水制冷劑及水蒸氣壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀和展望

吳迪，胡斌，王如竹，江南山，李子亮

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水制冷劑及水蒸氣壓縮機(jī)研究現(xiàn)狀和展望

吳迪1，胡斌1，王如竹1，江南山2，李子亮2

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；2上海漢鐘精機(jī)股份有限公司，上海201501）

水作為第4代制冷劑具有綠色環(huán)保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、穩(wěn)定性高以及汽化潛熱大等諸多優(yōu)勢(shì)，完全可以滿足環(huán)保要求從而應(yīng)用在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中；但是水蒸氣分子量低、比容大以及絕熱指數(shù)高也決定了水蒸氣系統(tǒng)具有壓差小、壓比大、單位容積制冷量小、容積流量大、排氣溫度高等特點(diǎn)，對(duì)水蒸氣制冷系統(tǒng)用的壓縮機(jī)也提出了更高的要求。目前使用的水蒸氣壓縮機(jī)主要有離心式、螺桿式以及羅茨式，離心式壓縮機(jī)雖然容積流量大，但是單級(jí)壓比小，對(duì)液滴敏感，排氣溫升問(wèn)題突出，葉片以及殼體材料要求高，經(jīng)濟(jì)成本高，適用于大流量，小壓比的系統(tǒng)；螺桿式壓縮機(jī)穩(wěn)定性好，壓比大，可以滿足濕壓縮要求，但是它容積流量有限，可用于小流量，大壓比的系統(tǒng)；羅茨式壓縮機(jī)振動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是它的壓比同樣也比較小，適用于中小冷量，大溫升系統(tǒng)。為了促進(jìn)水制冷劑在生產(chǎn)生活領(lǐng)域的廣泛使用，針對(duì)不同使用場(chǎng)合和供汽需求，研究開(kāi)發(fā)與之適用的壓縮機(jī)是未來(lái)制冷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

水制冷劑；壓縮機(jī)；壓比；排氣溫度

引 言

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們對(duì)物質(zhì)需求的不斷增長(zhǎng)，能源的消耗也日益加劇，未來(lái)能源短缺將會(huì)是世界面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。面對(duì)化石能源危機(jī)，努力發(fā)展和使用新能源與可再生能源，如頁(yè)巖油氣、可燃冰、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能等，可以有效降低對(duì)化石能源的依賴[1-5]，同時(shí)大力推廣新型節(jié)能技術(shù)，降低生產(chǎn)生活中的能源消耗，也是擺脫能源危機(jī)的重要手段[5-6]。

與此同時(shí)環(huán)境污染問(wèn)題也在時(shí)刻敲打著警鐘，臭氧層消耗，全球氣候變暖，冰川融化以及海平面上升等問(wèn)題亟待解決[7]。隨著制冷空調(diào)行業(yè)的迅速發(fā)展，制冷領(lǐng)域每年需要的制冷劑高達(dá)百萬(wàn)噸，而氯氟烴類(lèi)人工合成制冷劑因?yàn)閷?duì)臭氧層的破壞以及對(duì)溫室效應(yīng)的促進(jìn)作用，使制冷與空調(diào)行業(yè)面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)，因此尋找新型、高效、綠色、環(huán)保并且易得的制冷劑已經(jīng)成為了整個(gè)制冷領(lǐng)域的共識(shí)[8-9]。水作為一種最易得的工質(zhì)，其綠色、環(huán)保、低廉、溫室效應(yīng)小、對(duì)于臭氧層無(wú)破壞，可以說(shuō)是最理想的制冷工質(zhì)。

熱泵的使用可以有效回收低品位能源，提高能量的利用效率，降低高品位能源的消耗，緩解全球能源危機(jī)的壓力，因此熱泵作為一種有效的節(jié)能技術(shù)一直被社會(huì)各界所推崇，在社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。如果采用水作為熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)，可以將水的綠色環(huán)保和熱泵的節(jié)能減排特點(diǎn)充分結(jié)合，是一種非常具有應(yīng)用前景的技術(shù)。而水蒸氣壓縮機(jī)是水蒸氣熱泵系統(tǒng)的動(dòng)力源以及主要能耗設(shè)備，維持著系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，水蒸氣熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用離不開(kāi)低成本、高效率并且高穩(wěn)定性的水蒸氣壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)[10-12]。本文根據(jù)以往的研究成果，著重對(duì)水制冷劑以及水蒸氣壓縮機(jī)的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，并對(duì)水制冷劑與水蒸氣壓縮機(jī)未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行初步展望。

1 水制冷劑的性質(zhì)

在過(guò)去200年中，因?yàn)闀r(shí)代發(fā)展的需求不同，在不同時(shí)期對(duì)制冷劑的要求也有所不同，根據(jù)時(shí)代的不同需求以及對(duì)制冷劑的不同要求，制冷劑的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段，如表1所示[13-14]。

表1 制冷劑的發(fā)展歷程

最初因?yàn)閼?yīng)用需要以及對(duì)制冷劑物性認(rèn)知的缺乏，制冷劑能夠滿足應(yīng)用需求即可，對(duì)其安全性、環(huán)保性都沒(méi)有提出具體要求。而后為了降低制冷劑使用的經(jīng)濟(jì)成本，保證設(shè)備設(shè)施以及工作人員的安全，對(duì)制冷劑的安全性提出了新的要求，以轉(zhuǎn)向氟化物為鮮明標(biāo)志催生出第2代制冷劑，第2代制冷劑安全性高，經(jīng)濟(jì)耐用，在當(dāng)時(shí)被大力發(fā)展。但是隨著對(duì)制冷劑物性的深入研究，科研人員發(fā)現(xiàn)第2代制冷劑對(duì)臭氧層有較大破壞作用，導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，必須尋求新的對(duì)臭氧層無(wú)害的制冷劑，由此引發(fā)了第3代制冷劑的研發(fā)，而第3代制冷劑對(duì)臭氧層的破壞性都很小，有的甚至無(wú)破壞作用。但是伴隨著第3代制冷劑的使用，其顯著的溫室效應(yīng)，也嚴(yán)重地制約了它的進(jìn)一步發(fā)展，必須尋找無(wú)溫室效應(yīng)的更加適合的制冷劑，同時(shí)也對(duì)制冷劑提出了經(jīng)濟(jì)、安全、耐用、綠色、環(huán)保、易得的更高更全面的要求，也就促使研究人員轉(zhuǎn)向第1代制冷劑中以水、二氧化碳、氨以及烴類(lèi)等為代表的第4代天然制冷劑[15-17]。

第4代制冷劑中丙烷、氨、水以及二氧化碳的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比如表2所示[14, 18]。

表2 第4代制冷劑中代表工質(zhì)的物性參數(shù)

對(duì)表2中的第4代制冷劑性質(zhì)進(jìn)行分析，可以得知水作為制冷劑具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。水的ODP=0，GWP<1，意味著水作為制冷劑對(duì)于臭氧層無(wú)破壞，對(duì)于全球氣候變暖影響小，是對(duì)環(huán)境很友好的制冷劑。

（2）原料易得，成本低廉。水在自然界中大量存在，與其他任何一種制冷劑相比，水最易獲得，使用成本最低，是最經(jīng)濟(jì)的制冷劑。

（3）安全性好。水不具有毒性、可燃性、易爆性等危險(xiǎn)屬性，作為制冷劑無(wú)論是在液態(tài)或氣態(tài)下發(fā)生泄漏時(shí)不會(huì)造成任何安全問(wèn)題，是最安全的制冷劑。

（4）穩(wěn)定性好，經(jīng)久耐用。水的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不存在制冷劑長(zhǎng)期使用產(chǎn)生的分解問(wèn)題。

（5）汽化潛熱大。雖然與氨和二氧化碳相比水制冷劑的單位容積制冷量非常小，僅為氨的l/300左右，為二氧化碳的1/1860，但是水的汽化潛熱大，單位質(zhì)量的制冷量相對(duì)也大。

水作為制冷劑第1次有記錄地被使用在制冷領(lǐng)域是在1934年Belmont將水蒸氣離心式壓縮機(jī)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。但后來(lái)，隨著氟里昂類(lèi)制冷劑的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，壓縮機(jī)的體積和質(zhì)量大大減小，水作為制冷劑的壓縮系統(tǒng)漸漸被人們遺忘。而如今面對(duì)嚴(yán)峻的能源危機(jī)以及環(huán)境問(wèn)題，水作為一種綠色環(huán)保、廉價(jià)易得、安全穩(wěn)定的天然制冷劑，在節(jié)能領(lǐng)域以及制冷行業(yè)中有著其他制冷劑難以比擬的優(yōu)勢(shì)[19]。以水作制冷工質(zhì)將會(huì)是未來(lái)節(jié)能以及制冷領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，并進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)也已有學(xué)者研究表明，以水為工質(zhì)的系統(tǒng)性能系數(shù)在一定工況下甚至?xí)?yōu)于傳統(tǒng)工質(zhì)系統(tǒng)[10, 20-26]，這些研究也為水制冷劑的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。

2 水蒸氣壓縮機(jī)的研究現(xiàn)狀

雖然水作為制冷劑具有巨大的優(yōu)越性，但是水蒸氣分子量低、絕熱指數(shù)高以及比容大的物理性質(zhì)也決定了水蒸氣壓縮系統(tǒng)具有壓差小、壓比大、單位容積制冷量小、容積流量大、排氣溫度高等特點(diǎn)[27]，同時(shí)水蒸氣壓縮機(jī)也面臨著零部件的腐蝕生銹，水蒸氣侵入壓縮機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油工作區(qū)的問(wèn)題，這些都對(duì)水蒸氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)以及性能提出更高的要求，如今水蒸氣壓縮機(jī)的防腐防銹、密封、耐高溫和長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠也成為重要的技術(shù)難題[28-29]。

目前對(duì)于以水作為介質(zhì)的水蒸氣壓縮機(jī)的研究主要集中在離心式水蒸氣壓縮機(jī)、螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)以及羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)，對(duì)于往復(fù)式以及軸流式水蒸氣壓縮機(jī)也有研究但是相對(duì)較少[22, 30-31]。

2.1 離心式水蒸氣壓縮機(jī)

離心式壓縮機(jī)屬于速度型壓縮機(jī)，首先通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)提高氣體速度，然后由擴(kuò)壓室將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而提高氣體壓力。Leblanc于1912年設(shè)計(jì)了1臺(tái)水蒸氣離心式壓縮機(jī)，這是目前有記錄的第1臺(tái)水蒸氣離心式壓縮機(jī)，而B(niǎo)elmont于1934年首次將水蒸氣離心式壓縮機(jī)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，開(kāi)啟了水作為制冷工質(zhì)的時(shí)代。

表3是離心式水蒸氣壓縮機(jī)在具體系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的對(duì)比分析。

表3 離心式水蒸氣壓縮機(jī)對(duì)比分析

對(duì)表3分析發(fā)現(xiàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，離心式水蒸氣壓縮機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多，離心式水蒸氣壓縮機(jī)的效率在不斷地提升，壓比范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大，雖然離心式水蒸氣壓縮機(jī)基本都是使用在大流量壓縮設(shè)備中，但是也有研究人員將小流量的離心式水蒸氣壓縮機(jī)應(yīng)用在熱泵系統(tǒng)中[38]，這說(shuō)明小流量的離心式水蒸氣壓縮也具有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。

當(dāng)離心式水蒸氣壓縮機(jī)在制冷以及熱泵等循環(huán)中與其他設(shè)備結(jié)合使用時(shí)，可以有效提高水蒸氣的壓比，同時(shí)降低水蒸氣的排氣溫度，提高系統(tǒng)的效率，降低能量消耗。例如Kharazi等[39-40]將冷凝波轉(zhuǎn)子與離心式壓縮機(jī)結(jié)合使用，?arevski等[41-42]將兩相噴射器與離心式壓縮機(jī)的結(jié)合使用等，這些研究為以后離心式水蒸氣壓縮機(jī)的研發(fā)提供了新的思路，有助于在保證大流量的前提下進(jìn)一步提高壓比，擴(kuò)大離心式水蒸氣壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍。

為了使離心式水蒸氣壓縮機(jī)的葉輪具有耐腐蝕、耐磨損、耐熱、耐振等特性，常用的葉輪材料為不銹鋼，特殊情況下也可以用銦、鈦等材料，可選用的葉輪材料有17-4PH、304、316、銦600、銦718、鈦5、鉬、鉿合金等[34]。在具體研究中也有學(xué)者提出了一些寶貴意見(jiàn)，例如劉曉莉等[29]在對(duì)黑液進(jìn)行濃縮處理時(shí)指出，由鎳合金200或Ferralium 255制成的離心式蒸汽壓縮機(jī)具有較強(qiáng)的抗腐蝕性和較長(zhǎng)的運(yùn)行壽命。沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司將由鈦合金制成的徑向半開(kāi)式三元葉輪懸置于高速齒輪軸反電動(dòng)機(jī)側(cè)的懸臂軸頭之上，研制出蒸發(fā)量10 t?h-1以下，蒸發(fā)溫升18℃的高速離心式水蒸氣壓縮機(jī)[43]。牛利民等[44]在研究海水淡化的過(guò)程中也指出，鋁青銅也可以作為離心式水蒸氣壓縮機(jī)的葉片材料。

整體而言離心式水蒸氣壓縮機(jī)具有容積流量大、動(dòng)平衡特性好、振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，但也具有單級(jí)壓比小、對(duì)工質(zhì)中的霧粒敏感、容易發(fā)生喘振以及易于腐蝕、應(yīng)用范圍窄的明顯缺點(diǎn)。同時(shí)離心式水蒸氣壓縮機(jī)因?yàn)閷?duì)于液滴敏感，單機(jī)壓縮很難克服高壓比排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，對(duì)葉片以及殼體材料要求也高，成本較高。因此保證離心式水蒸氣壓縮機(jī)壓比的同時(shí)降低排氣溫度，研制高性能葉片，降低壓縮機(jī)成本，擴(kuò)大應(yīng)用范圍以及克服喘振將成為離心式水蒸氣壓縮機(jī)的主要研究方向。

2.2 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)

螺桿式壓縮機(jī)屬于容積型壓縮機(jī)，依靠基元容積的周期性變化完成吸氣、壓縮以及排氣過(guò)程。1986年日本松田潤(rùn)二[45]將螺桿壓縮機(jī)用于壓縮水蒸氣，并將其用于啤酒蒸餾的機(jī)械蒸汽再壓縮(MVR)系統(tǒng)，獲得了成功。1987年，吳亞勤等[46]介紹了以水蒸氣作為工質(zhì)的螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)具有壓縮比大，經(jīng)久耐用，可靠性高，在廣泛的運(yùn)行范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。1988年楊志才等[47]成功改造了一臺(tái)螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)，用它直接壓縮水蒸氣并向里面噴液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓縮水蒸氣時(shí)向汽缸內(nèi)噴液，可以增加壓縮機(jī)流量，提高壓縮機(jī)總效率。

表4為螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)在具體系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的對(duì)比分析。

表4 螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)對(duì)比分析

對(duì)表4分析可以發(fā)現(xiàn)，螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)最近幾年研究與應(yīng)用相對(duì)較多，且大多用于機(jī)械蒸汽再壓縮等熱泵系統(tǒng)中。螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)的流量范圍相對(duì)而言較小，基本上都在中小流量范圍內(nèi)，但是壓比相對(duì)較大，而效率也基本在50%～75%之間。和離心式水蒸氣壓縮機(jī)相比，螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)具有大壓比的優(yōu)勢(shì)，但是也有著流量小的明顯不足。

同時(shí)螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)也存在著排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，為了解決壓縮過(guò)程終了排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，張良等[49]對(duì)螺桿壓縮機(jī)采用濕壓縮方式，利用水滴升溫顯熱和汽化潛熱來(lái)降低壓縮終了水蒸氣的排汽溫度，改善壓縮機(jī)工作性能，并計(jì)算分析了濕蒸汽進(jìn)汽干度及水滴微粒直徑對(duì)排汽溫度和壓縮功率的影響；沈九兵等[55]系統(tǒng)地引入噴水螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)，利用噴水實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)排氣為飽和狀態(tài)，滿足工業(yè)應(yīng)用高溫升、高壓比技術(shù)要求的同時(shí)，克服高排氣溫度會(huì)導(dǎo)致的機(jī)械及安全問(wèn)題。濕壓縮以及噴水降溫技術(shù)的研發(fā)也為以后克服螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題提供了有效的解決方案。

因?yàn)槁輻U式水蒸氣壓縮機(jī)屬于容積旋轉(zhuǎn)型壓縮機(jī)，兼具活塞壓縮機(jī)、透平壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)，性能穩(wěn)定、可靠性高、壓比大，且不存在離心式壓縮機(jī)的振蕩問(wèn)題，對(duì)于水蒸氣的壓縮效果也很好，還適用于多相壓縮，可以通過(guò)噴水減溫以及濕壓縮降低壓縮終了排氣溫度，從而降低對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備的要求和成本，未來(lái)將會(huì)是水蒸氣壓縮機(jī)的重點(diǎn)研發(fā)方向。但是螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)最大的問(wèn)題就是容積流量小，在中小型壓縮系統(tǒng)中使用合適，對(duì)于大流量系統(tǒng)局限較大。

2.3 羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)

羅茨式壓縮機(jī)，屬于容積型壓縮機(jī)，它通過(guò)一對(duì)回轉(zhuǎn)葉輪將吸氣端的低壓氣體趕入高壓端的排氣腔，實(shí)現(xiàn)壓力的突升，具有動(dòng)平衡特性好、振動(dòng)小、對(duì)粉塵不敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于中小冷量、大溫升的水蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較理想的壓縮機(jī)機(jī)型，尤其是在機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)中用羅茨式壓縮機(jī)作為提升水蒸氣壓力的設(shè)備[56-57]。

表5為羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)在具體系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的對(duì)比分析。

表5 羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)對(duì)比分析

對(duì)表5分析可以發(fā)現(xiàn)，目前科研人員所研究的羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)的進(jìn)口體積流量范圍較小，同時(shí)壓縮機(jī)的壓比也不是很大，對(duì)于小流量以及小功耗的系統(tǒng)較為適用。針對(duì)羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)的特點(diǎn)，國(guó)外研究較多的是將其與MVR系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)用在中小型海水淡化，蒸餾等方面[58, 60]，而且相比國(guó)內(nèi)，國(guó)外對(duì)羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)的研究較少。

羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中也存在壓縮終了時(shí)排氣溫度過(guò)高的問(wèn)題，而壓縮終了排氣溫度過(guò)高對(duì)羅茨式水蒸氣縮機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[61-62]。中間補(bǔ)氣是通過(guò)抽取高壓側(cè)的一部分工質(zhì)補(bǔ)入到壓縮機(jī)腔內(nèi)來(lái)改善壓縮過(guò)程的一種成熟技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在普通壓縮機(jī)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)中[63-64]。俞麗華等[56]為改善壓縮機(jī)的工作過(guò)程，降低壓縮終了的排氣溫度，將補(bǔ)氣技術(shù)應(yīng)用在羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)中，提出了帶中間補(bǔ)氣的羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，得出在補(bǔ)氣質(zhì)量比為相應(yīng)工況下最大值時(shí)，羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)具有最高的容積效率，同時(shí)排氣溫度最低，軸功率也最小。張化福等[59]將羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)應(yīng)用在機(jī)械蒸汽再壓縮熱泵蒸發(fā)器系統(tǒng)中，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，得出所使用的羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)適合在蒸發(fā)量和沸點(diǎn)溫升不大的高溫工況下運(yùn)行。

羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)雖然具有穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是容積流量小，壓比不高，單機(jī)效率低是其先天缺陷，同時(shí)存在噪聲大(85dB以上)、密封要求高、調(diào)節(jié)比較困難和調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，而且羅茨壓縮機(jī)的效率會(huì)隨著壓比的增大顯著地降低，對(duì)于高壓場(chǎng)所并不適用，所以對(duì)于羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)的應(yīng)用還需要大量的研究。

3 未來(lái)發(fā)展

根據(jù)以上總結(jié)可知不同形式的水蒸氣壓縮機(jī)，流量與壓比各有不同，如表6所示。離心式水蒸氣壓縮機(jī)雖然容積流量大，但是單級(jí)壓縮壓比小，對(duì)液滴敏感，容易發(fā)生喘振，排氣溫升問(wèn)題突出，同時(shí)葉片以及殼體材料要求高，經(jīng)濟(jì)成本高；螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)具有穩(wěn)定性好，可靠性高，壓比大以及可以多相壓縮的優(yōu)點(diǎn)，但是它的容積流量有限，無(wú)法滿足大容量系統(tǒng)的要求；羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)則具有振動(dòng)小，對(duì)粉塵不敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是它也具有無(wú)法滿足大壓比的突出問(wèn)題。由此可見(jiàn)不同型式的水蒸氣壓縮機(jī)都有適合自己特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)所，在未來(lái)的研究中需要對(duì)它們的制約條件進(jìn)行深一步的研究，不斷地完善水蒸氣壓縮機(jī)的性能。

表6 不同型式的水蒸氣壓縮機(jī)的流量與壓比

在分析中也發(fā)現(xiàn)，排氣溫度過(guò)高將會(huì)嚴(yán)重制約水蒸氣壓縮機(jī)的發(fā)展以及水制冷劑系統(tǒng)的推廣，因此必須在水蒸氣的壓縮過(guò)程中，進(jìn)行降溫處理，在確保水蒸氣壓縮順利進(jìn)行的同時(shí)保證排氣溫度不會(huì)過(guò)高，設(shè)備安全運(yùn)行。所以在水蒸氣的壓縮過(guò)程中降低壓縮機(jī)的排氣溫度將會(huì)是未來(lái)水蒸氣壓縮機(jī)研發(fā)的一個(gè)重要課題。不同的壓縮機(jī)具有不同的降溫方式，對(duì)于離心式水蒸氣壓縮機(jī)雖然無(wú)法進(jìn)行噴水減溫，但是可以通過(guò)與冷凝波轉(zhuǎn)子、兩相噴射器結(jié)合使用，在降低排氣溫度的同時(shí)，增加一級(jí)額外壓縮，提升壓比；對(duì)于螺桿式水蒸氣壓縮機(jī)可以通過(guò)濕蒸汽兩相壓縮或者壓縮過(guò)程中噴水減溫來(lái)降低排氣溫度；而羅茨式水蒸氣壓縮機(jī)可以通過(guò)中間補(bǔ)氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)排氣溫度的降低。這些技術(shù)方法的提出都為以后水蒸氣壓縮機(jī)的推廣提供了理論上的支持，促進(jìn)了水蒸氣壓縮機(jī)的發(fā)展。

而在工業(yè)應(yīng)用上，近些年來(lái)隨著能源成本的上升和環(huán)保要求的提高，節(jié)能與環(huán)保一直是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域所秉承的一個(gè)重要理念。水蒸氣壓縮機(jī)因其具有的高效節(jié)能、環(huán)境友好的特點(diǎn)在工業(yè)上已經(jīng)開(kāi)始被廣泛應(yīng)用，而在應(yīng)用的過(guò)程中多是和機(jī)械蒸汽再壓縮系統(tǒng)結(jié)合使用。在歐美等國(guó)家水蒸氣壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于蒸發(fā)領(lǐng)域[35, 65-67]。在國(guó)內(nèi)水蒸氣壓縮機(jī)也已經(jīng)被大量運(yùn)用在制鹽[68-70]、環(huán)保[29, 71-72]、蒸餾[73-75]、食品、制藥[76]和干燥等行業(yè)之中，同時(shí)水蒸氣壓縮機(jī)在國(guó)內(nèi)的需求量也是日益增長(zhǎng)。隨著沈鼓[36, 43]、陜鼓[37]、金通靈、章鼓、三一重工、江增等大型機(jī)加工、風(fēng)機(jī)企業(yè)的介入，利用其原有的人才和技術(shù)以及加工上的優(yōu)勢(shì)，使得國(guó)產(chǎn)水蒸氣壓縮機(jī)在技術(shù)上得到進(jìn)一步的提高，產(chǎn)品更加穩(wěn)定可靠，得到了用戶的信賴，在許多行業(yè)也取代了蘇爾壽(Sulzer)、西門(mén)子(Siemens)、阿特拉斯(Atalas)、曼透(Man Turbo)、飛馬(Fima)等國(guó)際知名的風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)制造企業(yè)的產(chǎn)品[77]，使得我國(guó)的水蒸氣壓縮機(jī)產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)領(lǐng)域也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。水蒸氣壓縮機(jī)市場(chǎng)隨著這些重量級(jí)企業(yè)的重視和參與，競(jìng)爭(zhēng)程度將愈加激烈，但是激烈的競(jìng)爭(zhēng)也將會(huì)進(jìn)一步地推動(dòng)水蒸氣壓縮機(jī)的發(fā)展，從而推進(jìn)我國(guó)能源以及節(jié)能領(lǐng)域的進(jìn)步。

4 結(jié) 論

水作為一種天然的制冷劑，因其所具有的綠色環(huán)保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、穩(wěn)定性高以及汽化潛熱大等優(yōu)勢(shì)，在節(jié)能減排方向上具有重要的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)水制冷劑的大規(guī)模使用將可以有效解決一直以來(lái)人工合成制冷劑帶來(lái)的各種環(huán)境問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保上取得雙贏的效果。但是水制冷劑的推廣使用離不開(kāi)成本低、效率高、穩(wěn)定性好的水蒸氣壓縮機(jī)，水蒸氣壓縮機(jī)的高要求直接限制了實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)的運(yùn)行性能和成本，制約了水制冷劑的推廣。在目前使用的各種類(lèi)型的水蒸氣壓縮機(jī)中，離心式容積流量大，但單級(jí)壓比小，對(duì)液滴敏感，易發(fā)生喘振，排氣過(guò)熱問(wèn)題突出，經(jīng)濟(jì)成本高；螺桿式穩(wěn)定性好，可靠性高，壓比大，可以滿足多相壓縮要求，但容積流量有限；羅茨式振動(dòng)小，對(duì)粉塵不敏感，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但流量小，壓比不高。因此未來(lái)的研究中需要針對(duì)不同型式的水蒸氣壓縮機(jī)的各自的特點(diǎn)以及適用工況進(jìn)行具體研究，改進(jìn)不足，提升優(yōu)點(diǎn)，在具體應(yīng)用中不斷地完善水蒸氣壓縮機(jī)的性能，降低設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)一步推進(jìn)水制冷劑和水蒸氣壓縮機(jī)的發(fā)展。

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A review on development and prospect of water refrigerant and water vapor compressor

WU Di1, HU Bin1, WANG Ruzhu1, JIANG Nanshan2, LI Ziliang2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Shanghai Hanbell Precise Machinery Co., Ltd., Shanghai 201501, China)

As a representative of the fourth generation refrigerant, water has numerous advantages, such as non-pollution (ODP=0, GWP<1), accessible, low-cost, secure, stable and large latent heat of vaporization, which can completely satisfy the requirements of the environment as a refrigerant. However, low molecular weight, large specific volume and high adiabatic index of water vapor determine that the water vapor systems have the characteristics of small differential pressure, large compression ratio, small unit volume capacity, large volume flow and high discharge temperature. It also puts forward higher requirements for water vapor compressors, which seriously limit the use and promotion of water as a refrigerant. Currently, the water vapor compressors mainly are centrifugal, screw and roots compressor. Centrifugal water vapor compressor has the advantage of large volume flow rate, but it has small single stage compression ratio, high discharge temperature and droplet sensitivity. At the same time, the blade and shell material of the centrifugal water vapor compressor are severe and expensive. Therefore the centrifugal water vapor compressor is suitable for the largest volume flow rate and smallest compression ratio system. Screw water vapor compressor has the advantages of good stability, large compression ratio and wet compression; however the volume flow rate is smaller. It is more suitable for the refrigeration system with small volume flow rate and large compression ratio. Roots water vapor compressor has the advantages of less vibration components and simple structure, however it also has small compression ratio, so it is usually used in the medium heating capacity and large temperature rise systems. In order to promote water refrigerant to be wildly used in production and livelihood field, researching and developing practicable compressors for different usage occasions and steam requirements is an interesting and significant research project in future.

water refrigerant; compressor; compression ratio; discharge temperature

10.11949/j.issn.0438-1157.20170264

TH 45; TB 61

A

0438—1157（2017）08—2959—10

胡斌。第一作者：吳迪（1993—），男，博士研究生。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFB06012010）。

2017-03-19收到初稿，2017-04-28收到修改稿。

2017-03-19.

Dr. HU Bin, hb1223@sjtu.edu.cn

supported by the National Key R & D Program of China (2016YFB06012010).