壓縮機(jī)作為熱泵干衣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)70%以上的壓縮效率,并可以通過直線電機(jī)供電電壓與電磁力系數(shù)的增加得到進(jìn)一步提升，具有一定的發(fā)展前景。但考慮熱泵干衣機(jī)運(yùn)行過程中，通過熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器的空氣處于持續(xù)動(dòng)態(tài)變化過程中，線性壓縮機(jī)的運(yùn)行也會(huì)受到工況變化的影響，因而在今后的工作中，有必要進(jìn)一步開展線性壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)性能研究。另外， 活塞式壓縮機(jī)的摩擦損耗和直線電機(jī)的成本，也是熱泵干衣機(jī)用線性壓縮機(jī)發(fā)展過程中需要考慮的重要問題。

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