水制冷劑及水蒸氣壓縮機研究現狀和展望

吳迪，胡斌，王如竹，江南山，李子亮

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水制冷劑及水蒸氣壓縮機研究現狀和展望

吳迪1，胡斌1，王如竹1，江南山2，李子亮2

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240；2上海漢鐘精機股份有限公司，上海201501）

水作為第4代制冷劑具有綠色環保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、穩定性高以及汽化潛熱大等諸多優勢，完全可以滿足環保要求從而應用在熱泵空調系統中；但是水蒸氣分子量低、比容大以及絕熱指數高也決定了水蒸氣系統具有壓差小、壓比大、單位容積制冷量小、容積流量大、排氣溫度高等特點，對水蒸氣制冷系統用的壓縮機也提出了更高的要求。目前使用的水蒸氣壓縮機主要有離心式、螺桿式以及羅茨式，離心式壓縮機雖然容積流量大，但是單級壓比小，對液滴敏感，排氣溫升問題突出，葉片以及殼體材料要求高，經濟成本高，適用于大流量，小壓比的系統；螺桿式壓縮機穩定性好，壓比大，可以滿足濕壓縮要求，但是它容積流量有限，可用于小流量，大壓比的系統；羅茨式壓縮機振動小，結構簡單，但是它的壓比同樣也比較小，適用于中小冷量，大溫升系統。為了促進水制冷劑在生產生活領域的廣泛使用，針對不同使用場合和供汽需求，研究開發與之適用的壓縮機是未來制冷技術發展的一個重要方向。

水制冷劑；壓縮機；壓比；排氣溫度

引 言

伴隨著社會經濟的迅速發展和人們對物質需求的不斷增長，能源的消耗也日益加劇，未來能源短缺將會是世界面臨的一個重大問題。面對化石能源危機，努力發展和使用新能源與可再生能源，如頁巖油氣、可燃冰、太陽能、風能、水能、地熱能以及生物質能等，可以有效降低對化石能源的依賴[1-5]，同時大力推廣新型節能技術，降低生產生活中的能源消耗，也是擺脫能源危機的重要手段[5-6]。

與此同時環境污染問題也在時刻敲打著警鐘，臭氧層消耗，全球氣候變暖，冰川融化以及海平面上升等問題亟待解決[7]。隨著制冷空調行業的迅速發展，制冷領域每年需要的制冷劑高達百萬噸，而氯氟烴類人工合成制冷劑因為對臭氧層的破壞以及對溫室效應的促進作用，使制冷與空調行業面臨嚴重挑戰，因此尋找新型、高效、綠色、環保并且易得的制冷劑已經成為了整個制冷領域的共識[8-9]。水作為一種最易得的工質，其綠色、環保、低廉、溫室效應小、對于臭氧層無破壞，可以說是最理想的制冷工質。

熱泵的使用可以有效回收低品位能源，提高能量的利用效率，降低高品位能源的消耗，緩解全球能源危機的壓力，因此熱泵作為一種有效的節能技術一直被社會各界所推崇，在社會生產生活的各個方面都得到了廣泛的應用。如果采用水作為熱泵系統的工質，可以將水的綠色環保和熱泵的節能減排特點充分結合，是一種非常具有應用前景的技術。而水蒸氣壓縮機是水蒸氣熱泵系統的動力源以及主要能耗設備，維持著系統的穩定運行，水蒸氣熱泵系統的應用離不開低成本、高效率并且高穩定性的水蒸氣壓縮機的開發[10-12]。本文根據以往的研究成果，著重對水制冷劑以及水蒸氣壓縮機的研究發展現狀進行介紹，并對水制冷劑與水蒸氣壓縮機未來的發展前景進行初步展望。

1 水制冷劑的性質

在過去200年中，因為時代發展的需求不同，在不同時期對制冷劑的要求也有所不同，根據時代的不同需求以及對制冷劑的不同要求，制冷劑的發展大致經歷了4個階段，如表1所示[13-14]。

表1 制冷劑的發展歷程

最初因為應用需要以及對制冷劑物性認知的缺乏，制冷劑能夠滿足應用需求即可，對其安全性、環保性都沒有提出具體要求。而后為了降低制冷劑使用的經濟成本，保證設備設施以及工作人員的安全，對制冷劑的安全性提出了新的要求，以轉向氟化物為鮮明標志催生出第2代制冷劑，第2代制冷劑安全性高，經濟耐用，在當時被大力發展。但是隨著對制冷劑物性的深入研究，科研人員發現第2代制冷劑對臭氧層有較大破壞作用，導致了嚴重的環境問題，必須尋求新的對臭氧層無害的制冷劑，由此引發了第3代制冷劑的研發，而第3代制冷劑對臭氧層的破壞性都很小，有的甚至無破壞作用。但是伴隨著第3代制冷劑的使用，其顯著的溫室效應，也嚴重地制約了它的進一步發展，必須尋找無溫室效應的更加適合的制冷劑，同時也對制冷劑提出了經濟、安全、耐用、綠色、環保、易得的更高更全面的要求，也就促使研究人員轉向第1代制冷劑中以水、二氧化碳、氨以及烴類等為代表的第4代天然制冷劑[15-17]。

第4代制冷劑中丙烷、氨、水以及二氧化碳的各項參數對比如表2所示[14, 18]。

表2 第4代制冷劑中代表工質的物性參數

對表2中的第4代制冷劑性質進行分析，可以得知水作為制冷劑具有以下優點。

（1）綠色環保，對環境無污染。水的ODP=0，GWP<1，意味著水作為制冷劑對于臭氧層無破壞，對于全球氣候變暖影響小，是對環境很友好的制冷劑。

（2）原料易得，成本低廉。水在自然界中大量存在，與其他任何一種制冷劑相比，水最易獲得，使用成本最低，是最經濟的制冷劑。

（3）安全性好。水不具有毒性、可燃性、易爆性等危險屬性，作為制冷劑無論是在液態或氣態下發生泄漏時不會造成任何安全問題，是最安全的制冷劑。

（4）穩定性好，經久耐用。水的化學性質十分穩定，不存在制冷劑長期使用產生的分解問題。

（5）汽化潛熱大。雖然與氨和二氧化碳相比水制冷劑的單位容積制冷量非常小，僅為氨的l/300左右，為二氧化碳的1/1860，但是水的汽化潛熱大，單位質量的制冷量相對也大。

水作為制冷劑第1次有記錄地被使用在制冷領域是在1934年Belmont將水蒸氣離心式壓縮機應用于空調系統。但后來，隨著氟里昂類制冷劑的發現和應用，壓縮機的體積和質量大大減小，水作為制冷劑的壓縮系統漸漸被人們遺忘。而如今面對嚴峻的能源危機以及環境問題，水作為一種綠色環保、廉價易得、安全穩定的天然制冷劑，在節能領域以及制冷行業中有著其他制冷劑難以比擬的優勢[19]。以水作制冷工質將會是未來節能以及制冷領域的一個重要的研究方向，受到了國內外學者的重視，并進行了大量的研究，同時也已有學者研究表明，以水為工質的系統性能系數在一定工況下甚至會優于傳統工質系統[10, 20-26]，這些研究也為水制冷劑的進一步發展奠定了堅實可靠的基礎。

2 水蒸氣壓縮機的研究現狀

雖然水作為制冷劑具有巨大的優越性，但是水蒸氣分子量低、絕熱指數高以及比容大的物理性質也決定了水蒸氣壓縮系統具有壓差小、壓比大、單位容積制冷量小、容積流量大、排氣溫度高等特點[27]，同時水蒸氣壓縮機也面臨著零部件的腐蝕生銹，水蒸氣侵入壓縮機內潤滑油工作區的問題，這些都對水蒸氣壓縮機的設計以及性能提出更高的要求，如今水蒸氣壓縮機的防腐防銹、密封、耐高溫和長期運行的安全可靠也成為重要的技術難題[28-29]。

目前對于以水作為介質的水蒸氣壓縮機的研究主要集中在離心式水蒸氣壓縮機、螺桿式水蒸氣壓縮機以及羅茨式水蒸氣壓縮機，對于往復式以及軸流式水蒸氣壓縮機也有研究但是相對較少[22, 30-31]。

2.1 離心式水蒸氣壓縮機

離心式壓縮機屬于速度型壓縮機，首先通過葉輪旋轉提高氣體速度，然后由擴壓室將氣體動能轉化為壓力能，從而提高氣體壓力。Leblanc于1912年設計了1臺水蒸氣離心式壓縮機，這是目前有記錄的第1臺水蒸氣離心式壓縮機，而Belmont于1934年首次將水蒸氣離心式壓縮機應用于空調系統，開啟了水作為制冷工質的時代。

表3是離心式水蒸氣壓縮機在具體系統中應用時的對比分析。

表3 離心式水蒸氣壓縮機對比分析

對表3分析發現，隨著技術的發展，離心式水蒸氣壓縮機的應用越來越多，離心式水蒸氣壓縮機的效率在不斷地提升，壓比范圍也在不斷地擴大，雖然離心式水蒸氣壓縮機基本都是使用在大流量壓縮設備中，但是也有研究人員將小流量的離心式水蒸氣壓縮機應用在熱泵系統中[38]，這說明小流量的離心式水蒸氣壓縮也具有一定的應用市場。

當離心式水蒸氣壓縮機在制冷以及熱泵等循環中與其他設備結合使用時，可以有效提高水蒸氣的壓比，同時降低水蒸氣的排氣溫度，提高系統的效率，降低能量消耗。例如Kharazi等[39-40]將冷凝波轉子與離心式壓縮機結合使用，?arevski等[41-42]將兩相噴射器與離心式壓縮機的結合使用等，這些研究為以后離心式水蒸氣壓縮機的研發提供了新的思路，有助于在保證大流量的前提下進一步提高壓比，擴大離心式水蒸氣壓縮機的應用范圍。

為了使離心式水蒸氣壓縮機的葉輪具有耐腐蝕、耐磨損、耐熱、耐振等特性，常用的葉輪材料為不銹鋼，特殊情況下也可以用銦、鈦等材料，可選用的葉輪材料有17-4PH、304、316、銦600、銦718、鈦5、鉬、鉿合金等[34]。在具體研究中也有學者提出了一些寶貴意見，例如劉曉莉等[29]在對黑液進行濃縮處理時指出，由鎳合金200或Ferralium 255制成的離心式蒸汽壓縮機具有較強的抗腐蝕性和較長的運行壽命。沈陽鼓風機集團股份有限公司將由鈦合金制成的徑向半開式三元葉輪懸置于高速齒輪軸反電動機側的懸臂軸頭之上，研制出蒸發量10 t?h-1以下，蒸發溫升18℃的高速離心式水蒸氣壓縮機[43]。牛利民等[44]在研究海水淡化的過程中也指出，鋁青銅也可以作為離心式水蒸氣壓縮機的葉片材料。

整體而言離心式水蒸氣壓縮機具有容積流量大、動平衡特性好、振動小的優點，但也具有單級壓比小、對工質中的霧粒敏感、容易發生喘振以及易于腐蝕、應用范圍窄的明顯缺點。同時離心式水蒸氣壓縮機因為對于液滴敏感，單機壓縮很難克服高壓比排氣溫度過高的問題，對葉片以及殼體材料要求也高，成本較高。因此保證離心式水蒸氣壓縮機壓比的同時降低排氣溫度，研制高性能葉片，降低壓縮機成本，擴大應用范圍以及克服喘振將成為離心式水蒸氣壓縮機的主要研究方向。

2.2 螺桿式水蒸氣壓縮機

螺桿式壓縮機屬于容積型壓縮機，依靠基元容積的周期性變化完成吸氣、壓縮以及排氣過程。1986年日本松田潤二[45]將螺桿壓縮機用于壓縮水蒸氣，并將其用于啤酒蒸餾的機械蒸汽再壓縮(MVR)系統，獲得了成功。1987年，吳亞勤等[46]介紹了以水蒸氣作為工質的螺桿式水蒸氣壓縮機具有壓縮比大，經久耐用，可靠性高，在廣泛的運行范圍內穩定性好，對負荷變化適應性強的優點。1988年楊志才等[47]成功改造了一臺螺桿式水蒸氣壓縮機，用它直接壓縮水蒸氣并向里面噴液進行實驗，發現壓縮水蒸氣時向汽缸內噴液，可以增加壓縮機流量，提高壓縮機總效率。

表4為螺桿式水蒸氣壓縮機在具體系統中應用時的對比分析。

表4 螺桿式水蒸氣壓縮機對比分析

對表4分析可以發現，螺桿式水蒸氣壓縮機最近幾年研究與應用相對較多，且大多用于機械蒸汽再壓縮等熱泵系統中。螺桿式水蒸氣壓縮機的流量范圍相對而言較小，基本上都在中小流量范圍內，但是壓比相對較大，而效率也基本在50%～75%之間。和離心式水蒸氣壓縮機相比，螺桿式水蒸氣壓縮機具有大壓比的優勢，但是也有著流量小的明顯不足。

同時螺桿式水蒸氣壓縮機也存在著排氣溫度過高的問題，為了解決壓縮過程終了排氣溫度過高的問題，張良等[49]對螺桿壓縮機采用濕壓縮方式，利用水滴升溫顯熱和汽化潛熱來降低壓縮終了水蒸氣的排汽溫度，改善壓縮機工作性能，并計算分析了濕蒸汽進汽干度及水滴微粒直徑對排汽溫度和壓縮功率的影響；沈九兵等[55]系統地引入噴水螺桿式水蒸氣壓縮機，利用噴水實現壓縮機排氣為飽和狀態，滿足工業應用高溫升、高壓比技術要求的同時，克服高排氣溫度會導致的機械及安全問題。濕壓縮以及噴水降溫技術的研發也為以后克服螺桿式水蒸氣壓縮機排氣溫度過高的問題提供了有效的解決方案。

因為螺桿式水蒸氣壓縮機屬于容積旋轉型壓縮機，兼具活塞壓縮機、透平壓縮機的優勢，性能穩定、可靠性高、壓比大，且不存在離心式壓縮機的振蕩問題，對于水蒸氣的壓縮效果也很好，還適用于多相壓縮，可以通過噴水減溫以及濕壓縮降低壓縮終了排氣溫度，從而降低對壓縮機設備的要求和成本，未來將會是水蒸氣壓縮機的重點研發方向。但是螺桿式水蒸氣壓縮機最大的問題就是容積流量小，在中小型壓縮系統中使用合適，對于大流量系統局限較大。

2.3 羅茨式水蒸氣壓縮機

羅茨式壓縮機，屬于容積型壓縮機，它通過一對回轉葉輪將吸氣端的低壓氣體趕入高壓端的排氣腔，實現壓力的突升，具有動平衡特性好、振動小、對粉塵不敏感、結構簡單的優點，對于中小冷量、大溫升的水蒸氣壓縮制冷系統來說是一個比較理想的壓縮機機型，尤其是在機械蒸汽再壓縮系統中用羅茨式壓縮機作為提升水蒸氣壓力的設備[56-57]。

表5為羅茨式水蒸氣壓縮機在具體系統中應用時的對比分析。

表5 羅茨式水蒸氣壓縮機對比分析

對表5分析可以發現，目前科研人員所研究的羅茨式水蒸氣壓縮機的進口體積流量范圍較小，同時壓縮機的壓比也不是很大，對于小流量以及小功耗的系統較為適用。針對羅茨式水蒸氣壓縮機的特點，國外研究較多的是將其與MVR系統相結合應用在中小型海水淡化，蒸餾等方面[58, 60]，而且相比國內，國外對羅茨式水蒸氣壓縮機的研究較少。

羅茨式水蒸氣壓縮機在運行過程中也存在壓縮終了時排氣溫度過高的問題，而壓縮終了排氣溫度過高對羅茨式水蒸氣縮機的安全運行構成了嚴重的威脅[61-62]。中間補氣是通過抽取高壓側的一部分工質補入到壓縮機腔內來改善壓縮過程的一種成熟技術，已經廣泛應用在普通壓縮機的準二級壓縮系統中[63-64]。俞麗華等[56]為改善壓縮機的工作過程，降低壓縮終了的排氣溫度，將補氣技術應用在羅茨式水蒸氣壓縮機中，提出了帶中間補氣的羅茨式水蒸氣壓縮機制冷系統，得出在補氣質量比為相應工況下最大值時，羅茨式水蒸氣壓縮機具有最高的容積效率，同時排氣溫度最低，軸功率也最小。張化福等[59]將羅茨式水蒸氣壓縮機應用在機械蒸汽再壓縮熱泵蒸發器系統中，并對系統的運行特性進行了研究，得出所使用的羅茨式水蒸氣壓縮機適合在蒸發量和沸點溫升不大的高溫工況下運行。

羅茨式水蒸氣壓縮機雖然具有穩定性好等優點，但是容積流量小，壓比不高，單機效率低是其先天缺陷，同時存在噪聲大(85dB以上)、密封要求高、調節比較困難和調節過程中系統不穩定等問題，而且羅茨壓縮機的效率會隨著壓比的增大顯著地降低，對于高壓場所并不適用，所以對于羅茨式水蒸氣壓縮機的應用還需要大量的研究。

3 未來發展

根據以上總結可知不同形式的水蒸氣壓縮機，流量與壓比各有不同，如表6所示。離心式水蒸氣壓縮機雖然容積流量大，但是單級壓縮壓比小，對液滴敏感，容易發生喘振，排氣溫升問題突出，同時葉片以及殼體材料要求高，經濟成本高；螺桿式水蒸氣壓縮機具有穩定性好，可靠性高，壓比大以及可以多相壓縮的優點，但是它的容積流量有限，無法滿足大容量系統的要求；羅茨式水蒸氣壓縮機則具有振動小，對粉塵不敏感，結構簡單等優點，但是它也具有無法滿足大壓比的突出問題。由此可見不同型式的水蒸氣壓縮機都有適合自己特點的應用場所，在未來的研究中需要對它們的制約條件進行深一步的研究，不斷地完善水蒸氣壓縮機的性能。

表6 不同型式的水蒸氣壓縮機的流量與壓比

在分析中也發現，排氣溫度過高將會嚴重制約水蒸氣壓縮機的發展以及水制冷劑系統的推廣，因此必須在水蒸氣的壓縮過程中，進行降溫處理，在確保水蒸氣壓縮順利進行的同時保證排氣溫度不會過高，設備安全運行。所以在水蒸氣的壓縮過程中降低壓縮機的排氣溫度將會是未來水蒸氣壓縮機研發的一個重要課題。不同的壓縮機具有不同的降溫方式，對于離心式水蒸氣壓縮機雖然無法進行噴水減溫，但是可以通過與冷凝波轉子、兩相噴射器結合使用，在降低排氣溫度的同時，增加一級額外壓縮，提升壓比；對于螺桿式水蒸氣壓縮機可以通過濕蒸汽兩相壓縮或者壓縮過程中噴水減溫來降低排氣溫度；而羅茨式水蒸氣壓縮機可以通過中間補氣技術實現排氣溫度的降低。這些技術方法的提出都為以后水蒸氣壓縮機的推廣提供了理論上的支持，促進了水蒸氣壓縮機的發展。

而在工業應用上，近些年來隨著能源成本的上升和環保要求的提高，節能與環保一直是工業應用領域所秉承的一個重要理念。水蒸氣壓縮機因其具有的高效節能、環境友好的特點在工業上已經開始被廣泛應用，而在應用的過程中多是和機械蒸汽再壓縮系統結合使用。在歐美等國家水蒸氣壓縮機被廣泛應用于蒸發領域[35, 65-67]。在國內水蒸氣壓縮機也已經被大量運用在制鹽[68-70]、環保[29, 71-72]、蒸餾[73-75]、食品、制藥[76]和干燥等行業之中，同時水蒸氣壓縮機在國內的需求量也是日益增長。隨著沈鼓[36, 43]、陜鼓[37]、金通靈、章鼓、三一重工、江增等大型機加工、風機企業的介入，利用其原有的人才和技術以及加工上的優勢，使得國產水蒸氣壓縮機在技術上得到進一步的提高，產品更加穩定可靠，得到了用戶的信賴，在許多行業也取代了蘇爾壽(Sulzer)、西門子(Siemens)、阿特拉斯(Atalas)、曼透(Man Turbo)、飛馬(Fima)等國際知名的風機和壓縮機制造企業的產品[77]，使得我國的水蒸氣壓縮機產業以及相關領域也得到了進一步的發展。水蒸氣壓縮機市場隨著這些重量級企業的重視和參與，競爭程度將愈加激烈，但是激烈的競爭也將會進一步地推動水蒸氣壓縮機的發展，從而推進我國能源以及節能領域的進步。

4 結 論

水作為一種天然的制冷劑，因其所具有的綠色環保(ODP=0，GWP<1)、原料易得、成本低廉、安全性好、穩定性高以及汽化潛熱大等優勢，在節能減排方向上具有重要的研究價值，同時水制冷劑的大規模使用將可以有效解決一直以來人工合成制冷劑帶來的各種環境問題，在經濟和環保上取得雙贏的效果。但是水制冷劑的推廣使用離不開成本低、效率高、穩定性好的水蒸氣壓縮機，水蒸氣壓縮機的高要求直接限制了實際應用中系統的運行性能和成本，制約了水制冷劑的推廣。在目前使用的各種類型的水蒸氣壓縮機中，離心式容積流量大，但單級壓比小，對液滴敏感，易發生喘振，排氣過熱問題突出，經濟成本高；螺桿式穩定性好，可靠性高，壓比大，可以滿足多相壓縮要求，但容積流量有限；羅茨式振動小，對粉塵不敏感，結構簡單，但流量小，壓比不高。因此未來的研究中需要針對不同型式的水蒸氣壓縮機的各自的特點以及適用工況進行具體研究，改進不足，提升優點，在具體應用中不斷地完善水蒸氣壓縮機的性能，降低設備的經濟成本，進一步推進水制冷劑和水蒸氣壓縮機的發展。

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A review on development and prospect of water refrigerant and water vapor compressor

WU Di1, HU Bin1, WANG Ruzhu1, JIANG Nanshan2, LI Ziliang2

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Shanghai Hanbell Precise Machinery Co., Ltd., Shanghai 201501, China)

As a representative of the fourth generation refrigerant, water has numerous advantages, such as non-pollution (ODP=0, GWP<1), accessible, low-cost, secure, stable and large latent heat of vaporization, which can completely satisfy the requirements of the environment as a refrigerant. However, low molecular weight, large specific volume and high adiabatic index of water vapor determine that the water vapor systems have the characteristics of small differential pressure, large compression ratio, small unit volume capacity, large volume flow and high discharge temperature. It also puts forward higher requirements for water vapor compressors, which seriously limit the use and promotion of water as a refrigerant. Currently, the water vapor compressors mainly are centrifugal, screw and roots compressor. Centrifugal water vapor compressor has the advantage of large volume flow rate, but it has small single stage compression ratio, high discharge temperature and droplet sensitivity. At the same time, the blade and shell material of the centrifugal water vapor compressor are severe and expensive. Therefore the centrifugal water vapor compressor is suitable for the largest volume flow rate and smallest compression ratio system. Screw water vapor compressor has the advantages of good stability, large compression ratio and wet compression; however the volume flow rate is smaller. It is more suitable for the refrigeration system with small volume flow rate and large compression ratio. Roots water vapor compressor has the advantages of less vibration components and simple structure, however it also has small compression ratio, so it is usually used in the medium heating capacity and large temperature rise systems. In order to promote water refrigerant to be wildly used in production and livelihood field, researching and developing practicable compressors for different usage occasions and steam requirements is an interesting and significant research project in future.

water refrigerant; compressor; compression ratio; discharge temperature

10.11949/j.issn.0438-1157.20170264

TH 45; TB 61

A

0438—1157（2017）08—2959—10

胡斌。第一作者：吳迪（1993—），男，博士研究生。

國家重點研發計劃項目（2016YFB06012010）。

2017-03-19收到初稿，2017-04-28收到修改稿。

2017-03-19.

Dr. HU Bin, hb1223@sjtu.edu.cn

supported by the National Key R & D Program of China (2016YFB06012010).