制冷系统中双转子压缩机建模与性能分析

　　1 前言

　　制冷系统中对制冷剂的性能和综合价值的研究一直是一个热点，所关注的问题主要集中在两个方面: 如何提高制冷剂的制冷效能，如何降低或消除制冷剂对环境的污染[1]。目前，传统的制冷剂主要有氨、二氧化碳、水和合成化合物 - 氟利昂等，其中前三种都属于自然物质，而氟利昂是烷烃的卤代物，其相比自然工质具有更好的制冷效率，在过去的几十年间，在多个制冷应用领域中发挥了重要的作用[2，3]。然而，实践证明，氟利昂类的制冷剂对环境的污染非常大，主要是会造成严重的臭氧层的破坏。在1987 年通过《蒙特利尔议定书》，标志着 CFCs 和 HCFCs 类制冷剂由于对环境的破坏问题，必然逐步退出应用领域。随着人们对这种制冷剂的关注度越来越高，用 HFC 制冷剂取代 CFC 和 HCFC 制冷剂的研究工作不断在进行中[5]。然而，持久使用 HFC 制冷剂同样会导致全球变暖的问题出现。考虑到环境因素，许多学者开始思考使用氨气、HCs、二氧化碳这样的天然制冷剂。然而，氨气是有毒的，HCs 是易燃的，唯有二氧化碳既无毒又不易燃。二氧化碳的用途多种多样，如移动、固定式空调，热泵[4，6]。目前，典型的制冷剂综合对比如表 1 所示，通过对比，将二氧化碳作为制冷剂其优势非常明显。

　　然而，与常规体系相比，二氧化碳体系效能低，但是，很多研究表明，二氧化碳用于热泵热水器优点多多，在二氧化碳临界制冷循环释放热量的过程中，强流动温度得到很好利用[9，10]。提高二氧化碳体系工作性能的方法之一是使用级间制冷的双级压缩机[8]。此外，也有多种二氧化碳压缩机被试用于二氧化碳热泵热水器系统[13]，如往返式、转盘式、两级双转子式、卷轴式[7]。其中，只有两级双转子压缩机适用于级间制冷的目的。为了设计高效能的制冷压缩机，研究两级双转子压缩机的性能特征进行建模和分析非常有必要[11]。

　　2 双转子压缩机模型的建立

　　如图 1 所示，为 Matsushita 公司 2000 年所开发的单极涡旋 CO2压缩机结构图。这是一个典型的单极 CO2压缩机模型，本文也将围绕这一结构的模型进行建模与仿真分析[12，14]。在2004 年，日本三洋公司在单极压缩机的基础上开发出了两级二氧化碳的压缩机，该压缩机的结构如图 2 所示，其最大的特点是一级排气直接进入到壳体，从而更快速、直接地进行热量交换，实现电机的制冷。该模型将多个体积控制单元需要纳入考虑范围，主要包括有进气管、余隙容积、进气室、排气口处、级间接管、排放消声器、压缩腔、上下室腔等。