羅茨水蒸氣壓縮機性能實驗研究

張化福 張青春 童莉葛 張振濤 楊俊玲 于 澤 王有棟

(1 中國科學院理化技術研究所 中國輕工業食品藥品保質加工儲運與節能技術實驗室 北京 100190；2 北京科技大學能源與環境工程學院 北京 100083；3 青島科技大學機電工程學院 青島 266061)

近年來，水蒸氣壓縮技術因具有高效、節能、環保、安全等諸多優點備受關注，主要是以閉式循環為主的水蒸氣高溫熱泵系統[1-2]和以開式循環為主的機械蒸氣再壓縮系統[3-4]，廣泛應用于化工[5-6]、環保[7-8]、海水淡化[9-10]等領域。

各種水蒸氣壓縮機性能對比如表1所示，離心壓縮機具有流量大、壓比低、對材料要求嚴格等特點[11-12]，螺桿壓縮機具有流量小、壓比高、造價昂貴等特點[13-14]，羅茨壓縮機適用于流量中、小和壓比中、低的寬泛工作區域，同時具有動平衡性能好、結構簡單、振動小等優點[15]，并在蒸發[16-17]、蒸餾[18-19]、干燥[20]、制冷[21]等工業場景廣泛應用。

表1 不同水蒸氣壓縮機性能對比

雖然羅茨壓縮機已廣泛應用于水蒸氣壓縮系統，但針對羅茨壓縮機本身的性能研究較少。因此，本文建立了羅茨壓縮機驅動蒸氣壓縮蒸發系統，實驗研究羅茨水蒸氣壓縮機的性能并掌握其運行規律，以指導羅茨壓縮機在水蒸氣壓縮系統中的工業應用。

1 理論分析

1.1 主要結構參數

羅茨壓縮機是一種回轉式壓縮機，壓縮過程近似定容壓縮，具有強制輸氣的特點，理論吸氣量與壓縮機結構如葉輪、腔體和間隙等有關，本文羅茨水蒸氣壓縮機由傳統羅茨風機改造而來，其中，過流氣體介質由空氣變成水蒸氣，羅茨壓縮機的結構參數如表2所示。

表2 羅茨壓縮機的結構參數

1.2 壓縮機容積效率

由于壓縮機壓升與葉輪間隙存在，導致壓縮氣體回流泄漏，容積效率表達式為：

ηv,th=(Qth-Qb)/Qth

(1)

ηv,ex=Qex/Qth

(2)

式中：ηv,th為理論容積效率；ηv,ex為實測容積效率；Qth為理論吸氣流量，m3/min；Qb為理論總泄漏量，m3/min；Qex為實測吸氣流量，m3/min。

理論吸氣流量Qth與羅茨壓縮機結構有關，表達式為：

(3)

式中：n為葉輪轉速，r/min。

理論泄漏量Qb由壓縮機結構和氣體進出口狀態共同決定，計算如下：

Qb=2Qbr+QbL+2Qbf+2Qbg

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Qbr為葉輪與殼體泄漏量，m3/min；QbL為兩葉輪泄漏量，m3/min；Qbf為葉輪與前墻體泄漏量，m3/min；Qbg為葉輪與后墻體泄漏量，m3/min；μ為計算系數，取0.02；b為葉輪端面平均寬度，由0.5π(1-λ)D/2計算，m；Δp為壓縮機壓升，kPa；ρS為吸氣密度，kg/m3。

1.3 壓縮機等熵效率

羅茨壓縮近似定容過程，存在不可逆損失，羅茨壓縮機等熵效率計算如下：

ηs,th=his/hth

(9)

ηs,ex=his/hex

(10)

式中：ηs,th為理論等熵效率；ηs,ex為實測等熵效率；his為等熵壓縮比功，kJ/kg；hth為理論羅茨壓縮比功，kJ/kg；hex為實測羅茨壓縮比功，kJ/kg。

等熵壓縮比功為氣體的可逆絕熱壓縮過程功耗，與外界無熱交換，計算如下：

his=(hs2-h1)

(11)

式中：hs2為等熵壓縮排氣焓值，kJ/kg；h1為吸氣焓值，kJ/kg。

理論羅茨壓縮比功是不考慮摩擦損耗等因素的理想壓縮功耗，計算如下：

hth=(ΔpQth)×60/qm

(12)

式中：qm為吸氣質量流量，kg/h。

2 實驗設計

2.1 實驗系統流程

實驗系統流程如圖1所示。首先，來自分離器的低溫水蒸氣經壓縮后進入蒸發器冷凝放熱，完成氣相回流；其次，來自蒸發器殼程的高溫冷凝水進入暫存罐，經節流閥減壓變成氣液兩相流并返回分離器，完成液相回流；最后，分離器液相經電補熱器加熱后進入蒸發器管程，受熱變成氣液兩相流，并返回分離器，完成蒸發循環。

圖1 實驗系統流程

2.2 系統熱力循環原理

系統熱力循環如圖2所示。結合圖1和圖2可知，經分離器氣液分離后得到低溫水蒸氣(狀態點a)，其中a-b1為等熵壓縮過程，a-b2為定容壓縮過程，低溫飽和水蒸氣經壓縮并消除過熱度后變成高溫飽和水蒸氣(狀態點b)，高溫飽和水蒸氣進入蒸發器殼程冷凝放熱變成高溫冷凝水(狀態點c)，再經節流減壓后變成低溫氣液兩相流(狀態點d)，最后返回分離器，完成水工質循環。

圖2 系統熱力循環

2.3 系統流程及檢測點布置

系統流程及檢測點布置如圖3所示，為了考核羅茨水蒸氣壓縮機的運行特性，在壓縮機的吸氣、排氣管路上設置相應的溫度、壓力和流量測點。

圖3 系統流程及檢測點布置

溫度測點為鎧裝熱電阻，量程為0～150 ℃，輸出信號為4～20 mA，精度為±0.1%；壓力測點為精細小型壓力變送器，量程為0～400 kPa(絕壓)，輸出信號為4～20 mA，精度為±0.1%；流量測點為旋進旋渦型流量計，量程為2～20 m3/min，輸出信號為4～20 mA，精度為±1.0%；壓縮機功率檢測方法為利用Modbus協議讀取壓縮機電機變頻器內部功率信息；電補熱器的功率檢測方法為利用Modbus協議讀取電力調整器內部功率信息。

2.4 實驗系統配置

實驗系統的配置如表3所示。壓縮機將二次蒸氣壓縮升溫與回用；蒸發器實現物料的循環蒸發，回收壓縮后二次蒸氣余熱；分離器將蒸發器排出的氣液混合物分離；暫存罐收集二次蒸氣冷凝水；節流閥將高溫冷凝水節流成低溫的氣液混合物；電輔熱器對蒸發循環液補熱，防止蒸發溫度下降；真空裝置用于抽除蒸發器不凝性氣體。

表3 系統配置參數表

3 數據分析

3.1 吸氣流量隨蒸發溫度的變化

吸氣流量隨蒸發溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，吸氣流量隨蒸發溫度的升高而升高，提高工作頻率可增加吸氣流量。隨著蒸發溫度的提高，氣體密度大幅增加，在輸氣的過程中排氣側氣體會通過葉輪之間以及葉輪與殼體的間隙回流，氣體密度越大回流量越小、容積效率越高、吸氣流量越大；同時，壓縮機葉輪轉速與工作頻率成正比，工作頻率增大可以大幅提升壓縮機的吸氣流量。

圖4 吸氣流量隨蒸發溫度的變化

3.2 壓縮比功隨蒸發溫度的變化

壓縮比功反映了壓縮機的功耗水平。壓縮比功隨蒸發溫度的變化如圖5所示。由圖5可知，壓縮比功隨蒸發溫度和工作頻率的升高而降低，一方面蒸發溫度的提高使吸氣密度增加，另一方面溫度和轉速的提高使容積效率增加，兩種因素的疊加使壓縮機質量流量大幅增加，并遠遠超出壓縮功耗的增加幅度，最終壓縮比功逐步降低。選取95 ℃和100 ℃兩個蒸發工況，壓縮機壓升約為30 kPa，轉速分別為1 500 r/min和1 800 r/min，實測壓縮比功在158.5～215.65 kJ/kg之間，與相關文獻的研究結果較為吻合[17]，該文獻研究顯示，壓縮比功隨葉輪轉速的升高而降低，在同為30 kPa的壓差條件下，葉輪轉速為900～1 200 r/min實驗范圍內的壓縮比功為276.92 kJ/kg，而本文的葉輪轉速為1 500 r/min和1 800 r/min，所得實驗結果符合該變化規律。

圖5 壓縮比功隨蒸發溫度的變化

3.3 容積效率隨蒸發溫度的變化

容積效率隨蒸發溫度的變化如圖6所示。由圖6可知，容積效率隨蒸發溫度和工作頻率的升高而升高，在低溫條件下工作頻率的強化作用更顯著，在80～90 ℃實驗范圍內，實測容積效率(52.21%～63.19%)與相關文獻的數據(42.74%～81.93%)進行對比，結果較為吻合[16]，由于壓縮機受到結構設計、蒸發工況、氣體壓升、數據計量誤差等因素的影響，導致實驗數據與對比文獻存在一定誤差。在本文實驗范圍內，對比分析實測值(52.21%～71.54%)與理論值(82.19%～85.50%)可知，實測值與理論值存在一定偏差，這是因為壓縮介質發生了較大變化，由于水蒸氣密度低于傳統空氣介質，較低的水蒸氣密度是導致壓縮機容積效率偏低的主要原因，同時由于壓縮機內部葉輪間隙、葉輪與殼體間隙、葉輪截面積利用系數等因素客觀存在，造成壓縮機在實際輸氣過程中不可避免的回流與泄漏，最終導致羅茨水蒸氣壓縮機的容積效率較低。

圖6 容積效率隨蒸發溫度的變化

3.4 等熵效率隨蒸發溫度的變化

等熵效率隨蒸發溫度的變化如圖7所示。由圖7可知，等熵效率隨蒸發溫度和工作頻率的升高而升高，在80～90 ℃實驗范圍內，等熵效率實測值(16.48%～36.15%)較低，且與理論值(46.33%～63.29%)存在一定誤差。首先，由于羅茨壓縮近似定容壓縮過程，羅茨壓縮功遠大于等熵壓縮功，致使理論等熵效率處于較低水平，其次，現有羅茨水蒸氣壓縮機大多由羅茨風機改造而來，其葉輪截面、配合間隙、殼體、密封等內部結構設計仍需進一步改進，在壓縮機運轉過程中氣體流動、軸承摩擦等損失較大，氣體壓縮過程不可逆偏離程度較為嚴重，最終導致等熵效率的實測值與理論值存在一定誤差。但通過實驗發現，壓縮機在高溫和高頻工況下運行時，實際氣體壓縮的這一熱力過程能得到很好的完善，等熵效率相對較高。

圖7 等熵效率隨蒸發溫度的變化

4 結論

本文搭建了羅茨壓縮機驅動蒸氣壓縮蒸發系統，在80～100 ℃蒸發溫度范圍內，實驗研究了羅茨壓縮機用于水蒸氣壓縮過程的運行特性，得到羅茨壓縮機性能參數如吸氣流量、壓縮比功、容積效率及等熵效率隨蒸發溫度和工作頻率的變化規律，得到如下結論：

1)隨著蒸發溫度和工作頻率的升高，壓縮機吸氣流量(7.10～11.74 m3/min)逐漸升高，壓縮比功(310.69～158.54 kJ/kg)逐漸降低；選取95 ℃和100 ℃兩個蒸發工況，壓縮比功在158.5～215.65 kJ/kg之間，實測數據與相關文獻的實驗結果較為吻合。

2)隨著蒸發溫度和工作頻率的升高，壓縮機的容積效率(52.21%～71.54%)和等熵效率(16.48%～36.15%)均逐漸升高；選取80～90 ℃的蒸發工況，容積效率在52.21%～63.19%之間，實測數據與相關文獻實驗結果較為吻合。

3)壓縮機容積效率和等熵效率的實測值與理論值存在較大誤差，羅茨壓縮機應用于水蒸氣壓縮過程，仍有較大的改進空間，壓縮機在90～100 ℃范圍內較為穩定、效率相對較高，推薦羅茨水蒸氣壓縮機在90～100 ℃范圍運行。