【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種全新的氣體壓縮機(jī)工作方法原理，可實(shí)現(xiàn)最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發(fā)明專利（授權(quán)公告號(hào)：CN  110848151 B）。通過其基本的工作原理、理論模型、數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)計(jì)算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現(xiàn)對(duì)于熱力循環(huán)帶來的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對(duì)熱機(jī)熱泵和能源環(huán)境變革性的影響。

　　文/張桂偉

　　0 引言

　　壓縮機(jī)是把原動(dòng)機(jī)的功轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的機(jī)械設(shè)備，是一種廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、交通、食品、國防等領(lǐng)域的通用機(jī)械設(shè)備。工程熱力學(xué)中的很多熱力循環(huán)也包括氣態(tài)工質(zhì)的壓縮與膨脹過程，是把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的最廣泛途徑，因此壓縮機(jī)同樣屬于熱力學(xué)設(shè)備。其不但要遵循最基本的熱力學(xué)定律，也要受到現(xiàn)實(shí)中材料的物化性能、加工技術(shù)與工藝、指導(dǎo)理論的制約。如果新材料、新加工工藝或者新的設(shè)計(jì)理論有所進(jìn)步，那么工程熱力學(xué)理論也可能會(huì)有進(jìn)步，設(shè)計(jì)出新型動(dòng)力裝置或者能源系統(tǒng)，或者提高現(xiàn)有熱機(jī)熱泵的效率。

　　今天筆者就為大家介紹一種新的氣體近等溫壓縮方法的工作原理，以及由此帶來的熱力循環(huán)理論的改進(jìn)和優(yōu)化，歡迎大家交流討論，多提寶貴意見。

　　熱力學(xué)研究分析表明，氣體的等溫壓縮具有最低的理論功耗，卡諾循環(huán)中就有兩個(gè)等溫吸放熱過程，對(duì)提高熱力循環(huán)效率有重要作用。但實(shí)用化的氣體等溫壓縮技術(shù)被認(rèn)為很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闅怏w的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)太低，只有11W/·K～58W/·K，在現(xiàn)實(shí)中工況確定的前提下，壓縮產(chǎn)生的熱很難及時(shí)通過壓縮腔殼體耗散到外界大氣環(huán)境這個(gè)最終的熱阱中。熱量積聚在工質(zhì)中，使工質(zhì)溫度升高，增加了壓縮功耗。

　　目前，針對(duì)氣體的等溫壓縮采取的措施有，通過肋化壓縮腔外表面強(qiáng)化散熱、多級(jí)壓縮中間冷卻、向壓縮腔內(nèi)噴油噴水，一些熱機(jī)和逆熱機(jī)循環(huán)中，則以工質(zhì)相變時(shí)等溫吸放熱替代了氣態(tài)工質(zhì)的等溫壓縮。這些措施均不理想，或者增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，或者等溫效率不高，又或者兩者皆有。例如多級(jí)壓縮中間冷卻，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，以及流動(dòng)損失。向壓縮腔內(nèi)噴油噴水，影響壓縮過程，增加了散熱介質(zhì)，可能造成液擊，并有額外耗功。熱力循環(huán)中的工質(zhì)相變等溫吸放熱過程比較理想，但是受到工質(zhì)臨界溫度與熱源溫度之間的溫差影響，在濕蒸汽范圍內(nèi)，效率并不高。因此尋找一種高效的氣態(tài)工質(zhì)近等溫壓縮/膨脹的技術(shù)方法，就成了當(dāng)務(wù)之急。本發(fā)明較好的解決了以上矛盾，使得氣體的壓縮過程，可以無限接近理論等溫壓縮，同時(shí)并沒有造成過大的負(fù)面影響。

　　1、氣體近等溫壓縮基本原理

　　影響氣體壓縮過程熱耗散功率有三個(gè)要素：溫差、時(shí)間、散熱面積。溫差是我們要盡力降低的，時(shí)間受工況需求，功率不能太低，影響設(shè)備的性價(jià)比。因此，唯一可能實(shí)現(xiàn)近似等溫壓縮的方式就是增加散熱可用的面積。增加散熱面積還要考慮氣體的流動(dòng)阻力以及密封線的長度。綜合考慮以上各種矛盾的因素，形成了本技術(shù)方案。

　　本技術(shù)方案亦是通過增加壓縮腔內(nèi)外表面積，以增強(qiáng)散熱功率，同時(shí)用液體替代活塞傳遞壓縮力矩，減少密封和摩擦損失。其基本原理如下：

　　在并行多通道換熱（例如板式換熱器或者多管組散熱器）增設(shè)一套液體循環(huán)系統(tǒng)，液體和氣體交替進(jìn)入熱交換器，液體把氣體隔斷開，形成若干壓縮腔，液體和氣體同步流向出口。液體的主要作用是傳遞壓縮力矩，逐步壓縮氣體體積，壓縮產(chǎn)生的熱可以通過散熱器較大的內(nèi)表面積，及時(shí)散失到外界，避免熱量積累，使氣體溫度升高。壓縮通道內(nèi)設(shè)有擾流和輔助吸熱的金屬絲，可以把氣體層流變?yōu)槲闪鳎栽黾由嵝省嚎s末端，氣體壓縮熱產(chǎn)生的速率增加，而散熱器對(duì)應(yīng)的面積卻在減少，此時(shí)應(yīng)加大金屬絲的布置密度，產(chǎn)生類似回?zé)崞鞯男Ч嚎s產(chǎn)生的熱將會(huì)傳遞給金屬絲，并儲(chǔ)存在金屬絲本身的比熱容中，壓縮液流經(jīng)金屬絲時(shí)，熱量再傳遞給壓縮液，由壓縮液帶出壓縮腔。

　　本發(fā)明不屬于常見壓縮機(jī)原理中的任何一類，不屬于容積式與速度式，而是某幾種結(jié)合，應(yīng)確立為新結(jié)構(gòu)原理。根據(jù)特點(diǎn)，可命名為離心變?nèi)菔交蛘唠x心液壓變?nèi)菔健Ｏ旅嬉砸粋€(gè)典型的實(shí)施例做進(jìn)一步說明。典型的實(shí)施例，是指具有本發(fā)明特性的，體現(xiàn)其專利權(quán)保護(hù)項(xiàng)內(nèi)容的各權(quán)利項(xiàng)中，最具顯著特征，包括但不僅限于典型實(shí)施例。同一原理的壓縮機(jī)在專利保護(hù)范圍內(nèi)，基本單元為一個(gè)螺旋板散熱器。螺旋板散熱器區(qū)有壓縮通道和散熱通道，壓縮通道側(cè)面封閉，入口設(shè)在外側(cè)，出口設(shè)在中心，并流向中心軸向；散熱通道側(cè)面開放，冷卻風(fēng)從一側(cè)進(jìn)入從另一側(cè)流出。

　　

       圖4與圖5比例不一致，是因?yàn)橐憩F(xiàn)原理的細(xì)節(jié)，按照實(shí)際比例可能表現(xiàn)不出細(xì)節(jié)。

　　壓縮液積聚在螺旋板散熱器的底部（圖6），隔開氣體形成壓縮腔，以三個(gè)環(huán)設(shè)的螺旋板散熱器圍繞中心做公轉(zhuǎn)，賦予壓縮液離心力。每三個(gè)單元組成一組呈工作狀態(tài)的等溫壓縮機(jī)，每個(gè)單元都可以完全獨(dú)立工作，三個(gè)一組是為了配重和節(jié)約空間。工作時(shí)環(huán)設(shè)的三個(gè)螺旋板散熱器圍繞公轉(zhuǎn)中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)，同時(shí)螺旋板散熱器圍繞自身中心進(jìn)行自轉(zhuǎn)（圖7），且公轉(zhuǎn)方向與自轉(zhuǎn)方向相反。

　　螺旋板散熱器自轉(zhuǎn)時(shí)，積聚在遠(yuǎn)離公轉(zhuǎn)中心的壓縮液，受力向自轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，被壓縮液隔開的氣體，同時(shí)向自轉(zhuǎn)中心匯集，體積受結(jié)構(gòu)限制，逐漸減小，壓力升高。壓縮產(chǎn)生的熱可以通過螺旋板散熱器及時(shí)散失，同時(shí)升高的壓力推動(dòng)壓縮液，形成以公轉(zhuǎn)中心為中心的液位差（圖6），液位差在公轉(zhuǎn)離心力的作用下，和氣壓差形成動(dòng)態(tài)平衡。螺旋板散熱器外徑與內(nèi)徑之比，即為壓縮機(jī)的基礎(chǔ)壓比。

　　該原理的壓縮機(jī)與其他壓縮機(jī)原理最大區(qū)別是，壓縮過程在螺旋板散熱器內(nèi)完成，具有最大的散熱面積，可以及時(shí)冷卻壓縮產(chǎn)生的熱，其冷卻風(fēng)從側(cè)面進(jìn)入，在冷卻完成后，利用公轉(zhuǎn)離心力從垂直旋轉(zhuǎn)軸方向排出（圖10）。

　　外側(cè)嵌套一個(gè)渦輪扇葉（如上圖，作圖能力有限，從網(wǎng)上下載的實(shí)物圖片），與公轉(zhuǎn)同步，產(chǎn)生離心力驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)流動(dòng)。

　　圖11為液體循環(huán)的示意圖，液體在螺旋板散熱器自轉(zhuǎn)時(shí)，向自轉(zhuǎn)中心匯集，從側(cè)面排出后，通過一個(gè)泵重新在進(jìn)氣口與待壓縮氣體匯合，重新開始循環(huán)。泵為受力運(yùn)動(dòng)泵，為平衡液體從氣液混合狀態(tài)排出時(shí)，受到的氣體壓力，該泵需要與螺旋板散熱器的自轉(zhuǎn)通過齒輪和鏈條硬連接，形成聯(lián)動(dòng)。泵的形式應(yīng)為容積泵，裝配位置不限，但盡量安裝于遠(yuǎn)公轉(zhuǎn)中心側(cè)，與螺旋板散熱器自轉(zhuǎn)形成聯(lián)動(dòng)即可。

　　圖12與圖13為等溫壓縮機(jī)兩側(cè)的立體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。壓縮完成的氣體因?yàn)楣D(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，需要經(jīng)過兩次滑動(dòng)密封才能從壓縮機(jī)正常導(dǎo)出，導(dǎo)出管道和壓縮液循環(huán)管道以及齒輪泵，均只有公轉(zhuǎn)，無自轉(zhuǎn)。

　　壓縮機(jī)的流量由螺旋板散熱器自轉(zhuǎn)決定，每分鐘的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速乘以，位于外徑的進(jìn)氣口的截面積自轉(zhuǎn)一周掃略的體積，即為壓縮機(jī)的體積總流量（包含氣體與液體）。圖14中通道寬度×螺旋板散熱器寬度，即為進(jìn)氣口截面積。

　　壓縮機(jī)的壓比由螺旋板散熱器的外徑乘通道寬度減去壓縮液體積，比上螺旋板散熱器的內(nèi)徑乘通道寬度減去壓縮液體積，即為壓縮機(jī)的實(shí)際壓比（氣體）。

　　壓縮機(jī)的壓力由每層有效壓力（有效壓力為每層高壓側(cè)與低壓側(cè)液體差）的液位差乘以壓縮液密度，結(jié)果帶入離心力計(jì)算公式，作為公式中質(zhì)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果為每一層液體提供的壓力。壓縮機(jī)的總壓力，由每一層的壓力相加，并加上液體向公轉(zhuǎn)中心流動(dòng)，線速度減速造成的科里奧利力（這也是為什么自轉(zhuǎn)方向要與公轉(zhuǎn)方向相反，如果旋轉(zhuǎn)方向相同，則要從壓力總和中減去科里奧利力），即為壓縮機(jī)可提供的總壓力。以上為等距螺旋板計(jì)算方法，非等距螺旋板的計(jì)算方法，限于篇幅就不一一列舉了。

　　絕對(duì)的理想等溫壓縮從實(shí)際應(yīng)用來說，是不可能實(shí)現(xiàn)的，那需要無限大的散熱面積和無限長的等待時(shí)間。因此等溫壓縮都是指的近似等溫過程，等溫壓縮機(jī)的理論功耗與兩個(gè)數(shù)據(jù)密切相關(guān)，一個(gè)是冷卻介質(zhì)的熱容量，一個(gè)是熱交換面積。

　　冷卻介質(zhì)熱容量是指單位時(shí)間內(nèi)，冷卻介質(zhì)與壓縮氣體產(chǎn)生的熱容量之比，其比例的反比既是等溫壓縮機(jī)實(shí)際升高的溫度。例如壓縮一升空氣到某個(gè)壓力，絕熱條件下，空氣溫度要升高100度，如果冷卻風(fēng)的流量達(dá)到10升，那么通過本等溫壓縮機(jī)，同樣壓縮一升空氣到相同壓力，其溫度只升高10度。其他條件不變，冷卻風(fēng)流量達(dá)到100升，壓縮空氣的溫度只升高1度（約值）。冷卻介質(zhì)理論上即可用氣冷也可用液冷，考慮到較高的公轉(zhuǎn)速度造成的離心力，一般氣冷對(duì)材料要求低。

　　熱交換面積即使再大，熱交換溫差也不可避免，以單位時(shí)間內(nèi)壓縮產(chǎn)生的總熱量，除以導(dǎo)熱系數(shù)和面積的乘積，即等于熱交換溫差。導(dǎo)熱系數(shù)是壓縮氣體對(duì)散熱器材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，加上散熱器材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)，加上散熱器對(duì)冷卻風(fēng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的和。

　　圖16為壓縮過程的TS圖，圖17為壓縮過程的PV圖，其中1-2過程為理論等溫壓縮過程，1-3為理論絕熱壓縮過程，t1為壓縮初始溫度，t2為絕熱壓縮完成溫度。目前壓縮機(jī)實(shí)際過程一般為1-4多變過程，壓縮溫度更接近絕熱壓縮，

　　本壓縮方法，1-3"氣體溫度上升到3"后，大面積的散熱器已經(jīng)可以通過散熱，使得溫度不再上升，1-3"和1-3之比與壓縮介質(zhì)與壓縮氣體之間的熱容量之比呈反比，2-3'與3"-2'過程之間的差與散熱面積呈反比。壓縮完成最終溫度為2'，但是壓縮功為1-3"-2'。壓縮功在PV圖中更為直觀，1-2-5面積為理論等溫壓縮功，1-3-2-5為理論絕熱壓縮功，1-4-2-5為目前壓縮機(jī)實(shí)際壓縮功，1-3"-2'-2-5為本壓縮功耗（未計(jì)排氣功耗）。對(duì)于空氣，理論等溫壓縮功比絕熱理論絕熱壓縮功節(jié)能約40%，預(yù)計(jì)本方法實(shí)際壓縮功比目前現(xiàn)實(shí)壓縮功節(jié)能20%左右（視壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓比，散熱面積及冷卻風(fēng)量而定），即便對(duì)比目前壓縮機(jī)采用多級(jí)壓縮中間冷卻的方案，只計(jì)算理論功耗，也可節(jié)能10%左右。

　　以上為等溫壓縮機(jī)基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理，以處于離心狀態(tài)下的，液體的密度與氣體的密度差，來替代活塞，并在自轉(zhuǎn)中完成壓縮過程。優(yōu)點(diǎn)是液體和氣體同是流體，可以共同通過散熱器，且無機(jī)械摩擦，具有壓縮機(jī)類別中最大的散熱面積，可使得壓縮產(chǎn)生的熱可以及時(shí)排出，節(jié)約壓縮功；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工要求低，不需要高精度的加工工藝，成本低；沒有造成其他不可克服的技術(shù)困難，無汽缸活塞摩擦損失；也沒有氣門閥門等運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高；液體和氣體處于連續(xù)直線流動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)損失小；沒有排氣余隙，沒有間隙泄露，無需潤滑油，散熱器表面積利用率高，加上壓縮液和回?zé)峤饘俳z的輔助，完全確信氣體可以處于理論允許的最低溫度，壓縮曲線無限接近理論等溫壓縮曲線。理論上可提供的壓力，只受材料強(qiáng)度限制，大約可提供單級(jí)活塞式壓縮機(jī)級(jí)別的流量和適用壓力范圍。

　　缺點(diǎn)有：需要增加克服壓縮液流動(dòng)粘滯力的損失；壓縮完成的氣體導(dǎo)出必須要經(jīng)過兩次滑動(dòng)密封環(huán)，壓縮液提供的壓力有一定波動(dòng)；其他輔助裝置布置的空間較小，影響冷卻風(fēng)流動(dòng)。

　　壓縮液應(yīng)選擇揮發(fā)率低，流動(dòng)粘度低，流動(dòng)性好，化學(xué)性能穩(wěn)定，無毒，表明張力小，不與壓縮氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與溶解的液體，如有微量揮發(fā)，則應(yīng)當(dāng)不易在高溫下與工質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。壓縮液工作溫度不高，抗高溫要求不高。壓縮液原則上并不需要參與散熱，只提供密封和傳遞壓縮力矩，只有當(dāng)壓比較高，壓縮末端因?yàn)轶w積變化和增厚散熱器器壁時(shí)，才提供輔助散熱，一般可采用純凈水或者某些類型的油類。

　　當(dāng)壓縮的自轉(zhuǎn)方向與螺旋方向相反，且壓縮液循環(huán)方向也反向運(yùn)作時(shí)，等溫壓縮機(jī)可作為等溫膨脹機(jī)。此時(shí)冷卻風(fēng)與待膨脹氣體溫度近似，氣體膨脹導(dǎo)致氣體溫度降低，熱量將從冷卻風(fēng)流入膨脹氣體，和等溫壓縮原理相同，因?yàn)檩^大的換熱面積和大流量的冷卻風(fēng)，氣體膨脹完成后其溫度略低于膨脹前，膨脹功高于絕熱膨脹。

　　壓縮機(jī)需要適應(yīng)不同的工作要求，最主要的是壓力的變化，提高壓力的方法有減少螺旋板組數(shù)、提高層數(shù)、增加直徑、提高公轉(zhuǎn)速度、提高壓縮液流量等，具體方法要經(jīng)過多次試驗(yàn)對(duì)比，才能有合理的結(jié)論。

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