活塞式壓縮機內冷卻的熱力學分析與應用

安俊霖 王曉龍 從雨飛 路偉

摘 ?要：本文對活塞式壓縮機內冷卻進行了熱力學和傳熱學的理論分析，討論了冷卻工質的種類、工質液滴直徑、壓縮機參數和冷卻效果之間的相應關系，分享了部分計算實驗數據并對內冷卻的設備進行了討論

關鍵詞：活塞式壓縮機;熱力學;內冷卻;揮發量;噴霧器

中圖分類號：TH45 ? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

活塞式壓縮機是一種依靠活塞往復運動使氣體增壓和輸送氣體的壓縮機。通過活塞和曲軸的往復運動，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，實現氣體的增壓和運輸，容積式壓縮機廣泛應用于石油化工、制冷、軍事、醫療等行業，應用規模極大，僅中石化一家，其活塞式壓縮機的耗電量超過2000萬千瓦·時。所以，提高活塞式壓縮機效率，具有深遠意義。

在壓縮機運行過程中進行冷卻是活塞式壓縮機減少能量消耗的重要途徑之一，在對氣體壓縮過程中，氣體將產生溫度增加，根據熱力學第一定律：

，U為氣體內能增加量，理想氣體情況下只與溫度有關，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，可推斷出壓縮機對氣體所做的功都轉化為氣體內能的增加，動力能轉化為熱能，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，從而減小相同質量氣體得壓縮功耗。目前活塞壓縮機普遍采用氣缸外冷卻，使用氣缸套外的空氣或者水進行散熱，由于壓縮機的結構及參數限制，外冷卻得冷熱流體間的傳熱面積極小，傳熱時間很短，冷卻流體的流量有限，根據傳熱學傅立葉定律，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，使得大多數壓縮機壓縮過程接近絕熱壓縮（即壓縮過程不對外傳熱），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合，必須將氣體分成兩階段壓縮，嚴重影響壓縮機的經濟性可靠性。而內冷卻與外冷卻不同，其使用水霧或油霧等可揮發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。

活塞式壓縮機的內冷卻的工業化應用也存在一定問題，比如液滴氣化不充分將導致氣缸內產生積水，對氣閥和氣缸壽命的降低，因此，用熱力學傳熱學的分析手段對內冷卻進行理論分析，找出影響揮發的各個條件尤為重要，本文以水作為揮發介質進行分析。

1 最大揮發量對冷卻的影響

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

dumax= ds - d

用gp表示揮發介質噴入量，當gp等于dpmax時，gpmax為理論最大噴水量。假設按理論最大噴水量對介質進行噴霧，且水滴在壓縮過程中全部揮發，相應的壓縮指數稱揮發極限過程指數nmin。

介質為壓力較低的空氣時，介質中水蒸氣分壓與有介質含濕量d的計算公式為：

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

水蒸氣的飽和壓力Ps與介質所處溫度TS之間的關系為：

Ps=10A-B/Ts（A、B為常熟，與介質物性有關） ?（2）

壓縮后溫度T2由熱力學公式確定：

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

介質的放熱被水蒸氣的揮發的吸熱所吸收，我們可以建立熱平衡關系：

（4）

由上式（1）、（2）、（3）、（4）可球接觸dumax、nmin、和排氣溫度T2之間的關系，如表1為以空氣作為介質，截止時水作為揮發工質時的部分計算結果。

2霧化直徑對最大蒸發量的影響

用噴水系數a反映噴水量與理論最大噴水量之比：

a=g/dumax

用蒸發完善度y表示噴入氣缸的水揮發的百分比：

Y=du/g

通常噴水壓縮過程指數n與蒸發完善度Y與介質霧滴大小D和壓縮機進排氣壓比、轉速、行程、噴灑擴散程度都有關，可由以下公式表述：

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

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

經過試驗，得出數據如表2所示。

D（μm）

5

10

20

30

50

3 噴液霧化器

上述理論分析和實驗結果對霧化品質的指標要求，是我們選擇和設計噴霧裝置的出發點，我們推薦離心式噴霧器。當工作壓力p=2-8bar時，噴頭直徑d=0.5mm時，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的要求來看，這遠不能滿足我們所希望的細致程度，我們企圖使噴霧更細。改進后，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，我們又設計了兩種氣動霧化分述如下：

（1）內混式噴霧器

如圖2，空氣與水在壓力作用下分別從進氣接頭5和進水接頭14經進氣口dg和進水孔口dw到噴頭體7和噴頭芯4所形成的環形混合腔中，在混合腔內，水受到氣流的劇烈撞擊和擾動，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，改變空口開度，以調節水量大小，水量可以從0到最大水量Gw之間無級調節。Gw與加在霧化器上的壓頭P，進入與進氣口截面積比k及噴孔直接dc有關：

Gw=3.14/4*dc2*μwk

實驗得出該霧化器的流量系數μ=0.74流量特性曲線見圖3，主要結構尺寸：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

結構如圖3，它是一個縮放噴嘴，氣體在壓力Pg下從左邊進入，出口背壓P0，當壓比P0/Pg小于空氣臨界壓比0.528時，噴嘴喉部氣體達到臨界狀態，而在隨后的擴放部分成為超聲速氣流。從壓縮機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。所以在壓縮機級的壓力比范圍內總是滿足P0/Pg<0.528的，故出口氣流必將到達超聲速，水孔開在噴嘴的喉部，進氣壓力為Pw，水在壓力差（Pw-Pk）下進入噴嘴，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

因為 Pk=0.528Pg

記 ? ?Pw/Pg=φ：令φ-0.528=m

則可得出：

Gw=3.14/4dw2μw

流量系數μw與φ和m有關，經實驗，給出擬合曲線為：

Μw=0.8108（m-0.1）

、

4結語

（1）壓縮機的噴水揮發冷卻式提高壓縮機經濟性和可靠性的有效措施。噴霧盡可能地細小。

（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，且結構簡單輕便，可作為壓縮機噴水揮發冷卻器。

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，從事隔膜壓縮機等特種壓縮機的研發工作。