湿蒸汽两相压缩过程工作特性理论研究

    1 引言

    作为一种先进蓄能调荷技术)变质量能量转换及储存技术,因其能量转换及储存的方式完全不同于常规蓄能技术,而使其应用范围得到极大的拓展〔1〕。它不仅可以在蓄能空调领域得到广泛的应用,而且在蓄能供热、蓄能制冷、蓄能除湿通风等领域也能得到广泛的应用。在蓄能空调和蓄能除湿领域,适合于先进蓄能系统的工作溶液是溴化锂或氯化锂水溶液,其制冷剂或除去的对象是水,需采用水蒸气压缩机。水作为制冷剂直接用于压缩式制冷系统还有很大的困难。在先进蓄能技术中,压缩机吸入压力仅与发生压力有关。可以通过提高发生压力来提高水蒸气压缩机的吸入压力。但压力提高后水蒸气温度也随之提高。如果直接采用/干压缩0方式,压缩终了的温度将超过350℃。

    为了充分利用压缩后水蒸气的能量,先进蓄能系统压缩过程为绝热过程。为了抑制绝热压缩后过高的水蒸气温度,需要采用湿压缩方式,使排汽接近饱和干蒸汽状态。这对无油润滑的水蒸气压缩机结构设计、材料选用、运行寿命等参数均有利。湿蒸汽压缩机的研究与开发是先进蓄能技术能否得到实际应用的关键。

    目前,湿压缩理论和实验研究主要针对离心或轴流压缩机〔2,3〕。对于容积式压缩机,普遍采用的方式是向压缩腔内喷油来改善压缩机工作特性。文献〔4〕对喷油双螺杆压缩机两相压缩过程进行了模拟计算,文献〔5〕对无油螺杆喷水冷却空气压缩机两相压缩过程进行建模计算。这种不同工质之间的两Hoghyun等〔6〕对喷液的多种影响因素进行了实验和理论研究。Sharon E.Wrgth等人〔7〕对水作为制冷剂和水蒸气压缩机技术做了较为详细的综述,针对各种型式的水蒸气压缩机进行了分析比较,但未涉及到水蒸气湿压缩的情况。本文尝试对水蒸气湿压缩过程进行模拟计算和分析,为进一步研究开发高温水蒸气压缩机提供理论指导。

    2 两相压缩热力学模型

    两相压缩过程中,湿蒸汽中水滴微粒在压缩腔内不断汽化,从而抑制压缩过程温度迅速升高。两相压缩过程中压缩基元容积内的水蒸气干度是在不断变化的,其压缩过程热力学分析比较困难。

    为了能够比较清楚地阐明两相压缩过程的特性,仅对压缩机一个基元容积内的两相压缩过程进行研究(如图1所示)。压缩过程存在着水蒸气压缩、泄漏、水汽热量交换、水滴汽化等因素,基元容积内干蒸汽质量不断发生变化。用变质量体系热力学进行对压缩基元容积工作过程进行研究。为了简化分析模型,对所研究的基元容积控制体内湿蒸汽状态和压缩过程作如下假设:

    (1)任一瞬时湿蒸汽中水滴微粒均匀分布在气相中,微粒直径相同,且忽略液滴所占体积;