水作為制冷劑的透平冷水機組研究現狀 (四)

周子成

5 第四部分

三孔口冷凝波轉子系統

5.1 波轉子工作原理

波轉子的基本特點是圍繞圓柱形轉子軸向布置的幾個流道,裝配在兩個靜止端板之間作旋轉運動,每一靜止端板有幾個控制流體通過流道流動的孔口或閥件。依靠圓柱形轉子的旋轉,流道兩端定期接觸位于端板上的固定孔口,造成流道內的初始壓縮和膨脹波。因此,與一個穩定流動的氣體壓縮或膨脹的渦輪機組不同,波轉子是在單一的組件內完成一個壓縮和膨脹。

圖4.1表示了旋轉的波轉子設備。在每個靜止端板上有幾個孔口,圖中的每一端板上有兩個孔口。對于不同的應用場合,孔口數及其位置不同。在實用上,為了盡量減少泄漏,端板和轉子之間保持有一個非常小的間隙,或者端板用密封材料與轉子接觸。轉子可以通過齒輪或皮帶驅動,或最好是由電動機直接驅動 (在圖上未表示)。為了使轉子保持在一個正確的設計速度,所需的功率是非常小的。它只需克服轉子風阻消耗的功、軸承摩擦消耗的功和接觸密封的摩擦消耗的功。這些功與壓縮機消耗的功相比是非常小的,它幾乎可以忽略不計。另外,轉子可以自驅動。這種配置稱為 “自由運動轉子 “,依靠與旋轉方向傾斜的葉片自身驅動。在這種情況下,流入和流出流體的動量變化使轉子產生旋轉。

圖4.1 一個典型的波轉子機原理的配置

5.2 帶有一個3孔口的冷凝波轉子強化的R718制冷循環

在利用波機構的熱力循環的潛力是在發電、動力中,自二十世紀早期推廣到制冷設備以來,已經吸引了許多研究者的關注。激波管、激波通道、壓力交換器、脈沖燃燒器、脈沖爆震發動機和波轉子是至今發展最著名的波設備。這些設備代表了經典的不穩定、一維、可壓縮流動理論的應用,但目前尚未被廣泛采用。這種隨時間變化的流動裝置,可以產生比在穩態流裝置中獲得更大的壓力提升。不穩定波機構可以在適當的幾何形狀下產生沖擊波,不需要使用如活塞或葉片葉輪機械等部件,直接將一個高壓流體的能量轉移到另一個低壓流體中。

在波轉子設備的家族中,波轉子表現出有吸引力的潛力,實現電力系統的超高性能目標,并降低成本。在這方面,一個使用3孔口的冷凝波轉子的水制冷循環的出現,是一種有前途的技術。它可以提高R718機組的COP,同時降低它們的成本和尺寸。它的成功實施可能會取代三個子系統:中間冷卻器,一個壓縮機的級和冷凝器。

圖4.2示出了一個使用3孔口冷凝波轉子R718循環的原理性熱力學模型。在這個創新設計中,波轉子通道內發生水蒸汽凝結。此外,波轉子取代了壓縮機的一個級。

圖4.3表示了3孔口冷凝波轉子的結構組成簡圖。低壓蒸汽或高壓水從冷凝波轉子一端進入波轉子,中壓水從冷凝波轉子的另一端流出。

圖4.4示意地表示出3孔口冷凝波轉子通道內的冷凝過程以及在通道內的壓縮和冷凝過程的區域模型。按照圖4.2中的狀態點,從渦輪壓縮機出來的過熱蒸氣 (2)連續不斷流動通過蒸汽收集器(見圖4.3)到位于兩個固定端板之一的波轉子進氣孔口。依靠兩個端板之間的波轉子旋轉,波轉子通道被開啟,與孔口接通,并充入流過來的過熱蒸氣。在圖4.4(a)區域是充入過程完成后的狀態。經過進一步旋轉,通道遇到第二個進入孔口 (6),高壓低溫水 (e)通過它進入和暴露于區域 (a)的低壓高溫的過熱蒸汽中。由于壓力突然下降 (從P6降到P2),所有的熱量不能作為顯熱被容納在進來的水中,并且過剩的熱量轉化成汽化潛熱。這是所謂的閃發蒸發或閃發現象。因此,一部分進水突然蒸發 (C)和剩余的部分被冷卻 (d)。由閃發蒸發產生的飽和蒸氣 (C)的迎風面積被稱為接觸界面,其動作像一個快速移動的活塞。它導致從入口引導邊穿過通道 (a)內存在的過熱低壓蒸汽,引發沖擊波。沖擊波以超聲速的速度 (Vshock)傳播,快于接觸界面的速度 (Vinterface)。因此,沖擊波的軌跡 (圖4.4中的實線)與進水和所產生的蒸汽 (虛線)的接觸界面有一個小的傾斜。移動沖擊波 (b)后面的溫度是從T2增加到T2′,并且由于沖擊的壓縮,壓力從P2上升到P2′=P3。后者是一個設計決策,類似于一個調整條件。有了它,在進氣孔口的壓力 (P6)是設計成一個合適的產生觸發沖擊波需要的壓力比P6/P2值。過熱蒸氣將在壓力P3下被冷凝。這表明,液態的流體作為一個“功容器”儲存泵功,以便在波轉子通道內膨脹過程期間釋放它,并同時壓縮蒸汽。因此,強化系統的冷卻水循環泵不僅要提供必要的功 (WPL),以便克服在排熱循環的壓力損失,而且還需要克服波轉子通道沖擊波壓縮的功 (WPC)。沖擊波 (b)背后所承受的壓力是施加到閃發 (C)產生的蒸汽。它是在水的表面上的壓力和蒸發衰減時相平衡的壓力P(c)=P(b)=P3。因此,產生的蒸汽和冷卻水兩者獲得了飽和溫度T3=Tsat(P3)。

由于過熱的壓縮蒸汽 (b)與冷的進水 (e)直接相接觸,過熱蒸汽降低過熱度,并且,它的熱量傳遞給進水 (f)。這樣繼續下去,直到在區域 (b)達到平衡溫度T3和過熱蒸氣變成飽和蒸氣。隨后,進來的水進一步壓縮飽和蒸氣,并且,當潛熱被轉移到進水(g)時,蒸汽被凝結。兩相中的蒸汽接近完全冷凝時,水的典型干度為0.005,通過波轉子(3)的出口被清除。清除過程可能會受到重力和泵功率的支持。

圖4.5中畫出了基準循環和波轉子增強循環的壓焓 (P-h)圖。這兩個循環都從蒸發器出口 (狀態1)開始,該點的蒸氣是飽和狀態。狀態2b代表基準循環的壓縮機出口的狀態,而狀態2是允許使用較低壓力比的波轉子增強循環的壓縮機出口狀態。狀態2′是對應于區域 (b)右邊的沖擊波后面流動參數的波轉子通道內的一個中間點狀態。狀態2和2′之間的傾斜度大于狀態1和2b之間的傾斜度,因為發生沖擊壓縮通常具有更高的效率。一直在波轉子通道里面的過熱蒸汽降低過熱度到達平衡溫度T3(2′→3)。狀態3實際上是比圖4.5所示的更接近液體區域,因為冷卻水的循環質量流量(M6)比核心循環的流量 (M2)更大。認識到這一點,就會清楚懂得在這個示意圖中狀態3,5和6之間的距離是夸大的。膨脹過程 (6→3)釋放的能量被波轉子通道內所有蒸汽壓縮過程 (2→2′)消耗掉。來自波轉子唯一的排出孔口 (狀態3)的流量分流為兩部分,一小部分作為制冷劑使用的是直接去膨脹閥和在一個等焓過程 (3→4)膨脹,而大部分是從波轉子流出來進入排熱器 (冷卻塔或類似設備),在那里它被冷卻 (3→5)。之后的壓力被泵再次增高 (5→6),提供的能量給予壓縮波轉子中的蒸汽 (WPC)和補償在排熱器及相關管道中的壓力損失 (WPL)。

圖4.5 R718基準循環和3孔口冷凝波轉子強化循環(圖中未表示載冷水循環)的lgP-h圖

5.3 性能評估

為了對3孔口冷凝波轉子增強的R718制冷循環作出性能評估。編制了基于熱力學模型的如下所述的計算機編碼。蒸發器溫度 (T1)和排熱器溫度 (T3)通常根據應用需要是固定的。目標函數是為了獲得相比于基準循環性能系數的最高增益(COPgain)。獨立設計參數是質量流量比 (K=m6/m2),(即制冷循環的質量流量與核心循環的質量流量之比),和波轉子的壓力比 (PRW=P3/P2)。

熱力學模型中考慮的其他假設是:

(1)為了比較基準循環和增強循環,蒸發器和冷凝器入口溫度被認為是相同的 (T1=T1b和T3=T3b)。

(2)通過排熱器的溫差保持定值 (T5-T3=3K)。

(3)在排熱器、蒸發器和管道內的壓降忽略不計。

(4)冷凝器和蒸發器出口狀態是完全飽和狀態。

(5)多變壓縮效率被采用在基準循環和增強循環中。其值為0.72,是通過假設對壓力比為2的壓縮機的等熵效率為0.7得出的。

(6)過熱蒸氣被視為理想氣體 (γ=1.33)。

(7)一維氣體動力學沖擊波方程是用于計算穿過移動的垂直沖擊波的流動特性。不考慮反射沖擊波。

(8)泵的水力效率取作0.9。(9)液體水被視為不可壓縮。

5.3.1 基準循環

蒸汽壓縮式制冷循環的理想制冷劑循環如圖4.5所示。從蒸發器流入壓縮機的制冷劑作為飽和蒸汽,然后它作為過熱蒸汽排入冷凝器。在冷凝器出口的飽和液體制冷劑通過膨脹閥返回到蒸發器,然后循環流動。

在本分析中,輸入數據是蒸發器和冷凝器的飽和溫度,如表4.1所示。為了獲得循環的COP,在每個位置的熱力學狀態按如下順序確定:

表4.1 基準循環分析的輸入數據

1)壓縮機入口 (狀態點1)

假設狀態1b為飽和蒸汽。因此,知道的飽和蒸氣溫度后,其他熱力學性質可確定為:

2)冷凝器出口 (狀態點3b)

假設狀態3b為飽和液體。因此,知道它的溫度后,其他熱力學性質可以確定為:

3)壓縮機出口 (狀態點2b)

循環的整體壓力比的計算是:

流過壓縮機的比焓變化是將比熱假設為一個平均值后通過下式求出:

式中壓縮機等熵效率 ηC的計算是假設一個多變效率為0.7。因此,壓縮機出口的熱力學參數是:

4)膨脹閥出口 (狀態點4b)

流過理想膨脹閥的焓值保持不變,因此

COP被定義為蒸發過程的熱量(qL=h1-h4b)與壓縮機消耗的功(WC=h2b-h1)的比值:

5.3.2 波轉子強化循環

如圖4.5所示,在波轉子強化循環中,離開壓縮機的過熱蒸汽排入波轉子。壓縮機的壓力比低于基準循環。過熱蒸氣在波轉子被壓縮后,一部分幾乎是飽和水從波轉子流出 (3)進入熱交換器,而另一部分通過膨脹閥返回到蒸發器。

分析波轉子強化循環的輸入數據在表2中給出。為了獲得強化循環的COP,在每個位置的熱力學狀態參數可以按如下順序得到:

表4.2 強化循環分析的輸入數據

1)壓縮機進口 (狀態點1)

狀態1的壓縮機進口條件與基準循環相同。

2)波轉子出口 (狀態點3)

波轉子出口流體是在飽和區,非常接近飽和液體線。因此,

取圍繞波轉子的控制容積如圖4.6所示,由質量守恒定律給出下式:

且按照能量守恒

使用質量流量比(k=m6/m2)的定義,上述兩個方程可以合并為:

圖4.6 圍繞波轉子的控制容積

狀態6的焓將在后面計算。

3)冷凝器出口 (狀態點5)

通過冷凝器的壓降是 △Tc(見表4.2),因此:

4)蒸發器入口 (狀態點4)

這里考慮的是理想膨脹閥

液體干度的計算方法是:

5)壓縮機出口 (狀態點2)

壓縮機出口壓力的計算方法是:

和式 (4.4)可用于使用壓縮機新的出口壓力值再次計算壓縮機出口焓。因此:

6)沖擊波壓縮 (狀態點2′)

如上所述,由于壓力從p6突然下降到p2,從進口的引導邊觸發傳遞,通過存在于通道內低壓過熱蒸汽產生的沖擊波時發生閃發蒸發。因此,溫度從T2升高到T2′,壓力從p2上升到p2′=p3。使用移動的垂直沖波關系,溫度上升由下式計算:

7)泵的出口 (狀態點6)

如上所述,在冷卻水循環中,泵提供的壓力(p6)是用來產生觸發所需要的沖擊波的壓力比p6/p2。因此,

式中p5=p(T6,p6),因此:

且泵的焓增加是:

最后,這樣一個增強的循環的COP是通過下式求得:

圖4.7表示了不同的質量流量比時,相對COPgain與蒸發器的溫度 (T1)間的關系。通過增加蒸發器溫度T1,波轉子增強循環的COP相對于基準循環的COP是增大的。這種趨勢一直到達增強循環的壓縮比 (Πc=p2/p1)等于波轉子壓比(Πc=PRW)是明顯成立的,在此之后,相對COPgain急劇下降。

圖4.8表示了在不同的蒸發溫度時,相對COPgain與質量流量比的關系,像圖4.7右側坐標所表示的那樣。它表示只增加圖4.2的分路。蒸發溫度上升到某值以上,使透平壓縮機的壓力比降低到波轉子的壓力比的值。從圖4.8可以看出,質量流量比增加到200以上時,COPgain變化很小,說明再增大流量比對提高COPgain已不起作用。

圖4.9表示了不同的質量流量比時,波轉子壓比(PRW)對相對COPgain的影響。每條曲線具有一個最高點,表示對給定系統規格的波轉子壓力比的最佳選擇點。這點的位置取決于幾個參數,包括泵的水力效率、壓縮機多變效率、蒸發器溫度、溫度提升 (T3-T1),但質量流量比卻不同。如圖4.7、4.8和4.9所示有一共同的特點,對于一個獨立值的持續增加并不總是使COPgain增加。而圖4.9表示了波轉子壓比的這種影響。圖4.7揭示了在到達某一點的COPgain的增長率,在這一點以后,蒸發器溫度的進一步增加,實際上使COPgain降低。圖4.8中可以看出類似的趨勢,曲線有一個質量流量比增加到某一值以后,COPgain漸漸趨向于水平線。

圖4.9 不同質量流量比時相對COP與波轉子壓力比間的關系

圖4.10表示了不同的波轉子壓比和相對恒定的COPgain為10%時,排熱溫度 (T3)與蒸發器的溫度的關系。圖中的數據表明,為了獲得一定的相對COPgain,波轉子壓比有幾個選擇值。然而,只有在最佳壓力比為2.45時,產生最高的溫度提升。

圖4.11是一個增強循環的性能圖。此圖上的每個點表示出對于一個給定的蒸發器溫度和溫度提升,選擇最佳PRW可以獲得最大的COPgain。等PRW線表示可能產生最高COPgain的最佳PRW值。由等max.COPgain線表示。

在這個最佳點的性能曲線圖上,標記出一個任意的最佳點P。它是用來表示所有的性能圖解之間的連接。然而,它僅是在圖4.7至圖4.10中性能曲線上的最佳點。這些曲線圖上所有其他點在圖4.11中并不能找到,因為他們表現出比圖4.11點上較小的COPgain。

從圖4.7可以看出趨勢,對于給定的排熱溫度(T3)和PRW,提高蒸發器溫度會產生較高的COPgain的結果。這樣的效果也可以在性能圖上通過點P沿著恒定PRW值為2.45的曲線向右移動 (圖4.11)看出。然而,對于較小的溫度提升,低于約15度時 (在max.COPgain以上約16%)這種效果是相反的,當蒸發器的溫度增加時,max.COPgain反而降低。

圖4.9表示了一個給定的質量流量比,和結合蒸發溫度與排熱溫度時,有一個最大的COPgain。因為點P是在圓弧尖頂的最高點,它也出現在圖4.11中。

5.4 本部分結論

本部分提出了水作為制冷劑 (R718)工作循環的優點和包括對它設計的挑戰。為了強化透平壓縮和改善這種循環的效率,對3孔口冷凝波轉子與R718壓縮制冷循環集成的新理念進行了研究。冷凝波轉子采用壓力水進行加壓、降低過熱度、和凝結來自壓縮機的過熱蒸汽——所有這些都在一個動態的過程中進行。通過p-h圖,討論了外部過程、波和內部過程相變的原理。對閃發蒸發、沖擊波壓縮、降低過熱度、和波轉子通道內的凝結現象進行了描述。

開發了一個基于熱力學模型的計算機編碼,用來估算R718增強循環的性能提高。描述了基準循環和改進循環的詳細熱力學計算方法。使用一個優化的輔助設計演示出一些關鍵參數對性能增強的影響。最后,提出了一個表明增強循環優化點的性能圖。結果表明,使用3孔口冷凝波轉子使COP額外改善了22%。除了性能增強以外,冷凝波轉子在相同溫度提升時允許降低壓縮機的壓力比,或者在不改變壓縮機時增加了溫度提升。這種波轉子是一個簡單的鼓,易于制造,旋轉速度相對較低。由于它在一個緊湊的設備中完成壓縮、降低過熱度和冷凝等過程,它可以使配備高技術、多級壓縮、中間冷卻器以及相對笨重冷凝器的現代最先進的R718冷水機組縮小尺寸和降低成本。

[4.1]Amir A.Kharazi,Pezhman Akbari and Norbert Müller,An Application of Wave Rotor Technology for Performance Enhancement of R718 Refrigeration Cycles,2nd International Energy Conversion Engineering Conference,2004