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(xué)院理化技術(shù)研究所 中國輕工業(yè)食品藥品保質(zhì)加工儲運與節(jié)能技術(shù)實驗室 北京 100190；2 北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083；3 青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 青島 266061)

近年來，水蒸氣壓縮技術(shù)因具有高效、節(jié)能、環(huán)保、安全等諸多優(yōu)點備受關(guān)注，主要是以閉式循環(huán)為主的水蒸氣高溫?zé)岜孟到y(tǒng)[1-2]和以開式循環(huán)為主的機械蒸氣再壓縮系統(tǒng)[3-4]，廣泛應(yīng)用于化工[5-6]、環(huán)保[7-8]、海水淡化[9-10]等領(lǐng)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(yán)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(qū)域，同時具有動平衡性能好、結(jié)構(gòu)簡單、振動小等優(yōu)點[15]，并在蒸發(fā)[16-17]、蒸餾[18-19]、干燥[20]、制冷[21]等工業(yè)場景廣泛應(yīng)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(yīng)用于水蒸氣壓縮系統(tǒng)，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(qū)動蒸氣壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)，實驗研究羅茨水蒸氣壓縮機的性能并掌握其運行規(guī)律，以指導(dǎo)羅茨壓縮機在水蒸氣壓縮系統(tǒng)中的工業(yè)應(yīng)用。

1 理論分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

羅茨壓縮機是一種回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如葉輪、腔體和間隙等有關(guān)，本文羅茨水蒸氣壓縮機由傳統(tǒng)羅茨風(fēng)機改造而來，其中，過流氣體介質(zhì)由空氣變成水蒸氣，羅茨壓縮機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 羅茨壓縮機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 壓縮機容積效率

由于壓縮機壓升與葉輪間隙存在，導(dǎo)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(jié)構(gòu)有關(guān)，表達式為：

(3)

式中：n為葉輪轉(zhuǎn)速，r/min。

理論泄漏量Qb由壓縮機結(jié)構(gòu)和氣體進出口狀態(tài)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(shù)，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(zhì)量流量，kg/h。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗系統(tǒng)流程

實驗系統(tǒng)流程如圖1所示。首先，來自分離器的低溫水蒸氣經(jīng)壓縮后進入蒸發(fā)器冷凝放熱，完成氣相回流；其次，來自蒸發(fā)器殼程的高溫冷凝水進入暫存罐，經(jīng)節(jié)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(jīng)電補熱器加熱后進入蒸發(fā)器管程，受熱變成氣液兩相流，并返回分離器，完成蒸發(fā)循環(huán)。

圖1 實驗系統(tǒng)流程

2.2 系統(tǒng)熱力循環(huán)原理

系統(tǒng)熱力循環(huán)如圖2所示。結(jié)合圖1和圖2可知，經(jīng)分離器氣液分離后得到低溫水蒸氣(狀態(tài)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(jīng)壓縮并消除過熱度后變成高溫飽和水蒸氣(狀態(tài)點b)，高溫飽和水蒸氣進入蒸發(fā)器殼程冷凝放熱變成高溫冷凝水(狀態(tài)點c)，再經(jīng)節(jié)流減壓后變成低溫氣液兩相流(狀態(tài)點d)，最后返回分離器，完成水工質(zhì)循環(huán)。

圖2 系統(tǒng)熱力循環(huán)

2.3 系統(tǒng)流程及檢測點布置

系統(tǒng)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(shè)置相應(yīng)的溫度、壓力和流量測點。

圖3 系統(tǒng)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(xié)議讀取壓縮機電機變頻器內(nèi)部功率信息；電補熱器的功率檢測方法為利用Modbus協(xié)議讀取電力調(diào)整器內(nèi)部功率信息。

2.4 實驗系統(tǒng)配置

實驗系統(tǒng)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(fā)器實現(xiàn)物料的循環(huán)蒸發(fā)，回收壓縮后二次蒸氣余熱；分離器將蒸發(fā)器排出的氣液混合物分離；暫存罐收集二次蒸氣冷凝水；節(jié)流閥將高溫冷凝水節(jié)流成低溫的氣液混合物；電輔熱器對蒸發(fā)循環(huán)液補熱，防止蒸發(fā)溫度下降；真空裝置用于抽除蒸發(fā)器不凝性氣體。

表3 系統(tǒng)配置參數(shù)表

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 吸氣流量隨蒸發(fā)溫度的變化

吸氣流量隨蒸發(fā)溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，吸氣流量隨蒸發(fā)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(fā)溫度的提高，氣體密度大幅增加，在輸氣的過程中排氣側(cè)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(zhuǎn)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(fā)溫度的變化

3.2 壓縮比功隨蒸發(fā)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(fā)溫度的變化如圖5所示。由圖5可知，壓縮比功隨蒸發(fā)溫度和工作頻率的升高而降低，一方面蒸發(fā)溫度的提高使吸氣密度增加，另一方面溫度和轉(zhuǎn)速的提高使容積效率增加，兩種因素的疊加使壓縮機質(zhì)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(fā)工況，壓縮機壓升約為30 kPa，轉(zhuǎn)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(guān)文獻的研究結(jié)果較為吻合[17]，該文獻研究顯示，壓縮比功隨葉輪轉(zhuǎn)速的升高而降低，在同為30 kPa的壓差條件下，葉輪轉(zhuǎn)速為900～1 200 r/min實驗范圍內(nèi)的壓縮比功為276.92 kJ/kg，而本文的葉輪轉(zhuǎn)速為1 500 r/min和1 800 r/min，所得實驗結(jié)果符合該變化規(guī)律。

圖5 壓縮比功隨蒸發(fā)溫度的變化

3.3 容積效率隨蒸發(fā)溫度的變化

容積效率隨蒸發(fā)溫度的變化如圖6所示。由圖6可知，容積效率隨蒸發(fā)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(nèi)，實測容積效率(52.21%～63.19%)與相關(guān)文獻的數(shù)據(jù)(42.74%～81.93%)進行對比，結(jié)果較為吻合[16]，由于壓縮機受到結(jié)構(gòu)設(shè)計、蒸發(fā)工況、氣體壓升、數(shù)據(jù)計量誤差等因素的影響，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)與對比文獻存在一定誤差。在本文實驗范圍內(nèi)，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(zhì)發(fā)生了較大變化，由于水蒸氣密度低于傳統(tǒng)空氣介質(zhì)，較低的水蒸氣密度是導(dǎo)致壓縮機容積效率偏低的主要原因，同時由于壓縮機內(nèi)部葉輪間隙、葉輪與殼體間隙、葉輪截面積利用系數(shù)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(dǎo)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(fā)溫度的變化

3.4 等熵效率隨蒸發(fā)溫度的變化

等熵效率隨蒸發(fā)溫度的變化如圖7所示。由圖7可知，等熵效率隨蒸發(fā)溫度和工作頻率的升高而升高，在80～90 ℃實驗范圍內(nèi)，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(xiàn)有羅茨水蒸氣壓縮機大多由羅茨風(fēng)機改造而來，其葉輪截面、配合間隙、殼體、密封等內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計仍需進一步改進，在壓縮機運轉(zhuǎn)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(yán)重，最終導(dǎo)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(fā)現(xiàn)，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(fā)溫度的變化

4 結(jié)論

本文搭建了羅茨壓縮機驅(qū)動蒸氣壓縮蒸發(fā)系統(tǒng)，在80～100 ℃蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，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(shù)如吸氣流量、壓縮比功、容積效率及等熵效率隨蒸發(fā)溫度和工作頻率的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)隨著蒸發(fā)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(fā)工況，壓縮比功在158.5～215.65 kJ/kg之間，實測數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻的實驗結(jié)果較為吻合。

2)隨著蒸發(fā)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(fā)工況，容積效率在52.21%～63.19%之間，實測數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻實驗結(jié)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(yīng)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(nèi)較為穩(wěn)定、效率相對較高，推薦羅茨水蒸氣壓縮機在90～100 ℃范圍運行。