活塞式压缩机内冷却的热力学分析与应用

安俊霖 王晓龙 从雨飞 路伟

摘  要：本文对活塞式压缩机内冷却进行了热力学和传热学的理论分析，讨论了冷却工质的种类、工质液滴直径、压缩机参数和冷却效果之间的相应关系，分享了部分计算实验数据并对内冷却的设备进行了讨论

关键词：活塞式压缩机;热力学;内冷却;挥发量;喷雾器

中图分类号：TH45   文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

活塞式压缩机是一种依靠活塞往复运动使气体增压和输送气体的压缩机。通过活塞和曲轴的往复运动，改变工作腔的体积。如图1所示，在工作腔体积增大的过程中吸入气体，在工作腔体积减小的过程中压缩并排出气体，实现气体的增压和运输，容积式压缩机广泛应用于石油化工、制冷、军事、医疗等行业，应用规模极大，仅中石化一家，其活塞式压缩机的耗电量超过2000万千瓦·时。所以，提高活塞式压缩机效率，具有深远意义。

在压缩机运行过程中进行冷却是活塞式压缩机减少能量消耗的重要途径之一，在对气体压缩过程中，气体将产生温度增加，根据热力学第一定律：

，U为气体内能增加量，理想气体情况下只与温度有关，Q为吸热量，W为气体所作的功，由于压缩过程极短，气体吸热量很小，可推断出压缩机对气体所做的功都转化为气体内能的增加，动力能转化为热能，气体温度上升，如果能将压缩后得气体降温，将减小该气体得比体积，从而减小相同质量气体得压缩功耗。目前活塞压缩机普遍采用气缸外冷却，使用气缸套外的空气或者水进行散热，由于压缩机的结构及参数限制，外冷却得冷热流体间的传热面积极小，传热时间很短，冷却流体的流量有限，根据传热学傅立叶定律，传热效果有限，甚至传热过程中还带有冷却流体的温升，更加阻碍传热效果，故冷却效果差，使得大多数压缩机压缩过程接近绝热压缩（即压缩过程不对外传热），这就使得压缩过程的排气温度和耗能极高，且遇到需要限制排气温度的场合，必须将气体分成两阶段压缩，严重影响压缩机的经济性可靠性。而内冷却与外冷却不同，其使用水雾或油雾等可挥发性雾状液滴喷入待压缩的气体中，利用液滴的汽化潜热带走被压缩气体的热量，由于其传热过程传热接触面积大，且传热温差变化较小，液滴汽化潜热带走的热量大，使得传热效率大大提高。

活塞式压缩机的内冷却的工业化应用也存在一定问题，比如液滴气化不充分将导致气缸内产生积水，对气阀和气缸寿命的降低，因此，用热力学传热学的分析手段对内冷却进行理论分析，找出影响挥发的各个条件尤为重要，本文以水作为挥发介质进行分析。

1 最大挥发量对冷却的影响

含水雾介质在压缩工程中，每千克介质能够挥发的最大水量称为压缩最大挥发量，用dumax表示，它取决于压缩后的介质最大含湿量ds和压缩前的介质的最大含湿量d：

dumax= ds - d

用gp表示挥发介质喷入量，当gp等于dpmax时，gpmax为理论最大喷水量。假设按理论最大喷水量对介质进行喷雾，且水滴在压缩过程中全部挥发，相应的压缩指数称挥发极限过程指数nmin。

介质为压力较低的空气时，介质中水蒸气分压与有介质含湿量d的计算公式为：

Pe =P/（1+0.622/d）                   （1）

水蒸气的饱和压力Ps与介质所处温度TS之间的关系为：

Ps=10A-B/Ts（A、B为常熟，与介质物性有关）  （2）

压缩后温度T2由热力学公式确定：

T2=T1（P2/P1）（n-1）/n                   （3）

介質的放热被水蒸气的挥发的吸热所吸收，我们可以建立热平衡关系：

（4）

由上式（1）、（2）、（3）、（4）可球接触dumax、nmin、和排气温度T2之间的关系，如表1为以空气作为介质，截止时水作为挥发工质时的部分计算结果。

2雾化直径对最大蒸发量的影响

用喷水系数a反映喷水量与理论最大喷水量之比：

a=g/dumax

用蒸发完善度y表示喷入气缸的水挥发的百分比：

Y=du/g

通常喷水压缩过程指数n与蒸发完善度Y与介质雾滴大小D和压缩机进排气压比、转速、行程、喷洒扩散程度都有关，可由以下公式表述：

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

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

经过试验，得出数据如表2所示。

D（μm）

5

10

20

30

50

3 喷液雾化器

上述理论分析和实验结果对雾化品质的指标要求，是我们选择和设计喷雾装置的出发点，我们推荐离心式喷雾器。当工作压力p=2-8bar时，喷头直径d=0.5mm时，它的喷雾液滴的平均直接Dm=150-280μm，最大液滴直接D=350-520μm。从喷雾液滴充分挥发的要求来看，这远不能满足我们所希望的细致程度，我们企图使喷雾更细。改进后，雾滴尺寸虽有下降，却下降的不多，平均液滴直径仍在100μm以上，于是，我们又设计了两种气动雾化分述如下：

（1）内混式喷雾器

如图2，空气与水在压力作用下分别从进气接头5和进水接头14经进气口dg和进水孔口dw到喷头体7和喷头芯4所形成的环形混合腔中，在混合腔内，水受到气流的剧烈撞击和扰动，由孔板1上的喷孔dc喷出，喷碎成雾状。顶丝11和弹簧8控制喷头芯沿轴向前后移动，改变空口开度，以调节水量大小，水量可以从0到最大水量Gw之间无级调节。Gw与加在雾化器上的压头P，进入与进气口截面积比k及喷孔直接dc有关：

Gw=3.14/4*dc2*μwk

实验得出该雾化器的流量系数μ=0.74流量特性曲线见图3，主要结构尺寸：dw=0.5mm，dg=1mm，dc=1.1mm

1. 孔板  2.前压盖  3.6.9.15密封垫圈  4.芯体  5进气接头  7 喷头体  8 弹簧体 10挡圈 12 后压盖 13 顶丝

（2）超声雾化器

结构如图3，它是一个缩放喷嘴，气体在压力Pg下从左边进入，出口背压P0，当压比P0/Pg小于空气临界压比0.528时，喷嘴喉部气体达到临界状态，而在随后的扩放部分成为超声速气流。从压缩机的排气分出一小股作为喷嘴供气，Pg=P2;出口通吸气管道，P0=P1。所以在压缩机级的压力比范围内总是满足P0/Pg<0.528的，故出口气流必将到达超声速，水孔开在喷嘴的喉部，进气压力为Pw，水在压力差（Pw-Pk）下进入喷嘴，被超声速碎裂成雾。

耗气量：

Gg=3.14/4dg2μg

取空气的K=1.4，所以

Gg=0.5378dg2μg

因為 Pk=0.528Pg

记    Pw/Pg=φ：令φ-0.528=m

则可得出：

Gw=3.14/4dw2μw

流量系数μw与φ和m有关，经实验，给出拟合曲线为：

Μw=0.8108（m-0.1）

、

4结语

（1）压缩机的喷水挥发冷却式提高压缩机经济性和可靠性的有效措施。喷雾尽可能地细小。

（2）离心式喷雾器的喷雾颗粒较大，不能保证在压缩过程中挥发完全，仅能靠液体先热冷却压缩气体，难以取得较好的冷却效果。

（3）内混式喷雾器和超声喷雾器均可在较低的压力下获得液滴直径小于30μm左右的雾化水滴，且结构简单轻便，可作为压缩机喷水挥发冷却器。

收稿日期：2019-07-15

作者简介：安俊霖（1990—），男，辽宁沈阳人，本科，工程师，从事隔膜压缩机等特种压缩机的研发工作。