风冷无油涡旋空气压缩机换热计算研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南昌大学机电工程学院 作者:王俊亭

  为了对风冷无油涡旋空气压缩机换热过程进行研究,首先测量了静盘换热区域多个位置的温度,温度沿展角和高度方向总体上呈线性变化,受冷却风的影响,线性分布有所波动,分别用全部温度数据线性拟合和用过内端温度点的线性拟合两种方式进行处理,计算结果表明,后者的排气温度计算值及变化趋势与测量结果更加吻合。把应用范围更广、精度更高的Gnielinski 公式用于空气压缩过程换热计算,其中特征长度为涡旋齿内壁长度,计算结果与以往研究中常用的Dittus-Boelter公式基本完全一致,仅换热系数变化过程略有不同,对压缩过程气体温度和压力的变化过程进行了分析。

  涡旋压缩机具有寿命长、运行平稳、效率高的优点,以制冷剂为压缩介质的空调涡旋压缩机或喷水涡旋空气压缩机热力学过程已经有了较多的研究,纯粹以空气为压缩介质的风冷无油涡旋空气压缩机用于需要清洁气源的场合,目前相关的研究还不够深入,缺乏对其换热过程的研究,B. Blunier和房师毅在忽略压缩气体与壁面热交换的情况下,对无油涡旋空气压缩机热力学过程进行了计算,赵远扬测试了不同冷却风量时无油涡旋空气压缩机的排气温度变化,梁高林研究了双涡圈无油涡旋空气压缩机泄漏线长度随转角的变化。

  空气的比热容较小,无油涡旋空气压缩机工作过程中温度较高,热变形较为严重,为了降低对涡旋齿强度的要求,黄英等通过结构上的改进降低了真空泵压缩过程中的温度。无油涡旋空气压缩机常用外部风冷散热的方式降低结构温度,涡旋盘的温度分布与其他涡旋压缩机有较大的不同,本文通过测量风冷无油涡旋空气压缩机涡旋齿上多个位置的温度,研究了风冷无油涡旋空气压缩机涡旋盘换热区域的温度分布规律,以及涡旋齿温度数据的处理给热力学计算结果带来的影响。把应用范围更广、计算精度更高的Gnielinski 换热系数准则式用于空气压缩过程的换热计算,其中管长取涡旋齿内壁长度,并与以往研究中常用的Dittus-Boelter换热系数准则式进行了对比。

1、涡旋压缩机容腔及排气过程

  涡旋压缩机容腔的轴向投影如图1 所示,按照相互转换关系,分为R-容腔和L-容腔,即吸气腔LS、RS,第3 压缩腔LC3、RC3,第2 压缩腔LC2、RC2,第1压缩腔LC1、RC1,排气腔LD、RD,主轴每转动一周,各容腔依次向下转化,排气腔消失。

  为了保证高压气体顺利排出,减少排气过程的压力损失,排气孔开设较大,主轴转过一定角度后,排气孔分别与LC1、LD、RD 相通,各容腔排气面积如图2 所示,R-容腔和L-容腔的排气过程并不同步。

风冷无油涡旋空气压缩机换热计算研究

图1 涡旋压缩机几何容腔  图2 排气面积

2、涡旋齿温度测量和数据处理

  从涡旋齿外端,每π 展角钻一个测温孔,用Pt100 热电阻测量不同转速下涡旋齿的温度分布,如图3 所示。当吸气压力为0.108 MPa,吸气温度为20℃,排气压力为0.8 MPa 时,额定转速2900 r /min下的测量结果如图4 所示,其它转速下也有着相似的分布规律。可以看出从齿根到齿顶,温度与高度基本呈线性关系,沿涡旋齿展开方向,与展角基本上也呈线性关系,换热计算时可取中间齿高位置的温度作为涡旋齿温度,齿根位置相邻两测量点的平均温度作为它们之间底面的温度。

  线性拟合时通常用最小二乘法对所有数据点进行计算,考虑到涡旋线内端温度对排气温度有直接的影响,强调内端温度影响时,须使用过涡旋齿内端的最小二乘法对其余的数据点进行拟合,两种线性拟合的结果如图4(a) 所示。

  动静盘压缩区域形状、外部散热片形状和换热面积基本一致,换热计算时,假设动盘涡旋齿温度分布与静盘相同。

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图3 测温位置及热电阻Pt100 的安装方式

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图4 涡旋齿温度分布及线性拟合

6、结论

  风冷无油涡旋空气压缩机的涡旋齿温度测量结果表明,轴向温差较大,沿展角、高度方向总体上呈线性分布,沿展角的变化过程有所波动,涡旋齿内端温度对排气温度影响较大,使用保留涡旋齿内端温度的线性拟合方式,计算结果与测量结果吻合较好。特征长度为涡旋齿内壁长度的情况下,Gnielinski公式和以往研究中使用的Dittus-Boelter 公式的换热计算结果基本完全一致,仅换热系数略有不同,由于Gnielinski 公式既可用于过渡流也可用于湍流,且计算精度高,在涡旋压缩机换热计算时,可广泛使用。

  吸气阶段结束到压缩阶段的起始这一时间段内,气体由向壁面吸热转变为放热。排气阶段,LD、RD容腔内的气体向动静盘底面放热,被其他壁面加热。

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