涡旋压缩机工作过程模拟及传热分析

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详解涡旋压缩机(原理、结构、特点、比较,性能分析等)

详解涡旋压缩机（原理、结构、特点、比较，性能分析等）旋涡压缩机结构、工作过程及主要特点涡旋压缩机是一种容积式压缩的压缩机，压缩部件由动涡旋盘和静涡旋组成。

其工作原理是利用动、静涡旋盘的相对公转运动形成封闭容积的连续变化，实现压缩气体的目的。

主要用于空调、制冷、一般气体压缩以及用于汽车发动机增压器和真空泵等场合，可在很大范围内取代传统的中、小型往复式压缩机。

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基本结构结构特点两个具有双函数方程型线的动涡盘和静涡盘相错180°对置相互啮合，其中动涡盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动，并通过防自转机构约束，绕静涡盘作半径很小的平面运动，从而与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积。

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特点：利用排气来冷却电机，同时为平衡动涡旋盘上承受的轴向气体力而采用背压腔结构，另外机壳内是高压排出气体，使得排气压力脉动小，因而振动和噪声都很小。

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背压腔如何实现轴向力的平衡？动涡旋盘上开背压孔，背压孔与中间压力腔相通，从背压孔引入气体至背压腔，使背压腔处于吸、排气压力之间的中间压力。

通过背压腔内气体作用于动涡旋盘的底部，从而来平衡各月牙形空间内气体对动涡旋盘的不平衡轴向力和力矩。

91G5v。

高压外壳的特点：1、吸气温度加热损失少；2、排气脉动小；3、启动时冷冻机油发泡。

低压外壳的特点：1、吸气温度易过热；2、压缩机不易产生液击；3、内置电动机效率较高。

数码涡旋压缩机采用“轴向柔性”浮动密封技术，将一活塞安装在顶部订涡旋盘处，活塞顶部有一调节室，通过0.6mm 直径的排气孔和排气压力相连接，而外接PWM阀（脉冲宽度调节阀）连接调节室和吸气压力。

PWM 阀处于常闭位置时，活塞上下侧的压力为排气压力，一弹簧力确保两个涡旋盘共同加载。

PWM阀通电时，调节室内排气被释放至低压吸气管，导致活塞上移，带动顶部定涡旋盘上移，该动作使动、定涡旋盘分隔，导致无制冷剂通过涡旋盘。

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用于冷冻系统中的系统流程图：对压缩过程进行中间补气的经济器运行方式，是解决涡旋压缩机在低温工况下运行时，由于压比过高导致排气温度过高的有效方法。

涡旋压缩机

5.1气量的调节之变转速调节
31
5.2 多机并联运行调节
两台并联运行的涡旋式压缩机共用一个机壳，彼此独立运行也可并联运行，具有高效、可靠及成本低的优点。
5.3 变容量旁通调节
汽车空调中常用
通过活塞式控制阀6控制回流气体调节孔9的开启度，以控制吸入气体的回流量，从而实现输汽量的调节。
主要内容
1、主要构件及工作原理 2、应用领域及分类 3、涡旋曲线及结构内容积比的计算 4、泄漏的分析及密封机构 5、气量的调节 6、参考文献
1.1涡旋式压缩机的主要构件
涡旋式压缩机有两种结构：自转型和公转型。涡旋压缩机主要由两个涡旋盘相错180°对置而成，其中一个是固定涡旋盘，而另一个是旋转涡旋盘，它们在几条直线(在横截面上则是几个点)上接触并形成一系列月牙形容积。旋转涡旋盘由一个偏心距很小的曲柄轴驱动，绕固定涡旋盘平动，两者间的接触线在运转中沿涡旋曲面移动。它们之间的相对位置，借安装在旋转涡旋盘与固定部件间的十字滑环来保证。
涡旋式压缩机结构简图
17—十字滑环 8—曲轴
2.1涡旋压缩机的优缺点
优点 1) 效率高、振动小、噪声低； 2) 结构简单体积小、重量轻可靠性高； 3）采用气体支承机构，允许带液压缩，一旦压力过高，动盘与静盘端面脱离压力立即释放缺点 1）制造需高精度的加工设备及精确的调心装配技术； 2）结构太紧凑，压缩过程热量难以导出； 3）流量无法做的太大，压力也不宜过高。
涡旋式压缩机的优点
•涡旋式压缩机由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，被誉为环保型压缩机。 •由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。 •涡旋式压缩机主要运动件动为涡盘，与静涡盘只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。 •由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为超静压缩机。

涡旋压缩机热力学仿真研究_12月20日

瞬时排气速度平均排气速度
12 10 8 6 4 2
0
50
100
150
200 转角
250
300
350
400
16
2 理想状态的热力过程
17
涡旋压缩机理论模型
体积变化模型
Vi (( 2i 1) )p( p 2t )h

(i≥2)
理想气体状态方程
多变过程方程
PV Rg T
x C R b [cos ( )sin ] yC R b [sin ( )cos ]
cot / 2 /2
x A Rb [cos( ) ( ) sin( )] y A Rb [cos( ) ( ) sin( )] xE Rb csc cos yE Rb csc sin xF Rb csc cos yF Rb csc sin
全参数绝热
压力（帕）
6 5 4 3 2 1
x 10
5
全参数绝热
0
200 400 600 转角（度）
800
0
200 400 600 转角（度）
800
29
谢谢大家！
30
排气角为300度
20
涡旋压缩机受力分析
切向力径向力轴向力
F Fi Ps ph (2i ) ( i i 1 )
Fr Fri Ps ah( i 1)
N A Ft Ps p 2 ( 1 1) (2i 1 )( i 1) i2 p 2 N A Ps p 2 ( 1 1) (2i 1 )( i 1) i 3 p 2

涡旋式压缩机工作过程

涡旋式压缩机工作过程
涡旋式压缩机是一种常见的压缩机类型，它采用旋转式压缩原理，通过高速旋转的螺杆来将气体压缩，下面将从不同的角度来介绍涡旋式压缩机的工作过程。

1. 压缩过程
涡旋式压缩机的压缩过程是通过两个相互啮合的螺杆来实现的，其中一个螺杆为定子，另一个螺杆为转子，两个螺杆的啮合形成了一个密闭的腔室。

当转子开始旋转时，气体就会被吸入腔室中，随着螺杆的旋转，气体被逐渐压缩，并最终被排出。

2. 冷却过程
在涡旋式压缩机的工作过程中，由于气体被不断地压缩，会产生大量的热量，因此需要对气体进行冷却。

一般情况下，涡旋式压缩机会采用空气冷却或水冷却的方式来降低气体的温度，以保证压缩机的正常工作。

3. 润滑过程
在涡旋式压缩机的工作过程中，由于螺杆之间需要密切啮合，因此需要对螺杆进行润滑。

一般情况下，涡旋式压缩机会采用油润滑的方式来保证螺杆的正常工作，并且在压缩过程中将油与气体分离，以避免油污染气体。

4. 控制过程
涡旋式压缩机的工作过程需要进行控制，以保证压缩机的正常运转。

一般情况下，涡旋式压缩机会采用电子控制系统来进行控制，通过对
压缩机的电子控制，可以实现对压缩机的启动、停止、转速等参数的
控制。

总的来说，涡旋式压缩机的工作过程是一个复杂的系统，需要对压缩、冷却、润滑和控制等方面进行综合考虑，以保证压缩机的正常工作。

压缩机数学模型及数值求解x

R-K法求解一个工作循环
基本控制方程气体状态方程泄露、气阀、吸气孔口流动模型
传热模型
18
否
收敛
是
各参数计算并输出
压力分布指示功流量等
结束
（4）动力学模型
动涡盘运动模型动涡盘做缸体平面运动，动盘基圆中心绕静盘基圆中心旋转。气体力
切向气体力
径向气体力
轴向气体力
19
（4）动力学模型
动涡盘运动模型公转阻力矩和自传阻力矩
8
（2）几何模型
涡圈始端修正
对称圆弧修正
9
对称圆弧+直线修正
（2）几何模型
工作腔容积计算分6个阶段计算：
(1)0 2 (2)2 E
(3)E E / 2 arctan d / a (4)E / 2 arctan d / a E / 2
(5)E / 2 E
T
1
m
dV d
V m2
dm d
1 V
dmi d
hi
h
Q d
d
p T
v
m V
h T
v
质量守恒方程
dm d
mi d
me d
15
补充方程：
h v
T
， Th
v
， pv
T
， Tp
v
气体状态方程
m，dm ，dmi d d
气阀、泄露流动方程
Q
传热方程
d
V , dV
几何模型
d
dQ1
d
k1 A1
T1
T
dQ2 d
k2 A2
T2
T
dQ3
d
k3 A3

电动涡旋压缩机的数学模型及试验研究

电动涡旋压缩机的数学模型及试验研究电动涡旋压缩机的数学模型及试验研究引言：电动涡旋压缩机是一种新型的节能压缩机，其基本工作原理是利用涡旋的旋转运动将气体进行压缩。

与传统压缩机相比，电动涡旋压缩机具有结构简单、体积小、噪音低等优点。

为了进一步研究电动涡旋压缩机的性能特点及其工作原理，本文将建立数学模型并进行试验研究。

一、电动涡旋压缩机工作原理电动涡旋压缩机由电动机、涡旋室、上下两个盖板及进出口气管组成。

涡旋室内有一段螺线管，通过电动机的转动使涡旋室内的气体产生旋转运动，从而实现气体的压缩。

其工作原理可分为以下几个步骤：1. 气体进入涡旋室：气体从进口气管进入涡旋室，进入后开始受到涡旋室内气体的旋转影响。

2. 涡旋运动：电动机的转动产生旋转涡旋，在涡旋室内不断旋转，并使气体随之旋转。

3. 压缩：随着涡旋室内气体的旋转，气体的压缩效果逐渐增强。

4. 排气：压缩后的气体通过出口气管排出涡旋室。

二、建立电动涡旋压缩机数学模型为了更详细地研究电动涡旋压缩机的性能特点，我们需要建立相应的数学模型。

下面我们将针对涡旋室内气体的流动特性，分别建立质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

1. 质量守恒方程：根据连续性方程，对于涡旋室内的气体，质量守恒方程可以表示为：∂ρ/∂t + ∇(ρv) = 0其中，ρ为气体的密度，t为时间，v为速度。

2. 动量守恒方程：对于涡旋室内气体的动量，我们可以通过动量守恒方程来描述。

根据欧拉动量方程，可得：∂(ρv)/∂t + (∇ρ)·v + ρ(∇·v) = ∇p + ρg其中，p为气体的压力，g为重力加速度。

3. 能量守恒方程：对于涡旋室内气体的能量变化，我们可以通过能量守恒方程来描述。

根据热力学第一定律，可得：∂(ρE)/∂t + ∇(ρE + p)v = ∇·(κ(∇T))其中，E为气体的内能，T为气体的温度，κ为导热系数。

三、试验研究为验证所建立的数学模型的可行性，我们进行了一系列的实验研究。

涡旋式制冷压缩机

通过活塞式控制阀6 控制回流气体调节孔9 的开启度，以控制吸入气体的回流量，从而实现输汽量的调节。
12
整机
涡旋盘
4
▪ 1.2 总体结构
立式
吸气排气
5
卧式
6
▪ 单涡旋与双涡旋压缩机
7
汽车空调用涡旋
1．相邻两室的压差小，气体的泄漏量少。 2．由于吸气、压缩、排气过程是同时连续地进行，压力上升速度较慢，因此转矩变化幅度小、振动小。 3．没有余隙容积，故不存在引起输气系数下降的膨胀过程。 4．无吸、排气阀，效率高，可靠性高，噪声低。 5．由于采用气体支承机构，故允许带液压缩，一旦压缩腔内压力过高，可使动盘与静盘端面脱离，压力立即得到释放。 6．机壳内腔为排气室，减少了吸气预热，提高了压缩机的输气系数。 7．涡线体型线加工精度非常高，必须采用专用的精密加工设备。 8．密封要求高，密封机构复杂。
9
▪ 2.1 输汽量调节——变转速调节
涡旋式压缩机比活塞式和滚动转子式适用于更宽的速度范围
10
▪ 2.2 多机并联运行调节
两台并联运行的涡旋式压缩机共用一个机壳，彼此独立运行也可并联运行，具有高效、可靠及成本低的优点，有较高的 COP值。
11
▪ 2.3 变容量旁通调节 ——汽车空调中常用
▪ 1.1 涡旋压缩机工作原理
两盘啮合时，与端板配合形成一系列月牙形柱体工作容积
1
▪ 涡旋盘实物
2
工作过程
涡旋压缩机在主轴旋转一周的时间内，仅有的进气、压缩、排气三个工作过程是同时进行的，外侧空间与吸气口相通，始终处于吸气过程，内侧空间与排气口相通，始终处于排气过程。
3
过程模拟

涡旋压缩机工作过程分析

2.涡旋压缩机的的几何理论及工作过程的分析涡旋式压缩机的涡盘曲线可以是正多边形或圆的渐开线，但为了加工方便通常采用圆的渐开线。

2.1涡盘曲线方程及主要参数以渐开角作为变参数，那么圆的渐开线可以表示为(cos sin )(sin cos )x r y r ϕϕϕϕϕϕ=+=- （1）图2.1式中 r −渐开线的基圆半径同一基圆的两条不同渐开线形成涡旋压缩机的涡盘，若基圆上的渐开线初始角为α ，则涡旋体的外侧及内侧的渐开线分别表示为000000[cos()sin()][sin()cos()][cos()sin()][sin()cos()]o o i i i i i i i i x r y r x r y r ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ=-α+-α=-α--α=+α++α=+α-+α （2）涡旋压缩机的主要涡线参数如下图.2.2基圆半径 r 渐开线的起始角 α 涡旋体节距 (2)p r =π 涡旋体高度 h 涡旋体壁厚 (2)t =πα 压缩腔数 N涡旋圈数 1()4m N =+2.2压缩室投影面积，压缩室容积，吸气容积及内容积比的分析与计算。

图2.3为涡旋压缩机的端面示意图。

其中固定涡旋和旋转涡旋共形成①②和③对压缩室，只要求出它们的投影面积，便可以知道各压缩室的容积。

为了求得各压缩室的投影面积，我们先求出渐开线与基圆围成的面积。

先找出面积微元（如图1）21()2s d r d ϕϕ= （3）再把面积微元对渐开角 ϕ 积分2216s r ϕ=（4）在计算各压缩室的投影面积时，由于各压缩室的投影面积不同，应分为如下几种情形讨论：图2.3.涡旋压缩机的压缩室2.2.1中心压缩室的投影面积及压缩室容积（1）0θθ*≤≤ 以及2R r ≥时的情况其中θ 为曲柄转角； θ*为压缩机排气开始角； R 为曲柄半径。

中心压缩室即和排气孔连通的压缩室（如图 2.3中①）。

当转角为θ时，中心压缩室的投影面积为 1()s θ，用图4上的阴影部分的面积的两倍表示，即：1()2()s s θθ'= （5）图2.4.中心压缩室面积的计算如图4所示，其中面积（1—2—7—6¹—1）=面积（4¹—3¹—1¹—5¹—4¹），则()s θ'的表达式可写成1234()s s s s s θ'''''=--- （6）其中1s '=面积（7—2—8—3—3¹—1¹—6—7） =522321()2r d θϕθϕπ-α-π-α-⎰=233153[()()]622r θθπ-α--π-α- （7） 2s '=面积（4—3—3¹—4¹—4） =面积（4—4¹—5¹—1¹—3¹—3—4）-面积（4¹—1¹—3¹—4¹） =3322220011()()22r d r d θθϕϕϕϕπ+α-π-α--⎰⎰=222311()23r r θαπ-+α （8）3s '是图2.5—a 中阴影部分的面积，已知曲轴半径2pR t =-=2r π-πα，根据几何关系：3s '=面积（1—6—5—1¹—1）=21(4)2r π-α （9）图2.5.基圆之间的面积4s '是圆的渐开线由于刀具过切或者为满足压缩比而被切削掉的部分,其值很小,可以忽的略不计,即4s '=0 （10）得出中心压缩室的投影面积：1()s θ=2()s θ' =1232(s s s '-'-')=2332223215332[()()]2()(4)32223r r r r θθθπ-α--π-α--απ--α-π-α]（11）（2）0θθ*≤≤以及2R r ≤时的情况 1s '和2s '仍用前面的公式计算，只是3s '计算方法不同：3s '=21rR r s n-π+'' (12)而s ''=s s ∆-扇=221arccos()(2)sin[arccos(222r r ππ-α-π-α-α)] （13）故3s '=2142arccos(sin[arccos(222r ππ{π-α+-α)-(π-2α)-α)]} （14）（3）.2θθ*≤≤π的情况当2θθ*≤≤π时,中心压缩室与下一个压缩室连通,这时中心压缩室变成图2.6所示的阴影面积,此时的投影面积须把的积分上下限增加2π,得：1()s θ=112(s s '+'')=2332223319772[()()]2()32223r r r s θθθπ-α--π-α--απ--α-' （15）求得中心压缩室的投影面积后，得到容积：1()V θ=1()s h θ （16）图2.6.中心压缩室与相邻压缩室连通的情况2.2.2第二个压缩室起以后各压缩室的投影面积及压缩室容积从中心压缩室起第二个压缩室的投影面积如图2.6所示。

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ＪＩＡＮＧＹｉｎｇ，ＺＨＡＨａｉ — ｂｉｎ，ＷＡＮＧＪｕｎ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏ — ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧＤａ — ｈａｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｈｕａｄｏｎｇ），Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ）
理地设置壁面热力条件参数实现涡旋压缩机达到热力平衡状态的数值模拟计算方法。
【关键词】：涡旋压缩机；工作过程；数值模拟；传热分析；热力平衡中图分类号：ＴＨ４５５文献标志码：Ａ
文章编号：１００６ — ２９７１（２０１４）（】ｌ一００３４ — ０５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅ（ｔｏｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｌａｗｏｆｓｃｒｏｌｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙ，ａｄｉａｂａｔｉｃｔｌｏｗｉｎｇｉｎｓｃｒｏｌｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｈｒｏｕｇｈｇｒｉｄ — ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖａｌｉｄａ — ｔｉｏｎａｎｄｄｙｎａｍｉｃｒｅｍｅｓｈｉｎｇｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎｏｔ＇ｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｃｒｏｌｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｇａｉｎｉｎｇｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｎｔｏｕｒｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎ — ｔｏｕｒｓ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｃｏｎｔｏｕｒｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｃｒｏｌｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｇａｉｎｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｃｕｒｖｅｓａｎｄｌｅａｋａｇｅｌａｗｄｕｒｉｎｇｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇｃｈａｍｂｅｒｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓａｎｄｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｌｆｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｓｃｒｏｌ１ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｃａｕｂｅａｃｈｉｅｖｅｄｂｙｓｅｔｔｉｎｇｗａｌｌｔｈｅｒｍａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｐｒｏｐｅｒｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｏｌｌｃｏｎｌｐｒｅｓｓｏｒ；ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｂａｌａｎｃｅ
计算模型进行网格无关性验证、动网格重构验证，保证其数值模拟计算结果的准确性。得到了涡旋压缩机工作过程的压力
场、温度场、速度场分布规律，得到其工作过程曲线与各工作腔的泄漏规律，并与理论绝热过程进行对比，验证了所采用
的数值模拟计算方法的正确可行性。进而探究考虑流热耦合传热的涡旋压缩机工作过程的数值模拟计算方法，提出通过合
使用
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涡旋压缩机工作过程模拟及传热分析
姜营，查海滨，王君，张晓慧，章大海
ｆ『｝】圈石油大学（华东）化学：程学院，ｔｌｌ东青岛２６６５８０）
【摘
要】：根据涡旋压缩机的运转规律，得到了绝热状态涡旋压缩机非定常流动的数值模拟计算方法；对涡旋压缩机理论
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＨｅａｔＴａｎｓｆｅｒＡｎａｌｙｓｉｓｉｎＷｏｒｋｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｏｆＳｃｒｏｌｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒ