CONVERGE助力新型卷轴压缩机效率提升

许多企业家都梦想能创造出一种能彻底改变一个行业的产品。从一个想法和一个愿景开始，只有一小部分人成功地实现了他们的梦想。然而，如果一个企业家拥有合适的分析工具和解决行业痛点的优秀方案，有时确实可以改变一个行业，开创一个技术的新时代。

在暖通空调行业工作的TORAD Engineering公司创始人兼CEO Greg Kemp和他的合作伙伴Joe Orosz，一位资深的暖通空调压缩机工程师，看到了压缩机行业的痛点: 大多数压缩机都过于复杂，且生产加工难度大。他们提出了一种全新的设计方案: 一种结构更简单、成本更低、且更容易制造的新型压缩机技。同时这种技术有助于工业界转向使用具有更小的全球暖化效应(GWP: global warming potential )的制冷剂。这种新型压缩机被称为卷轴压缩机(spool compressor)。

“卷轴压缩机是一种使用超低GWP制冷剂的高排量密度压缩机”，Greg说，“与传统技术相比，卷轴压缩机提供了一种成本更低、效率更高的替代方案，适用于10-100马力范围内的中压工况和超低GWP制冷剂。”

Greg设计种一个简单、紧凑的压缩机方案，它只包括几个主要部件，以降低结构的复杂性和制造成本。同时，他希望他的设计具有良好的可扩展性，以扩大其在不同容量范围内的适用性。图1展示了他们发明的这种卷轴压缩机。

图1:TORAD卷轴压缩机示意图(左)和实物照片(右)。

为了研发出一款革命性的压缩机，TORAD团队希望进一步优化他们的设计，以获得最大的效率，并确保其与低压、超低GWP制冷剂的兼容性。这时就需要用到有效的分析工具了。

计算流体力学(CFD)是压缩机设计的有力工具。CFD允许用户在构建样机模型之前在虚拟软件环境下测试不同的设计方案，从而节省用户的时间和金钱。用户可以获得流量和功耗这些总体性能参数，并可深入分析噪声、振动、热设计和泄漏等详细技术指标。CONVERGE软件由于其独特的基于求解器的自动网格划分思想，大大简化了建模过程，实现了更快的分析结果迭代。

Greg说:“我们广泛使用CONVERGE来进行压缩机建模，特别是在实现效率最大化的分析过程中。”

在他们的模拟分析中，Greg和他的团队专注于压缩机的几何形状和排气过程，这是通过一组阀门阵列来调节的。CONVERGE的模拟结果显示，当叶片顶部经过阀门时，发生了一些以前未知的流动损失。

Greg表示:“通过与CONVERGE团队合作，对阀门进行建模分析，我们提出了一种新型设计方案，通过改进阀门运行，显著提高了设备的效率。”

TORAD公司的工程师制造了几个样机来测试新的阀门方案。实验结果与CFD预测结果吻合良好，证实了效率的提高。

Greg说:“这些技术创新实际上使我们能够跨越由低GWP制冷剂R1234ze性能带来的关键市场障碍。”

Greg与CONVERGE的缘分开始于最初TORAD团队寻找CFD求解器来分析他们的卷轴压缩机设计的时候。在考察了不同CFD供应商后，TORAD选择了两家公司（Convergent Science是其中之一）进行考题计算。两个软件的计算结果都令人满意，但他们同时也评估了另一个关键因素:易用性。

Greg说:“我们认为，CONVERGE软件的建模过程比我们看到的其它任何软件都要容易得多。”

TORAD最终选择了CONVERGE作为他们的CFD软件，同时Greg也开始学习如何使用CONVERGE。他与Convergent Science应用团队密切合作，每周与他们会面2-3次。

Greg说:“他们非常热情，总是积极地坐下来和我讨论问题，解释我有疑问的地方”，“这种服务是我在其它软件供应商那里不容易获得的。他们从不介意在我身上花了多少时间。现场没有计时设备来记录我使用了多少小时。”

经过大约三个月的定期训练和技术支持，Greg能够自己独立进行压缩机建模和计算了。Greg会告诉你，他不是CFD专家，但有了CONVERGE，他能定义一个案例设置模板，基于模板可以快速定义一个新的模型。

除了建模流程的简单，TORAD还对CONVERGE的结果与关键参数(如局部压力、总体效率和体积效率)的实验数据良好吻合感到相当满意。图2显示了测量压力值与模拟结果的对比。

图2:实测(红色)和CONVERGE模拟(蓝色)的卷轴压缩机压力对比。

通过将CFD融入到他们的开发工作流程中，TORAD团队在他们原本就已经非常先进的技术方案上取得了一系列优秀的改进。

图片

图3 Greg Kemp, TORAD工程公司的创始人兼CEO

Greg说:“可以毫不夸张地说，我们过去一年里在研发更高效率压缩机工作中取得的成果应该归功于我们利用CONVERGE所做的工作。CONVERGE现在是TORAD的战略发展工具。我们现在能够在制造样机之前对设计方案进行建模和评估，并对方案进行优化，这为我们节省了大量的时间和金钱。”

TORAD的卷轴压缩机目前仍在开发中，预计在未来几年内将开始量产。该团队目前正在他们的卷轴压缩机模拟方案中应用R1234ze等超低GWP制冷剂。如果他们在开发阶段获得的结果能在最终产品上呈现，那么卷轴压缩机在未来上市时一定会因它极小的碳足迹而引起巨大轰动。