水制冷剂及水蒸气压缩机研究现状和展望

吴迪，胡斌，王如竹，江南山，李子亮



水制冷剂及水蒸气压缩机研究现状和展望

吴迪1，胡斌1，王如竹1，江南山2，李子亮2

（1上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240；2上海汉钟精机股份有限公司，上海201501）

水作为第4代制冷剂具有绿色环保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、稳定性高以及汽化潜热大等诸多优势，完全可以满足环保要求从而应用在热泵空调系统中；但是水蒸气分子量低、比容大以及绝热指数高也决定了水蒸气系统具有压差小、压比大、单位容积制冷量小、容积流量大、排气温度高等特点，对水蒸气制冷系统用的压缩机也提出了更高的要求。目前使用的水蒸气压缩机主要有离心式、螺杆式以及罗茨式，离心式压缩机虽然容积流量大，但是单级压比小，对液滴敏感，排气温升问题突出，叶片以及壳体材料要求高，经济成本高，适用于大流量，小压比的系统；螺杆式压缩机稳定性好，压比大，可以满足湿压缩要求，但是它容积流量有限，可用于小流量，大压比的系统；罗茨式压缩机振动小，结构简单，但是它的压比同样也比较小，适用于中小冷量，大温升系统。为了促进水制冷剂在生产生活领域的广泛使用，针对不同使用场合和供汽需求，研究开发与之适用的压缩机是未来制冷技术发展的一个重要方向。

水制冷剂；压缩机；压比；排气温度

引 言

伴随着社会经济的迅速发展和人们对物质需求的不断增长，能源的消耗也日益加剧，未来能源短缺将会是世界面临的一个重大问题。面对化石能源危机，努力发展和使用新能源与可再生能源，如页岩油气、可燃冰、太阳能、风能、水能、地热能以及生物质能等，可以有效降低对化石能源的依赖[1-5]，同时大力推广新型节能技术，降低生产生活中的能源消耗，也是摆脱能源危机的重要手段[5-6]。

与此同时环境污染问题也在时刻敲打着警钟，臭氧层消耗，全球气候变暖，冰川融化以及海平面上升等问题亟待解决[7]。随着制冷空调行业的迅速发展，制冷领域每年需要的制冷剂高达百万吨，而氯氟烃类人工合成制冷剂因为对臭氧层的破坏以及对温室效应的促进作用，使制冷与空调行业面临严重挑战，因此寻找新型、高效、绿色、环保并且易得的制冷剂已经成为了整个制冷领域的共识[8-9]。水作为一种最易得的工质，其绿色、环保、低廉、温室效应小、对于臭氧层无破坏，可以说是最理想的制冷工质。

热泵的使用可以有效回收低品位能源，提高能量的利用效率，降低高品位能源的消耗，缓解全球能源危机的压力，因此热泵作为一种有效的节能技术一直被社会各界所推崇，在社会生产生活的各个方面都得到了广泛的应用。如果采用水作为热泵系统的工质，可以将水的绿色环保和热泵的节能减排特点充分结合，是一种非常具有应用前景的技术。而水蒸气压缩机是水蒸气热泵系统的动力源以及主要能耗设备，维持着系统的稳定运行，水蒸气热泵系统的应用离不开低成本、高效率并且高稳定性的水蒸气压缩机的开发[10-12]。本文根据以往的研究成果，着重对水制冷剂以及水蒸气压缩机的研究发展现状进行介绍，并对水制冷剂与水蒸气压缩机未来的发展前景进行初步展望。

1 水制冷剂的性质

在过去200年中，因为时代发展的需求不同，在不同时期对制冷剂的要求也有所不同，根据时代的不同需求以及对制冷剂的不同要求，制冷剂的发展大致经历了4个阶段，如表1所示[13-14]。

表1 制冷剂的发展历程

最初因为应用需要以及对制冷剂物性认知的缺乏，制冷剂能够满足应用需求即可，对其安全性、环保性都没有提出具体要求。而后为了降低制冷剂使用的经济成本，保证设备设施以及工作人员的安全，对制冷剂的安全性提出了新的要求，以转向氟化物为鲜明标志催生出第2代制冷剂，第2代制冷剂安全性高，经济耐用，在当时被大力发展。但是随着对制冷剂物性的深入研究，科研人员发现第2代制冷剂对臭氧层有较大破坏作用，导致了严重的环境问题，必须寻求新的对臭氧层无害的制冷剂，由此引发了第3代制冷剂的研发，而第3代制冷剂对臭氧层的破坏性都很小，有的甚至无破坏作用。但是伴随着第3代制冷剂的使用，其显著的温室效应，也严重地制约了它的进一步发展，必须寻找无温室效应的更加适合的制冷剂，同时也对制冷剂提出了经济、安全、耐用、绿色、环保、易得的更高更全面的要求，也就促使研究人员转向第1代制冷剂中以水、二氧化碳、氨以及烃类等为代表的第4代天然制冷剂[15-17]。

第4代制冷剂中丙烷、氨、水以及二氧化碳的各项参数对比如表2所示[14, 18]。

表2 第4代制冷剂中代表工质的物性参数

对表2中的第4代制冷剂性质进行分析，可以得知水作为制冷剂具有以下优点。

（1）绿色环保，对环境无污染。水的ODP=0，GWP<1，意味着水作为制冷剂对于臭氧层无破坏，对于全球气候变暖影响小，是对环境很友好的制冷剂。

（2）原料易得，成本低廉。水在自然界中大量存在，与其他任何一种制冷剂相比，水最易获得，使用成本最低，是最经济的制冷剂。

（3）安全性好。水不具有毒性、可燃性、易爆性等危险属性，作为制冷剂无论是在液态或气态下发生泄漏时不会造成任何安全问题，是最安全的制冷剂。

（4）稳定性好，经久耐用。水的化学性质十分稳定，不存在制冷剂长期使用产生的分解问题。

（5）汽化潜热大。虽然与氨和二氧化碳相比水制冷剂的单位容积制冷量非常小，仅为氨的l/300左右，为二氧化碳的1/1860，但是水的汽化潜热大，单位质量的制冷量相对也大。

水作为制冷剂第1次有记录地被使用在制冷领域是在1934年Belmont将水蒸气离心式压缩机应用于空调系统。但后来，随着氟里昂类制冷剂的发现和应用，压缩机的体积和质量大大减小，水作为制冷剂的压缩系统渐渐被人们遗忘。而如今面对严峻的能源危机以及环境问题，水作为一种绿色环保、廉价易得、安全稳定的天然制冷剂，在节能领域以及制冷行业中有着其他制冷剂难以比拟的优势[19]。以水作制冷工质将会是未来节能以及制冷领域的一个重要的研究方向，受到了国内外学者的重视，并进行了大量的研究，同时也已有学者研究表明，以水为工质的系统性能系数在一定工况下甚至会优于传统工质系统[10, 20-26]，这些研究也为水制冷剂的进一步发展奠定了坚实可靠的基础。

2 水蒸气压缩机的研究现状

虽然水作为制冷剂具有巨大的优越性，但是水蒸气分子量低、绝热指数高以及比容大的物理性质也决定了水蒸气压缩系统具有压差小、压比大、单位容积制冷量小、容积流量大、排气温度高等特点[27]，同时水蒸气压缩机也面临着零部件的腐蚀生锈，水蒸气侵入压缩机内润滑油工作区的问题，这些都对水蒸气压缩机的设计以及性能提出更高的要求，如今水蒸气压缩机的防腐防锈、密封、耐高温和长期运行的安全可靠也成为重要的技术难题[28-29]。

目前对于以水作为介质的水蒸气压缩机的研究主要集中在离心式水蒸气压缩机、螺杆式水蒸气压缩机以及罗茨式水蒸气压缩机，对于往复式以及轴流式水蒸气压缩机也有研究但是相对较少[22, 30-31]。

2.1 离心式水蒸气压缩机

离心式压缩机属于速度型压缩机，首先通过叶轮旋转提高气体速度，然后由扩压室将气体动能转化为压力能，从而提高气体压力。Leblanc于1912年设计了1台水蒸气离心式压缩机，这是目前有记录的第1台水蒸气离心式压缩机，而Belmont于1934年首次将水蒸气离心式压缩机应用于空调系统，开启了水作为制冷工质的时代。

表3是离心式水蒸气压缩机在具体系统中应用时的对比分析。

表3 离心式水蒸气压缩机对比分析

对表3分析发现，随着技术的发展，离心式水蒸气压缩机的应用越来越多，离心式水蒸气压缩机的效率在不断地提升，压比范围也在不断地扩大，虽然离心式水蒸气压缩机基本都是使用在大流量压缩设备中，但是也有研究人员将小流量的离心式水蒸气压缩机应用在热泵系统中[38]，这说明小流量的离心式水蒸气压缩也具有一定的应用市场。

当离心式水蒸气压缩机在制冷以及热泵等循环中与其他设备结合使用时，可以有效提高水蒸气的压比，同时降低水蒸气的排气温度，提高系统的效率，降低能量消耗。例如Kharazi等[39-40]将冷凝波转子与离心式压缩机结合使用，Šarevski等[41-42]将两相喷射器与离心式压缩机的结合使用等，这些研究为以后离心式水蒸气压缩机的研发提供了新的思路，有助于在保证大流量的前提下进一步提高压比，扩大离心式水蒸气压缩机的应用范围。

为了使离心式水蒸气压缩机的叶轮具有耐腐蚀、耐磨损、耐热、耐振等特性，常用的叶轮材料为不锈钢，特殊情况下也可以用铟、钛等材料，可选用的叶轮材料有17-4PH、304、316、铟600、铟718、钛5、钼、铪合金等[34]。在具体研究中也有学者提出了一些宝贵意见，例如刘晓莉等[29]在对黑液进行浓缩处理时指出，由镍合金200或Ferralium 255制成的离心式蒸汽压缩机具有较强的抗腐蚀性和较长的运行寿命。沈阳鼓风机集团股份有限公司将由钛合金制成的径向半开式三元叶轮悬置于高速齿轮轴反电动机侧的悬臂轴头之上，研制出蒸发量10 t∙h-1以下，蒸发温升18℃的高速离心式水蒸气压缩机[43]。牛利民等[44]在研究海水淡化的过程中也指出，铝青铜也可以作为离心式水蒸气压缩机的叶片材料。

整体而言离心式水蒸气压缩机具有容积流量大、动平衡特性好、振动小的优点，但也具有单级压比小、对工质中的雾粒敏感、容易发生喘振以及易于腐蚀、应用范围窄的明显缺点。同时离心式水蒸气压缩机因为对于液滴敏感，单机压缩很难克服高压比排气温度过高的问题，对叶片以及壳体材料要求也高，成本较高。因此保证离心式水蒸气压缩机压比的同时降低排气温度，研制高性能叶片，降低压缩机成本，扩大应用范围以及克服喘振将成为离心式水蒸气压缩机的主要研究方向。

2.2 螺杆式水蒸气压缩机

螺杆式压缩机属于容积型压缩机，依靠基元容积的周期性变化完成吸气、压缩以及排气过程。1986年日本松田润二[45]将螺杆压缩机用于压缩水蒸气，并将其用于啤酒蒸馏的机械蒸汽再压缩(MVR)系统，获得了成功。1987年，吴亚勤等[46]介绍了以水蒸气作为工质的螺杆式水蒸气压缩机具有压缩比大，经久耐用，可靠性高，在广泛的运行范围内稳定性好，对负荷变化适应性强的优点。1988年杨志才等[47]成功改造了一台螺杆式水蒸气压缩机，用它直接压缩水蒸气并向里面喷液进行实验，发现压缩水蒸气时向汽缸内喷液，可以增加压缩机流量，提高压缩机总效率。

表4为螺杆式水蒸气压缩机在具体系统中应用时的对比分析。

表4 螺杆式水蒸气压缩机对比分析

对表4分析可以发现，螺杆式水蒸气压缩机最近几年研究与应用相对较多，且大多用于机械蒸汽再压缩等热泵系统中。螺杆式水蒸气压缩机的流量范围相对而言较小，基本上都在中小流量范围内，但是压比相对较大，而效率也基本在50%～75%之间。和离心式水蒸气压缩机相比，螺杆式水蒸气压缩机具有大压比的优势，但是也有着流量小的明显不足。

同时螺杆式水蒸气压缩机也存在着排气温度过高的问题，为了解决压缩过程终了排气温度过高的问题，张良等[49]对螺杆压缩机采用湿压缩方式，利用水滴升温显热和汽化潜热来降低压缩终了水蒸气的排汽温度，改善压缩机工作性能，并计算分析了湿蒸汽进汽干度及水滴微粒直径对排汽温度和压缩功率的影响；沈九兵等[55]系统地引入喷水螺杆式水蒸气压缩机，利用喷水实现压缩机排气为饱和状态，满足工业应用高温升、高压比技术要求的同时，克服高排气温度会导致的机械及安全问题。湿压缩以及喷水降温技术的研发也为以后克服螺杆式水蒸气压缩机排气温度过高的问题提供了有效的解决方案。

因为螺杆式水蒸气压缩机属于容积旋转型压缩机，兼具活塞压缩机、透平压缩机的优势，性能稳定、可靠性高、压比大，且不存在离心式压缩机的振荡问题，对于水蒸气的压缩效果也很好，还适用于多相压缩，可以通过喷水减温以及湿压缩降低压缩终了排气温度，从而降低对压缩机设备的要求和成本，未来将会是水蒸气压缩机的重点研发方向。但是螺杆式水蒸气压缩机最大的问题就是容积流量小，在中小型压缩系统中使用合适，对于大流量系统局限较大。

2.3 罗茨式水蒸气压缩机

罗茨式压缩机，属于容积型压缩机，它通过一对回转叶轮将吸气端的低压气体赶入高压端的排气腔，实现压力的突升，具有动平衡特性好、振动小、对粉尘不敏感、结构简单的优点，对于中小冷量、大温升的水蒸气压缩制冷系统来说是一个比较理想的压缩机机型，尤其是在机械蒸汽再压缩系统中用罗茨式压缩机作为提升水蒸气压力的设备[56-57]。

表5为罗茨式水蒸气压缩机在具体系统中应用时的对比分析。

表5 罗茨式水蒸气压缩机对比分析

对表5分析可以发现，目前科研人员所研究的罗茨式水蒸气压缩机的进口体积流量范围较小，同时压缩机的压比也不是很大，对于小流量以及小功耗的系统较为适用。针对罗茨式水蒸气压缩机的特点，国外研究较多的是将其与MVR系统相结合应用在中小型海水淡化，蒸馏等方面[58, 60]，而且相比国内，国外对罗茨式水蒸气压缩机的研究较少。

罗茨式水蒸气压缩机在运行过程中也存在压缩终了时排气温度过高的问题，而压缩终了排气温度过高对罗茨式水蒸气缩机的安全运行构成了严重的威胁[61-62]。中间补气是通过抽取高压侧的一部分工质补入到压缩机腔内来改善压缩过程的一种成熟技术，已经广泛应用在普通压缩机的准二级压缩系统中[63-64]。俞丽华等[56]为改善压缩机的工作过程，降低压缩终了的排气温度，将补气技术应用在罗茨式水蒸气压缩机中，提出了带中间补气的罗茨式水蒸气压缩机制冷系统，得出在补气质量比为相应工况下最大值时，罗茨式水蒸气压缩机具有最高的容积效率，同时排气温度最低，轴功率也最小。张化福等[59]将罗茨式水蒸气压缩机应用在机械蒸汽再压缩热泵蒸发器系统中，并对系统的运行特性进行了研究，得出所使用的罗茨式水蒸气压缩机适合在蒸发量和沸点温升不大的高温工况下运行。

罗茨式水蒸气压缩机虽然具有稳定性好等优点，但是容积流量小，压比不高，单机效率低是其先天缺陷，同时存在噪声大(85dB以上)、密封要求高、调节比较困难和调节过程中系统不稳定等问题，而且罗茨压缩机的效率会随着压比的增大显著地降低，对于高压场所并不适用，所以对于罗茨式水蒸气压缩机的应用还需要大量的研究。

3 未来发展

根据以上总结可知不同形式的水蒸气压缩机，流量与压比各有不同，如表6所示。离心式水蒸气压缩机虽然容积流量大，但是单级压缩压比小，对液滴敏感，容易发生喘振，排气温升问题突出，同时叶片以及壳体材料要求高，经济成本高；螺杆式水蒸气压缩机具有稳定性好，可靠性高，压比大以及可以多相压缩的优点，但是它的容积流量有限，无法满足大容量系统的要求；罗茨式水蒸气压缩机则具有振动小，对粉尘不敏感，结构简单等优点，但是它也具有无法满足大压比的突出问题。由此可见不同型式的水蒸气压缩机都有适合自己特点的应用场所，在未来的研究中需要对它们的制约条件进行深一步的研究，不断地完善水蒸气压缩机的性能。

表6 不同型式的水蒸气压缩机的流量与压比

在分析中也发现，排气温度过高将会严重制约水蒸气压缩机的发展以及水制冷剂系统的推广，因此必须在水蒸气的压缩过程中，进行降温处理，在确保水蒸气压缩顺利进行的同时保证排气温度不会过高，设备安全运行。所以在水蒸气的压缩过程中降低压缩机的排气温度将会是未来水蒸气压缩机研发的一个重要课题。不同的压缩机具有不同的降温方式，对于离心式水蒸气压缩机虽然无法进行喷水减温，但是可以通过与冷凝波转子、两相喷射器结合使用，在降低排气温度的同时，增加一级额外压缩，提升压比；对于螺杆式水蒸气压缩机可以通过湿蒸汽两相压缩或者压缩过程中喷水减温来降低排气温度；而罗茨式水蒸气压缩机可以通过中间补气技术实现排气温度的降低。这些技术方法的提出都为以后水蒸气压缩机的推广提供了理论上的支持，促进了水蒸气压缩机的发展。

而在工业应用上，近些年来随着能源成本的上升和环保要求的提高，节能与环保一直是工业应用领域所秉承的一个重要理念。水蒸气压缩机因其具有的高效节能、环境友好的特点在工业上已经开始被广泛应用，而在应用的过程中多是和机械蒸汽再压缩系统结合使用。在欧美等国家水蒸气压缩机被广泛应用于蒸发领域[35, 65-67]。在国内水蒸气压缩机也已经被大量运用在制盐[68-70]、环保[29, 71-72]、蒸馏[73-75]、食品、制药[76]和干燥等行业之中，同时水蒸气压缩机在国内的需求量也是日益增长。随着沈鼓[36, 43]、陕鼓[37]、金通灵、章鼓、三一重工、江增等大型机加工、风机企业的介入，利用其原有的人才和技术以及加工上的优势，使得国产水蒸气压缩机在技术上得到进一步的提高，产品更加稳定可靠，得到了用户的信赖，在许多行业也取代了苏尔寿(Sulzer)、西门子(Siemens)、阿特拉斯(Atalas)、曼透(Man Turbo)、飞马(Fima)等国际知名的风机和压缩机制造企业的产品[77]，使得我国的水蒸气压缩机产业以及相关领域也得到了进一步的发展。水蒸气压缩机市场随着这些重量级企业的重视和参与，竞争程度将愈加激烈，但是激烈的竞争也将会进一步地推动水蒸气压缩机的发展，从而推进我国能源以及节能领域的进步。

4 结 论

水作为一种天然的制冷剂，因其所具有的绿色环保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、稳定性高以及汽化潜热大等优势，在节能减排方向上具有重要的研究价值，同时水制冷剂的大规模使用将可以有效解决一直以来人工合成制冷剂带来的各种环境问题，在经济和环保上取得双赢的效果。但是水制冷剂的推广使用离不开成本低、效率高、稳定性好的水蒸气压缩机，水蒸气压缩机的高要求直接限制了实际应用中系统的运行性能和成本，制约了水制冷剂的推广。在目前使用的各种类型的水蒸气压缩机中，离心式容积流量大，但单级压比小，对液滴敏感，易发生喘振，排气过热问题突出，经济成本高；螺杆式稳定性好，可靠性高，压比大，可以满足多相压缩要求，但容积流量有限；罗茨式振动小，对粉尘不敏感，结构简单，但流量小，压比不高。因此未来的研究中需要针对不同型式的水蒸气压缩机的各自的特点以及适用工况进行具体研究，改进不足，提升优点，在具体应用中不断地完善水蒸气压缩机的性能，降低设备的经济成本，进一步推进水制冷剂和水蒸气压缩机的发展。

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A review on development and prospect of water refrigerant and water vapor compressor

WU Di1, HU Bin1, WANG Ruzhu1, JIANG Nanshan2, LI Ziliang2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Shanghai Hanbell Precise Machinery Co., Ltd., Shanghai 201501, China)

As a representative of the fourth generation refrigerant, water has numerous advantages, such as non-pollution (ODP=0, GWP<1), accessible, low-cost, secure, stable and large latent heat of vaporization, which can completely satisfy the requirements of the environment as a refrigerant. However, low molecular weight, large specific volume and high adiabatic index of water vapor determine that the water vapor systems have the characteristics of small differential pressure, large compression ratio, small unit volume capacity, large volume flow and high discharge temperature. It also puts forward higher requirements for water vapor compressors, which seriously limit the use and promotion of water as a refrigerant. Currently, the water vapor compressors mainly are centrifugal, screw and roots compressor. Centrifugal water vapor compressor has the advantage of large volume flow rate, but it has small single stage compression ratio, high discharge temperature and droplet sensitivity. At the same time, the blade and shell material of the centrifugal water vapor compressor are severe and expensive. Therefore the centrifugal water vapor compressor is suitable for the largest volume flow rate and smallest compression ratio system. Screw water vapor compressor has the advantages of good stability, large compression ratio and wet compression; however the volume flow rate is smaller. It is more suitable for the refrigeration system with small volume flow rate and large compression ratio. Roots water vapor compressor has the advantages of less vibration components and simple structure, however it also has small compression ratio, so it is usually used in the medium heating capacity and large temperature rise systems. In order to promote water refrigerant to be wildly used in production and livelihood field, researching and developing practicable compressors for different usage occasions and steam requirements is an interesting and significant research project in future.

water refrigerant; compressor; compression ratio; discharge temperature

10.11949/j.issn.0438-1157.20170264

TH 45; TB 61

A

0438—1157（2017）08—2959—10

胡斌。第一作者：吴迪（1993—），男，博士研究生。

国家重点研发计划项目（2016YFB06012010）。

2017-03-19收到初稿，2017-04-28收到修改稿。

2017-03-19.

Dr. HU Bin, hb1223@sjtu.edu.cn

supported by the National Key R & D Program of China (2016YFB06012010).