饒俊峰 邱利民 陸軍亮 管文潔 戴恩乾 樓盼龍

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

兩相熱壓縮機(jī)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(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

基于自行設(shè)計(jì)研制的中國(guó)國(guó)內(nèi)首臺(tái)兩相熱壓縮機(jī)，分別研究了水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式對(duì)兩相熱壓縮機(jī)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，兩相熱壓縮機(jī)對(duì)冷卻方式非常敏感。該壓縮機(jī)在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和0.8 Hz頻率下運(yùn)行時(shí)，采用水冷時(shí)，壓比基本上保持不變，即使加熱功率達(dá)到220 W;但采用空氣自然冷卻時(shí)，壓比達(dá)到5.0以上，且加熱功率不超過(guò)140 W。

兩相熱壓縮機(jī) 水冷 自然冷卻壓比

1 引言

熱壓縮機(jī)是Gamma型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)衍生，它利用熱源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)活塞在容器壁內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起工質(zhì)在熱腔和冷腔內(nèi)來(lái)回穿梭，從而形成壓力波動(dòng)。具有耗功少、裝置簡(jiǎn)單、振動(dòng)小、噪音低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且它的理想效率是卡諾效率，熱壓縮機(jī)在航空、航天等軍事領(lǐng)域以及低溫工程等場(chǎng)所會(huì)得到廣泛應(yīng)用［1］，因此吸引了不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。

熱壓縮機(jī)概念最早由 Bush［2］提出，隨后，Glassford［3］、Peterson［4］、Edwards［5］都對(duì)熱壓縮機(jī)進(jìn)行了深入的研究，特別在建模、理論分析等方面做出了貢獻(xiàn)。中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)熱壓縮機(jī)的研究也逐漸深入。1983年中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理所紀(jì)國(guó)林等［6］搭建了一個(gè)無(wú)污染氣體熱壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該機(jī)工作腔系無(wú)油潤(rùn)滑，對(duì)工質(zhì)氣體無(wú)污染，實(shí)驗(yàn)在加熱溫度為610℃時(shí)，得到1.34的壓比，因此該系統(tǒng)只能應(yīng)用在低壓比的情況下。1993年王俊杰、周遠(yuǎn)［1］設(shè)計(jì)了一臺(tái)液氮溫區(qū)的低溫?zé)釅嚎s機(jī)，熱壓縮機(jī)的冷端和進(jìn)、排氣閥都置于液氮中，實(shí)現(xiàn)了低溫壓縮，使壓比在流量較大時(shí)也擁有較大的壓比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在2 Nm3/h的流量下達(dá)到了4.1的壓比。該裝置中部分要置于液氮中，對(duì)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(jī)的壓比，人們把目光投向了兩相熱壓縮機(jī)。Yarger［7］于2006年對(duì)微型兩相熱壓縮機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，提出由于飽和工質(zhì)正己烷的物性參數(shù)與理想氣體不同，所以不需要回?zé)崞骶湍軐?shí)現(xiàn)高溫腔與低溫腔的熱量傳遞。他實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了系統(tǒng)壓力隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系和電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速，在冷腔和熱腔溫度分別為25℃和150℃時(shí)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為13 r/min時(shí)，壓差達(dá)到最大352 kPa，當(dāng)電機(jī)速度達(dá)到73 r/min時(shí)，液柱不再連續(xù)，壓差隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而減少。但該試驗(yàn)臺(tái)屬微型熱壓縮機(jī)，尺寸較小，沒(méi)有對(duì)絕熱段和加熱功率對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行深入研究。

本文獨(dú)立設(shè)計(jì)搭建了中國(guó)國(guó)內(nèi)首臺(tái)兩相熱壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并開(kāi)展了初步實(shí)驗(yàn)。對(duì)于傳統(tǒng)的熱壓縮機(jī)或制冷系統(tǒng)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(jī)具有自身獨(dú)特的性質(zhì)，它采用兩相工質(zhì)，因?yàn)閮上喙べ|(zhì)需要足夠的熱量才能汽化，冷凝段帶走的熱量過(guò)多會(huì)影響其汽化，從而無(wú)法產(chǎn)生高壓;但是冷卻段越冷，工質(zhì)在液化時(shí)壓力才會(huì)越低，這樣又有利于產(chǎn)生壓比。因此，對(duì)兩相熱壓縮機(jī)的冷卻方式的研究變得十分關(guān)鍵，其直接決定著兩相熱壓縮機(jī)的性能。為了進(jìn)一步深入分析兩相熱壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，研究分別采用水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)研究并加以理論分析。

2 兩相熱壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖1為自行研制的兩相熱壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，主要由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段通過(guò)法蘭連接而成。該機(jī)利用熱源驅(qū)動(dòng)，通過(guò)活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使兩相工質(zhì)通過(guò)活塞與汽缸壁之間的間隙在熱腔和冷腔內(nèi)來(lái)回穿梭，在換熱的同時(shí)伴隨氣液相變形成壓力波動(dòng)。表1為實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要零部件的尺寸及材料。

如圖1所示，該系統(tǒng)共布置了1個(gè)壓力傳感器和3個(gè)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件裝置均為美國(guó)NI公司的產(chǎn)品;溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件裝置KEITHLEY2700數(shù)字萬(wàn)用表，壓力和溫度數(shù)據(jù)采集程序均基于Labview軟件平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)均采用純正己烷為工質(zhì)。

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

表1 兩相熱壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of two-phase thermocompressor

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，正己烷工質(zhì)在常溫常壓下進(jìn)行灌注，灌注量為510 mL，在各個(gè)頻率運(yùn)行下保持不變?；钊\(yùn)動(dòng)頻率通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別在0.2 Hz、0.4 Hz、0.6 Hz和 0.8 Hz頻率下運(yùn)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(jìn)行冷卻。

圖2給出了壓比隨加熱功率的變化關(guān)系圖。實(shí)線(xiàn)是水冷時(shí)壓比隨加熱功率的變化，在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)間后，若壓比沒(méi)有顯著變化，保持加熱功率不變，關(guān)閉水路，所以圖中橫坐標(biāo)后面一個(gè)220 W的加熱功率對(duì)應(yīng)的是水路關(guān)閉時(shí)的情況。從圖中可以看出，只有在0.2 Hz頻率運(yùn)行下，壓比才達(dá)到了3.18(從圖3可以看出，此時(shí)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(guān)閉時(shí)，壓比才逐漸上升，最大壓比4.22在0.8 Hz下取得;虛線(xiàn)是空氣自然冷卻時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(shí)的加熱功率僅為130 W，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的加熱功率也不超過(guò)140 W。這是因?yàn)樵谡和槭窃诔爻合鹿嘧⒌?，正己烷溫度要高?9℃時(shí)才汽化，采用水冷時(shí)，由于水的傳熱系數(shù)大，大量的熱量被水帶走，即使正己烷在高溫腔時(shí)也很難汽化，尤其是在較高的頻率下運(yùn)行時(shí)，所以壓比基本上保持不變。而采用空氣自然冷卻時(shí)，傳熱系數(shù)小，正己烷在高溫腔時(shí)吸收熱量汽化，在低溫腔時(shí)放出熱量液化，所以產(chǎn)生壓比。

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

圖3是蒸發(fā)段和冷凝段溫度隨加熱功率的變化關(guān)系圖，圖中給出的溫度是每個(gè)加熱功率下的穩(wěn)定值。圖3a是水冷時(shí)蒸發(fā)段溫度和冷凝段溫度隨加熱功率的變化，不同頻率下，蒸發(fā)段溫度的變化趨勢(shì)相同，均隨著加熱功率的增加一直上升，蒸發(fā)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(dāng)把水路關(guān)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(shí)蒸發(fā)段溫度和冷凝段溫度隨加熱功率的變化，不同頻率下，蒸發(fā)段溫度變化基本相同，均隨著加熱功率的增加上升，蒸發(fā)段最高溫度在0.4 Hz下取得為193℃，而且上升趨勢(shì)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(fā)段和冷凝段溫度隨加熱功率變化關(guān)系圖Fig.3 Temperature of evaporator and condenser section dependence on heating power

圖4是平均壓力和電動(dòng)機(jī)功率隨加熱功率變化關(guān)系圖，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要記錄每個(gè)加熱功率下的電動(dòng)機(jī)功率。圖4a是水冷時(shí)平均壓力和電動(dòng)機(jī)功率隨加熱功率變化，從圖中可以看出，電動(dòng)機(jī)功率的變化趨勢(shì)和工質(zhì)平均壓力的變化趨勢(shì)相同，工質(zhì)平均壓力越大，電動(dòng)機(jī)功率越大;圖4b是空氣自然冷卻時(shí)平均壓力和電動(dòng)機(jī)功率隨加熱功率變化，電動(dòng)機(jī)功率的變化趨勢(shì)和工質(zhì)平均壓力的變化趨勢(shì)也基本相同，但剛開(kāi)始時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率略大，這是因?yàn)閯傞_(kāi)機(jī)，活塞運(yùn)行摩擦力較大的緣故，運(yùn)行平穩(wěn)后逐漸減小，直到最后平均壓力增大的時(shí)候電動(dòng)機(jī)功率迅速增加，從圖中還可以看出，水冷和空氣自然冷卻時(shí)工質(zhì)平均壓力變化范圍基本相同，但空氣自然冷卻時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率明顯小于水冷。

圖4 平均壓力和電動(dòng)機(jī)功率隨加熱功率變化關(guān)系圖Fig.4 Mean pressure and motor power dependence on heating power

4 初步理論分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(zhì)Qfluid吸收汽化，還有一部分熱量損失Qlost，即:

所以，

以本實(shí)驗(yàn)臺(tái)為例，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行灌注的，即正己烷由一個(gè)大氣壓下的過(guò)冷狀態(tài)加熱汽化成200℃下的飽和狀態(tài)，所以，

由上可知，正己烷汽化需要一定的熱量，一般在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(tǒng)對(duì)外高溫輻射損失以及漏熱損失等，Qlost的數(shù)值也很大。隨著加熱功率的增加，輻射損失和漏熱損失會(huì)增加，所以，Qlost會(huì)隨著加熱功率的增加而增加。

4.1 水冷

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持水的體積流量約為20 mL/s，冷卻水進(jìn)出口溫差設(shè)為1℃，則此時(shí)冷凝段散熱功率為:

上述冷凝段的換熱量?jī)H僅是設(shè)定水的進(jìn)出口溫差為1℃時(shí)數(shù)值，況且隨著加熱功率的增加，系統(tǒng)溫度不斷增加，水的進(jìn)出口溫差會(huì)達(dá)到2或以上，此時(shí)的qwaterout會(huì)顯著增加，而且此時(shí)的熱量損失Qlost也會(huì)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(shí)冷凝段換熱量qwaterout也會(huì)隨之增加，大部分熱量被冷卻水帶走，這正是壓比較低的關(guān)鍵所在。

4.2 空氣自然冷卻

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)，取Tw=45℃，T∞=20℃，據(jù)此查出此時(shí)空氣的性質(zhì)，并計(jì)算［8］得:

所以，傳熱系數(shù)為:

自然冷卻時(shí)的散熱功率為:

空氣自然冷卻時(shí)的換熱功率比較小，大部分熱量被工質(zhì)吸收汽化，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加熱功率增加到140 W，甚至是120 W就產(chǎn)生了較大的壓比，這對(duì)利用廢熱等低品位熱源具有積極意義。盡管以上只是對(duì)兩相熱壓縮機(jī)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的定量估算，但可以明顯發(fā)現(xiàn)冷卻方式對(duì)熱壓縮機(jī)性能的重要影響，深入的理論研究工作正在繼續(xù)進(jìn)行。

5 結(jié)論

本文在自行設(shè)計(jì)研制的基于低品位熱源的兩相熱壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，分別對(duì)冷凝段采取水冷和空氣自然冷卻兩種冷卻方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，兩相熱壓縮機(jī)對(duì)冷凝段的冷卻方式十分敏感，并直接決定了熱壓縮機(jī)的性能。當(dāng)冷凝段采用水冷時(shí)，大量的熱量被冷卻水帶走，即使正己烷工質(zhì)運(yùn)動(dòng)到高溫腔時(shí)也較難汽化，因此壓比基本上保持不變;當(dāng)采用空氣自然冷卻時(shí)，換熱量較小，冷凝段溫度隨著加熱功率的升高緩慢增加，實(shí)驗(yàn)中可獲得較大壓比。因此，采用兩相工質(zhì)的熱壓縮機(jī)的冷卻過(guò)程務(wù)必要進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最佳性能。

1 王俊杰，周 遠(yuǎn).液氮溫區(qū)低溫?zé)釅嚎s機(jī)［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(jì)國(guó)林.無(wú)污染氣體熱壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.低溫與超導(dǎo)，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(xué)(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(guó)家杰出青年科學(xué)基金(NO.50825601)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB227303)資助。

饒俊峰，男，25歲，碩士研究生。