安俊霖 王曉龍 從雨飛 路偉

摘 ?要：本文對活塞式壓縮機內(nèi)冷卻進行了熱力學和傳熱學的理論分析，討論了冷卻工質(zhì)的種類、工質(zhì)液滴直徑、壓縮機參數(shù)和冷卻效果之間的相應(yīng)關(guān)系，分享了部分計算實驗數(shù)據(jù)并對內(nèi)冷卻的設(shè)備進行了討論

關(guān)鍵詞：活塞式壓縮機;熱力學;內(nèi)冷卻;揮發(fā)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(fù)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(fù)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(xiàn)氣體的增壓和運輸，容積式壓縮機廣泛應(yīng)用于石油化工、制冷、軍事、醫(yī)療等行業(yè)，應(yīng)用規(guī)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(chǎn)生溫度增加，根據(jù)熱力學第一定律：

，U為氣體內(nèi)能增加量，理想氣體情況下只與溫度有關(guān)，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(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能的增加，動力能轉(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)及參數(shù)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(jù)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(shù)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(jīng)濟性可靠性。而內(nèi)冷卻與外冷卻不同，其使用水霧或油霧等可揮發(fā)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(nèi)冷卻的工業(yè)化應(yīng)用也存在一定問題，比如液滴氣化不充分將導致氣缸內(nèi)產(chǎn)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(nèi)冷卻進行理論分析，找出影響揮發(fā)的各個條件尤為重要，本文以水作為揮發(fā)介質(zhì)進行分析。

1 最大揮發(fā)量對冷卻的影響

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

dumax= ds - d

用gp表示揮發(fā)介質(zhì)噴入量，當gp等于dpmax時，gpmax為理論最大噴水量。假設(shè)按理論最大噴水量對介質(zhì)進行噴霧，且水滴在壓縮過程中全部揮發(fā)，相應(yīng)的壓縮指數(shù)稱揮發(fā)極限過程指數(shù)nmin。

介質(zhì)為壓力較低的空氣時，介質(zhì)中水蒸氣分壓與有介質(zhì)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(zhì)所處溫度TS之間的關(guān)系為：

Ps=10A-B/Ts（A、B為常熟，與介質(zhì)物性有關(guān)） ?（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(zhì)的放熱被水蒸氣的揮發(fā)的吸熱所吸收，我們可以建立熱平衡關(guān)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(guān)系，如表1為以空氣作為介質(zhì)，截止時水作為揮發(fā)工質(zhì)時的部分計算結(jié)果。

2霧化直徑對最大蒸發(fā)量的影響

用噴水系數(shù)a反映噴水量與理論最大噴水量之比：

a=g/dumax

用蒸發(fā)完善度y表示噴入氣缸的水揮發(fā)的百分比：

Y=du/g

通常噴水壓縮過程指數(shù)n與蒸發(fā)完善度Y與介質(zhì)霧滴大小D和壓縮機進排氣壓比、轉(zhuǎn)速、行程、噴灑擴散程度都有關(guān)，可由以下公式表述：

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

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

經(jīng)過試驗，得出數(shù)據(jù)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(jié)果對霧化品質(zhì)的指標要求，是我們選擇和設(shè)計噴霧裝置的出發(fā)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(fā)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(shè)計了兩種氣動霧化分述如下：

（1）內(nèi)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(jīng)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(huán)形混合腔中，在混合腔內(nèi)，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(diào)節(jié)水量大小，水量可以從0到最大水量Gw之間無級調(diào)節(jié)。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(guān)：

Gw=3.14/4*dc2*μwk

實驗得出該霧化器的流量系數(shù)μ=0.74流量特性曲線見圖3，主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(tài)，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(nèi)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(shù)μw與φ和m有關(guān)，經(jīng)實驗，給出擬合曲線為：

Μw=0.8108（m-0.1）

、

4結(jié)語

（1）壓縮機的噴水揮發(fā)冷卻式提高壓縮機經(jīng)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(fā)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(nèi)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(jié)構(gòu)簡單輕便，可作為壓縮機噴水揮發(fā)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(fā)工作。