部分負(fù)荷下螺桿壓縮機(jī)電機(jī)內(nèi)流動(dòng)與換熱研究

陳文卿，沈九兵，吳華根，邢子文

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

部分負(fù)荷下螺桿壓縮機(jī)電機(jī)內(nèi)流動(dòng)與換熱研究

陳文卿*，沈九兵，吳華根，邢子文

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

制冷用耐氟利昂三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)中，由壓縮機(jī)吸氣冷卻電機(jī)。為研究冷媒對(duì)電機(jī)的冷卻效果，考察冷媒流經(jīng)電機(jī)后的溫升及壓力損失對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，確保電機(jī)安全可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行，基于流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱路理論建立了部分負(fù)荷下半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了不同負(fù)荷下定子繞組溫度分布，冷媒溫升和壓降，以及壓縮機(jī)功耗和容積效率等宏觀(guān)性能參數(shù)的的變化趨勢(shì)。研究表明，定子繞組溫度和冷媒流經(jīng)電機(jī)后的過(guò)熱度隨負(fù)荷下降而快速上升，不可逆損失增加，為保證電機(jī)絕緣可靠性和效率，應(yīng)避免壓縮機(jī)在過(guò)低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

部分負(fù)荷；半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)；電機(jī)；流動(dòng)；換熱

*陳文卿(1985-)，男，博士研究生。研究方向：螺桿制冷壓縮機(jī)流動(dòng)與換熱研究。聯(lián)系地址：西安市咸寧西路28號(hào)西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院。聯(lián)系電話(huà)：029-82675258。Email：qing-ch@stu.xjtu.edu.cn。

本論文優(yōu)選自中國(guó)制冷學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文。

0 引言

通常，半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)為耐氟利昂三相異步電動(dòng)機(jī)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)電機(jī)）。電機(jī)與壓縮機(jī)封裝在同一個(gè)殼體內(nèi)，并與壓縮機(jī)陽(yáng)轉(zhuǎn)子同軸，由蒸發(fā)器來(lái)的冷媒先經(jīng)電機(jī)內(nèi)部流道吸收電機(jī)發(fā)熱量后再由壓縮機(jī)吸入。半封閉結(jié)構(gòu)不僅克服了開(kāi)啟式制冷壓縮機(jī)軸封不可靠，噪聲大的缺點(diǎn)，還簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了部件，提高了可靠性，使螺桿壓縮機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)在制冷領(lǐng)域得到了充分的發(fā)揮。螺桿制冷壓縮機(jī)經(jīng)常在部分負(fù)荷下運(yùn)行[1]，可用于電機(jī)冷卻的冷媒流量減少，嚴(yán)重影響電機(jī)的安全運(yùn)行與壓縮機(jī)性能。因此，研究部分負(fù)荷下半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)與換熱特性，對(duì)電機(jī)選型，合理布置電機(jī)冷卻流道以及提高系統(tǒng)整體性能具有重要意義。

1 流道布置

電機(jī)運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生損耗，損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽闺姍C(jī)各部分的溫度升高，直接影響到電機(jī)效率和絕緣可靠性。冷媒流經(jīng)電機(jī)時(shí)，吸收電機(jī)所散發(fā)的熱量，并且由于定轉(zhuǎn)子氣隙等流道內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，造成一定的吸氣過(guò)熱度與壓力損失，從而影響壓縮機(jī)的熱力性能。為便于區(qū)分吸氣管路過(guò)熱與壓降，將冷媒流經(jīng)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的溫升與壓力損失稱(chēng)為電機(jī)過(guò)熱度與電機(jī)壓降。根據(jù)損耗產(chǎn)生的機(jī)理，可將其劃分為鐵心損耗，定子銅耗，轉(zhuǎn)子鋁耗和負(fù)載雜散損耗。在三相異步感應(yīng)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子鐵心與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)轉(zhuǎn)速較小，轉(zhuǎn)子鐵心損耗可忽略不計(jì)[2]，鐵心損耗可近似認(rèn)為全部為定子鐵耗。負(fù)載雜散損耗包括由于定子或轉(zhuǎn)子的工作電流所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)（含諧波磁場(chǎng)）在定、轉(zhuǎn)子繞組和鐵心及結(jié)構(gòu)件里引起的各種損耗。一般地，半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不高于6000 r?min-1，由流經(jīng)其中的冷媒引起的通風(fēng)損耗可忽略不計(jì)[3]。結(jié)合各損耗的分布特性，如圖1所示，電機(jī)內(nèi)的冷媒流道主要有定子外圍冷卻流道和定轉(zhuǎn)子間氣隙(為表示清晰，圖中夸大了氣隙長(zhǎng)度)，為使電機(jī)轉(zhuǎn)子在較低的溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)在轉(zhuǎn)子軛上成圓周地開(kāi)設(shè)若干個(gè)冷卻孔。

圖1 半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)冷卻流道

2 數(shù)學(xué)模型

在半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)中，從蒸發(fā)器來(lái)的冷媒溫度較低，使得電機(jī)端殼體的表面溫度往往低于周?chē)h(huán)境溫度，電機(jī)并不一定會(huì)向環(huán)境放熱，反而可能會(huì)從環(huán)境中吸收熱量，電機(jī)的冷卻主要靠流經(jīng)其中的冷媒實(shí)現(xiàn)。因此，除電機(jī)發(fā)熱量，入口處的冷媒狀態(tài)與流量外，電機(jī)各部件的溫度、冷媒流經(jīng)電機(jī)后產(chǎn)生的電機(jī)過(guò)熱度和電機(jī)壓降還取決于各冷卻流道內(nèi)的流動(dòng)與換熱特性。建立有效的速度分布與傳熱模型，是準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)內(nèi)壓力與溫度分布的基礎(chǔ)。

2.1 速度分布

如圖1所示，冷媒從由吸氣管路末端進(jìn)入電機(jī)左側(cè)端面繞組空間后分為三路，分別經(jīng)由定子外圍流道、氣隙和轉(zhuǎn)子冷卻孔到達(dá)右側(cè)端面繞組空間，最后由壓縮機(jī)吸入隨陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子嚙合被壓縮至高壓狀態(tài)而由排氣孔口排出。由于鐵心長(zhǎng)度較短，壓縮機(jī)吸氣流速較低(<10 m?s-1)，電機(jī)內(nèi)的流動(dòng)可近似視為粘性不可壓縮管道流動(dòng)。其中，定子外圍流道軸向長(zhǎng)度與截面尺寸的比值較小，必須考慮入口段效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子狹窄氣隙內(nèi)流動(dòng)可抽象為環(huán)形截面流道內(nèi) Taylor-Couette-Poiseuille流[4]，而轉(zhuǎn)子冷卻孔內(nèi)的流動(dòng)則為典型的繞平行軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形截面管道內(nèi)的軸向流[5]。

流體網(wǎng)絡(luò)是研究管道系統(tǒng)流動(dòng)的有力工具，可用于分析在各種流體管路系統(tǒng)中的速度與壓力分布，是流體力學(xué)和電氣網(wǎng)絡(luò)傳輸線(xiàn)理論交叉形成的一門(mén)應(yīng)用科學(xué)。在流體網(wǎng)絡(luò)中，壓力被模擬為電壓，流量相當(dāng)于電流，流動(dòng)阻力則被等效為電路中的電阻，并引入了對(duì)應(yīng)于電容和電感的等值流體參數(shù)流容和流感。當(dāng)壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，冷媒在電機(jī)中的流動(dòng)為定常粘性不可壓縮流，此時(shí)流體網(wǎng)絡(luò)中的電容和電感不起作用，屬于直流流體網(wǎng)絡(luò)（圖2），管道內(nèi)的壓力與速度分布可由流阻確定。圖中流阻包括沿程阻力損失流阻和截面突變引起的局部阻力損失流阻。

圖2 半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)流體網(wǎng)絡(luò)

圖3 結(jié)構(gòu)件導(dǎo)熱模型

2.2 等效熱路

在諸多電機(jī)熱分析方法中，最為廣泛應(yīng)用的為集總參數(shù)等效熱路法[6]。根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其劃分為若干結(jié)構(gòu)件單元和冷媒單元，每個(gè)單元用一個(gè)存儲(chǔ)有熱容、熱源等信息的節(jié)點(diǎn)表示，節(jié)點(diǎn)溫度代表該單元的平均溫度，相鄰的節(jié)點(diǎn)由代表單元間換熱特性的熱阻連接。其中熱容代表單元存儲(chǔ)熱量即抵抗溫度上升的能力，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)在等效熱路中不起作用。熱源等效于電氣回路中的電流源，包據(jù)電機(jī)損耗和其他加熱作用，其中電機(jī)損耗按照其產(chǎn)生機(jī)理均勻分布于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件單元中。

2.2.1 “T”導(dǎo)熱模型

鼠籠式三相異步感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)件大多為圖3(a)所示的柱狀體，假設(shè)軸向與徑向?qū)嵯嗷オ?dú)立，忽略圓周方向的熱傳遞，結(jié)構(gòu)件中的導(dǎo)熱便可由圖3(b)所示的“T”導(dǎo)熱模型描述。軸向和徑向的“T”導(dǎo)熱模型中均包含三個(gè)端點(diǎn)，其中上下兩個(gè)端點(diǎn)1，2分別代表結(jié)構(gòu)件軸向左、右端面或徑向外、內(nèi)表面的溫度，第三個(gè)節(jié)點(diǎn)表示結(jié)構(gòu)件的平均溫度。由于所有的結(jié)構(gòu)單元的平均溫度均由表征該單元的惟一節(jié)點(diǎn)溫度表示，徑向與軸向的“T”導(dǎo)熱模型中的端點(diǎn)3具有相同的溫度值，從而將相互獨(dú)立的兩個(gè)方向的熱傳遞聯(lián)系起來(lái)。分別對(duì)兩個(gè)方向的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程進(jìn)行獨(dú)立求解，可得軸向與徑向?qū)釤嶙瑁?/p>

對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)建立各自的徑向與軸向?qū)崮Ｐ?，并將相鄰?jié)點(diǎn)由熱阻連接起來(lái)，便可得到表征所有結(jié)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)間導(dǎo)熱的熱傳導(dǎo)矩陣：

式中TRi,j表示連接節(jié)點(diǎn)i，j的熱阻總和。

2.2.2 冷媒節(jié)點(diǎn)模型

在具有開(kāi)放式冷卻系統(tǒng)的電機(jī)中，熱量并不完全是簡(jiǎn)單地由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞，與固體結(jié)構(gòu)件間的導(dǎo)熱不同，氣體流動(dòng)具有不可逆轉(zhuǎn)性。壓縮機(jī)吸氣流經(jīng)電機(jī)時(shí)，吸收電機(jī)的發(fā)熱量，并且由于冷媒流動(dòng)的單向性，使得在某一冷卻流道內(nèi)下游氣體節(jié)點(diǎn)的溫度始終高于上游節(jié)點(diǎn)溫度。因此，為準(zhǔn)確描述電機(jī)內(nèi)的溫度分布與換熱特性必須對(duì)冷媒進(jìn)行獨(dú)立建模?；诜€(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流動(dòng)的假設(shè)，由熱力學(xué)第一定律可知，冷媒在某一區(qū)段吸收的熱量Φ與溫升ΔT存在以下關(guān)系：

式中，Rq定義為氣體熱阻，Q為流經(jīng)該區(qū)段的冷媒質(zhì)量流量，cp為定壓比熱容。

以定子外圍流道為例，表征由左側(cè)端面繞組空間經(jīng)由定子外圍流道流至右側(cè)端面繞組空間的所有冷媒節(jié)點(diǎn)間熱傳遞的氣體冷卻矩陣為：

其中Rq,i表示i區(qū)間內(nèi)冷媒熱阻，Qi為流經(jīng)節(jié)點(diǎn)i的冷媒質(zhì)量流量，ε是鐵心長(zhǎng)度范圍內(nèi)冷媒節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2.2.3 熱源

熱源是導(dǎo)致電機(jī)結(jié)構(gòu)件溫度升高以及冷媒電機(jī)過(guò)熱度的根本原因。在半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)中，供給吸氣端軸承的潤(rùn)滑油總是回到電機(jī)靠近壓縮機(jī)吸氣孔口的端面繞組空間，其溫度高于當(dāng)?shù)氐睦涿綔囟龋瑒?shì)必會(huì)對(duì)冷媒有一定的加熱作用。另外，螺桿壓縮機(jī)的噴油孔口和排氣端軸承回油孔口通常設(shè)在壓縮機(jī)過(guò)程剛開(kāi)始的階段，當(dāng)壓縮機(jī)處于部分負(fù)何時(shí)，滑閥低壓端面與固定塊之間出現(xiàn)旁通孔口，部分吸入工作腔內(nèi)的氣體經(jīng)由旁通孔口重新返回低壓腔，壓縮機(jī)過(guò)程延后。但是噴油孔口和排氣端軸承回油孔口的位置往往是固定不變的，并不隨滑閥的移動(dòng)而改變，從而使得旁通氣體中含有大量溫度較高的潤(rùn)滑油。同時(shí)，由于部分負(fù)荷下的預(yù)壓縮過(guò)程[7]，旁通氣體也有一定的溫升。所以，除了計(jì)入電機(jī)損耗外，還需考慮吸氣端軸承回油，軸承發(fā)熱以及部分負(fù)荷下旁通油-氣混合物對(duì)右側(cè)端面繞組空間內(nèi)冷媒的加熱作用。為此，在表征右側(cè)端面繞組空間內(nèi)冷媒的節(jié)點(diǎn)處引入一內(nèi)熱源TSref：

式中：

Qoil—吸氣端軸承回油質(zhì)量流量/kg?s-1；

coil—油比熱容/J? (kg K)-1；

F—滾動(dòng)軸承載荷/N；

d—滾珠圓心處直徑/mm；

u—滾珠圓心處速度/m?s-1；

Qbp,oil—旁通油質(zhì)量流量/kg?s-1；

Qbp,g—旁通冷媒質(zhì)量流量/kg?s-1；

Δhbp,g—旁通冷媒焓差/kJ?kg-1。

等效熱路的精度還取決于電機(jī)單元的離散程度，較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往會(huì)取得較高的準(zhǔn)確度。但是，過(guò)多的節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的計(jì)算量而且無(wú)益于準(zhǔn)確度的提升，所以選擇合適的節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)提高模型性能也是十分重要的。就半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)而言，鐵心長(zhǎng)度范圍內(nèi)的中間部分又可細(xì)分為兩段或更多的區(qū)段。電機(jī)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)相對(duì)入口處冷媒溫度的溫升可由下式求得：

式中[Φ]為熱源矩陣。

2.3 螺桿制冷壓縮機(jī)工作過(guò)程

部分負(fù)荷下螺桿制冷壓縮機(jī)的工作過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的變質(zhì)量熱力過(guò)程，包括吸氣、旁通、壓縮和排氣四個(gè)子過(guò)程,數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)綜合考慮泄漏、傳熱、噴油、部分負(fù)荷等影響因素，全面分析螺桿制冷壓縮機(jī)的工作特性。本文采用文獻(xiàn)[7]建立的螺桿制冷壓縮機(jī)部分負(fù)荷數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)部分負(fù)荷下螺桿壓縮機(jī)工作過(guò)程的準(zhǔn)確計(jì)算，得到壓縮機(jī)的吸氣質(zhì)量流量與軸功率，并將其作為流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱路的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行電機(jī)內(nèi)壓力與速度以及溫度分布的求解，從而可得圖4所示的描述半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)流動(dòng)與換熱特性的數(shù)學(xué)模型程序框圖。

3 試驗(yàn)研究

為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的可靠性，對(duì)某一型號(hào)R22半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)部分負(fù)荷下的工作過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究，選擇蒸發(fā)溫度-5 ℃，冷凝溫度35 ℃，吸氣管路過(guò)熱度7 ℃，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。在三相異步感應(yīng)電機(jī)中，定子銅耗占總損耗的1/3以上。定子槽內(nèi)繞組的軸向?qū)嵯禂?shù)幾乎等同于銅線(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)，由于絕緣材料的存在，徑向?qū)嵯禂?shù)卻要小得多，約為軸向?qū)嵯禂?shù)的1/10，大部分定子銅耗產(chǎn)生的熱量沿軸向傳遞給左、右兩側(cè)的端面繞組，使其成為電機(jī)中的溫度最高點(diǎn)；同時(shí)，定子繞組也是電機(jī)中最容易發(fā)生絕緣失效的部位。因此，試驗(yàn)中將 K型熱偶埋入定子繞組中測(cè)量繞組溫度(圖 5所示定子繞組中的圓形測(cè)點(diǎn))，與模型計(jì)算值進(jìn)行比較，考察不同負(fù)荷下定子繞組溫度的變化。在電機(jī)右側(cè)端面繞組空間采用嵌入式 K型熱電偶和壓阻式傳感器分別測(cè)量冷媒流經(jīng)電機(jī)后的溫度與壓力(分別對(duì)應(yīng)于圖 5所示端面繞組空間中的圓形測(cè)點(diǎn)與方形測(cè)點(diǎn))，參考冷媒在吸氣管路末端電機(jī)入口處的溫度與壓力，得到電機(jī)過(guò)熱度和電機(jī)壓降。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程在容積式制冷壓縮機(jī)全性能測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行，同時(shí)測(cè)量半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)在不同載位下的輸入功率，容積效率和 COP等宏觀(guān)性能參數(shù)。

圖4 程序框圖

表1 某型號(hào)半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)主要參數(shù)

圖5 電機(jī)中的溫度與壓力測(cè)點(diǎn)布置（圓點(diǎn)是溫度測(cè)點(diǎn)，方塊是壓力測(cè)點(diǎn)）

4 結(jié)果與討論

定子繞組軸向與徑向?qū)嵯禂?shù)的差別使得端面繞組成為電機(jī)中溫度最高的部位，由于溫度較低的冷媒自圖1所示的左側(cè)端面繞組空間進(jìn)入，使左側(cè)端面繞組的溫升有較大幅度的緩解。隨冷媒經(jīng)各冷卻流道向右側(cè)端面繞組空間流動(dòng)，吸收電機(jī)損耗產(chǎn)生的熱量而使溫度逐漸升高，從而導(dǎo)致右側(cè)端面繞組相對(duì)左側(cè)端面繞組得到的冷卻程度較低。因此，定子繞組從左向右的軸向溫度曲線(xiàn)應(yīng)該是先從左側(cè)端面繞組下降，然后逐漸升高至右側(cè)端面繞組溫度最高點(diǎn)。

圖6是該半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)在不同負(fù)荷下定子繞組溫度分布，電機(jī)過(guò)熱度和電機(jī)壓降，以及輸入功率與容積效率的試驗(yàn)測(cè)量值及模型計(jì)算值。從圖中可以看出，計(jì)算值與測(cè)量值吻合很好，表明本文建立了數(shù)學(xué)的模型可以準(zhǔn)確地用于半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)的流動(dòng)與換熱研究。

當(dāng)壓縮機(jī)處于部分負(fù)荷時(shí)，部分被壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子吸入的冷媒經(jīng)由旁通孔口返回到電機(jī)右側(cè)端面繞組空間，壓縮機(jī)容積效率與功耗降低，可供冷卻電機(jī)的冷媒流量減少。在半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)中，功耗由三部分組成，包括壓縮機(jī)軸功率，冷媒吸收的電機(jī)損耗以及經(jīng)殼體表面向環(huán)境釋放的電機(jī)損耗(當(dāng)電機(jī)段殼體表面溫度低于環(huán)境溫度時(shí)為負(fù)值)。隨著負(fù)荷的下降，功耗偏離電機(jī)額定功率越大，電機(jī)效率下降，同時(shí)壓縮機(jī)不可逆損失增加，導(dǎo)致功耗下降速度放緩。因此，定子繞組溫度隨負(fù)荷下降而快速上升，并且左、右兩側(cè)端面繞組溫度差值變小。當(dāng)壓縮機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于功耗增加，使得定子繞組溫度曲線(xiàn)位于50%和75%負(fù)荷以上，但仍低于25%負(fù)荷。

圖6 部分負(fù)荷下的測(cè)試結(jié)果與計(jì)算值

隨負(fù)荷下降，由旁通口流出的油-氣混合物增多，對(duì)右側(cè)端面繞組空間的冷媒加熱作用加劇，與降低的冷媒流量等因素共同促使電機(jī)過(guò)熱度急劇上升(滿(mǎn)負(fù)荷 12 ℃，25%負(fù)荷 30℃)，從而使吸氣比容增加，冷媒質(zhì)量流量降低，影響壓縮機(jī)的制冷性能與電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行安全可靠性。由于容積效率減小，各冷卻流道內(nèi)的流速降低，冷媒流經(jīng)電機(jī)后的壓降減小。

5 結(jié)論

基于流體網(wǎng)絡(luò)和等效熱路理論，建立了部分負(fù)荷下半封閉螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)學(xué)模型，并在容積式制冷壓縮機(jī)全性能測(cè)試平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。隨負(fù)荷的下降，電機(jī)部件溫度快速上升，冷媒流經(jīng)電機(jī)后的過(guò)熱度急劇增加，影響壓縮機(jī)的制冷性能及電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行安全可靠性。因此，機(jī)器不適合在過(guò)低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行。另外，本文建立的模型也可作為半封閉制冷壓縮機(jī)用電機(jī)選型以及電機(jī)冷卻流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要工具。

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Flow and Heat Transfer Analysis of the Motor in Screw Compressor

CHEN Wen-qing*, SHEN Jiu-bing, WU Hua-gen, XING Zi-wen
(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049)

Freon-resistant three phase asynchronous induction motor is widely used in semi-hermetic twin screw refrigeration compressor, and the motor is cooled by compressor suction refrigerant. To research cooling effects of the motor and influences of refrigerant temperature rise and pressure drop through the motor on performance of the compressor package, ensure reliable continuous operation, a mathematical model describing flow and heat transfer characteristics of the motor in semi-hermetic twin screw refrigeration compressor under part-load conditions is built based on fluid network and thermal equivalent circuit theories. Experimental research is implemented and the model is verified to be reasonable for temperature and pressure distribution evaluation inside the motor and investigation of their influences on performance of the compressor package, such as power consumption and volumetric efficiency, under part-load conditions. It can be concluded that stator winding temperatures and refrigerant superheat degree through the motor rise as the compressor loads off, irreversible losses increase although power consumption decreases. To keep the motor insulating reliability and efficiency, the compressor should be avoided to operate under too low load positions for long time.

part-load; semi-hermetic twin screw refrigeration compressor; motor; flow; heat transfer