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一种回转式活塞压缩机的研制及应用预测

发布时间:2021-08-29 人气: 来源:

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一种回转式活塞压缩机的研制及应用预测解决方法

一种回转式活塞压缩机的研制及应用预测原因解说

一种回转式活塞压缩机的研制及应用预测操作步骤

    摘要: 提出了一种回转式活塞压缩机,阐述了其工作原理及基本结构。回转式活塞压缩机结合了往复式压缩机和回转式压缩机的优点,克服了上述两种压缩机的一些使用局限性。该回转式活塞压缩机具有结构简单、零/部件少等特点。由于该压缩机没有吸气阀和排气阀,因此,可减少易损件并降低噪声。介绍了该压缩机的排气结构、能量调节机构和润
 
    滑密封方式,并预测了它的应用场合。
 
    关键词: 回转式活塞压缩机; 压缩机应用; 压缩机结构
 
    0 引言
 
    随着科技的进步和社会的发展,制冷与低温技术在科学研究、生产技术,以及改善人们的生活等方面发挥着举足轻重的作用,因此,该技术很大程度上影响着农业、工业和国防等国民经济各个部门的发展。
 
    压缩机应用了制冷与低温技术,是压缩式制冷系统的核心部件,因此压缩机的发展对制冷系统乃至制冷与低温技术的发展有着至关重要的影响。
 
    目前,市场上广泛应用的压缩机有活塞式制冷压缩机、回转式制冷压缩机,以及离心式制冷压缩机等。活塞式制冷压缩机具有惯性力较大、体积大、零/部件多和性能系数低等缺点,影响了它的发展及应用。回转式制冷压缩机具有零/部件数量少、转速高、体积小和运行可靠性等优点,但其结构相对复杂,往往需要较高的部件加工精度和安装精度。离心式制冷压缩机主要适用于制冷量较大的制冷系统,而对于制冷量小的制冷系统则不适用。另外,大型离心式制冷压缩机在变化较大的工作压力下,会出现喘振现象。且离心式制冷压缩机在非满负荷运转时,工作效率低,运行时噪声比较大。
 
    针对以上各类压缩机的优缺点,本文提出一种回转式活塞压缩机,该压缩机结构简单、零/部件少,且该压缩机将活塞的往复运动改为了回转运动。通过对回转式活塞压缩机的进一步优化设计,其运行效率有望高于传统活塞压缩机。
 
    1 回转式活塞压缩机的工作原理
 
    回转式活塞压缩机的工作原理图如图1 所示。该压缩机的主体结构为双环相交型气缸即左气缸3 和右气缸9.两个气缸的横截面形状均呈圆环形状且相交,在两个圆环形气缸交汇处的空间连通。左气缸3内设置有两个圆弧形活塞即左活塞1 和左活塞2; 右气缸9 内设置有两个圆弧形活塞即右活塞1 和右活塞2.左、右活塞分别在左气缸3 和右气缸9 空间内做回
 
    转运动且运转方向相反,图1 中箭头所示方向为活塞运转方向。左活塞1 上设有排气环形槽6,两气缸的下交汇处则开有吸气口11,在轴承座上开有排气孔5.图1 所示回转式活塞压缩机正处于左气缸3 压缩、右气缸9 吸气的状态,此时,两气缸的上交汇处被右活塞1 占据,而在左气缸3 中,左活塞1 与右活塞1 的圆弧面外侧形成压缩腔体4,左活塞1 顺时针运转,开始压缩气体,当左活塞1 上的排气环形槽6 与轴承座上的排气孔5 连通时,开始排气; 两气缸的下交汇处被左活塞2 占据,在右气缸9 中,右活塞2 与左活塞2 的圆弧面外侧形成吸气腔体10,右活塞2 逆时针运转形成吸气过程,气体从吸气口11 进入右气缸9,从而实现压缩机左气缸3 压缩、右气缸9 吸气的过程。同理,可知右气缸9 压缩、左气缸3 吸气的过程。
 
    2 回转式活塞压缩机的外形结构
 
    回转式活塞压缩机的双圆环形气缸外形结构如图2 所示,回转式活塞压缩机的壳体由两个完全关于空间中心对称的圆环空心体( 简称圆环体) 交汇组成。每一个圆环体的一侧端面是封闭的,另一侧端面是开口的,开口的一端用活动端盖3 密封。活塞5 与圆环体中心轴2 连接,电动机通过中心轴带动活塞旋转。通过两个圆环体中心轴上的齿轮1 之间的啮合,实现一个电动机带动两个圆环体的活塞旋转。
 
    3 压缩机的某些细节设计
 
    3. 1 压缩机的排气结构
 
    此回转式活塞压缩机具有合理的排气结构,可以不设排气阀,因而不会出现阀片的“颤抖”和“延迟关闭”的现象,也不会造成排气阀片的频繁开启,可以使压缩机获得更高的工作效率,降低噪声,增加工作平
 
    稳性。回转式活塞压缩机的活塞结构、排气结构分别如图3 和图4 所示。
 
    在活塞的前端开有排气环形槽,除此排气环形槽与压缩机的工作腔相通外,其余部分与工作腔均不连通。回转式活塞压缩机的排气结构中,在两个气缸的上交汇处附近、气缸的封闭端盖上开有一个排气孔。
 
    当活塞按如图4 所示的箭头方向转动时,随着密封腔体积的缩小,腔内的气体被逐渐压缩,当腔内的气体压力达到排气压力时,活塞结构上的排气环形槽与封闭端盖上的排气孔连通,此时气缸开始向外排气。这
 
    种排气结构类似螺杆式压缩机的轴向排气结构。
 
    3. 2 压缩机的密封和润滑
 
    3. 2. 1 密封
 
    由于回转式活塞压缩机的活塞高速旋转,而气缸静止不动,为了避免在运转过程中活塞与气缸发生干涉,减少磨损和发热,二者配合必然存在一定的间隙,因此,就会有气体从压缩机内部的高压区域向低压区域泄漏。由于本回转式活塞压缩机为开启式压缩机,圆环体中心轴与活塞连接部位也会发生气体向压缩机外部泄漏的情况。而压缩机的泄漏不仅会使输气量减少,也会增加功率的消耗,因此,必须采取一定的密封措施。压缩机的密封系统可减少或防止气体的泄漏,提高输气量和效率,降低功耗。
 
    压缩机的密封方式如图5 所示,本回转式活塞压缩机的活塞与气缸和轴承底座之间均采用迷宫密封,气缸与轴承底座之间采用O 型圈密封。
 
    3. 2. 2 润滑
 
    润滑的目的一是为了降低各摩擦表面的热量,减轻磨损,延长运动部件的使用寿命; 二是为了减少摩擦功的消耗; 三是为了增加密封性,减少泄漏,提高压缩机的工作效率。良的润滑还能在一定程度上起到洗涤、防锈、缓冲和防震等作用。活塞式压缩机气缸内部的润滑方式大致有飞溅润滑、吸油润滑和压力注油润滑三种。根据本文回转式活塞压缩机的特点选用压力注油润滑方式,润滑系统分为内部润滑和外部润滑两部分,内部润滑主要用于对气缸和转子压缩容积部件的润滑; 外部润滑又称循环润滑,是利用压缩机运转产生的压力差,使润滑油循环于机体内,用来润滑轴、轴承和齿轮等运动机构的零/部件。
 
    气缸中润滑油的油路图如图6 所示,空气由进气口4 被高速吸入混合区2,并在混合区2 内形成负压,将油箱内的润滑油通过进油口3 吸入该区域内,空气和润滑油在混合区2 内混合后一起被吸入气缸。其中一部分润滑油在气缸内形成油膜,油膜均匀地分布在活塞和气缸的间隙内,起到润滑和密封的作用; 另一部分润滑油与空气组成油气混合物在气缸内沿图6 所示箭头方向流动,起到冷却气缸壁和活塞的作用。最终,油气混合物流经排气口1 后排放到油气桶内。
 
    3. 3 压缩机的能量调节机构
 
    压缩机系统的能量调节一般有以下几种方式: 1)压缩机并联方式,如将多台压缩机并联使用在同一制冷系统中,不仅可以拓宽制冷系统的容量范围,降低启动电流,延长压缩机的使用寿命,还能大幅度地简化系统,降低成本; 2) 变频调节方式,如: 变转速、变容积压缩机; 3) 位式能量调节方式,如采用带有气缸卸载装置的压缩机; 4) 气旁通或液旁通又称进排气连通调节方式,该调节方式是将进气管和排气管用旁通管路加以连通,并在旁通管路上设置旁通阀门,通过旁通阀门的开度对排气进行调节; 5) 压缩机开停调节方式,如小型制冷机,当其所需温降低于规定值下限时,通过温度继电器使压缩机停机,当其所需温升高于规定值上限时,通过温度继电器使压缩机开机; 6)吸气节流调节方式,如等压力调节即保持入口压力不变,通过改变压缩机进口节流阀的开度实现节流调节; 7) 塞柱阀调节方式,在正常状态下,电磁阀闭合,与衔铁芯连接成一体的回流孔塞将回流孔口和回流通道封堵。当电磁线圈通电后,衔铁芯产生的电磁力使得衔铁芯连同回流孔塞克服弹簧力而下移,此时电磁阀开启,回流孔被打开,从而实现对系统的能量调节。
 
    本文回转式活塞压缩机使用塞柱阀调节和变频调节相结合的方案,能尽量减少调节时的不利因素影响,突出各调节方式的优势。塞柱阀能量调节方式示意图如图7 所示,共设置有3 个塞柱阀能量调节孔,分别对应图7 中数字编号1、2、3.当系统需要减少输气量时,将塞柱阀能量调节孔3 打开,使得工作容积内一部分制冷剂气体直接旁通到环境中。当系统需要进一步减少输气量时,则将塞柱阀2 也打开。由此可知,利用3 个塞柱阀能量调节孔的启闭可实现输气量的变频调节。塞柱阀能量调节孔的启闭可用油压通过电磁阀控制来实现。塞柱阀能量调节孔1、2、3 调节输气量时的调节负荷分别为25%、50%、75%.
 
    4 样机及实验
 
    本文设计并制作的回转式活塞压缩机样机如图8所示,设计要求压缩比范围为2. 5 ~ 3.经过一系列的改进和优化后对压缩机样机进行了测试实验,测试实验台系统简图如图9所示。
 
    该测试实验台主要是为了测量样机的实际排气量Q 和压缩机功耗W.采用喷嘴法进行实验,在排气口处设置一个喷嘴对排气流量进行测试,喷嘴法测试实验装置实物图如图10所示。
 
    根据容积式压缩机流量测量方法(GB/T15487-1995) 可知,压缩机实际排气量Q 的计算公式为:
 
    式中: Q 为压缩机的实际排气量,m3 /min; Δp 为喷嘴前后压差,Pa; ps为吸气压力,其大小等于大气压力p0,Pa; Tx1为压缩机吸气的绝对温度,K; Tt为喷嘴前气体的绝对温度,K; c 为喷嘴系数; d 为喷嘴直径,mm.测试实验条件为: 大气压力即吸气压力ps =101 325Pa,喷嘴直径d = 4. 741 4mm,喷嘴系数c =0. 952,压缩机理论排气量Q0 = 136. 17L /min.由此得到的测试数据如表1 所示,电动机功耗测试数据如表
 
    2 所示,共进行3 次测试。
 
    根据容积式压缩机流量测量方法( GB /T15487-1995) 可知,压缩机功耗W 的计算公式为:
 
    式中: U 为变频器显示电压,V; I 为达到排气压力时的电流,A; cosφ 为电动机功率因子,0.82; ηm为电动机效率,0.92; ηp为皮带轮传动效率,0.97.
 
    所以,利用表2 所得数据( 取平均值) 由式(2) 可计算出压缩机耗功W = 2569.6W.样机实验表明: 在吸气压力为0. 1MPa 时,排气压力达到了0.25MPa,压缩比( 0.25 /0.1 = 2.5) 达到了设计要求; 本文回转式活塞压缩机的容积效率为45% ,已知相同排气量及运行工况的活塞式压缩机的容积效率为70% ~ 80% ,故本文压缩机效率偏低。但该压缩机还有很大的改进空间,因为为了确保样机能安全运行,在样机设计时,将活塞与气缸、活塞与轴承座的配合间隙取得较大,造成了较大的泄漏。下一步将通过缩小各结构间的配合间隙来提高容积效率。
 
    5 回转式活塞压缩机的应用预测
 
    目前,市场上冰箱用压缩机主要有活塞式压缩机和滚动转子式压缩机。活塞式压缩机运行过程中存在往复惯性力等缺点; 滚动转子式压缩机主要存在部件易磨损、低转速运行性能差等缺点。一些效率较高的回转式压缩机( 如涡旋压缩机、螺杆压缩机) 不适合制作应用于冰箱的小功率压缩机。
 
    本文提出的回转式活塞压缩机克服了传统活塞式压缩机存在往复惯性力的缺点,并且具有小型化,零/部件数量少,无吸、排气阀等易损部件的优势,有望成为冰箱用压缩机。
 
    6 结语
 
    本文提出的回转式活塞压缩机具有结构简单、零/部件数量少等特点。经样机测试,验证了该压缩机工作原理的可行性,压缩比达到了设计指标,但容积效率偏低。可通过缩小活塞与气缸、活塞与轴承座的配合间隙的方法来提高该压缩机的容积效率,该机的进一步完善将使其有望成为冰箱用压缩机。

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