水作為制冷劑的透平冷水機(jī)組研究現(xiàn)狀 (二)

周子成

3 第二部分水作為制冷劑的冷水機(jī)組

水作為制冷劑的有關(guān)研究和商業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史,但在機(jī)械壓縮式蒸汽制冷機(jī)中的應(yīng)用僅僅是最近十幾年的事。目前水作為制冷劑的冷水機(jī)組有以下幾種類型:(1)按照循環(huán)流程,有級(jí)間水冷卻和經(jīng)濟(jì)器冷卻兩種多級(jí)壓縮循環(huán);(2)按照壓縮機(jī)類型,有離心式和軸流式兩種壓縮機(jī);(3)按照換熱器型式,有直接換熱器、間接換熱器和冷凝波轉(zhuǎn)子三種換熱器。

圖9是一般的冷水機(jī)組熱力循環(huán)。1-2表示由蒸發(fā)器產(chǎn)生的飽和水蒸汽制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮,使壓力和溫度升高。2-4是在冷凝器中由過熱水蒸汽冷卻至飽和蒸汽 (2-3)并進(jìn)一步冷凝到液體水 (3-4),冷卻和冷凝過程中使用 30℃至40℃的冷卻水。4-5表示液化的制冷劑水在膨脹閥中膨脹,部分制冷劑液體水蒸發(fā)與剩余的制冷劑液體水一同進(jìn)入蒸發(fā)器。5-1表示在蒸發(fā)器中被10℃左右的載冷劑水加熱成飽和水蒸汽。由蒸發(fā)器出來的飽和水蒸汽進(jìn)入透平壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。冷水機(jī)組的制冷量是在下列工況下評(píng)價(jià):載冷劑水進(jìn)水溫度12℃和出水溫度7℃、冷凝器的冷卻水進(jìn)水溫度32℃和出水溫度37℃,并且制冷量的單位表示成kW(或冷噸RT)。1 RT相當(dāng)于約3.5kW。冷水機(jī)組的性能用性能系數(shù)COP評(píng)估,并表示為比值Q/W,其中Q是在蒸發(fā)器中從載冷劑水吸取的熱量和W是外部加入的功 (驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)需要的功)。

圖9 冷水機(jī)組熱力循環(huán)

圖10表示了采用經(jīng)濟(jì)器的兩級(jí)壓縮冷水機(jī)組制冷循環(huán)的原理圖。由兩級(jí)離心式壓縮機(jī)和第一級(jí)壓縮機(jī)下游的經(jīng)濟(jì)器 (中間冷卻器)及蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥組成。經(jīng)濟(jì)器中的壓力是保持在等于第一級(jí)壓縮機(jī)排出的壓力P1′,使部分從冷凝器出來的制冷劑液體水蒸發(fā),剩余的制冷劑液體水冷卻到對(duì)應(yīng)P1′的飽和溫度,以便提高制冷效果。

第二級(jí)壓縮機(jī)的吸入溫度T1是第一級(jí)壓縮機(jī)排出的溫度T1′的制冷劑水蒸汽和經(jīng)濟(jì)器內(nèi)蒸發(fā)的制冷劑水蒸汽相混合的結(jié)果。由于來自經(jīng)濟(jì)器的制冷劑水蒸汽具有比T1′更低的溫度,故第二級(jí)壓縮機(jī)吸入溫度 T1比T1′更低。吸入的汽體溫度越低,產(chǎn)生一定壓力的壓縮機(jī)需要的能量越少。由于其增大了制冷量和減少了壓縮功,R718兩級(jí)經(jīng)濟(jì)器循環(huán)可以獲得比R134a一級(jí)制冷循環(huán)更高的COP。

圖11和圖12是具有直接蒸發(fā)和冷凝的兩級(jí)離心冷水機(jī)組循環(huán)簡(jiǎn)圖和流程圖。圖中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)。由于水蒸汽比容大,將蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)安裝在一個(gè)容器內(nèi)可以節(jié)省管路和減少流動(dòng)損失。圖13是具有直接接觸蒸發(fā)和冷凝換熱的水蒸汽兩級(jí)離心冷水機(jī)組循流程圖,包括三個(gè)水回路:(1)載冷水回路;(2)制冷劑水回路;和 (3)冷卻水回路。

圖14表示了采用直接接觸式換熱器的水作為制冷劑的軸流式壓縮機(jī)冷水機(jī)組流程圖。

圖15表示了采用間接換熱器的水作為制冷劑的軸流式壓縮機(jī)冷水機(jī)組流程圖。

圖15 水制冷劑的軸流式壓縮機(jī)冷水機(jī)組(間接換熱器)

圖16表示了采用波轉(zhuǎn)子代替接觸式冷凝器的單級(jí)離心式冷水機(jī)組流程圖。波轉(zhuǎn)子是一種非穩(wěn)定流動(dòng)的裝置,它通過壓力波轉(zhuǎn)換能量。波轉(zhuǎn)子由一系列圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的面積固定的通道組成,像鼓筒一樣在兩側(cè)端板之間旋轉(zhuǎn)。端板上有孔口,以控制汽體進(jìn)、出通道。當(dāng)圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通道兩端間歇地暴露在不同壓力的孔口位置。冷凝波轉(zhuǎn)子在一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程中采用加壓的水對(duì)水蒸汽進(jìn)行壓縮、降低過熱度和冷凝。這種3孔口的冷凝波轉(zhuǎn)子在水作為制冷劑的冷水機(jī)組循環(huán)中是一個(gè)有發(fā)展前途的技術(shù),它可以提高R718機(jī)組的COP,同時(shí)降低它們的成本和尺寸。它在R718循環(huán)中的成功應(yīng)用,取代了中間冷卻器、一個(gè)壓縮機(jī)的級(jí)和冷凝器三個(gè)子系統(tǒng)。冷凝波轉(zhuǎn)子的三個(gè)孔口分別是:一個(gè)冷卻水(狀態(tài)6)進(jìn)入孔口;一個(gè)壓縮機(jī)的排汽 (狀態(tài)2)進(jìn)入孔口和一個(gè)冷凝后提高壓力的冷凝水 (狀態(tài)3)流出孔口。

3.1 透平壓縮機(jī)

由于水蒸汽的容積制冷量小,流經(jīng)壓縮機(jī)的容積流量很大,因而R718冷水機(jī)組宜采用透平壓縮機(jī)。根據(jù)汽體在壓縮機(jī)內(nèi)流動(dòng)方向的不同,有離心式和軸流式兩種。

圖16 兩級(jí)壓縮和直接接觸蒸發(fā)器及冷凝波轉(zhuǎn)子的單級(jí)離心式冷水機(jī)組流程圖

在離心式壓縮機(jī)中,從葉輪排出的汽體放射狀離開軸心呈徑向流出,與旋轉(zhuǎn)軸成直角,故也稱徑流式,如圖17所示。一般在冷水機(jī)組工作的壓力范圍內(nèi),壓縮水蒸汽的離心式壓縮機(jī)需要兩級(jí)壓縮。

在軸流式壓縮機(jī)中,水蒸汽從葉輪 (轉(zhuǎn)子)流出的方向是沿旋轉(zhuǎn)軸的方向,即呈軸向流出。

一般來說,在冷水機(jī)組工作的壓力范圍,軸流式壓縮機(jī)需要四級(jí)以上。圖18表示了一臺(tái)四級(jí)軸流式壓縮機(jī)的冷水機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

離心式壓縮機(jī)必須在有限制的流量范圍下運(yùn)轉(zhuǎn),即具有最大流量和最小流量的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。這個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)流量范圍被稱為運(yùn)轉(zhuǎn)范圍或穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。一臺(tái)壓縮機(jī)不能運(yùn)轉(zhuǎn)在流量超過葉輪的相對(duì)速度達(dá)到聲速時(shí)的流量,或者葉輪流道下游的流速 (絕對(duì)速度)達(dá)到聲速 (即所謂的阻塞)時(shí)的流量。這就是運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的最大限制流量。當(dāng)冷水機(jī)組的制冷量減小時(shí),流過壓縮機(jī)的蒸汽流速降低,在一定的小流量下,壓力和流量發(fā)生突然振動(dòng)并伴隨很大的噪聲,這就是所謂的喘振 (浪涌)。喘振主要是由于在低速時(shí)氣流的脫離所致。當(dāng)發(fā)生喘振時(shí),壓縮機(jī)的部件可能會(huì)被周期喘振激發(fā)產(chǎn)生的力量所損壞。在此之前的流量就是壓縮機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的最小流量。這就是運(yùn)轉(zhuǎn)范圍的最小限制流量。

圖19表示了離心式壓縮機(jī)的一種葉輪。一般來說,葉輪出口葉片角較大時(shí),流動(dòng)發(fā)生喘振的流速較低。

圖20表示了R718冷水機(jī)組的兩級(jí)離心壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)葉輪被安裝在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上。

傳統(tǒng)的兩級(jí)離心式壓縮機(jī)的葉輪入口面在相同的方向,如圖20(A)。而R718冷水機(jī)組的兩級(jí)離心壓縮機(jī)的兩個(gè)葉輪入口面是背靠背的方向,如圖20(B)所示。

圖21 在壓縮機(jī)軸向負(fù)荷的壓力作用力

圖21表示了離心壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉輪受到在輪殼側(cè)和輪背側(cè)作用的靜壓力分布。兩個(gè)軸向靜壓力分布的合力 (差值)成為一個(gè)作用在葉輪進(jìn)口端的軸向推力。這個(gè)軸向推力由推力軸承承受。當(dāng)葉輪安排成如圖18(B)的布置時(shí),作用于第一級(jí)葉輪和第二級(jí)葉輪的軸向推力相互抵消。這種優(yōu)點(diǎn)是使作用于推力軸承上的載荷減小,使軸承的耐久性提高和機(jī)械損失減少。

離心式壓縮機(jī)一個(gè)級(jí)的葉輪流出的動(dòng)能相當(dāng)于葉輪總輸入功的30%至40%。要設(shè)計(jì)出高效率的離心式壓縮機(jī),除了設(shè)計(jì)高效率的葉輪外,還必需設(shè)計(jì)高效率的擴(kuò)壓器,以便有效地將從葉輪流出的這部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成靜壓力能。

離心式壓縮機(jī)使用的擴(kuò)壓器有無葉擴(kuò)壓器和葉片擴(kuò)壓器兩種。無葉擴(kuò)壓器廣泛用于需要寬工作范圍的應(yīng)用中。葉片擴(kuò)壓器應(yīng)用于需要高壓比或高效率的應(yīng)用中。冷水機(jī)組壓縮機(jī)需要一個(gè)取決于制冷量的寬流量范圍,所以采取了工作范圍寬的無葉擴(kuò)壓器。

圖22表示了第一級(jí)壓縮機(jī)的CFD和測(cè)試結(jié)果之間的比較。改進(jìn)后的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。CFD(Computational fluid dynamics)稱為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),是一種使用數(shù)值方法計(jì)算流體流態(tài)的計(jì)算機(jī)軟件,用于分析計(jì)算流體的流動(dòng)。在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用。

圖22 第一級(jí)壓縮機(jī)性能(CFD與試驗(yàn)結(jié)果比較)

圖23表示了第一級(jí)和第二級(jí)壓縮機(jī)之間的連接。為了縮小R718離心壓縮機(jī)的外形尺寸,第一級(jí)流出至第二級(jí)流入之間的流道不采用常規(guī)壓縮機(jī)的回流器,而將第一級(jí)的出口 (渦殼)和第二級(jí)的進(jìn)口 (進(jìn)氣室)之間用管道連接 (級(jí)間管路)。從經(jīng)濟(jì)器來的補(bǔ)氣也連接到這一級(jí)間管路。進(jìn)入第二級(jí)進(jìn)口的流動(dòng)轉(zhuǎn)向軸向方向,與圓周速度分量由一個(gè)固定的進(jìn)口導(dǎo)葉轉(zhuǎn)移方向,然后進(jìn)入第二級(jí)葉輪。為了成功地開發(fā)一種高性能的兩級(jí)離心式壓縮機(jī),要選擇一個(gè)不會(huì)造成任何倒流并盡可能在級(jí)間管路中流動(dòng)和在入口處流動(dòng)損失小的形狀。對(duì)于每個(gè)元件使用與葉輪相同的CFD方法計(jì)算流動(dòng)。

圖23 第1級(jí)與第2級(jí)壓縮機(jī)的聯(lián)接管路

圖24表示了在第一級(jí)的渦殼和級(jí)間管路的計(jì)算結(jié)果。從渦殼進(jìn)入第一級(jí)壓縮機(jī)聯(lián)接管路的高溫制冷劑汽體和從經(jīng)濟(jì)器流出的低溫制冷劑汽體沒有顯著回流或局部損失。圖25表示第二級(jí)入口的計(jì)算結(jié)果。脫離發(fā)生在固定進(jìn)口導(dǎo)葉 (IGV)處。如圖26。當(dāng)發(fā)生脫離時(shí),可以改變導(dǎo)葉的設(shè)置角來防止脫離發(fā)生。

3.2 換熱器

水作為制冷劑的蒸發(fā)器、中間冷卻器和冷凝器能夠使用直接式換熱器。即在載冷劑、載熱劑和制冷劑之間沒有壁面阻隔。因此,沒有阻隔壁面所生成的額外傳熱熱阻。使傳熱量改善和產(chǎn)生載冷水的效率增加。直接式換熱器的系統(tǒng)如圖11、圖12、圖13、圖14所示,間接式換熱器的系統(tǒng)如圖15所示。

圖26 第二級(jí)進(jìn)口圍繞固定進(jìn)口導(dǎo)葉(IGV)的流線

3.2.1 蒸發(fā)器

對(duì)一個(gè)非常簡(jiǎn)單和高效的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。冷水通過管道分配器進(jìn)入到一個(gè)自由的空間,大約1%的水流量被蒸發(fā)掉。所需的潛熱從剩余的水流量中被帶走。蒸汽和水的分離主要是依靠重力分離和填充材料所形成的液滴分離。使蒸汽側(cè)壓力損失最小是進(jìn)一步開發(fā)的準(zhǔn)則,因?yàn)樗懈郊拥膲毫p失必須由透平壓縮機(jī)的耗功來補(bǔ)償。直接蒸發(fā)器的質(zhì)量可以由測(cè)量冷水出口溫度與飽和溫度之間的溫差得出。這種較小的溫差使蒸發(fā)器效率提高。目前所選擇的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)結(jié)果的溫差只有約1 K。

3.2.2 中間冷卻器

中間冷卻器降低了由第一級(jí)壓縮機(jī)排出蒸氣的過熱度。水均勻地分布在整個(gè)中間冷卻器填充材料的表面。蒸汽交叉流過填充材料,冷卻水通過它向下流動(dòng),幾乎被降低到飽和溫度。冷卻只能由流過中間冷卻器內(nèi)的水部分蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)。蒸發(fā)掉部分的冷卻水不斷地被冷凝器的循環(huán)水補(bǔ)充。

3.2.3 冷凝器

離開第二級(jí)壓縮機(jī)的蒸汽在冷凝器中降低過熱度和完全冷凝。冷卻水通過沖孔材料的篩板均勻分布在填充材料表面,橫向向下流過并與蒸汽直接接觸。冷凝器的質(zhì)量是由冷卻水出口溫度和飽和溫度之間的溫差確定,像蒸發(fā)器一樣。目前這個(gè)方案得到最低的溫差約0.5 K。這個(gè)值在很大程度上取決于不凝性性氣體的含量,因此取決于整個(gè)系統(tǒng)的密封性。所有進(jìn)入的不凝性氣體集積在冷凝器中,并且根據(jù)上述的溫差間斷地從濃度最高的地方抽出。圖27表示了溫差的測(cè)量值與冷凝器容量間的關(guān)系。

圖27 溫差作為冷凝器容量的函數(shù)

3.3 冷水機(jī)組整體結(jié)構(gòu)

圖28為德國(guó)德累斯頓技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系和德國(guó)德累斯頓GmbH空氣和制冷研究所 (ILK)開發(fā)的R718冷水機(jī)組第三代系列產(chǎn)品。

ILK從1991年開始研究和開發(fā)水作為制冷劑的壓縮制冷系統(tǒng),自2000年以后第一臺(tái)冷水機(jī)組已經(jīng)安裝在德國(guó)的戴姆勒 -克萊斯勒汽車制造廠和大眾汽車公司運(yùn)行,那時(shí)的機(jī)組稱為第一代產(chǎn)品。之后經(jīng)過改進(jìn)又有了第二代和至今最新的第三代系列產(chǎn)品。

圖28 (ILK)開發(fā)的R718冷水機(jī)組第三代系列產(chǎn)品

圖29為日本川崎重工(KHI)獨(dú)立開發(fā)和完全工業(yè)化的一臺(tái)以水為制冷劑的小型、高效離心冷水機(jī)組。機(jī)組的制冷量為352kW(100冷噸),機(jī)組達(dá)到COP為5.1,機(jī)組外型尺寸為高2.5m,寬2.0m,深2.2m。適用于小型建筑物的空調(diào)。目前正在進(jìn)行樣機(jī)的耐久性試驗(yàn),計(jì)劃于2012年4月推出商業(yè)化產(chǎn)品。

圖29 日本川崎重工 (KHI)的R718離心冷水機(jī)組

圖30為日本神戶制鋼、東京電力、中部電力,關(guān)西電力共同開發(fā),并受到丹麥能源機(jī)構(gòu)的支持,與電力工業(yè)中央研究所、丹麥技術(shù)研究所和江森自控丹麥的APS(一家丹麥冷水機(jī)組制造廠)技術(shù)合作的以水為制冷劑的軸流式冷水機(jī)組。具有直接接觸式換熱器的機(jī)組縮小了30%的安裝面積,具有間接接觸式換熱器的機(jī)組縮小了50%的安裝面積,直接接觸式換熱器的機(jī)組的制冷COP為5.4,間接接觸式換熱器的機(jī)組的制冷COP為4.8,并且是用水作為軸承的潤(rùn)滑劑。四家公司正在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)和改進(jìn)。

圖30 日本神戶制鋼等共同開發(fā)的R718軸流冷水機(jī)組

3.4 本部分小結(jié)

一些研究機(jī)構(gòu)和制造公司已經(jīng)在開發(fā)R718冷水機(jī)組方面取得了卓越的成果。德國(guó)德累斯頓技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系和德國(guó)德累斯頓GmbH空氣和制冷研究所 (ILK)已經(jīng)開發(fā)出第三代R718冷水機(jī)組系列產(chǎn)品,制冷量達(dá)700 USRT,COP達(dá)到6.3。日本川崎重工已經(jīng)開發(fā)出小型、高效R718離心冷水機(jī)組,制冷量為352kW,機(jī)組COP達(dá)到5.1。日本神戶制鋼、東京電力、中部電力、關(guān)西電力共同開發(fā)出R718軸流式冷水機(jī)組,直接接觸式換熱器的機(jī)組制冷COP為5.4,間接接觸式換熱器的機(jī)組制冷COP為4.8。這些開發(fā)工作都為環(huán)境保護(hù)作出了有益的貢獻(xiàn)。相信將會(huì)有更多的大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和工廠企業(yè)繼續(xù)開發(fā)出更高性能的R718透平冷水機(jī)組。

[1]TAMAKI Hideaki et al.,Development of High-Efficiency Centrifugal Compressor for Turbo Chiller,IHI Engineering Review,Vol.42 No.2,2009

[2]Amir A.Kharazi,PezhmanAkbari andNorbertMüller,AnApplication of Wave Rotor Technology for Performance Enhancement of R718 Refrigeration Cycles,2nd International Energy Conversion Engineering Conference,2004

[3]Eberhard WOBST,Nikolai KALITZIN,Rainer APLEY,TURBO WATER CHILLER WITH WATER AS REFRIGERANT,International Compressor Engineering Conference at Purdue,2004