水作为制冷剂的透平冷水机组研究现状 (四)

周子成

5 第四部分

三孔口冷凝波转子系统

5.1 波转子工作原理

波转子的基本特点是围绕圆柱形转子轴向布置的几个流道,装配在两个静止端板之间作旋转运动,每一静止端板有几个控制流体通过流道流动的孔口或阀件。依靠圆柱形转子的旋转,流道两端定期接触位于端板上的固定孔口,造成流道内的初始压缩和膨胀波。因此,与一个稳定流动的气体压缩或膨胀的涡轮机组不同,波转子是在单一的组件内完成一个压缩和膨胀。

图4.1表示了旋转的波转子设备。在每个静止端板上有几个孔口,图中的每一端板上有两个孔口。对于不同的应用场合,孔口数及其位置不同。在实用上,为了尽量减少泄漏,端板和转子之间保持有一个非常小的间隙,或者端板用密封材料与转子接触。转子可以通过齿轮或皮带驱动,或最好是由电动机直接驱动 (在图上未表示)。为了使转子保持在一个正确的设计速度,所需的功率是非常小的。它只需克服转子风阻消耗的功、轴承摩擦消耗的功和接触密封的摩擦消耗的功。这些功与压缩机消耗的功相比是非常小的,它几乎可以忽略不计。另外,转子可以自驱动。这种配置称为 “自由运动转子 “,依靠与旋转方向倾斜的叶片自身驱动。在这种情况下,流入和流出流体的动量变化使转子产生旋转。

图4.1 一个典型的波转子机原理的配置

5.2 带有一个3孔口的冷凝波转子强化的R718制冷循环

在利用波机构的热力循环的潜力是在发电、动力中,自二十世纪早期推广到制冷设备以来,已经吸引了许多研究者的关注。激波管、激波通道、压力交换器、脉冲燃烧器、脉冲爆震发动机和波转子是至今发展最著名的波设备。这些设备代表了经典的不稳定、一维、可压缩流动理论的应用,但目前尚未被广泛采用。这种随时间变化的流动装置,可以产生比在稳态流装置中获得更大的压力提升。不稳定波机构可以在适当的几何形状下产生冲击波,不需要使用如活塞或叶片叶轮机械等部件,直接将一个高压流体的能量转移到另一个低压流体中。

在波转子设备的家族中,波转子表现出有吸引力的潜力,实现电力系统的超高性能目标,并降低成本。在这方面,一个使用3孔口的冷凝波转子的水制冷循环的出现,是一种有前途的技术。它可以提高R718机组的COP,同时降低它们的成本和尺寸。它的成功实施可能会取代三个子系统:中间冷却器,一个压缩机的级和冷凝器。

图4.2示出了一个使用3孔口冷凝波转子R718循环的原理性热力学模型。在这个创新设计中,波转子通道内发生水蒸汽凝结。此外,波转子取代了压缩机的一个级。

图4.3表示了3孔口冷凝波转子的结构组成简图。低压蒸汽或高压水从冷凝波转子一端进入波转子,中压水从冷凝波转子的另一端流出。

图4.4示意地表示出3孔口冷凝波转子通道内的冷凝过程以及在通道内的压缩和冷凝过程的区域模型。按照图4.2中的状态点,从涡轮压缩机出来的过热蒸气 (2)连续不断流动通过蒸汽收集器(见图4.3)到位于两个固定端板之一的波转子进气孔口。依靠两个端板之间的波转子旋转,波转子通道被开启,与孔口接通,并充入流过来的过热蒸气。在图4.4(a)区域是充入过程完成后的状态。经过进一步旋转,通道遇到第二个进入孔口 (6),高压低温水 (e)通过它进入和暴露于区域 (a)的低压高温的过热蒸汽中。由于压力突然下降 (从P6降到P2),所有的热量不能作为显热被容纳在进来的水中,并且过剩的热量转化成汽化潜热。这是所谓的闪发蒸发或闪发现象。因此,一部分进水突然蒸发 (C)和剩余的部分被冷却 (d)。由闪发蒸发产生的饱和蒸气 (C)的迎风面积被称为接触界面,其动作像一个快速移动的活塞。它导致从入口引导边穿过通道 (a)内存在的过热低压蒸汽,引发冲击波。冲击波以超声速的速度 (Vshock)传播,快于接触界面的速度 (Vinterface)。因此,冲击波的轨迹 (图4.4中的实线)与进水和所产生的蒸汽 (虚线)的接触界面有一个小的倾斜。移动冲击波 (b)后面的温度是从T2增加到T2′,并且由于冲击的压缩,压力从P2上升到P2′=P3。后者是一个设计决策,类似于一个调整条件。有了它,在进气孔口的压力 (P6)是设计成一个合适的产生触发冲击波需要的压力比P6/P2值。过热蒸气将在压力P3下被冷凝。这表明,液态的流体作为一个“功容器”储存泵功,以便在波转子通道内膨胀过程期间释放它,并同时压缩蒸汽。因此,强化系统的冷却水循环泵不仅要提供必要的功 (WPL),以便克服在排热循环的压力损失,而且还需要克服波转子通道冲击波压缩的功 (WPC)。冲击波 (b)背后所承受的压力是施加到闪发 (C)产生的蒸汽。它是在水的表面上的压力和蒸发衰减时相平衡的压力P(c)=P(b)=P3。因此,产生的蒸汽和冷却水两者获得了饱和温度T3=Tsat(P3)。

由于过热的压缩蒸汽 (b)与冷的进水 (e)直接相接触,过热蒸汽降低过热度,并且,它的热量传递给进水 (f)。这样继续下去,直到在区域 (b)达到平衡温度T3和过热蒸气变成饱和蒸气。随后,进来的水进一步压缩饱和蒸气,并且,当潜热被转移到进水(g)时,蒸汽被凝结。两相中的蒸汽接近完全冷凝时,水的典型干度为0.005,通过波转子(3)的出口被清除。清除过程可能会受到重力和泵功率的支持。

图4.5中画出了基准循环和波转子增强循环的压焓 (P-h)图。这两个循环都从蒸发器出口 (状态1)开始,该点的蒸气是饱和状态。状态2b代表基准循环的压缩机出口的状态,而状态2是允许使用较低压力比的波转子增强循环的压缩机出口状态。状态2′是对应于区域 (b)右边的冲击波后面流动参数的波转子通道内的一个中间点状态。状态2和2′之间的倾斜度大于状态1和2b之间的倾斜度,因为发生冲击压缩通常具有更高的效率。一直在波转子通道里面的过热蒸汽降低过热度到达平衡温度T3(2′→3)。状态3实际上是比图4.5所示的更接近液体区域,因为冷却水的循环质量流量(M6)比核心循环的流量 (M2)更大。认识到这一点,就会清楚懂得在这个示意图中状态3,5和6之间的距离是夸大的。膨胀过程 (6→3)释放的能量被波转子通道内所有蒸汽压缩过程 (2→2′)消耗掉。来自波转子唯一的排出孔口 (状态3)的流量分流为两部分,一小部分作为制冷剂使用的是直接去膨胀阀和在一个等焓过程 (3→4)膨胀,而大部分是从波转子流出来进入排热器 (冷却塔或类似设备),在那里它被冷却 (3→5)。之后的压力被泵再次增高 (5→6),提供的能量给予压缩波转子中的蒸汽 (WPC)和补偿在排热器及相关管道中的压力损失 (WPL)。

图4.5 R718基准循环和3孔口冷凝波转子强化循环(图中未表示载冷水循环)的lgP-h图

5.3 性能评估

为了对3孔口冷凝波转子增强的R718制冷循环作出性能评估。编制了基于热力学模型的如下所述的计算机编码。蒸发器温度 (T1)和排热器温度 (T3)通常根据应用需要是固定的。目标函数是为了获得相比于基准循环性能系数的最高增益(COPgain)。独立设计参数是质量流量比 (K=m6/m2),(即制冷循环的质量流量与核心循环的质量流量之比),和波转子的压力比 (PRW=P3/P2)。

热力学模型中考虑的其他假设是:

(1)为了比较基准循环和增强循环,蒸发器和冷凝器入口温度被认为是相同的 (T1=T1b和T3=T3b)。

(2)通过排热器的温差保持定值 (T5-T3=3K)。

(3)在排热器、蒸发器和管道内的压降忽略不计。

(4)冷凝器和蒸发器出口状态是完全饱和状态。

(5)多变压缩效率被采用在基准循环和增强循环中。其值为0.72,是通过假设对压力比为2的压缩机的等熵效率为0.7得出的。

(6)过热蒸气被视为理想气体 (γ=1.33)。

(7)一维气体动力学冲击波方程是用于计算穿过移动的垂直冲击波的流动特性。不考虑反射冲击波。

(8)泵的水力效率取作0.9。(9)液体水被视为不可压缩。

5.3.1 基准循环

蒸汽压缩式制冷循环的理想制冷剂循环如图4.5所示。从蒸发器流入压缩机的制冷剂作为饱和蒸汽,然后它作为过热蒸汽排入冷凝器。在冷凝器出口的饱和液体制冷剂通过膨胀阀返回到蒸发器,然后循环流动。

在本分析中,输入数据是蒸发器和冷凝器的饱和温度,如表4.1所示。为了获得循环的COP,在每个位置的热力学状态按如下顺序确定:

表4.1 基准循环分析的输入数据

1)压缩机入口 (状态点1)

假设状态1b为饱和蒸汽。因此,知道的饱和蒸气温度后,其他热力学性质可确定为:

2)冷凝器出口 (状态点3b)

假设状态3b为饱和液体。因此,知道它的温度后,其他热力学性质可以确定为:

3)压缩机出口 (状态点2b)

循环的整体压力比的计算是:

流过压缩机的比焓变化是将比热假设为一个平均值后通过下式求出:

式中压缩机等熵效率 ηC的计算是假设一个多变效率为0.7。因此,压缩机出口的热力学参数是:

4)膨胀阀出口 (状态点4b)

流过理想膨胀阀的焓值保持不变,因此

COP被定义为蒸发过程的热量(qL=h1-h4b)与压缩机消耗的功(WC=h2b-h1)的比值:

5.3.2 波转子强化循环

如图4.5所示,在波转子强化循环中,离开压缩机的过热蒸汽排入波转子。压缩机的压力比低于基准循环。过热蒸气在波转子被压缩后,一部分几乎是饱和水从波转子流出 (3)进入热交换器,而另一部分通过膨胀阀返回到蒸发器。

分析波转子强化循环的输入数据在表2中给出。为了获得强化循环的COP,在每个位置的热力学状态参数可以按如下顺序得到:

表4.2 强化循环分析的输入数据

1)压缩机进口 (状态点1)

状态1的压缩机进口条件与基准循环相同。

2)波转子出口 (状态点3)

波转子出口流体是在饱和区,非常接近饱和液体线。因此,

取围绕波转子的控制容积如图4.6所示,由质量守恒定律给出下式:

且按照能量守恒

使用质量流量比(k=m6/m2)的定义,上述两个方程可以合并为:

图4.6 围绕波转子的控制容积

状态6的焓将在后面计算。

3)冷凝器出口 (状态点5)

通过冷凝器的压降是 △Tc(见表4.2),因此:

4)蒸发器入口 (状态点4)

这里考虑的是理想膨胀阀

液体干度的计算方法是:

5)压缩机出口 (状态点2)

压缩机出口压力的计算方法是:

和式 (4.4)可用于使用压缩机新的出口压力值再次计算压缩机出口焓。因此:

6)冲击波压缩 (状态点2′)

如上所述,由于压力从p6突然下降到p2,从进口的引导边触发传递,通过存在于通道内低压过热蒸汽产生的冲击波时发生闪发蒸发。因此,温度从T2升高到T2′,压力从p2上升到p2′=p3。使用移动的垂直冲波关系,温度上升由下式计算:

7)泵的出口 (状态点6)

如上所述,在冷却水循环中,泵提供的压力(p6)是用来产生触发所需要的冲击波的压力比p6/p2。因此,

式中p5=p(T6,p6),因此:

且泵的焓增加是:

最后,这样一个增强的循环的COP是通过下式求得:

图4.7表示了不同的质量流量比时,相对COPgain与蒸发器的温度 (T1)间的关系。通过增加蒸发器温度T1,波转子增强循环的COP相对于基准循环的COP是增大的。这种趋势一直到达增强循环的压缩比 (Πc=p2/p1)等于波转子压比(Πc=PRW)是明显成立的,在此之后,相对COPgain急剧下降。

图4.8表示了在不同的蒸发温度时,相对COPgain与质量流量比的关系,像图4.7右侧坐标所表示的那样。它表示只增加图4.2的分路。蒸发温度上升到某值以上,使透平压缩机的压力比降低到波转子的压力比的值。从图4.8可以看出,质量流量比增加到200以上时,COPgain变化很小,说明再增大流量比对提高COPgain已不起作用。

图4.9表示了不同的质量流量比时,波转子压比(PRW)对相对COPgain的影响。每条曲线具有一个最高点,表示对给定系统规格的波转子压力比的最佳选择点。这点的位置取决于几个参数,包括泵的水力效率、压缩机多变效率、蒸发器温度、温度提升 (T3-T1),但质量流量比却不同。如图4.7、4.8和4.9所示有一共同的特点,对于一个独立值的持续增加并不总是使COPgain增加。而图4.9表示了波转子压比的这种影响。图4.7揭示了在到达某一点的COPgain的增长率,在这一点以后,蒸发器温度的进一步增加,实际上使COPgain降低。图4.8中可以看出类似的趋势,曲线有一个质量流量比增加到某一值以后,COPgain渐渐趋向于水平线。

图4.9 不同质量流量比时相对COP与波转子压力比间的关系

图4.10表示了不同的波转子压比和相对恒定的COPgain为10%时,排热温度 (T3)与蒸发器的温度的关系。图中的数据表明,为了获得一定的相对COPgain,波转子压比有几个选择值。然而,只有在最佳压力比为2.45时,产生最高的温度提升。

图4.11是一个增强循环的性能图。此图上的每个点表示出对于一个给定的蒸发器温度和温度提升,选择最佳PRW可以获得最大的COPgain。等PRW线表示可能产生最高COPgain的最佳PRW值。由等max.COPgain线表示。

在这个最佳点的性能曲线图上,标记出一个任意的最佳点P。它是用来表示所有的性能图解之间的连接。然而,它仅是在图4.7至图4.10中性能曲线上的最佳点。这些曲线图上所有其他点在图4.11中并不能找到,因为他们表现出比图4.11点上较小的COPgain。

从图4.7可以看出趋势,对于给定的排热温度(T3)和PRW,提高蒸发器温度会产生较高的COPgain的结果。这样的效果也可以在性能图上通过点P沿着恒定PRW值为2.45的曲线向右移动 (图4.11)看出。然而,对于较小的温度提升,低于约15度时 (在max.COPgain以上约16%)这种效果是相反的,当蒸发器的温度增加时,max.COPgain反而降低。

图4.9表示了一个给定的质量流量比,和结合蒸发温度与排热温度时,有一个最大的COPgain。因为点P是在圆弧尖顶的最高点,它也出现在图4.11中。

5.4 本部分结论

本部分提出了水作为制冷剂 (R718)工作循环的优点和包括对它设计的挑战。为了强化透平压缩和改善这种循环的效率,对3孔口冷凝波转子与R718压缩制冷循环集成的新理念进行了研究。冷凝波转子采用压力水进行加压、降低过热度、和凝结来自压缩机的过热蒸汽——所有这些都在一个动态的过程中进行。通过p-h图,讨论了外部过程、波和内部过程相变的原理。对闪发蒸发、冲击波压缩、降低过热度、和波转子通道内的凝结现象进行了描述。

开发了一个基于热力学模型的计算机编码,用来估算R718增强循环的性能提高。描述了基准循环和改进循环的详细热力学计算方法。使用一个优化的辅助设计演示出一些关键参数对性能增强的影响。最后,提出了一个表明增强循环优化点的性能图。结果表明,使用3孔口冷凝波转子使COP额外改善了22%。除了性能增强以外,冷凝波转子在相同温度提升时允许降低压缩机的压力比,或者在不改变压缩机时增加了温度提升。这种波转子是一个简单的鼓,易于制造,旋转速度相对较低。由于它在一个紧凑的设备中完成压缩、降低过热度和冷凝等过程,它可以使配备高技术、多级压缩、中间冷却器以及相对笨重冷凝器的现代最先进的R718冷水机组缩小尺寸和降低成本。

[4.1]Amir A.Kharazi,Pezhman Akbari and Norbert Müller,An Application of Wave Rotor Technology for Performance Enhancement of R718 Refrigeration Cycles,2nd International Energy Conversion Engineering Conference,2004