兩相熱壓縮機冷卻方式的比較研究

饒俊峰 邱利民 陸軍亮 管文潔 戴恩乾 樓盼龍

(浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

兩相熱壓縮機冷卻方式的比較研究

饒俊峰 邱利民 陸軍亮 管文潔 戴恩乾 樓盼龍

(浙江大學制冷與低溫研究所 杭州 310027)

基于自行設計研制的中國國內首臺兩相熱壓縮機，分別研究了水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式對兩相熱壓縮機性能的影響。研究發現，兩相熱壓縮機對冷卻方式非常敏感。該壓縮機在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和0.8 Hz頻率下運行時，采用水冷時，壓比基本上保持不變，即使加熱功率達到220 W;但采用空氣自然冷卻時，壓比達到5.0以上，且加熱功率不超過140 W。

兩相熱壓縮機 水冷 自然冷卻壓比

1 引言

熱壓縮機是Gamma型斯特林發動機的一個衍生，它利用熱源驅動，通過活塞在容器壁內往復運動，引起工質在熱腔和冷腔內來回穿梭，從而形成壓力波動。具有耗功少、裝置簡單、振動小、噪音低、壽命長等優點，而且它的理想效率是卡諾效率，熱壓縮機在航空、航天等軍事領域以及低溫工程等場所會得到廣泛應用［1］，因此吸引了不少學者對此進行研究。

熱壓縮機概念最早由 Bush［2］提出，隨后，Glassford［3］、Peterson［4］、Edwards［5］都對熱壓縮機進行了深入的研究，特別在建模、理論分析等方面做出了貢獻。中國國內對熱壓縮機的研究也逐漸深入。1983年中國科學院上海技術物理所紀國林等［6］搭建了一個無污染氣體熱壓縮機實驗臺，該機工作腔系無油潤滑，對工質氣體無污染，實驗在加熱溫度為610℃時，得到1.34的壓比，因此該系統只能應用在低壓比的情況下。1993年王俊杰、周遠［1］設計了一臺液氮溫區的低溫熱壓縮機，熱壓縮機的冷端和進、排氣閥都置于液氮中，實現了低溫壓縮，使壓比在流量較大時也擁有較大的壓比，實驗結果在2 Nm3/h的流量下達到了4.1的壓比。該裝置中部分要置于液氮中，對換熱器性能和低溫下密封等要求都較高，體積較大。

為了提高壓縮機的壓比，人們把目光投向了兩相熱壓縮機。Yarger［7］于2006年對微型兩相熱壓縮機進行了實驗分析，提出由于飽和工質正己烷的物性參數與理想氣體不同，所以不需要回熱器就能實現高溫腔與低溫腔的熱量傳遞。他實驗觀測了系統壓力隨電機轉速的變化關系和電機的極限轉速，在冷腔和熱腔溫度分別為25℃和150℃時，當電機轉速為13 r/min時，壓差達到最大352 kPa，當電機速度達到73 r/min時，液柱不再連續，壓差隨著電機轉速的增加而減少。但該試驗臺屬微型熱壓縮機，尺寸較小，沒有對絕熱段和加熱功率對系統性能的影響進行深入研究。

本文獨立設計搭建了中國國內首臺兩相熱壓縮機實驗臺，并開展了初步實驗。對于傳統的熱壓縮機或制冷系統而言，冷凝段帶走的熱量越多越好，也就是冷凝溫度越低性能越好。然而，兩相熱壓縮機具有自身獨特的性質，它采用兩相工質，因為兩相工質需要足夠的熱量才能汽化，冷凝段帶走的熱量過多會影響其汽化，從而無法產生高壓;但是冷卻段越冷，工質在液化時壓力才會越低，這樣又有利于產生壓比。因此，對兩相熱壓縮機的冷卻方式的研究變得十分關鍵，其直接決定著兩相熱壓縮機的性能。為了進一步深入分析兩相熱壓縮機的實驗臺的性能，對其進行優化，研究分別采用水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式進行了比較實驗研究并加以理論分析。

2 兩相熱壓縮機實驗臺

圖1為自行研制的兩相熱壓縮機實驗裝置，主要由蒸發段、絕熱段和冷凝段通過法蘭連接而成。該機利用熱源驅動，通過活塞的上下往復運動，使兩相工質通過活塞與汽缸壁之間的間隙在熱腔和冷腔內來回穿梭，在換熱的同時伴隨氣液相變形成壓力波動。表1為實驗臺主要零部件的尺寸及材料。

如圖1所示，該系統共布置了1個壓力傳感器和3個溫度傳感器，壓力傳感器精度為:0.1%FS;T1采用K型熱電偶，T2、T3采用T型熱電偶，這兩種熱電偶的精度均為0.1 K。壓力數據采集系統中的硬件裝置均為美國NI公司的產品;溫度數據采集系統中的硬件裝置KEITHLEY2700數字萬用表，壓力和溫度數據采集程序均基于Labview軟件平臺。實驗均采用純正己烷為工質。

圖1 兩相熱壓縮機示意圖Fig.1 Schematic of two-phase thermocompressor

表1 兩相熱壓縮機結構參數Table 1 Structural parameters of two-phase thermocompressor

3 實驗結果與分析

在實驗過程中，正己烷工質在常溫常壓下進行灌注，灌注量為510 mL，在各個頻率運行下保持不變。活塞運動頻率通過電動機轉速來調節，實驗過程中分別在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和 0.8 Hz頻率下運行，在同一頻率下，冷凝段分別采用水冷和空氣自然冷卻兩種不同冷卻方式進行冷卻。

圖2給出了壓比隨加熱功率的變化關系圖。實線是水冷時壓比隨加熱功率的變化，在實驗過程中，不斷增加加熱功率直到220 W，然后觀察壓比變化情況，一段時間后，若壓比沒有顯著變化，保持加熱功率不變，關閉水路，所以圖中橫坐標后面一個220 W的加熱功率對應的是水路關閉時的情況。從圖中可以看出，只有在0.2 Hz頻率運行下，壓比才達到了3.18(從圖3可以看出，此時冷凝段溫度略有上升)，其它頻率下壓比均保持不變，甚至加熱功率增加到220 W，只有把水冷關閉時，壓比才逐漸上升，最大壓比4.22在0.8 Hz下取得;虛線是空氣自然冷卻時壓比隨加熱功率的變化，在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和0.8 Hz頻率下運行時，均取得了4.0以上的壓比，最大壓比6.93在0.2 Hz下取得，而且此時的加熱功率僅為130 W，整個實驗過程中的加熱功率也不超過140 W。這是因為在正己烷是在常溫常壓下灌注的，正己烷溫度要高于69℃時才汽化，采用水冷時，由于水的傳熱系數大，大量的熱量被水帶走，即使正己烷在高溫腔時也很難汽化，尤其是在較高的頻率下運行時，所以壓比基本上保持不變。而采用空氣自然冷卻時，傳熱系數小，正己烷在高溫腔時吸收熱量汽化，在低溫腔時放出熱量液化，所以產生壓比。

圖2 壓比隨加熱功率的變化關系圖Fig.2 Pressure patio dependence on heating power

圖3是蒸發段和冷凝段溫度隨加熱功率的變化關系圖，圖中給出的溫度是每個加熱功率下的穩定值。圖3a是水冷時蒸發段溫度和冷凝段溫度隨加熱功率的變化，不同頻率下，蒸發段溫度的變化趨勢相同，均隨著加熱功率的增加一直上升，蒸發段溫度最高溫度在0.6 Hz下取得為266℃，冷凝段溫度一直保持不變，當把水路關閉后，冷凝段溫度才迅速上升，最高溫度是0.8 Hz下的40℃;圖3b是空氣自然冷卻時蒸發段溫度和冷凝段溫度隨加熱功率的變化，不同頻率下，蒸發段溫度變化基本相同，均隨著加熱功率的增加上升，蒸發段最高溫度在0.4 Hz下取得為193℃，而且上升趨勢明顯大于水冷的，冷凝段溫度隨著加熱功率的增加略有升高，最高溫度是0.4 Hz下的35℃。

圖3 蒸發段和冷凝段溫度隨加熱功率變化關系圖Fig.3 Temperature of evaporator and condenser section dependence on heating power

圖4是平均壓力和電動機功率隨加熱功率變化關系圖，在實驗過程中，需要記錄每個加熱功率下的電動機功率。圖4a是水冷時平均壓力和電動機功率隨加熱功率變化，從圖中可以看出，電動機功率的變化趨勢和工質平均壓力的變化趨勢相同，工質平均壓力越大，電動機功率越大;圖4b是空氣自然冷卻時平均壓力和電動機功率隨加熱功率變化，電動機功率的變化趨勢和工質平均壓力的變化趨勢也基本相同，但剛開始時，電動機功率略大，這是因為剛開機，活塞運行摩擦力較大的緣故，運行平穩后逐漸減小，直到最后平均壓力增大的時候電動機功率迅速增加，從圖中還可以看出，水冷和空氣自然冷卻時工質平均壓力變化范圍基本相同，但空氣自然冷卻時的電動機功率明顯小于水冷。

圖4 平均壓力和電動機功率隨加熱功率變化關系圖Fig.4 Mean pressure and motor power dependence on heating power

4 初步理論分析

在實驗過程中，加熱段的熱量Qin，一部分被冷凝段Qout帶走，一部分被工質Qfluid吸收汽化，還有一部分熱量損失Qlost，即:

所以，

以本實驗臺為例，實驗中正己烷灌注量為510 mL保持不變，正己烷是在常溫(20℃)常壓下進行灌注的，即正己烷由一個大氣壓下的過冷狀態加熱汽化成200℃下的飽和狀態，所以，

由上可知，正己烷汽化需要一定的熱量，一般在實驗過程中，加熱量增加到一定程度后，大概30 min后壓比逐漸增大，即

由于存在各種換熱效率損失、系統對外高溫輻射損失以及漏熱損失等，Qlost的數值也很大。隨著加熱功率的增加，輻射損失和漏熱損失會增加，所以，Qlost會隨著加熱功率的增加而增加。

4.1 水冷

實驗過程中保持水的體積流量約為20 mL/s，冷卻水進出口溫差設為1℃，則此時冷凝段散熱功率為:

上述冷凝段的換熱量僅僅是設定水的進出口溫差為1℃時數值，況且隨著加熱功率的增加，系統溫度不斷增加，水的進出口溫差會達到2或以上，此時的qwaterout會顯著增加，而且此時的熱量損失Qlost也會增加。因此，即使把加熱功率增加到220 W，壓比也基本上保持不變(如圖2所示)。增加加熱功率qin，同時冷凝段換熱量qwaterout也會隨之增加，大部分熱量被冷卻水帶走，這正是壓比較低的關鍵所在。

4.2 空氣自然冷卻

根據上述實驗中數據，取Tw=45℃，T∞=20℃，據此查出此時空氣的性質，并計算［8］得:

所以，傳熱系數為:

自然冷卻時的散熱功率為:

空氣自然冷卻時的換熱功率比較小，大部分熱量被工質吸收汽化，因此在實驗過程中，加熱功率增加到140 W，甚至是120 W就產生了較大的壓比，這對利用廢熱等低品位熱源具有積極意義。盡管以上只是對兩相熱壓縮機在實驗過程中的定量估算，但可以明顯發現冷卻方式對熱壓縮機性能的重要影響，深入的理論研究工作正在繼續進行。

5 結論

本文在自行設計研制的基于低品位熱源的兩相熱壓縮機實驗臺基礎上，分別對冷凝段采取水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式進行了實驗。研究發現，兩相熱壓縮機對冷凝段的冷卻方式十分敏感，并直接決定了熱壓縮機的性能。當冷凝段采用水冷時，大量的熱量被冷卻水帶走，即使正己烷工質運動到高溫腔時也較難汽化，因此壓比基本上保持不變;當采用空氣自然冷卻時，換熱量較小，冷凝段溫度隨著加熱功率的升高緩慢增加，實驗中可獲得較大壓比。因此，采用兩相工質的熱壓縮機的冷卻過程務必要進行優化，從而獲得最佳性能。

1 王俊杰，周 遠.液氮溫區低溫熱壓縮機［J］.低溫工程，1993(3):14-18.

2 Bush.Apparatus For Compressing Gases［P］.US:2157229，1935.

3 Glassford.Adiabatic Cycle Analysis for the Valved Thermal Compressor［J］.Journal of Energy，1979(3):306-314

4 Peterson.Thermocompression engine cycle with isothermal expansion［J］.Energy Sources，1998，20:199-208.

5 Edwards，Peterson.Modeling and thermodynamic cycle performance of a miniaturere ciprocating thermocompressor［C］.IECEC，2005，657-667.

6 紀國林.無污染氣體熱壓縮機的實驗研究［J］.低溫與超導，1983(2):8-13.

7 Yarger.Experimental study of a mesoscale two-phase thermocompressor［C］.IECEC，2006，147-156.

8 楊世銘，陶文銓.傳熱學(第三版)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

Comparison study on cooling methods of a two-phase thermocompressor

Rao Junfeng Qiu Limin Lu Junliang Guan Wenjie Dai Enqian Lou Panlong

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Based on the first self-developed two-phase thermocompressor domestically，the effects of water cooling and air cooling on thermocompressor performance were investigated comprehensively.The results suggest that the whole performance is sensitive to cooling methods.At 0.2 Hz，0.4 Hz，0.6 Hz and 0.8 Hz，the pressure ratio is almost constant up to a heating power of 220 W when water cooling was adopted;while using the air cooling method，the pressure ratio reachs above 5.0 with the heating power less than 140 W.

two-phase thermocompressor;water cooling;natural convection;heating power

TB652

A

1000-6516(2012)01-0002-05

2011-11-10;

2012-01-20

國家杰出青年科學基金(NO.50825601)，國家重點基礎研究發展計劃項目(2010CB227303)資助。

饒俊峰，男，25歲，碩士研究生。