压缩机网 >杂志精华>正文

新型等温压缩/膨胀与热力循环技术探析<一>

  【压缩机网】摘要:本文简要介绍了一种全新的气体压缩机工作方法原理,可实现最接近理论等温过程的压缩与膨胀,已获得国家方法发明专利(授权公告号:CN  110848151 B)。通过其基本的工作原理、理论模型、数据、基础计算方法,论证了等温压缩的能效,以及该技术路线实现对机械方面的要求。最后探讨了气态工质(近)等温压缩得以实现对于热力循环带来的影响,提出了基于工质等温压缩/膨胀时,在各种工况下最理想热力循环的基本理论模型,以及对热机热能源环境变革性的影响。

  文/张桂伟

  0 引言

  压缩机是把原动机的功转换为气体压力能的机械设备,是一种广泛应用于能源、化工、冶金、医疗、农业、交通、食品、国防等领域的通用机械设备。工程热力学中的很多热力循环也包括气态工质的压缩与膨胀过程,是把热能转换为机械能的最广泛途径,因此压缩机同样属于热力学设备。其不但要遵循最基本的热力学定律,也要受到现实中材料的物化性能、加工技术与工艺、指导理论的制约。如果新材料、新加工工艺或者新的设计理论有所进步,那么工程热力学理论也可能会有进步,设计出新型动力装置或者能源系统,或者提高现有热机热的效率。

  今天笔者就为大家介绍一种新的气体近等温压缩方法的工作原理,以及由此带来的热力循环理论的改进和优化,欢迎大家交流讨论,多提宝贵意见。

  热力学研究分析表明,气体的等温压缩具有最低的理论功耗,卡诺循环中就有两个等温吸放热过程,对提高热力循环效率有重要作用。但实用化的气体等温压缩技术被认为很难实现,因为气体的表面传热系数太低,只有11W/·K~58W/·K,在现实中工况确定的前提下,压缩产生的热很难及时通过压缩腔壳体耗散到外界大气环境这个最终的热阱中。热量积聚在工质中,使工质温度升高,增加了压缩功耗。

  目前,针对气体的等温压缩采取的措施有,通过肋化压缩腔外表面强化散热、多级压缩中间冷却、向压缩腔内喷油喷水,一些热机和逆热机循环中,则以工质相变时等温吸放热替代了气态工质的等温压缩。这些措施均不理想,或者增加了系统的复杂度,或者等温效率不高,又或者两者皆有。例如多级压缩中间冷却,大大增加了系统的复杂度,以及流动损失。向压缩腔内喷油喷水,影响压缩过程,增加了散热介质,可能造成液击,并有额外耗功。热力循环中的工质相变等温吸放热过程比较理想,但是受到工质临界温度与热源温度之间的温差影响,在湿蒸汽范围内,效率并不高。因此寻找一种高效的气态工质近等温压缩/膨胀的技术方法,就成了当务之急。本发明较好的解决了以上矛盾,使得气体的压缩过程,可以无限接近理论等温压缩,同时并没有造成过大的负面影响。

  1、气体近等温压缩基本原理

  影响气体压缩过程热耗散功率有三个要素:温差、时间、散热面积。温差是我们要尽力降低的,时间受工况需求,功率不能太低,影响设备的性价比。因此,唯一可能实现近似等温压缩的方式就是增加散热可用的面积。增加散热面积还要考虑气体的流动阻力以及密封线的长度。综合考虑以上各种矛盾的因素,形成了本技术方案。

  本技术方案亦是通过增加压缩腔内外表面积,以增强散热功率,同时用液体替代活塞传递压缩力矩,减少密封和摩擦损失。其基本原理如下:

16.JPG

17.JPG

  在并行多通道换热(例如板式换热器或者多管组散热器)增设一套液体循环系统,液体和气体交替进入热交换器,液体把气体隔断开,形成若干压缩腔,液体和气体同步流向出口。液体的主要作用是传递压缩力矩,逐步压缩气体体积,压缩产生的热可以通过散热器较大的内表面积,及时散失到外界,避免热量积累,使气体温度升高。压缩通道内设有扰流和辅助吸热的金属丝,可以把气体层流变为紊流,以增加散热效率。压缩末端,气体压缩热产生的速率增加,而散热器对应的面积却在减少,此时应加大金属丝的布置密度,产生类似回热器的效果。压缩产生的热将会传递给金属丝,并储存在金属丝本身的比热容中,压缩液流经金属丝时,热量再传递给压缩液,由压缩液带出压缩腔。

18.JPG

  本发明不属于常见压缩机原理中的任何一类,不属于容积式与速度式,而是某几种结合,应确立为新结构原理。根据特点,可命名为离心变容式或者离心液压变容式。下面以一个典型的实施例做进一步说明。典型的实施例,是指具有本发明特性的,体现其专利权保护项内容的各权利项中,最具显著特征,包括但不仅限于典型实施例。同一原理的压缩机在专利保护范围内,基本单元为一个螺旋板散热器。螺旋板散热器区有压缩通道和散热通道,压缩通道侧面封闭,入口设在外侧,出口设在中心,并流向中心轴向;散热通道侧面开放,冷却风从一侧进入从另一侧流出。


19.JPG

  20.JPG

       图4与图5比例不一致,是因为要表现原理的细节,按照实际比例可能表现不出细节。

  压缩液积聚在螺旋板散热器的底部(图6),隔开气体形成压缩腔,以三个环设的螺旋板散热器围绕中心做公转,赋予压缩液离心力。每三个单元组成一组呈工作状态的等温压缩机,每个单元都可以完全独立工作,三个一组是为了配重和节约空间。工作时环设的三个螺旋板散热器围绕公转中心进行公转,同时螺旋板散热器围绕自身中心进行自转(图7),且公转方向与自转方向相反。

  螺旋板散热器自转时,积聚在远离公转中心的压缩液,受力向自转中心运动,被压缩液隔开的气体,同时向自转中心汇集,体积受结构限制,逐渐减小,压力升高。压缩产生的热可以通过螺旋板散热器及时散失,同时升高的压力推动压缩液,形成以公转中心为中心的液位差(图6),液位差在公转离心力的作用下,和气压差形成动态平衡。螺旋板散热器外径与内径之比,即为压缩机的基础压比。

  该原理的压缩机与其他压缩机原理最大区别是,压缩过程在螺旋板散热器内完成,具有最大的散热面积,可以及时冷却压缩产生的热,其冷却风从侧面进入,在冷却完成后,利用公转离心力从垂直旋转轴方向排出(图10)。

25.JPG

  外侧嵌套一个涡轮扇叶(如上图,作图能力有限,从网上下载的实物图片),与公转同步,产生离心力驱动冷却风流动。

26.JPG

  图11为液体循环的示意图,液体在螺旋板散热器自转时,向自转中心汇集,从侧面排出后,通过一个泵重新在进气口与待压缩气体汇合,重新开始循环。泵为受力运动泵,为平衡液体从气液混合状态排出时,受到的气体压力,该泵需要与螺旋板散热器的自转通过齿轮和链条硬连接,形成联动。泵的形式应为容积泵,装配位置不限,但尽量安装于远公转中心侧,与螺旋板散热器自转形成联动即可。

  图12与图13为等温压缩机两侧的立体结构简图。压缩完成的气体因为公转和自转,需要经过两次滑动密封才能从压缩机正常导出,导出管道和压缩液循环管道以及齿轮泵,均只有公转,无自转。

  压缩机的流量由螺旋板散热器自转决定,每分钟的自转转速乘以,位于外径的进气口的截面积自转一周扫略的体积,即为压缩机的体积总流量(包含气体与液体)。图14中通道宽度×螺旋板散热器宽度,即为进气口截面积。

  压缩机的压比由螺旋板散热器的外径乘通道宽度减去压缩液体积,比上螺旋板散热器的内径乘通道宽度减去压缩液体积,即为压缩机的实际压比(气体)。

  压缩机的压力由每层有效压力(有效压力为每层高压侧与低压侧液体差)的液位差乘以压缩液密度,结果带入离心力计算公式,作为公式中质量的数据,计算结果为每一层液体提供的压力。压缩机的总压力,由每一层的压力相加,并加上液体向公转中心流动,线速度减速造成的科里奥利力(这也是为什么自转方向要与公转方向相反,如果旋转方向相同,则要从压力总和中减去科里奥利力),即为压缩机可提供的总压力。以上为等距螺旋板计算方法,非等距螺旋板的计算方法,限于篇幅就不一一列举了。

  绝对的理想等温压缩从实际应用来说,是不可能实现的,那需要无限大的散热面积和无限长的等待时间。因此等温压缩都是指的近似等温过程,等温压缩机的理论功耗与两个数据密切相关,一个是冷却介质的热容量,一个是热交换面积。

  冷却介质热容量是指单位时间内,冷却介质与压缩气体产生的热容量之比,其比例的反比既是等温压缩机实际升高的温度。例如压缩一升空气到某个压力,绝热条件下,空气温度要升高100度,如果冷却风的流量达到10升,那么通过本等温压缩机,同样压缩一升空气到相同压力,其温度只升高10度。其他条件不变,冷却风流量达到100升,压缩空气的温度只升高1度(约值)。冷却介质理论上即可用气冷也可用液冷,考虑到较高的公转速度造成的离心力,一般气冷对材料要求低。

  热交换面积即使再大,热交换温差也不可避免,以单位时间内压缩产生的总热量,除以导热系数和面积的乘积,即等于热交换温差。导热系数是压缩气体对散热器材料表面传热系数,加上散热器材料本身的导热系数,加上散热器对冷却风的表面传热系数的和。

  图16为压缩过程的TS图,图17为压缩过程的PV图,其中1-2过程为理论等温压缩过程,1-3为理论绝热压缩过程,t1为压缩初始温度,t2为绝热压缩完成温度。目前压缩机实际过程一般为1-4多变过程,压缩温度更接近绝热压缩,

  本压缩方法,1-3"气体温度上升到3"后,大面积的散热器已经可以通过散热,使得温度不再上升,1-3"和1-3之比与压缩介质与压缩气体之间的热容量之比呈反比,2-3'与3"-2'过程之间的差与散热面积呈反比。压缩完成最终温度为2',但是压缩功为1-3"-2'。压缩功在PV图中更为直观,1-2-5面积为理论等温压缩功,1-3-2-5为理论绝热压缩功,1-4-2-5为目前压缩机实际压缩功,1-3"-2'-2-5为本压缩功耗(未计排气功耗)。对于空气,理论等温压缩功比绝热理论绝热压缩功节能约40%,预计本方法实际压缩功比目前现实压缩功节能20%左右(视压缩机设计压比,散热面积及冷却风量而定),即便对比目前压缩机采用多级压缩中间冷却的方案,只计算理论功耗,也可节能10%左右。

  以上为等温压缩机基本结构及运行原理,以处于离心状态下的,液体的密度与气体的密度差,来替代活塞,并在自转中完成压缩过程。优点是液体和气体同是流体,可以共同通过散热器,且无机械摩擦,具有压缩机类别中最大的散热面积,可使得压缩产生的热可以及时排出,节约压缩功;结构简单,加工要求低,不需要高精度的加工工艺,成本低;没有造成其他不可克服的技术困难,无汽缸活塞摩擦损失;也没有气门门等运动部件,可靠性高;液体和气体处于连续直线流动状态,流动损失小;没有排气余隙,没有间隙泄露,无需润滑油,散热器表面积利用率高,加上压缩液和回热金属丝的辅助,完全确信气体可以处于理论允许的最低温度,压缩曲线无限接近理论等温压缩曲线。理论上可提供的压力,只受材料强度限制,大约可提供单级活塞式压缩机级别的流量和适用压力范围。

  缺点有:需要增加克服压缩液流动粘滞力的损失;压缩完成的气体导出必须要经过两次滑动密封环,压缩液提供的压力有一定波动;其他辅助装置布置的空间较小,影响冷却风流动。

  压缩液应选择挥发率低,流动粘度低,流动性好,化学性能稳定,无毒,表明张力小,不与压缩气体发生化学反应与溶解的液体,如有微量挥发,则应当不易在高温下与工质发生化学反应。压缩液工作温度不高,抗高温要求不高。压缩液原则上并不需要参与散热,只提供密封和传递压缩力矩,只有当压比较高,压缩末端因为体积变化和增厚散热器器壁时,才提供辅助散热,一般可采用纯净水或者某些类型的油类。

  当压缩的自转方向与螺旋方向相反,且压缩液循环方向也反向运作时,等温压缩机可作为等温膨胀机。此时冷却风与待膨胀气体温度近似,气体膨胀导致气体温度降低,热量将从冷却风流入膨胀气体,和等温压缩原理相同,因为较大的换热面积和大流量的冷却风,气体膨胀完成后其温度略低于膨胀前,膨胀功高于绝热膨胀。

  压缩机需要适应不同的工作要求,最主要的是压力的变化,提高压力的方法有减少螺旋板组数、提高层数、增加直径、提高公转速度、提高压缩液流量等,具体方法要经过多次试验对比,才能有合理的结论。

33.JPG

  〈本文未完待续,更多精彩见下期——〉

20220104138783.jpg

标签: 热力循环技术  

网友评论

条评论

最新评论

今日推荐