运行参数对级联有阀线性压缩机的影响分析

丁 磊 张 华 沙鑫权 蒋珍华 刘少帅 吴亦农

(1 上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

(2 中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)

1 引 言

宇宙处于深低温区环境,为有效探测天体辐射的微弱信号,需要超导量子干涉器件、超导太赫兹探测器件、毫米亚毫米波探测器件等超高灵敏度的探测器件。为降低其背景热噪声、抑制环境干扰,液氦温区深低温制冷技术成为空间基础设施建设、深空宇宙星际探测、基础物理精密测量、量子科学的核心技术之一。

液氦温区的主流制冷方式是采用焦耳-汤姆逊效应(Joule Thomson,JT)进行节流制冷,满足2—10 K的制冷需求。两级有阀线性压缩机驱动的4 K 级JT节流制冷机已在多项空间项目中得到成功应用。20世纪80 年代,卢瑟福实验室(Rutherford Appleton Laboratory,RAL)与欧洲宇航局(European Space Agency,ESA)合作进行4 K 温区JT 节流制冷机研究,于1995 年获得11 mW@4.35 K 的最佳性能,两级对置式单活塞线性压缩机为其提供1.0 MPa/0.1 MPa 的高低压,质量流量为3 mg/s[1]。日本住友重工在日本宇航局的支持下,先后完成了4 K 级JT 节流制冷机样机(1997 年)[2]、工程样机(2001 年)[3]、飞行原理样机(2004 年)[4]的研制。为了满足制冷机的制冷需求,采用了两级串联压缩为其提供约16 的压比[4]。由日本宇航局和美国宇航局主导的Astro-H 卫星项目,分别于2008 年[5]、2011 年[6]、2012 年[7]研制出了3 款工程样机,均采用两级压缩实现了4 K 温区50 mW的制冷量。2014 年,中国科学院理化技术研究所曾报道出一款由三级斯特林型脉管制冷机预冷的两级压缩JT 节流制冷机的研究情况。该制冷机能无负荷实现最低温度4.41 K。在充压为0.4 MPa,运行频率均为50 Hz,预冷温度低于40 K 时,获得11.6 mW@4.54 K的制冷性能[8]。

两级有阀线性压缩机是JT 制冷机的核心部件,为循环提供了所需的大压比和质量流量。其使用了直线电机驱动、板弹簧支撑、间隙密封等技术,因此能够具备震动小、无油、长寿命等优势。运行参数的优选能极大发挥有阀线性压缩机的输出性能,为此,针对两级有阀线性压缩机的运行频率、活塞行程、充气压力进行各参数影响的实验研究,获得其最佳的输出性能。

2 有阀线性压缩机的工作特性

2.1 活塞运动特性

有阀线性压缩机采用双活塞对置式结构,其几何模型(单侧)如图1 所示。活塞的初始平衡位置为x0,在线性电机的驱动下,活塞始终在上止点(TDC)与下止点(BDC)之间进行往复运动。

图1 有阀线性压缩机模型结构图[9]Fig.1 Structure diagram of valved linear compressor

活塞在往复运动的过程中,压缩腔内的体积V1一直处于变化的状态,其可以表示为:

式中:x(t)为活塞任意时刻位置;xTDC为上止点位置;xBDC为下止点位置;Ap为活塞截面积;xdead为死体积位置。

吸排气体积Vsuc、Vdis可分别用活塞的位置表示:

式中:sTDC为活塞上止点行程;sBDC为活塞下止点行程。

活塞的截面积Ap是定值,则压比可以表示为:

式中:Pdis为排气压力;Psuc为吸气压力;k为绝热指数。

直流线性压缩机的理论质量流量可以表示为:

式中:ρ为密度;f为频率。

2.2 有阀线性压缩机效率

直线电机在运行过程中会存在铜损和铁损,铁损相对较小可忽略,则电机效率可表示为:

式中:Pin为输入功率;Iac为电流;R为电阻;Uac为电压。

3 实验装置

3.1 实验方法

液氦温区JT 节流制冷机一般由3 大部分组成:预冷系统(提供相应的转化温度)、大压比直流压缩机系统(提供相应的流量及压比)、JT 节流冷指(获得液氦温度)[10]。在整机运行过程中,氦工质达到其转化温度以下的周期、变参数运行后冷头温度的稳定周期均过长,且容易发生污染堵塞问题,因此采用负载替代的方法,用可调节开度的计量阀代替原有的节流小孔,建立常温实验台研究运行参数变化对两级级联有阀线性压缩机输出特性的影响。

3.2 实验台

为了研究两级压缩的输出特性及级间的耦合关系,搭建了如下图2 所示的两级级联有阀线性压缩机性能测试平台。两台不同活塞直径的线性压缩机均由本实验室自主研发,两台线性压缩机的最大活塞行程均为9 mm。在线性压缩机外设置了一组进排气阀,通过阀片的作用,完成氦工质的单向循环,提供一定的压比与流量[11]。通过加装实验室研制的位移传感器获得有阀线性压缩机的活塞位移,同时在两台压缩机的压缩腔内安装了动态压力传感器(Pd)来监测腔内压力的振荡。这两款传感器均需要在实验前对其进行标定[12]。整个闭式循环中共设置了3 处静态压力(Ps)监测点:高压级出口管路、低压级进口管路以及级间管路,系统的质量流量通过Bronkhorst 质量流量计进行测量。

图2 两级有阀线性压缩机实验系统Fig.2 Experimental system of two-stage valved linear compressor

4 有阀线性压缩机运行参数

研究运行参数(运行频率、活塞行程、充气压力)对两级级联有阀线性压缩机输出特性的影响,是在如下表1 所示的特殊工况下进行的。为能满足压缩机长期稳定运行,活塞的最大行程控制在8 mm(约占总行程的88%),且压缩机的共振频率已包含在研究范围内。系统的负载保持恒定值,计量针阀的开度为3。

表1 实验工况Table 1 Experimental conditions

4.1 运行频率的影响

运行频率与活塞行程均是影响压缩机扫气量的重要运行参数。从式(4)—(5)也体现,运行频率及活塞行程会影响压缩机的压比与流量。如图3—4 是不同运行频率下压缩机的输出特性变化情况。随着低压级频率的增大,吸气量增大,低压压力降低;高压级频率的增大,排气量增大,高压压力升高,因此随着两级频率的逐渐增大,总压比增大。当运行频率较小时,压缩机输出的质量流量很小,与式(5)所表述的趋势一致。

图3 压比随运行频率的变化Fig.3 Variation of pressure ratio with operating frequency

图4 质量流量随运行频率的变化Fig.4 Variation of mass flow with operating frequency

压缩机的电机效率反映电机的损耗,电机受到负载的影响越小,损耗越小,效率越高。从图5 中可以看出,随着高低压级运行频率的变化,高低压级的共振频率分别稳定在40 Hz/35 Hz。在前序的研究中[13],单台有阀线性压缩机的共振频率在40 Hz,当两台压缩机级联之后,共振频率发生了偏移。这是因为相同的初始工况下,单级压缩与级联压缩运行时所受的气体负载是不一致的。对于低压级压缩机,所受的气体负载变小,因此共振频率降低。效率表征压缩机输入功耗的转换程度。在图6 中,随着两级频率的增加,使得压缩机的热力学能减小,同时单位时间内压缩机的扫气量增加,耗功增大,故频率越高,总的效率越低。

图5 各级电机效率随运行频率的变化Fig.5 Variation of motor efficiency with operating frequency

图6 级联压缩总效率随各级运行频率的变化Fig.6 Variation of total exergy efficiency with operating frequency of each stage

4.2 活塞行程的影响

活塞行程及压缩腔内余隙容积的大小直接影响压缩机的吸排气量。为了研究活塞行程的单因素影响,在各级压缩机运行过程中,通过增加直流电压分量,控制活塞的行程余隙,保证任一工况下余隙容积一致。在一定的工况条件下,活塞行程增大,压比增大,可直接通过式(4)表征行程与压比的关系。从图7 中可以看出,低压级(高压级)压缩机活塞行程增大时,其压比增大,高压级(低压级)所实现的压比减小。图8 所示为稳定工况下级联压缩机输出的质量流量变化,当压缩机活塞行程增大,该级吸气体积增大,所能提供的质量流量增大。同时,质量流量增长的幅度与高压级行程的变化关联程度更大,当高压级行程为8 mm 时,质量流量是行程为2 mm 时的2 倍;低压级行程的增长,质量流量的增长程度较小。

图7 压比随活塞行程的变化Fig.7 Variation of pressure ratio with piston stroke

图8 质量流量随活塞行程的变化Fig.8 Variation of mass flow with piston stroke

从如图9 可以发现,各级的电机效率变化仅与该级行程的变化有关,变化趋势先增后减,在6 mm 行程时出现峰值,达到最高的电机效率(发生共振)。这是因为随着活塞行程的变化,活塞所受到的负载也在不断地变化,导致直流线性压缩机的谐振频率不断变化。如图10 所示,在一定行程范围内,各级压缩机的效率均大于15%。当各级行程发生变化时,压缩机的效率随行程的增大先增大后减小。在图中所示(下方为三维图的投影图)是一个特殊的状态点,此时总的压缩机效率达到最大值22.3%,偏离(4 mm,4 mm)越远,总的压缩机效率越低。

图9 各级电机效率随行程的变化Fig.9 Variation of motor efficiency with piston stroke

图10 压缩机总效率随高低压级行程的变化Fig.10 Variation of the total exergy efficiency with piston stroke of each stage

4.3 充气压力的影响

无油线性压缩机工质的充注量对压缩机的输出特性及效率会产生影响。如图11 所示,随着充气压力的增大,各级压比以及总压比基本保持恒定值(低压级压比2,高压级压比3.5),这是因为在两级有阀线性压缩机的运行过程中,活塞行程以及运行频率均没有发生变化,换言之,压缩机的体积变化率没有发生变化,维持了此工况下的压缩能力。当系统中氦工质的充气压力增大时,平均密度提高,通过式(5)可直观地发现,质量流量与密度是正比例关系,与图11的变化趋势一致。充气压力对高低压级电机效率的影响是不同的。如图12 所示,随着充气压力的增大,低压级压缩机的固有频率逐渐靠近谐振频率,电机效率持续增大;而高压级压缩机则随着充气压力的增加逐渐偏离原谐振点,电机效率逐渐减小。

图11 不同充压下,流量和压比的变化Fig.11 Variation of mass flow and pressure ratio under different charging pressures

图12 不同充压下各级电机效率的变化Fig.12 Variation of motor efficiency under different charging pressures

图13 不同充压下效率的变化Fig.13 Variation of total exergy efficiency under different charging pressures

5 结 论

(1)级联压缩机的运行频率及活塞行程影响压缩机的扫气量。扫气量越大,级联压缩机输出的流量、压比越大;同时各级扫气量会存在一定的耦合关系,不同的耦合状态对压缩机效率产生影响。

(2)低压压力与JT 制冷机的制冷温度成正比例关系,为了获得更低的低温温度,需要降低低压压力,在其他工况条件一定下,降低充气压力可实现所需的低压压力。

(3)压缩机负载随工况的变化而变化,因此为了获得较高的电机效率,应使压缩机的运行频率靠近固有频率即谐振频率,有助于实现更高的效率。