活塞式壓縮機(jī)內(nèi)冷卻的熱力學(xué)分析與應(yīng)用

安俊霖 王曉龍 從雨飛 路偉

摘 ?要：本文對(duì)活塞式壓縮機(jī)內(nèi)冷卻進(jìn)行了熱力學(xué)和傳熱學(xué)的理論分析，討論了冷卻工質(zhì)的種類、工質(zhì)液滴直徑、壓縮機(jī)參數(shù)和冷卻效果之間的相應(yīng)關(guān)系，分享了部分計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)內(nèi)冷卻的設(shè)備進(jìn)行了討論

關(guān)鍵詞：活塞式壓縮機(jī);熱力學(xué);內(nèi)冷卻;揮發(fā)量;噴霧器

中圖分類號(hào)：TH45 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

活塞式壓縮機(jī)是一種依靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使氣體增壓和輸送氣體的壓縮機(jī)。通過活塞和曲軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變工作腔的體積。如圖1所示，在工作腔體積增大的過程中吸入氣體，在工作腔體積減小的過程中壓縮并排出氣體，實(shí)現(xiàn)氣體的增壓和運(yùn)輸，容積式壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于石油化工、制冷、軍事、醫(yī)療等行業(yè)，應(yīng)用規(guī)模極大，僅中石化一家，其活塞式壓縮機(jī)的耗電量超過2000萬千瓦·時(shí)。所以，提高活塞式壓縮機(jī)效率，具有深遠(yuǎn)意義。

在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中進(jìn)行冷卻是活塞式壓縮機(jī)減少能量消耗的重要途徑之一，在對(duì)氣體壓縮過程中，氣體將產(chǎn)生溫度增加，根據(jù)熱力學(xué)第一定律：

，U為氣體內(nèi)能增加量，理想氣體情況下只與溫度有關(guān)，Q為吸熱量，W為氣體所作的功，由于壓縮過程極短，氣體吸熱量很小，可推斷出壓縮機(jī)對(duì)氣體所做的功都轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能的增加，動(dòng)力能轉(zhuǎn)化為熱能，氣體溫度上升，如果能將壓縮后得氣體降溫，將減小該氣體得比體積，從而減小相同質(zhì)量氣體得壓縮功耗。目前活塞壓縮機(jī)普遍采用氣缸外冷卻，使用氣缸套外的空氣或者水進(jìn)行散熱，由于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)限制，外冷卻得冷熱流體間的傳熱面積極小，傳熱時(shí)間很短，冷卻流體的流量有限，根據(jù)傳熱學(xué)傅立葉定律，傳熱效果有限，甚至傳熱過程中還帶有冷卻流體的溫升，更加阻礙傳熱效果，故冷卻效果差，使得大多數(shù)壓縮機(jī)壓縮過程接近絕熱壓縮（即壓縮過程不對(duì)外傳熱），這就使得壓縮過程的排氣溫度和耗能極高，且遇到需要限制排氣溫度的場(chǎng)合，必須將氣體分成兩階段壓縮，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性可靠性。而內(nèi)冷卻與外冷卻不同，其使用水霧或油霧等可揮發(fā)性霧狀液滴噴入待壓縮的氣體中，利用液滴的汽化潛熱帶走被壓縮氣體的熱量，由于其傳熱過程傳熱接觸面積大，且傳熱溫差變化較小，液滴汽化潛熱帶走的熱量大，使得傳熱效率大大提高。

活塞式壓縮機(jī)的內(nèi)冷卻的工業(yè)化應(yīng)用也存在一定問題，比如液滴氣化不充分將導(dǎo)致氣缸內(nèi)產(chǎn)生積水，對(duì)氣閥和氣缸壽命的降低，因此，用熱力學(xué)傳熱學(xué)的分析手段對(duì)內(nèi)冷卻進(jìn)行理論分析，找出影響揮發(fā)的各個(gè)條件尤為重要，本文以水作為揮發(fā)介質(zhì)進(jìn)行分析。

1 最大揮發(fā)量對(duì)冷卻的影響

含水霧介質(zhì)在壓縮工程中，每千克介質(zhì)能夠揮發(fā)的最大水量稱為壓縮最大揮發(fā)量，用dumax表示，它取決于壓縮后的介質(zhì)最大含濕量ds和壓縮前的介質(zhì)的最大含濕量d：

dumax= ds - d

用gp表示揮發(fā)介質(zhì)噴入量，當(dāng)gp等于dpmax時(shí)，gpmax為理論最大噴水量。假設(shè)按理論最大噴水量對(duì)介質(zhì)進(jìn)行噴霧，且水滴在壓縮過程中全部揮發(fā)，相應(yīng)的壓縮指數(shù)稱揮發(fā)極限過程指數(shù)nmin。

介質(zhì)為壓力較低的空氣時(shí)，介質(zhì)中水蒸氣分壓與有介質(zhì)含濕量d的計(jì)算公式為：

Pe =P/（1+0.622/d） ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

水蒸氣的飽和壓力Ps與介質(zhì)所處溫度TS之間的關(guān)系為：

Ps=10A-B/Ts（A、B為常熟，與介質(zhì)物性有關(guān)） ?（2）

壓縮后溫度T2由熱力學(xué)公式確定：

T2=T1（P2/P1）（n-1）/n ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

介質(zhì)的放熱被水蒸氣的揮發(fā)的吸熱所吸收，我們可以建立熱平衡關(guān)系：

（4）

由上式（1）、（2）、（3）、（4）可球接觸dumax、nmin、和排氣溫度T2之間的關(guān)系，如表1為以空氣作為介質(zhì)，截止時(shí)水作為揮發(fā)工質(zhì)時(shí)的部分計(jì)算結(jié)果。

2霧化直徑對(duì)最大蒸發(fā)量的影響

用噴水系數(shù)a反映噴水量與理論最大噴水量之比：

a=g/dumax

用蒸發(fā)完善度y表示噴入氣缸的水揮發(fā)的百分比：

Y=du/g

通常噴水壓縮過程指數(shù)n與蒸發(fā)完善度Y與介質(zhì)霧滴大小D和壓縮機(jī)進(jìn)排氣壓比、轉(zhuǎn)速、行程、噴灑擴(kuò)散程度都有關(guān)，可由以下公式表述：

n=kn（ω、ε、d） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

y=kn（ω、ε、d） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

經(jīng)過試驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如表2所示。

D（μm）

5

10

20

30

50

3 噴液霧化器

上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)霧化品質(zhì)的指標(biāo)要求，是我們選擇和設(shè)計(jì)噴霧裝置的出發(fā)點(diǎn)，我們推薦離心式噴霧器。當(dāng)工作壓力p=2-8bar時(shí)，噴頭直徑d=0.5mm時(shí)，它的噴霧液滴的平均直接Dm=150-280μm，最大液滴直接D=350-520μm。從噴霧液滴充分揮發(fā)的要求來看，這遠(yuǎn)不能滿足我們所希望的細(xì)致程度，我們企圖使噴霧更細(xì)。改進(jìn)后，霧滴尺寸雖有下降，卻下降的不多，平均液滴直徑仍在100μm以上，于是，我們又設(shè)計(jì)了兩種氣動(dòng)霧化分述如下：

（1）內(nèi)混式噴霧器

如圖2，空氣與水在壓力作用下分別從進(jìn)氣接頭5和進(jìn)水接頭14經(jīng)進(jìn)氣口dg和進(jìn)水孔口dw到噴頭體7和噴頭芯4所形成的環(huán)形混合腔中，在混合腔內(nèi)，水受到氣流的劇烈撞擊和擾動(dòng)，由孔板1上的噴孔dc噴出，噴碎成霧狀。頂絲11和彈簧8控制噴頭芯沿軸向前后移動(dòng)，改變空口開度，以調(diào)節(jié)水量大小，水量可以從0到最大水量Gw之間無級(jí)調(diào)節(jié)。Gw與加在霧化器上的壓頭P，進(jìn)入與進(jìn)氣口截面積比k及噴孔直接dc有關(guān)：

Gw=3.14/4*dc2*μwk

實(shí)驗(yàn)得出該霧化器的流量系數(shù)μ=0.74流量特性曲線見圖3，主要結(jié)構(gòu)尺寸：dw=0.5mm，dg=1mm，dc=1.1mm

1. 孔板 ?2.前壓蓋 ?3.6.9.15密封墊圈 ?4.芯體 ?5進(jìn)氣接頭 ?7 噴頭體 ?8 彈簧體 10擋圈 12 后壓蓋 13 頂絲

（2）超聲霧化器

結(jié)構(gòu)如圖3，它是一個(gè)縮放噴嘴，氣體在壓力Pg下從左邊進(jìn)入，出口背壓P0，當(dāng)壓比P0/Pg小于空氣臨界壓比0.528時(shí)，噴嘴喉部氣體達(dá)到臨界狀態(tài)，而在隨后的擴(kuò)放部分成為超聲速氣流。從壓縮機(jī)的排氣分出一小股作為噴嘴供氣，Pg=P2;出口通吸氣管道，P0=P1。所以在壓縮機(jī)級(jí)的壓力比范圍內(nèi)總是滿足P0/Pg<0.528的，故出口氣流必將到達(dá)超聲速，水孔開在噴嘴的喉部，進(jìn)氣壓力為Pw，水在壓力差（Pw-Pk）下進(jìn)入噴嘴，被超聲速碎裂成霧。

耗氣量：

Gg=3.14/4dg2μg

取空氣的K=1.4，所以

Gg=0.5378dg2μg

因?yàn)?Pk=0.528Pg

記 ? ?Pw/Pg=φ：令φ-0.528=m

則可得出：

Gw=3.14/4dw2μw

流量系數(shù)μw與φ和m有關(guān)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，給出擬合曲線為：

Μw=0.8108（m-0.1）

、

4結(jié)語

（1）壓縮機(jī)的噴水揮發(fā)冷卻式提高壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的有效措施。噴霧盡可能地細(xì)小。

（2）離心式噴霧器的噴霧顆粒較大，不能保證在壓縮過程中揮發(fā)完全，僅能靠液體先熱冷卻壓縮氣體，難以取得較好的冷卻效果。

（3）內(nèi)混式噴霧器和超聲噴霧器均可在較低的壓力下獲得液滴直徑小于30μm左右的霧化水滴，且結(jié)構(gòu)簡單輕便，可作為壓縮機(jī)噴水揮發(fā)冷卻器。

收稿日期：2019-07-15

作者簡介：安俊霖（1990—），男，遼寧沈陽人，本科，工程師，從事隔膜壓縮機(jī)等特種壓縮機(jī)的研發(fā)工作。