雙級(jí)壓縮空調(diào)特點(diǎn)及應(yīng)力模擬分析

韓順訓(xùn) 鄭小郴

（1.格力電器(洛陽(yáng))有限公司 洛陽(yáng) 4710002；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，市場(chǎng)上變頻冷暖空調(diào)逐步取代了定頻空調(diào)，

變頻空調(diào)在舒適性、最大制冷量或最大制熱量運(yùn)行方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。

普通變頻空調(diào)的制冷能力在全國(guó)范圍均可覆蓋，一般（40～50）℃的高溫下，空調(diào)依然能正常制冷運(yùn)行；而普通變頻空調(diào)的制熱能力在我國(guó)北方很多地區(qū)難以滿(mǎn)足需求，例如我國(guó)華北、東北地區(qū)，冬季的氣溫可低至-7 ℃以下，東北地區(qū)可低于-30 ℃，在這種情況下，普通變頻空調(diào)的制熱能力會(huì)大幅衰減，雖然加了輔助電加熱，但是制熱能力仍然不夠理想。因?yàn)槠胀▔嚎s機(jī)采用單級(jí)壓縮循環(huán)，其能夠提供的壓縮比是比較有限的，在本身蒸發(fā)壓力與溫度比較低的情況下，很難將吸氣壓縮為足夠高溫高壓的氣體，以供給熱量到室內(nèi)。雙級(jí)壓縮空調(diào)則可以有效解決此問(wèn)題。

本文主要是對(duì)雙級(jí)壓縮變頻空調(diào)特點(diǎn)、應(yīng)力模擬情況進(jìn)行介紹，并針對(duì)已經(jīng)建立的管路模型進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。雙級(jí)壓縮空調(diào)管路涉及中間補(bǔ)氣、閃蒸器管路等比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)三維走管難度較大，通過(guò)模態(tài)分析從中可以了解雙級(jí)壓縮機(jī)型管路的應(yīng)力值及應(yīng)力分布特點(diǎn)，可以作為管路設(shè)計(jì)以及配重設(shè)計(jì)的參考，以便更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)等工作。

1 雙級(jí)壓縮空調(diào)特點(diǎn)

1.1 雙級(jí)壓縮空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成

雙級(jí)壓縮空調(diào)系統(tǒng)通常較單級(jí)壓縮空調(diào)系統(tǒng)組件構(gòu)成上更加復(fù)雜，例如雙級(jí)增焓壓縮系統(tǒng)，一般要增加閃蒸器、節(jié)流閥，閃蒸器有中間冷卻、閃發(fā)、氣液分離的作用，同時(shí)分離后的氣態(tài)制冷劑供給二級(jí)壓縮吸氣，液態(tài)制冷劑供給蒸發(fā)器。如果使用單級(jí)壓縮機(jī)，則要增加1臺(tái)壓縮機(jī)，相應(yīng)的組件及管路就更復(fù)雜一些，見(jiàn)圖1。

圖1 雙級(jí)壓縮循環(huán)圖與雙級(jí)壓縮壓焓圖[1]

雙級(jí)增焓壓縮系統(tǒng)在圖1壓焓圖上循環(huán)過(guò)程為1-2-6-7-9-10-4-5-1，其單位質(zhì)量制冷量為5-1；普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)的循環(huán)過(guò)程為1-7′-9-5′-1，其單位質(zhì)量制冷量為5′-1[2]。雙級(jí)增焓壓縮系統(tǒng)通過(guò)閃蒸器閃發(fā)作用，使二級(jí)節(jié)流后的制冷劑干度降低，其單位制冷量可以比普通壓縮系統(tǒng)提高。為了提高Δq0的幅度，需要增大壓縮機(jī)容積比，優(yōu)化閃蒸器和增焓部件的設(shè)計(jì)，提高閃發(fā)量，增加二級(jí)節(jié)流前制冷劑的過(guò)冷度，最大限度發(fā)揮雙級(jí)增焓壓縮系統(tǒng)的制冷能力。

1.2 雙級(jí)壓縮空調(diào)系統(tǒng)特點(diǎn)

雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)采用單機(jī)雙級(jí)壓縮方式，制冷劑進(jìn)入下氣缸進(jìn)行一級(jí)壓縮，排出后與中壓補(bǔ)氣混合進(jìn)入上氣缸進(jìn)行二級(jí)壓縮，完成整個(gè)壓縮周期。

雙級(jí)壓縮系統(tǒng)作用：①降低單個(gè)氣缸壓縮比，提高壓縮效率； ②通過(guò)補(bǔ)氣閃發(fā)，提高單位質(zhì)量制冷量；③降低二級(jí)吸氣溫度，有效降低排氣溫度；④高壓級(jí)制冷劑流量增加，提高制冷或制熱量。

2 雙級(jí)壓縮空調(diào)外機(jī)應(yīng)力模擬分析

針對(duì)現(xiàn)有雙級(jí)壓縮的變頻空調(diào)管路較復(fù)雜，配重較多，需要優(yōu)化的實(shí)際問(wèn)題，建立空調(diào)外機(jī)的管路模型見(jiàn)圖2，運(yùn)用ANSYS及輔助諧響應(yīng)分析軟件，進(jìn)行應(yīng)力仿真分析。通過(guò)CREO軟件建好三維后，采用軟件對(duì)壓縮機(jī)、管路、四通閥、消音器等三維進(jìn)行參數(shù)化處理，并導(dǎo)入到ANSYS進(jìn)行模型處理、模擬分析等工作。

圖2 整機(jī)管路模型圖

建立的壓縮機(jī)及管路模型見(jiàn)圖2，在本機(jī)型三維中，采用單機(jī)雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)，壓縮機(jī)有吸氣口、排氣口、補(bǔ)氣口均接有管路，吸氣口、排氣口通過(guò)管路連接四通閥部件，四通閥部件連接大閥門(mén)和冷凝器進(jìn)口，補(bǔ)氣口通過(guò)管路連接閃蒸器，由于大閥門(mén)是固定在閥門(mén)支架上、冷凝器固定在底盤(pán)、閃蒸器固定在隔板上，連接大閥門(mén)、冷凝器進(jìn)口、閃蒸器的管路都位移很小，本模型中這些端口視為是固定不動(dòng)的，空調(diào)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)源是壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的吸氣口、排氣口、補(bǔ)氣口會(huì)有徑向、軸向的綜合位移及振動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，在單體壓縮機(jī)管口布置相關(guān)傳感器采集數(shù)據(jù)，可以收集各頻率運(yùn)行時(shí)管口在XY方向的振幅，由此數(shù)據(jù)運(yùn)用激勵(lì)反求的方法可得出管路的載荷情況，如表1。

表1 載荷情況和模擬出的應(yīng)力位移表（篇幅限制僅展示部分?jǐn)?shù)據(jù)）

2.1 載荷情況

通過(guò)測(cè)試出壓縮機(jī)在不同頻率的吸氣、排氣管口在XY方向的振幅，運(yùn)行激勵(lì)反求的方法得出如表1、圖3、圖 4。

2.2 變頻分析結(jié)果

在對(duì)壓力脈動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后，運(yùn)用諧響應(yīng)分析方法模擬分析如下各頻率運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力以及位移如表1。

2.3 部分分析結(jié)果圖表（如圖5、圖6）

2.4 分析結(jié)果及結(jié)論

1）如圖3所示，通過(guò)諧響應(yīng)分析模擬出的22 Hz、58 Hz、60 Hz運(yùn)行應(yīng)力較大，低頻階段整機(jī)應(yīng)力及位移均較大，在22 Hz達(dá)到峰值，在22 Hz后位移大幅減小，應(yīng)力有輕微增加的趨勢(shì)，可見(jiàn)位移與應(yīng)力沒(méi)有固定的變化相關(guān)性。

圖3 模擬分析整機(jī)應(yīng)力與位移

如圖4所示：模擬出的應(yīng)力曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)的應(yīng)力曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相近，但實(shí)測(cè)的運(yùn)行頻率在58、60 Hz附近應(yīng)力值比22 Hz時(shí)應(yīng)力值大?？梢?jiàn)本次模擬可以大致定性反映應(yīng)力的規(guī)律及應(yīng)力較大的點(diǎn)。

圖4 模擬分析整機(jī)應(yīng)力與實(shí)測(cè)對(duì)比

2）壓縮機(jī)在22 Hz左右應(yīng)力及位移較大，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試情況進(jìn)行屏蔽此點(diǎn)運(yùn)行處理。

3）通過(guò)應(yīng)力分布圖（如圖5、6所示）分析得知低壓閥接管應(yīng)力相對(duì)較大，可從設(shè)計(jì)上嘗試優(yōu)化，后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試情況進(jìn)行核實(shí)，可以進(jìn)一步優(yōu)化管路形狀，或調(diào)整配重，再模擬分析是否優(yōu)化。

圖5 頻率80 Hz分析結(jié)果

圖5 頻率20 Hz分析結(jié)果

4）通過(guò)排氣管、回氣管應(yīng)力分布情況圖（如圖6所示），可以得知在管路下方的U彎附近應(yīng)力相對(duì)較大，可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)注此段管的應(yīng)力情況，以避免應(yīng)力過(guò)大。

5）此項(xiàng)分析后應(yīng)用于實(shí)際開(kāi)發(fā)的雙級(jí)壓縮家用空調(diào)項(xiàng)目中，結(jié)合實(shí)際應(yīng)力測(cè)試情況，評(píng)估取消了2塊阻尼塊配重，在保證應(yīng)力及可靠性前提下，為整機(jī)降成本1.3元，并且提高了生產(chǎn)效率，評(píng)估能減少1人工時(shí)/臺(tái)空調(diào)，為公司創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）應(yīng)用雙級(jí)增焓轉(zhuǎn)子式變頻壓縮機(jī)的空調(diào)器可以在（-30 ～54）℃的范圍內(nèi)可靠高效運(yùn)行。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，豐富了長(zhǎng)江以北區(qū)域的采暖方式，擴(kuò)大空調(diào)器的應(yīng)用范圍，加速了變頻空調(diào)高效化進(jìn)程，在提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的同時(shí)，促進(jìn)了制況產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。該項(xiàng)技術(shù)可改善農(nóng)村、城鎮(zhèn)家庭的供暖問(wèn)題，減少煤炭、木柴取暖情況，極大地提高了消費(fèi)者的生活質(zhì)量。

2）雙級(jí)增焓空調(diào)系統(tǒng)管路較復(fù)雜，通過(guò)應(yīng)力諧響應(yīng)分析，得出各頻率大概的應(yīng)力及位移情況，針對(duì)得到的應(yīng)力及位移較大頻率，更有針對(duì)性的從設(shè)計(jì)上嘗試優(yōu)化，后續(xù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)力測(cè)試情況進(jìn)行核實(shí)，評(píng)估是否必要加配重，以及如何優(yōu)化配重，提高效益。