孙　晨，徐向华，梁新刚

(清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)



倾斜角度对滑片压缩机运行特性影响的试验研究

孙晨，徐向华*，梁新刚

(清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

摘要:压缩机是空间蒸汽压缩热泵系统的关键，从现有的压缩机中筛选合适的压缩机，研究其重力影响特性并加以改进是技术路径之一。通过改变滑片式汽车空调压缩机的倾角，研究重力方向对热泵系统及压缩机运行的影响。结果表明当倾角为0°～360°，吸热量为2000～3500 W时，热泵系统均能正常工作；其中压缩机处于竖直和倒置的角度下，热泵系统性能有所下降，蒸发温度最大增加了7.5℃，蒸发冷凝温差和COP的最大相对变化量分别为15%和7.6%。压缩机内部高压气体通过油孔向低压侧的泄漏造成容积效率的下降，是影响其性能的主要原因；但油孔供油功能的下降没有明显影响压缩机的机械效率。

关键词:热控制；蒸汽压缩热泵；微重力；滑片压缩机

1引言

随着航天器向大型化、高功率的方向发展，传统的热控方法要实现更大功率的散热，必会大幅增加辐射器的面积和质量。蒸汽压缩热泵系统的优势在于可利用压缩机提高排热温度，从而使所需辐射面积减小[1-2]。1977年欧洲航天局Berner[3]提出了蒸汽压缩热泵作为空间站上的制冷设备的方法，并生产了样机进行了地面试验。美国航天局(NASA)自20世纪80年代以来持续对蒸汽压缩热泵系统进行研究：1985—1993年期间研制了微重力下运行的蒸汽压缩热泵系统[4]；1997年Grzyll研发了能减少压缩机磨损的润滑油添加剂以延长压缩机的寿命[5]；2002年Scaringe总结指出微重力下小型热泵系统适用的压缩机和循环工质[6]等。

压缩机不仅是空间热控系统的核心部件，在其它一些空间应用方面也有较强需求。例如空间机动服务平台在轨补给中的推进剂直接传输技术[7]，通过压缩机提高贮箱间气体的压差来实现推进剂的传输；物质回收和废水废气处理中的蒸汽压缩蒸馏技术[8-9]，通过压缩蒸汽产生的蒸发冷凝温差，将蒸馏水的冷凝潜热用于废水的汽化，实现汽化潜热的回收利用。地面使用的压缩机润滑系统多依赖重力进行润滑油分离和回收，不能直接应用于微重力条件下的空间蒸汽压缩热泵系统。目前适用于微重力下的压缩机有两种研发途径：一种是无油润滑和密封的方式；另外一种是采用与制冷剂相容的润滑油，润滑油、制冷剂一起循环实现润滑与密封。前者包括膜片压缩机[4]、无油润滑压缩机[9]、磁力轴承离心式压缩机[6]等，均不需要依赖重力进行油气分离，但目前还存在压缩机寿命、效率和适用范围等方面的问题。毕研强[10]等人设计研制了无油润滑的动磁式直线压缩机，并进行了相关计算与试验研究。后者在保证润滑密封的前提下应尽量减少系统中的含油量，以降低对传热性能的影响。多数汽车空调压缩机受安装空间所限，油分离效果有限[11]，就采用这一方式。以滑片式汽车空调压缩机为例[12]，部分润滑油在排气时被分离出来并回收利用，但仍有部分润滑油随制冷剂进入系统参与循环，同样起到润滑和密封的作用。由于润滑油与制冷剂一同运行，降低了重力的影响，有可能在航天器热控系统上使用，因此本文对滑片压缩机热泵系统进行试验，通过改变压缩机与重力方向的夹角研究当部分润滑油随制冷剂循环时重力方向对压缩机及热泵系统运行特性的影响。

2试验系统及参数

蒸汽压缩热泵试验系统主要包括电机、压缩机、冷凝器、干燥储液瓶、流量计、膨胀阀、蒸发器等部件，如图1所示。其中蒸发器由紧密缠绕加热丝的铜管制成，采用直流电源给加热丝通电，通过调节加热电压可实现不同的制冷量和蒸发压力。冷凝器风扇配置了一台单相调压器，改变输入电压可以调节冷凝效率，从而调节冷凝压力。试验选用北京珺吉佳业制冷科技有限公司生产的霜吉牌96-铁72A滑片式汽车空调压缩机，使用工质为R134a，排气量为72 ml/r。压缩机由电机以带传动的方式驱动，并安装在一个可以在0°～360°内改变角度的平台上，其入口和出口通过汽车空调胶管与系统连接。驱动电机为YVF2-90L-4型变频调速电机，额定功率为1.5 kW。压缩机的倾角定义为压缩机轴与水平面的夹角，如图2所示，在0°～360°内取8个角度进行试验。

图1　蒸汽压缩热泵系统图Fig.1　Sketch of vapor compression heat pump system

图2　压缩机倾角示意图Fig.2　Sketch of the inclination angles of the compressor

热泵系统运行参数包括蒸发温度、蒸发冷凝温差和COP。蒸发温度Te定义为蒸发器入口压力Pe,in和出口压力Pe,out下对应的饱和温度的平均值，冷凝温度Tc为冷凝器入口压力Pc,in和出口压力Pc,out下对应的饱和温度的平均值，如式(1)：

(1)

蒸发冷凝温差ΔT定义为冷凝温度Tc与蒸发温度Te之差，如式(2)：

(2)

热泵系统COP定义为系统向外界排放的热量与输入功率之比，如式(3)：

(3)

其中Q为吸热量，等于蒸发器加热电压U与电流I之积；W为压缩机轴功率，等于电机输入功率WE乘以电机效率ηd和带传动效率ηt。

压缩机参数包括排气温度Tex、绝热内效率ηi、机械效率ηm、容积效率ηv等。绝热内效率为等熵过程压缩功率Wad与压缩机的指示功率Wi之比定义为式(4)：

(4)

其中h1为压缩机入口比焓，h2为压缩机出口比焓，h2s为等熵压缩终了比焓。

机械效率定义为压缩机指示功率与轴功率之比定义如式(5)：

(5)

其中m为系统质量流量。

实际容积流量qV与理论容积流量qVth的比值为压缩机的容积效率，定义如式(6)：

(6)

其中ρcom,in为压缩机入口气体密度，n为压缩机的转速，V为压缩机的排气量。

试验中采用铠装K型热电偶测量流体温度，由Agilent34970A直接采集，最大误差1.2℃；压缩机入口和出口采用精度0.25%的精密压力表，冷凝器入口和蒸发器出口采用精度0.5%的压力变送器，其余测压点为1.6级压力表；流量测量采用精度0.2%的科氏流量计；加热电压由Agilent34970A测得，电流通过测量串联在电路内阻值很小的精密电阻两端的电压计算得到；电机输入功率通过在电机电路中接入精度为0.5%的电功率计测量得到；根据测得的电机输入功率在电机厂家提供的电机特性曲线中读取电机效率；带传动效率取压缩机厂家推荐值0.965。各参数误差范围为：蒸发温度0.76℃～0.91℃，蒸发冷凝温差2.5%～3.7%，COP1.5%～1.7%，绝热内效率8.0%～10.1%，机械效率3.7%～3.8%，容积效率4.4%～4.5%。

3试验结果分析

3.1给定吸热量时压缩机倾角对热泵系统的影响

系统的充灌量为2 kg左右，电机与压缩机间的传动比为1:1，压缩机吸气过热度为10℃。图3、图4和图5给出了压缩机在不同倾斜角度下热泵系统蒸发温度、蒸发冷凝温差和COP的大小。对于2000～3500 W的吸热量，倾角在0°～360°变化范围内，蒸发温度为-5.8℃～16.8℃，蒸发冷凝温差为41.5℃～51.0℃，热泵系统COP为3.08～3.76。这些数据表明在压缩机处于任意倾角下，热泵系统均能正常工作并实现一定的换热量。

图3　不同吸热量下蒸发温度随滑片压缩机倾角的变化Fig.3　Changes of evaporation temperature with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

图4　不同吸热量下蒸发冷凝温差随滑片压缩机倾角的变化Fig.4　Changes of temperature difference between evaporation and condensation with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

图5　不同吸热量下COP随滑片压缩机倾角的变化Fig.5　Changes of COP with sliding-vane compressor inclination angles at different cooling capacities

在给定的吸热量下，压缩机处于90°、135°、180°和225°几个偏离常规安装的角度时，蒸发温度即蒸发压力较其余几个角度有所升高。而冷凝器风扇电压和空气侧温度的变化都很小，因此冷凝器的换热能力基本不变，冷凝压力的变化可以忽略。因此蒸发压力的升高表明压缩机在这些倾角下的性能受到了影响，吸气能力下降，导致系统在冷凝压力不变时蒸发压力的升高。同时蒸发温度越高时，蒸发冷凝温差越小，二者的变化幅度基本吻合。此外，在偏离常规安装的角度较大时， COP出现了下降的趋势，同样表明了此时系统性能的下降。综上所述，压缩机在常规水平放置和倾斜角度不大时表现出良好的性能，而在竖直和倒置时则表现出了性能的下降。不同吸热量下蒸发温度、蒸发冷凝温差和COP的最大相对变化量分别为7.5℃、15.0%、7.6%。

3.2倾角对压缩机性能的影响

为了独立研究压缩机的倾角对其性能的影响程度及其根源，通过给定压缩机入口工质气体的压力和温度以及出口处压力，分析压缩机出口温度和效率等受倾角的影响程度。利用调节冷凝器风扇电压和蒸发器的加热量，将压缩机的入口压力控制为0.35 MPa，出口压力分别控制为1.16 MPa和1.49 MPa时使压缩机的倾角在0°～360°范围内变化。压缩机入口过热度等其余输入参数均与给定吸热量时相同。

当压缩机的入口压力、入口温度和出口压力均不变时，其出口温度的升高直接反映了压缩机性能的下降。如图6所示，压缩机出口温度在竖直和倒置的角度下有着明显的升高。当出口压力为1.16 MPa和1.49 MPa时，其升高量分别为8.2℃和19.7℃。绝热内效率在偏离常规安装角度时下降量为23.3%和38.7%。其动力经济性的下降与排气温度的升高有关，即更多的机械能直接转化为热能而不是对气体做功造成了能量品质下降。

图6　不同压缩机出口压力下排气温度和绝热内效率随倾角的变化Fig.6　Changes of compressor discharge temperature and isentropic efficiency with inclination angles at different outlet pressures

图7为同样条件下压缩机机械效率和容积效率随倾角的变化。从图中可知，机械效率在不同倾角下的变化并不明显，变化量分别为6.6%和4.0%，表明压缩机的摩擦损失没有明显增加，润滑状况良好，所以在偏离常规角度下压缩过程热能的增加并不是由于摩擦增加而造成。而在不同角度下容积效率的变化量分别为24.3%和38.4%，与绝热内效率的变化量相当，说明容积效率的降低是造成压缩过程等熵性下降的主要因素。影响容积效率的几个因素中，结构容积损失和残留高压气体的膨胀等与压缩机的结构有关而不受倾角的影响，吸气过程中的加热和压力损失也相对较小，因此容积效率的明显下降更可能是发生了高压侧向低压侧的泄漏。

图7　不同压缩机出口压力下机械效率和容积效率随倾角的变化Fig.7　Changes of compressor mechanical efficiency and volume efficiency with inclination angles at different outlet pressures

经研究滑片压缩机的结构发现，工质气体经压缩后进入气缸后端盖后面的机壳，部分润滑油经油分离器后经其下端的开口流入机壳底部油池，其结构示意图见图8(a)。由于此处充满了高压排气，油池中的油在高压作用下经过后端盖底部的油孔输送至气缸内部各运动表面进行润滑，再随排气进入机壳[11]其余未被分离的润滑油则随制冷剂进行系统循环。当倾角改变后，润滑油在机壳里的分布也发生改变。如图8(b)所示，以倒置为例，原应位于机壳底部沉积的油多存留在油分离器内，而油孔出口处则没有了润滑油在压差作用下的输送，取而代之的是高压气体的倒流。这种泄漏导致了原本低压侧气体的温度和压力升高，压缩机对泄漏至低压侧的气体进行二次压缩消耗了机械功，降低了COP；并使从蒸发器吸气的能力下降，提高了蒸发压力。而对高温气体的再压缩也导致了更高的排气温度。对于定压缩比的滑片压缩机，实际出口进口压力之比小于理论压缩比。在较大的吸热量下蒸发压力较高，而实际压比较小，表明经同样理论压比压缩后的气体流向冷凝器的较多，向低压侧的泄漏程度相对较少，故容积损失也较小。综上所述，可认为压缩机在非常规安装角度下运行时高压侧通过油孔向低压侧的泄漏，是影响性能的主要因素，而由于仍存在部分润滑油随制冷剂共循环，压缩机并没有出现由于缺少油孔供油造成的润滑问题。在微重力条件下，润滑油难以从气体中分离，参与系统循环的部分可能更多，润滑和密封的效果更好，但过多润滑油进入换热器可能造成传热性能的下降。故须对压缩机内部排气通道结构进行改进设计，以减少泄漏情况；同时在系统设计时对含油量进行优化计算，以保证换热器的换热性能。

图8　滑片压缩机排气部分结构示意图Fig.8　Sketch of discharge part of the sliding-vane compressor

4结论

本文通过对润滑油随制冷剂循环的滑片压缩机进行了不同倾角下的热泵运行试验，根据试验数据分析得到以下结论：

1) 给定吸热量时，压缩机在倾角0°～360°变化范围内，热泵系统均能正常工作；

2) 压缩机处于偏离常规安装角度即竖直和倒置的角度下，热泵系统的性能表现出一定程度的下降。在吸热量2000～3500 W的变化范围内，蒸发温度、蒸发冷凝温差和COP的最大变化量分别为7.5℃、15%和7.6%；

3)压缩机入口压力设定为0.35 MPa、而出口压力分别设定为1.16 MPa和1.49 MPa时，偏离常规的安装角度导致压缩机出口温度上升8.2℃和19.7℃，绝热内效率下降23.3%和38.7%，机械效率变化6.6%和4.0%，容积效率下降24.3%和38.4%；

4) 压缩机在偏离水平倾角较大时的性能下降主要是由于其内部高压侧气体通过油孔向低压

侧的泄漏造成容积效率下降而引起的，但此时油孔供油功能的消失并没有明显影响压缩机的机械效率；若要将其应用于微重力下仍需改进压缩机的结构设计和优化含油量。

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Experimental Research on Effects of Inclination Angle on Sliding-Vane Compressor Operating Characteristics

SUN Chen, XU Xianghua*, LIANG Xingang

(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Department of Engineering Mechanics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:The application of compressor under microgravity is one of the key technologies of space vapor compression heat pump. Finding an appropriate candidate compressor that may have the potential for space application by testing its gravity direction effect and making improvement is one of the possible solutions. The sliding-vane compressor used on automobiles was investigated on its gravity direction dependence by experiments. The performance at various inclination angles were measured. The results demonstrated that the sliding-vane compressor could keep working smoothly in the cooling capacity range of 2000～3500 W and angle range of 0°～360°. but there was a decrease in the heat pump performance when the compressor inclination was changed from normal position to the upside down position. The evaporation temperature increased by 7.5℃ at most, and the maximum changes in the temperature difference between evaporation and condensation was 15% and maximum COP variation was 7.6%. The reason of performance reduction was due to the leakage of high pressure gas to the low pressure side through returning hole of lubricant. However, there was not obvious reduction in the mechanical efficiency of the compressor.

Key words:thermal control; vapor compression heat pump; microgravity; sliding-vane compressor

收稿日期：2015-05-11；修回日期：2016-03-15

基金项目：创新研究群体科学基金(51321002)

作者简介：孙晨(1986-)，女，博士研究生，研究方向为空间热泵系统。Email: 30007249@qq.com*通讯作者：徐向华(1976-)，男，副教授，研究方向为航天器热控制与热管理。Email：xxh@tsinghua.edu.cn

中图分类号：TK121

文献标识码：A

文章编号：1674-5825(2016)03-0381-05