【壓縮機網】摘要：本文簡要介紹了一種全新的氣體壓縮機工作方法原理，可實現最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹，已獲得國家方法發明專利（授權公告號：CN  110848151 B）。通過其基本的工作原理、理論模型、數據、基礎計算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術路線實現對機械方面的要求。最后探討了氣態工質（近）等溫壓縮得以實現對于熱力循環帶來的影響，提出了基于工質等溫壓縮/膨脹時，在各種工況下最理想熱力循環的基本理論模型，以及對熱機熱泵和能源環境變革性的影響。

　　文/張桂偉

　　0 引言

　　壓縮機是把原動機的功轉換為氣體壓力能的機械設備，是一種廣泛應用于能源、化工、冶金、醫療、農業、交通、食品、國防等領域的通用機械設備。工程熱力學中的很多熱力循環也包括氣態工質的壓縮與膨脹過程，是把熱能轉換為機械能的最廣泛途徑，因此壓縮機同樣屬于熱力學設備。其不但要遵循最基本的熱力學定律，也要受到現實中材料的物化性能、加工技術與工藝、指導理論的制約。如果新材料、新加工工藝或者新的設計理論有所進步，那么工程熱力學理論也可能會有進步，設計出新型動力裝置或者能源系統，或者提高現有熱機熱泵的效率。

　　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理論的改進和優化，歡迎大家交流討論，多提寶貴意見。

　　熱力學研究分析表明，氣體的等溫壓縮具有最低的理論功耗，卡諾循環中就有兩個等溫吸放熱過程，對提高熱力循環效率有重要作用。但實用化的氣體等溫壓縮技術被認為很難實現，因為氣體的表面傳熱系數太低，只有11W/·K～58W/·K，在現實中工況確定的前提下，壓縮產生的熱很難及時通過壓縮腔殼體耗散到外界大氣環境這個最終的熱阱中。熱量積聚在工質中，使工質溫度升高，增加了壓縮功耗。

　　目前，針對氣體的等溫壓縮采取的措施有，通過肋化壓縮腔外表面強化散熱、多級壓縮中間冷卻、向壓縮腔內噴油噴水，一些熱機和逆熱機循環中，則以工質相變時等溫吸放熱替代了氣態工質的等溫壓縮。這些措施均不理想，或者增加了系統的復雜度，或者等溫效率不高，又或者兩者皆有。例如多級壓縮中間冷卻，大大增加了系統的復雜度，以及流動損失。向壓縮腔內噴油噴水，影響壓縮過程，增加了散熱介質，可能造成液擊，并有額外耗功。熱力循環中的工質相變等溫吸放熱過程比較理想，但是受到工質臨界溫度與熱源溫度之間的溫差影響，在濕蒸汽范圍內，效率并不高。因此尋找一種高效的氣態工質近等溫壓縮/膨脹的技術方法，就成了當務之急。本發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，同時并沒有造成過大的負面影響。

　　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要素：溫差、時間、散熱面積。溫差是我們要盡力降低的，時間受工況需求，功率不能太低，影響設備的性價比。因此，唯一可能實現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，形成了本技術方案。

　　本技術方案亦是通過增加壓縮腔內外表面積，以增強散熱功率，同時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）增設一套液體循環系統，液體和氣體交替進入熱交換器，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，壓縮產生的熱可以通過散熱器較大的內表面積，及時散失到外界，避免熱量積累，使氣體溫度升高。壓縮通道內設有擾流和輔助吸熱的金屬絲，可以把氣體層流變為紊流，以增加散熱效率。壓縮末端，氣體壓縮熱產生的速率增加，而散熱器對應的面積卻在減少，此時應加大金屬絲的布置密度，產生類似回熱器的效果。壓縮產生的熱將會傳遞給金屬絲，并儲存在金屬絲本身的比熱容中，壓縮液流經金屬絲時，熱量再傳遞給壓縮液，由壓縮液帶出壓縮腔。

　　本發明不屬于常見壓縮機原理中的任何一類，不屬于容積式與速度式，而是某幾種結合，應確立為新結構原理。根據特點，可命名為離心變容式或者離心液壓變容式。下面以一個典型的實施例做進一步說明。典型的實施例，是指具有本發明特性的，體現其專利權保護項內容的各權利項中，最具顯著特征，包括但不僅限于典型實施例。同一原理的壓縮機在專利保護范圍內，基本單元為一個螺旋板散熱器。螺旋板散熱器區有壓縮通道和散熱通道，壓縮通道側面封閉，入口設在外側，出口設在中心，并流向中心軸向；散熱通道側面開放，冷卻風從一側進入從另一側流出。

　　

       圖4與圖5比例不一致，是因為要表現原理的細節，按照實際比例可能表現不出細節。

　　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，以三個環設的螺旋板散熱器圍繞中心做公轉，賦予壓縮液離心力。每三個單元組成一組呈工作狀態的等溫壓縮機，每個單元都可以完全獨立工作，三個一組是為了配重和節約空間。工作時環設的三個螺旋板散熱器圍繞公轉中心進行公轉，同時螺旋板散熱器圍繞自身中心進行自轉（圖7），且公轉方向與自轉方向相反。

　　螺旋板散熱器自轉時，積聚在遠離公轉中心的壓縮液，受力向自轉中心運動，被壓縮液隔開的氣體，同時向自轉中心匯集，體積受結構限制，逐漸減小，壓力升高。壓縮產生的熱可以通過螺旋板散熱器及時散失，同時升高的壓力推動壓縮液，形成以公轉中心為中心的液位差（圖6），液位差在公轉離心力的作用下，和氣壓差形成動態平衡。螺旋板散熱器外徑與內徑之比，即為壓縮機的基礎壓比。

　　該原理的壓縮機與其他壓縮機原理最大區別是，壓縮過程在螺旋板散熱器內完成，具有最大的散熱面積，可以及時冷卻壓縮產生的熱，其冷卻風從側面進入，在冷卻完成后，利用公轉離心力從垂直旋轉軸方向排出（圖10）。

　　外側嵌套一個渦輪扇葉（如上圖，作圖能力有限，從網上下載的實物圖片），與公轉同步，產生離心力驅動冷卻風流動。

　　圖11為液體循環的示意圖，液體在螺旋板散熱器自轉時，向自轉中心匯集，從側面排出后，通過一個泵重新在進氣口與待壓縮氣體匯合，重新開始循環。泵為受力運動泵，為平衡液體從氣液混合狀態排出時，受到的氣體壓力，該泵需要與螺旋板散熱器的自轉通過齒輪和鏈條硬連接，形成聯動。泵的形式應為容積泵，裝配位置不限，但盡量安裝于遠公轉中心側，與螺旋板散熱器自轉形成聯動即可。

　　圖12與圖13為等溫壓縮機兩側的立體結構簡圖。壓縮完成的氣體因為公轉和自轉，需要經過兩次滑動密封才能從壓縮機正常導出，導出管道和壓縮液循環管道以及齒輪泵，均只有公轉，無自轉。

　　壓縮機的流量由螺旋板散熱器自轉決定，每分鐘的自轉轉速乘以，位于外徑的進氣口的截面積自轉一周掃略的體積，即為壓縮機的體積總流量（包含氣體與液體）。圖14中通道寬度×螺旋板散熱器寬度，即為進氣口截面積。

　　壓縮機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徑乘通道寬度減去壓縮液體積，即為壓縮機的實際壓比（氣體）。

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

　　絕對的理想等溫壓縮從實際應用來說，是不可能實現的，那需要無限大的散熱面積和無限長的等待時間。因此等溫壓縮都是指的近似等溫過程，等溫壓縮機的理論功耗與兩個數據密切相關，一個是冷卻介質的熱容量，一個是熱交換面積。

　　冷卻介質熱容量是指單位時間內，冷卻介質與壓縮氣體產生的熱容量之比，其比例的反比既是等溫壓縮機實際升高的溫度。例如壓縮一升空氣到某個壓力，絕熱條件下，空氣溫度要升高100度，如果冷卻風的流量達到10升，那么通過本等溫壓縮機，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，冷卻風流量達到100升，壓縮空氣的溫度只升高1度（約值）。冷卻介質理論上即可用氣冷也可用液冷，考慮到較高的公轉速度造成的離心力，一般氣冷對材料要求低。

　　熱交換面積即使再大，熱交換溫差也不可避免，以單位時間內壓縮產生的總熱量，除以導熱系數和面積的乘積，即等于熱交換溫差。導熱系數是壓縮氣體對散熱器材料表面傳熱系數，加上散熱器材料本身的導熱系數，加上散熱器對冷卻風的表面傳熱系數的和。

　　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。目前壓縮機實際過程一般為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為目前壓縮機實際壓縮功，1-3"-2'-2-5為本壓縮功耗（未計排氣功耗）。對于空氣，理論等溫壓縮功比絕熱理論絕熱壓縮功節能約40%，預計本方法實際壓縮功比目前現實壓縮功節能20%左右（視壓縮機設計壓比，散熱面積及冷卻風量而定），即便對比目前壓縮機采用多級壓縮中間冷卻的方案，只計算理論功耗，也可節能10%左右。

　　以上為等溫壓縮機基本結構及運行原理，以處于離心狀態下的，液體的密度與氣體的密度差，來替代活塞，并在自轉中完成壓縮過程。優點是液體和氣體同是流體，可以共同通過散熱器，且無機械摩擦，具有壓縮機類別中最大的散熱面積，可使得壓縮產生的熱可以及時排出，節約壓縮功；結構簡單，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困難，無汽缸活塞摩擦損失；也沒有氣門閥門等運動部件，可靠性高；液體和氣體處于連續直線流動狀態，流動損失小；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，加上壓縮液和回熱金屬絲的輔助，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，只受材料強度限制，大約可提供單級活塞式壓縮機級別的流量和適用壓力范圍。

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

　　壓縮液應選擇揮發率低，流動粘度低，流動性好，化學性能穩定，無毒，表明張力小，不與壓縮氣體發生化學反應與溶解的液體，如有微量揮發，則應當不易在高溫下與工質發生化學反應。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，只有當壓比較高，壓縮末端因為體積變化和增厚散熱器器壁時，才提供輔助散熱，一般可采用純凈水或者某些類型的油類。

　　當壓縮的自轉方向與螺旋方向相反，且壓縮液循環方向也反向運作時，等溫壓縮機可作為等溫膨脹機。此時冷卻風與待膨脹氣體溫度近似，氣體膨脹導致氣體溫度降低，熱量將從冷卻風流入膨脹氣體，和等溫壓縮原理相同，因為較大的換熱面積和大流量的冷卻風，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。

　　壓縮機需要適應不同的工作要求，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、提高層數、增加直徑、提高公轉速度、提高壓縮液流量等，具體方法要經過多次試驗對比，才能有合理的結論。

　　〈本文未完待續，更多精彩見下期——〉

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