发动机进化：爱立信旋转式结构，是下一代动力选择吗？

甄

文/观文史说
编辑/观文史说

2008年的《气候变化法案》确立了全球首个法定的气候变化目标，为了实现到2050年基于1990年基线减少至少80%的温室气体排放，英国政府强调了低碳经济的重要性。

当前，大多数冷却器和空调使用HFC（Freon）作为基于蒸汽压缩循环的制冷剂，尽管这种方法高效，但HFC的使用对环境产生负面影响，因此其使用已被限制。
斯特林冷却器在效率上略微优于现有技术，并有望成为这一巨大市场的首选。然而，与传统的冷却方法相比，新的纳米颗粒（NP）添加剂提供了一种更为高效和环保的润滑技术方法。

虽然卡诺循环作为热泵的理论模型具有最高效率，但实际应用中其效率很难达到。与之相似的斯特林冷却器和爱立信循环在理论上能够实现卡诺效率，但在实际操作中存在一些固有的效率损失。
尽管爱立信循环相比斯特林冷却器循环具有一些明显优势，但目前相关研究仍然较少，本文基于已有的研究，提出了一种创新的旋转Ericsson热泵/发动机（REHP）设计，并进行了参数化和优化研究，以评估多个影响因素，如转子几何形状、材料选择、工作流体、温度和RPM等。
01操作与方法论的机械主义
为了实现等温压缩，压缩热需要从压缩机室快速消散并排至散热器，图 1 所示的一般机械布置表明了一种新颖的压缩机设计，包括两个包含在圆形外壳内并沿相同方向旋转的同心转子。

相对侧的压缩机和膨胀机转子室被同流换热器隔开以进行热交换，每个转子室包含一对转子，每个转子在旋转的同时相对于彼此加速和减速，从而扩大和压缩转子之间的体积。
每个转子均由独立的 M-G 驱动和制动，从而优化旋转。所示的同流换热器是简单的逆流热交换器，但可以成形和加长以最小化压降并最大化热交换。

图1
转子旋转按图 2 中的 A-F 顺序显示，每对转子的左侧为膨胀机，右侧为压缩机，所有转子均逆时针旋转。当转子旋转时，高压端口和低压端口暴露出来，允许工作流体通过，并将压缩段和膨胀段与无阀设计的同流换热器隔离。

图 2 转子循环旋转
跟随膨胀机，红色转子加速，在 A-C 方向上扩大红色转子后面的体积，在 E 中，随着蓝色转子加速，膨胀的流体暴露于 LP 端口，并且流体在 D-F 中从膨胀室转移出来。
在 D 中，蓝色转子后面的容积向同流换热器的高压路径打开，并且流体被转移到该容积中。此传输在 E 之前结束，然后卷如前所述膨胀。

xg 在压缩机之后，红色转子后面的容积向LP 端口打开，低压流体被转移到A 处的压缩机中。在B 处，LP 端口关闭，红色转子后面的容积被压缩通过 B 和 C 中的加速蓝色转子。

在 D 中，压缩流体然后暴露于 HP 端口，并且压缩流体被转移到同流换热器的高压部分。

图 3 理想的爱立信循环
同时，B–D 中的补充容积（蓝色转子后面的容积）向 LP 端口开放，低压流体转移到该容积中，然后在 E 和 F 中被压缩。该泵的一个关键特征其设计是转子和外壳具有较大的表面积，可以排出压缩热，从而实现所需的近等温操作。

图 4 a：初始条件 b：开始扩展 c：扩展结束
02转子运动曲线建模
转子A和转子B的运动可以用以下方程描述：

在这里，我们考虑两个关键的角度位置：θA 代表了转子A的后侧，而θB 代表了转子B的前侧。
此外，我们还定义了一个参考角度θref和一个放大因子Amp，基于这些定义，我们可以分析地确定每个转子的角速度ω和角加速度α。

独立控制的电动发电机需要扭矩曲线作为输入，以获得如（1）和（2）中所述的特定转子位置。

其中 τMG 是电动发电机施加的扭矩，τWF 是工作流体压力施加的扭矩，τff 是摩擦力施加的扭矩，Is 是转子系统的转动惯量，α 是转角转子的加速度，PMG 是电动发电机的功率，RPM 是转子每分钟的转数。
图 3 所示的全封闭理想爱立信循环中完成的总机械功为：
其中每个部分完成的工作可以通过以下方式计算：

转子运动曲线的计算受到以下约束条件的约束：

这是参考循环的开始，其中转子A的尾侧和转子B的前侧彼此接触， HP端口即将开放。
其中θAB,max是两个转子之间的最大角度，CR是压缩比； θref_CRV可由上式确定。 acrHP = θB(θref_CRV)，其中 arcHP 是 HP 端口的张角。

其中 arcRotor 是转子的角度，arcLP = arcRotor，其中 arcLP 是 LP 端口的张开角度。
03转子运动曲线
转子A和B的角位置、速度和加速度如图5-7所示。两个转子之间的无量纲体积如图 8 所示，其中体积由 θAB = θAB,max 时的最大体积标准化。当“前”转子加速远离“后”转子时，它们之间会产生越来越大的体积，这使得气体可以通过壳体端板中的低压端口吸入。

图 5 转子的角位置

图 6 转子的角速度
当持续旋转导致尾随转子切断吸入 (LP) 端口时，它会相对于前转子加速，从而压缩捕获的气体。进一步的旋转使气体与壳体边缘的高压排放口接触，后转子继续比前转子移动得更快，从而导致气体被排出。
然后，后转子相对于前转子减速，从而允许其间的体积再次增加，从而开始另一个吸入/压缩循环。

图 7 转子的角加速度
压缩机和膨胀机设计有两组低压和高压端口，每完整 2π 旋转允许两个循环。端口和转子的有效组合，通过电子控制产生正确的正时，提供了无阀压缩机，其速度可以根据所需的热泵负荷而变化。
电动发电机对每个转子所需的扭矩曲线如图 9 所示，根据方程（7），工作流体压力产生的扭矩和转子加速度都随参考角度和时间而变化。
这导致了在一个完整的循环中不同阶段的参考角MG上的扭矩分布复杂，图 9 显示最大扭矩出现在高压传递 (HPT) 和膨胀阶段之间的边界处。

图 8 两个转子之间的无量纲体积

图 9 电动发电机所需的扭矩曲线

转子A和B上的扭矩实际上是相同的，但方向相反。在特定的 RPM 下，从图 9 获得的最大扭矩和机械功率用于在市场上选择合适的电动发电机。

04转子尺寸和材料的影响
表1总结了用于扭矩曲线建模的两组参数，其中R_r是转子的外半径，R_h是转子的内半径，R_d是转子的厚度，T_L是膨胀机的较低温度，T_H 是压缩机的较高温度，P_L 是压缩开始时工作流体的较低压力。
表 1. 用于扭矩建模的参数集

使用表 1 中的参数集 A，对两种不同材料密度的扭矩曲线进行了建模，结果如图 10 和 11 所示。
使用表 1 中的参数集 B，结果如图 12 和 13 所示当使用 A 组时，对于较低密度（2700 kg/m3）转子，MG 上的最大扭矩约为 43 N-m；对于较高密度（6000 kg/m3）转子，MG 上的最大扭矩约为 38 N-m。
为了进行比较，当使用 B 组时，对于较低密度 (2700 kg/m3) 转子，MG 上的最大扭矩为 12.6 N m；对于较高密度 (6000 kg/m3) 转子，MG 上的最大扭矩为 12.1 N m。

图 10 使用参数集 A 的扭矩曲线（材料密度 2700 kg/m3）

图 11 使用参数集 A 的扭矩曲线（材料密度 6000 kg/m3）
使用参数集 B 的扭矩曲线（材料密度 6000 kg/m3），可以发现，两种情况下材料密度对最大扭矩的影响都不显着。虽然较高的密度导致转子的质量和转动惯量较高，但在最大扭矩时刻，加速度α接近于0，这减少了转动惯量对整体扭矩的影响。

图 12. 参数集 B 的扭矩曲线（材料密度 2700 kg/m3）

图 13
影响 MG 扭矩的主要术语是由工作流体压力引起的扭矩。至于 B 组，转子的深度减半，导致工作流体的表面积更小，扭矩也更低，这导致 MG 的扭矩小得多。从实用的角度来看，MG 所需的扭矩越小，就越容易选择MG，而且MG 的物理尺寸更小，价格也更低。
对较大结构和较小结构的 RPM、CR 和 P_L 的不同组合进行了参数分析，结果分别总结在表 2 和表 3 中。
表 2. 更大构建的参数分析

表 3.较小构建的参数分析

为了构建实验室规模的概念原型机，MG的尺寸受到物理限制，这导致MG选择在最大扭矩和最大输出功率方面受到限制。
因此，参数分析的目的是找出RPM、CR和P_L与转子尺寸的最佳组合。根据上表所列结果，CR和P_L的增加将显着增加MG扭矩和功率。
增加转速对 MG 扭矩和功率的影响不太显着，根据所选的RPM、CR和P_L范围，表3中较小的转子尺寸更容易满足MG的最大功率在500W左右。

然而，具有更大转子尺寸的构造具有更大的热交换表面积的优势，因此具有更高的热性能。转子尺寸的选择以及工况条件需要根据系统详细的热力学分析进行优化，这是下一阶段的主要研究挑战。

05结论

本文提出的 REHP 比最先进的朗肯和斯特林循环热泵具有独特的优势，因为它可以通过扁平转子接近卡诺效率，从而最大化热交换表面积与气体体积比的比率，从而允许近等温压缩/扩张。该设计简单、可扩展，并且只有四个移动部件，可适应多种应用。
高效的开关磁阻电动发电机消除了机械连接，使设备能够密封。独立的压缩室、热交换器和膨胀室意味着“死气”不会浪费功，设备部件之间也不会发生热蠕变。
通过恒定的流体压缩、热交换和膨胀进行连续循环，使紧凑的设备具有高热泵容量和效率。
根据本文定义的转子位置曲线，对扭矩曲线进行模拟，以找出电动发电机的最佳选择，该电动发电机可在市场上购买，也适合实验室规模的构建。

我们对影响扭矩曲线的许多因素进行了研究，以确定影响最大的因素。建模发现转子面区域对所需的最大扭矩以及 MG 的最大功率的贡献最大。必须仔细选择转子尺寸，以使MG的最大功率落在合理的范围内，同时保持系统的输出功率可接受。
其他参数如材料密度、转速、压缩比和基础压力也进行了研究，转子材料密度对最大扭矩影响不大，因此可以从多种材料中进行选择，以满足不同的应用需求。
基础压力和压缩比对最大扭矩具有至关重要的影响，因为由流体压力引起的扭矩比由惯性矩或摩擦力引起的扭矩的其他分量大得多。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qVABaJr
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