Линейные компрессоры работают за счет возвратно-поступательного движения поршня, обеспечиваемого комбинацией линейного двигателя и пружины [1]. Этот тип исполнительного механизма значительно уменьшает количество движущихся частей, увеличивая механическую эффективность и делая компрессор пригодным для миниатюризации [2] и применения в электронном охлаждении [3]. Большинство современных исследований в области компрессорных технологий направлены на повышение термодинамической эффективности. Одним из аспектов, который способствует снижению объемной и изэнтропической эффективности герметичных компрессоров, является перегрев газа за счет теплообмена между внутренними компонентами [4].
Теплопередача в поршневых компрессорах (например, компрессор КС-10) интенсивно изучалась с использованием различных численных подходов, следуя сосредоточенным, дифференциальным и гибридным составам. Модели с сосредоточенными параметрами [5-8] используются, когда на первых этапах проектирования компрессора требуются низкие вычислительные затраты. Дифференциальные модели необходимы, когда необходимо полное описание явления [9-11]. Гибридные модели [12-14] сочетают составные и дифференциальные формулировки и предлагают компромисс между вычислительными затратами и точностью.
Шрайнер [15] провел сравнительный анализ между дифференциальной и гибридной моделями, чтобы предсказать распределение температуры поршневого компрессора. Автор заметил, что предсказания гибридной модели лучше согласуются с экспериментальными данными. Расхождения, наблюдаемые в дифференциальной модели, объясняются потоком смазочного масла над компонентами компрессора, который не учитывался при моделировании. Гибридная модель учитывает это путем экспериментальной калибровки теплопроводности.
В этой статье представлена модель для прогнозирования температурного поля безмасляного линейного поршневого компрессора с особым вниманием к перегреву газа во время процесса всасывания. Подход к моделированию состоит из двух связанных подмоделей: переходной сосредоточенной модели для цикла сжатия и модели конечного объема для теплопередачи в твердых компонентах и в потоке газа внутри компрессора.
Имитационная модель была разработана и применена для прогнозирования распределения температуры безмасляного линейного компрессора, предназначенного для бытового охлаждения. Модель принимает сосредоточенную формулировку для цикла сжатия и дифференциальную формулировку для потока жидкости и теплопередачи в остальных компонентах компрессора. Предсказания и экспериментальные данные были найдены в разумном согласии, за исключением некоторых мест на пути газа и твердых компонентов. Модель была применена для анализа влияния теплообмена и теплоизоляции внешней конвекции на перегрев всасывания. Модель особенно полезна для конструкции компрессора, так как не требует экспериментальной калибровки.
Использованные источники
[1] Van Der Walt N and Unger R 1994 Linear Compressors – A Maturing Technology Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[2] Bradshaw C, Groll E and Garimella S 2011 A Comprehensive Model of a Miniature-Scale Linear Compressor for Electronics Cooling Int. J. Refrigeration 34 63–73
[3] Unger, R L and Novotny S 2002 A High Performance Linear Compressor for CPU Cooling Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[4] Prasad B G S 1998 Heat transfer in Reciprocating Compressors Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[5] Meyer W and Thompson H 1988 An Analytical Model of Heat Transfer to the Suction Gas in a Low-Side Hermetic Refrigeration Compressor Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[6] Ooi K T 2003 Heat Transfer Study of a Hermetic Refrigeration Compressor J. Applied Thermal Engineering 23 1931–45
[7] Padhy S K 1992 Heat Transfer Model of a Rotary Compressor Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[8] Todescat M L, Fagotti F, Ferreira R T S and Prata A T 1992 Thermal Energy Analysis in Reciprocating Hermetic Compressors Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[9] Birari Y V, Gosavi S S and Jorwekar P P 2006 Use of CFD in Design and Development of R404a Reciprocating Compressor Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[10] Chikurde C and Longanathan E 2002 Thermal Mapping of Hermetically Sealed Compressors Using Computational Fluid Dynamics Technique Proc. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[11] Raja B, Seckar S J, Lal D M and Kalanidhi A 2003 A Numerical Model for Thermal Mapping in a Hermetically Sealed Reciprocating Compressor Int. J. Refrigeration 26 652–58
[12] Almbauer R A, Burgstaller A, Abidin Z and Nagy D 2006 3-Dimensional Simulation for Obtaining the Heat Transfer Correlations of a Thermal Network Calculation for the Hermetic Reciprocating Compressors Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[13] Ribas Jr F A 2007 Thermal Analysis of Reciprocating Compressors Proc. Int. Conf. on Compressors and their Systems (London, UK)
[14] Sanvezzo Jr J and Deschamps C J 2012 A Heat Transfer Model Combining Differential and Integral Formulations for Thermal Analysis of Reciprocating Compressors Proc. Int. Compressor Eng. Conf. at Purdue (West Lafayette, IN, USA)
[15] Schreiner J E 2008 Simulation Methodologies Development for Thermal Management Solution Analysis Applied to Refrigeration Reciprocating Compressor MSc Dissertation (Federal University of Santa Catarina, Florianopolis, Brazil)
[16] Annand W J D 1963 Heat Transfer in the Cylinders of the Reciprocating Internal Combustion Engines Proc. Institution of Mechanical Engineers 177 973–96
[17] Deschamps C J, Prata A T and Ferreira R T S 2000 Modelling of Turbulent Flow Through Radial Diffusers J. Brazilian Society of Mechanical Sciences 22 31–41
Thermal modelling and analysis of an oil-free linear compressor
Maurício Júlio De Oliveira