罗茨水蒸气压缩机性能实验研究

2022-02-16张化福张青春童莉葛张振涛杨俊玲王有栋

制冷学报 2022年1期

张化福张青春童莉葛张振涛杨俊玲于泽王有栋

(1 中国科学院理化技术研究所中国轻工业食品药品保质加工储运与节能技术实验室北京 100190；2 北京科技大学能源与环境工程学院北京 100083；3 青岛科技大学机电工程学院青岛 266061)

近年来，水蒸气压缩技术因具有高效、节能、环保、安全等诸多优点备受关注，主要是以闭式循环为主的水蒸气高温热泵系统[1-2]和以开式循环为主的机械蒸气再压缩系统[3-4]，广泛应用于化工[5-6]、环保[7-8]、海水淡化[9-10]等领域。

各种水蒸气压缩机性能对比如表1所示，离心压缩机具有流量大、压比低、对材料要求严格等特点[11-12]，螺杆压缩机具有流量小、压比高、造价昂贵等特点[13-14]，罗茨压缩机适用于流量中、小和压比中、低的宽泛工作区域，同时具有动平衡性能好、结构简单、振动小等优点[15]，并在蒸发[16-17]、蒸馏[18-19]、干燥[20]、制冷[21]等工业场景广泛应用。

表1 不同水蒸气压缩机性能对比

虽然罗茨压缩机已广泛应用于水蒸气压缩系统，但针对罗茨压缩机本身的性能研究较少。因此，本文建立了罗茨压缩机驱动蒸气压缩蒸发系统，实验研究罗茨水蒸气压缩机的性能并掌握其运行规律，以指导罗茨压缩机在水蒸气压缩系统中的工业应用。

1 理论分析

1.1 主要结构参数

罗茨压缩机是一种回转式压缩机，压缩过程近似定容压缩，具有强制输气的特点，理论吸气量与压缩机结构如叶轮、腔体和间隙等有关，本文罗茨水蒸气压缩机由传统罗茨风机改造而来，其中，过流气体介质由空气变成水蒸气，罗茨压缩机的结构参数如表2所示。

表2 罗茨压缩机的结构参数

1.2 压缩机容积效率

由于压缩机压升与叶轮间隙存在，导致压缩气体回流泄漏，容积效率表达式为：

ηv,th=(Qth-Qb)/Qth

(1)

ηv,ex=Qex/Qth

(2)

式中：ηv,th为理论容积效率；ηv,ex为实测容积效率；Qth为理论吸气流量，m3/min；Qb为理论总泄漏量，m3/min；Qex为实测吸气流量，m3/min。

理论吸气流量Qth与罗茨压缩机结构有关，表达式为：

(3)

式中：n为叶轮转速，r/min。

理论泄漏量Qb由压缩机结构和气体进出口状态共同决定，计算如下：

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

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Qbr为叶轮与壳体泄漏量，m3/min；QbL为两叶轮泄漏量，m3/min；Qbf为叶轮与前墙体泄漏量，m3/min；Qbg为叶轮与后墙体泄漏量，m3/min；μ为计算系数，取0.02；b为叶轮端面平均宽度，由0.5π(1-λ)D/2计算，m；Δp为压缩机压升，kPa；ρS为吸气密度，kg/m3。

1.3 压缩机等熵效率

罗茨压缩近似定容过程，存在不可逆损失，罗茨压缩机等熵效率计算如下：

ηs,th=his/hth

(9)

ηs,ex=his/hex

(10)

式中：ηs,th为理论等熵效率；ηs,ex为实测等熵效率；his为等熵压缩比功，kJ/kg；hth为理论罗茨压缩比功，kJ/kg；hex为实测罗茨压缩比功，kJ/kg。

等熵压缩比功为气体的可逆绝热压缩过程功耗，与外界无热交换，计算如下：

his=(hs2-h1)

(11)

式中：hs2为等熵压缩排气焓值，kJ/kg；h1为吸气焓值，kJ/kg。

理论罗茨压缩比功是不考虑摩擦损耗等因素的理想压缩功耗，计算如下：

hth=(ΔpQth)×60/qm

(12)

式中：qm为吸气质量流量，kg/h。

2 实验设计

2.1 实验系统流程

实验系统流程如图1所示。首先，来自分离器的低温水蒸气经压缩后进入蒸发器冷凝放热，完成气相回流；其次，来自蒸发器壳程的高温冷凝水进入暂存罐，经节流阀减压变成气液两相流并返回分离器，完成液相回流；最后，分离器液相经电补热器加热后进入蒸发器管程，受热变成气液两相流，并返回分离器，完成蒸发循环。

图1 实验系统流程

2.2 系统热力循环原理

系统热力循环如图2所示。结合图1和图2可知，经分离器气液分离后得到低温水蒸气(状态点a)，其中a-b1为等熵压缩过程，a-b2为定容压缩过程，低温饱和水蒸气经压缩并消除过热度后变成高温饱和水蒸气(状态点b)，高温饱和水蒸气进入蒸发器壳程冷凝放热变成高温冷凝水(状态点c)，再经节流减压后变成低温气液两相流(状态点d)，最后返回分离器，完成水工质循环。

图2 系统热力循环

2.3 系统流程及检测点布置

系统流程及检测点布置如图3所示，为了考核罗茨水蒸气压缩机的运行特性，在压缩机的吸气、排气管路上设置相应的温度、压力和流量测点。

图3 系统流程及检测点布置

温度测点为铠装热电阻，量程为0～150 ℃，输出信号为4～20 mA，精度为±0.1%；压力测点为精细小型压力变送器，量程为0～400 kPa(绝压)，输出信号为4～20 mA，精度为±0.1%；流量测点为旋进旋涡型流量计，量程为2～20 m3/min，输出信号为4～20 mA，精度为±1.0%；压缩机功率检测方法为利用Modbus协议读取压缩机电机变频器内部功率信息；电补热器的功率检测方法为利用Modbus协议读取电力调整器内部功率信息。

2.4 实验系统配置

实验系统的配置如表3所示。压缩机将二次蒸气压缩升温与回用；蒸发器实现物料的循环蒸发，回收压缩后二次蒸气余热；分离器将蒸发器排出的气液混合物分离；暂存罐收集二次蒸气冷凝水；节流阀将高温冷凝水节流成低温的气液混合物；电辅热器对蒸发循环液补热，防止蒸发温度下降；真空装置用于抽除蒸发器不凝性气体。

表3 系统配置参数表

3 数据分析

3.1 吸气流量随蒸发温度的变化

吸气流量随蒸发温度的变化如图4所示。由图4可知，吸气流量随蒸发温度的升高而升高，提高工作频率可增加吸气流量。随着蒸发温度的提高，气体密度大幅增加，在输气的过程中排气侧气体会通过叶轮之间以及叶轮与壳体的间隙回流，气体密度越大回流量越小、容积效率越高、吸气流量越大；同时，压缩机叶轮转速与工作频率成正比，工作频率增大可以大幅提升压缩机的吸气流量。

图4 吸气流量随蒸发温度的变化

3.2 压缩比功随蒸发温度的变化

压缩比功反映了压缩机的功耗水平。压缩比功随蒸发温度的变化如图5所示。由图5可知，压缩比功随蒸发温度和工作频率的升高而降低，一方面蒸发温度的提高使吸气密度增加，另一方面温度和转速的提高使容积效率增加，两种因素的叠加使压缩机质量流量大幅增加，并远远超出压缩功耗的增加幅度，最终压缩比功逐步降低。选取95 ℃和100 ℃两个蒸发工况，压缩机压升约为30 kPa，转速分别为1 500 r/min和1 800 r/min，实测压缩比功在158.5～215.65 kJ/kg之间，与相关文献的研究结果较为吻合[17]，该文献研究显示，压缩比功随叶轮转速的升高而降低，在同为30 kPa的压差条件下，叶轮转速为900～1 200 r/min实验范围内的压缩比功为276.92 kJ/kg，而本文的叶轮转速为1 500 r/min和1 800 r/min，所得实验结果符合该变化规律。

图5 压缩比功随蒸发温度的变化

3.3 容积效率随蒸发温度的变化

容积效率随蒸发温度的变化如图6所示。由图6可知，容积效率随蒸发温度和工作频率的升高而升高，在低温条件下工作频率的强化作用更显著，在80～90 ℃实验范围内，实测容积效率(52.21%～63.19%)与相关文献的数据(42.74%～81.93%)进行对比，结果较为吻合[16]，由于压缩机受到结构设计、蒸发工况、气体压升、数据计量误差等因素的影响，导致实验数据与对比文献存在一定误差。在本文实验范围内，对比分析实测值(52.21%～71.54%)与理论值(82.19%～85.50%)可知，实测值与理论值存在一定偏差，这是因为压缩介质发生了较大变化，由于水蒸气密度低于传统空气介质，较低的水蒸气密度是导致压缩机容积效率偏低的主要原因，同时由于压缩机内部叶轮间隙、叶轮与壳体间隙、叶轮截面积利用系数等因素客观存在，造成压缩机在实际输气过程中不可避免的回流与泄漏，最终导致罗茨水蒸气压缩机的容积效率较低。

图6 容积效率随蒸发温度的变化

3.4 等熵效率随蒸发温度的变化

等熵效率随蒸发温度的变化如图7所示。由图7可知，等熵效率随蒸发温度和工作频率的升高而升高，在80～90 ℃实验范围内，等熵效率实测值(16.48%～36.15%)较低，且与理论值(46.33%～63.29%)存在一定误差。首先，由于罗茨压缩近似定容压缩过程，罗茨压缩功远大于等熵压缩功，致使理论等熵效率处于较低水平，其次，现有罗茨水蒸气压缩机大多由罗茨风机改造而来，其叶轮截面、配合间隙、壳体、密封等内部结构设计仍需进一步改进，在压缩机运转过程中气体流动、轴承摩擦等损失较大，气体压缩过程不可逆偏离程度较为严重，最终导致等熵效率的实测值与理论值存在一定误差。但通过实验发现，压缩机在高温和高频工况下运行时，实际气体压缩的这一热力过程能得到很好的完善，等熵效率相对较高。