【壓縮機(jī)網(wǎng)】摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了一種全新的氣體壓縮機(jī)工作方法原理，可實(shí)現(xiàn)最接近理論等溫過程的壓縮與膨脹，已獲得國(guó)家方法發(fā)明專利（授權(quán)公告號(hào)：CN  110848151 B）。通過其基本的工作原理、

　　理論模型、數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)計(jì)算方法，論證了等溫壓縮的能效，以及該技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械方面的要求。最后探討了氣態(tài)工質(zhì)（近）等溫壓縮得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于熱力循環(huán)帶來的影響，提出了基于工質(zhì)等溫壓縮/膨脹時(shí)，在各種工況下最理想熱力循環(huán)的基本理論模型，以及對(duì)熱機(jī)熱泵、能源環(huán)境變革性的影響。

　　文/張桂偉

　　<接上期——>

　　第2章 等溫壓縮機(jī)實(shí)例

　　上一章節(jié)筆者簡(jiǎn)單介紹了一種新型氣體等溫壓縮/膨脹方法發(fā)明專利技術(shù)的基本工作原理。本章節(jié)我們按照設(shè)定條件，依據(jù)本技術(shù)方案設(shè)計(jì)一臺(tái)具有實(shí)用意義的等溫空氣壓縮機(jī)，簡(jiǎn)單計(jì)算一下大略的數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 19153-2019《容積式空氣壓縮機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)為干空氣，進(jìn)氣壓力0.1MPa溫度20℃（293K）,流量100L/min，出氣口壓力（表壓）1.0MPa，出口溫度設(shè)定為40℃（313K）。設(shè)定條件下每秒流量0.00167m3

　　設(shè)定工作條件下，絕熱壓縮理論功耗：

　　壓縮氣體出口溫度：

　　設(shè)定工作條件下，本技術(shù)方案理論功耗，以設(shè)定出口溫度313K可以倒推出多變系數(shù)為1.028

　　則理論功耗為：

　　理論等溫壓縮功耗為：

　　本方案的理論功耗略高于理論等溫壓縮功耗，遠(yuǎn)低于904焦耳的絕熱壓縮功耗。重點(diǎn)來了，實(shí)現(xiàn)40℃（313K）的出口溫度與1.028的絕熱系數(shù)，需要做到哪些必要的指標(biāo)？先來計(jì)算一下需要冷卻風(fēng)量。首先，100L/min÷60≈1.67L/S，20℃時(shí)干空氣密度1.2kg/m3，1.2×0.00167=0.002kg。

　　然后根據(jù)壓力要求計(jì)算理論絕熱壓縮后的溫度，絕熱壓縮后溫度為764.58K。

　　764.58K-293K=471.58K為絕熱壓縮時(shí)的溫升

　　313K-293 K=20K為等溫壓縮時(shí)的溫升。

　　雖然設(shè)定溫度比理論溫度要高20K，但是前面說過，等溫壓縮理論功耗包括兩個(gè)部分：冷卻風(fēng)量和散熱面積，因此冷卻風(fēng)量只能按照一半——10度的溫差進(jìn)行計(jì)算，兩者呈反比關(guān)系：

　　471.58/10=47.1*1.67=78.65L

　　因此理論上冷卻的風(fēng)量至少為每秒78.65L，即4719L/min。

　　散熱器功率不低于0.002（每秒壓縮空氣的質(zhì)量）*1007（空氣的比熱容）*471.58K（絕熱壓縮升高的溫度）=949.76W。

　　散熱器效率由三個(gè)部分相加組成，壓縮空氣對(duì)散熱器內(nèi)表面的傳熱系數(shù)+散熱器材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)+散熱器外表面積對(duì)冷卻空氣的傳熱系數(shù)，三者相加不能超過剩余的10度的溫差，因?yàn)橐话憬饘俨牧蠈?dǎo)熱系數(shù)較高。一般鋁的熱導(dǎo)率為237W/(m*k)，以一般板式散熱器1毫米左右的厚度，散熱器材質(zhì)和厚度造成的熱阻近乎可以忽略，因此只需要計(jì)算兩側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。空氣表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)因?yàn)閷恿骰蛘呶闪饕约傲魉俚牟煌?，約為11W/m2·K—58W/m2·K，取中間值約30W/m2·K，我們?cè)O(shè)定的出口溫度不超過313K，那么單側(cè)溫差最多5攝氏度，因此有：

　　加上設(shè)計(jì)余量，取6.5平方米。

　　下面進(jìn)行機(jī)體設(shè)計(jì)計(jì)算演示，首先要滿足的是壓比。等溫壓縮條件下，氣體的壓力與體積呈反比，壓縮液體積不可壓縮，目標(biāo)壓力為1.0MPa，壓縮結(jié)束時(shí)，液體與氣體體積之比為1:2比較合適，因此螺旋板散熱器的螺旋基線內(nèi)周長(zhǎng)，與螺旋基線外周長(zhǎng)之比為：

　　1+2:1+20=3:21

　　螺旋板散熱器的螺旋間隙，由板材厚度、壓縮通道間隙、冷卻通道間隙及組數(shù)決定，同時(shí)螺旋間隙也等于每層壓縮的絕對(duì)量。本次計(jì)算演示，以較為簡(jiǎn)單的等距螺旋、等距間隙（理想的設(shè)計(jì)為非等距的），兩組壓縮通道，板材厚度一毫米，壓縮通道、散熱通道寬度均為3毫米，螺旋層數(shù)10層為例。

　　設(shè)計(jì)螺旋板散熱器板材厚度一毫米，末段壓縮通道和散熱通道均為4毫米，兩組壓縮通道，8層，如圖18。要滿足至少6.5平方米，需要螺旋板散熱器寬度約20厘米，那么壓縮機(jī)外觀尺寸大概如圖19，整體大概直徑95厘米，主體寬度30到35厘米的圓柱形。

　　對(duì)于壓縮末段散熱面積相當(dāng)較小的問題，這個(gè)會(huì)由壓縮液輔助平衡，壓縮熱會(huì)傳遞給散熱器本身的材質(zhì)比熱中。壓縮液流經(jīng)時(shí)，熱量再傳遞給壓縮液，并帶到螺旋外層散熱，只要保證冷卻風(fēng)側(cè)的面積，散熱就不會(huì)出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象。

　　常規(guī)工況下，壓縮液可用普通水，因?yàn)闇囟茸兓淮?，可以不?duì)水的硬度要求過高。在離心狀態(tài)下，液體的壓強(qiáng)與距離公轉(zhuǎn)中心的距離成正比。每層的有效壓力由高低壓側(cè)的液位差，在某公轉(zhuǎn)速度下液體壓強(qiáng)變化圖上的投影面積確定。每層的投影面積相加（投影位置可疊加），面積之和相加的值加上科氏力，如低于于某個(gè)公轉(zhuǎn)速度下可提供的總面積，則需要增加公轉(zhuǎn)速度。反之可降低公轉(zhuǎn)速度，公轉(zhuǎn)速度越高，機(jī)械損耗越大，且需要更高的機(jī)體強(qiáng)度應(yīng)對(duì)離心力，因此優(yōu)化公轉(zhuǎn)速度是一項(xiàng)很重要的設(shè)計(jì)原則。優(yōu)化螺旋間距增加液體比例，使用比重更高的液體都是有效手段之一。

　　本次設(shè)計(jì)，很多新計(jì)算方式暫時(shí)無公式，通過其他方式，例如CAD作圖測(cè)量面積等方式獲得結(jié)果，因此就不展示計(jì)算過程，結(jié)論是公轉(zhuǎn)速度在1400r/min，通過優(yōu)化可望降低到1000r/min以下。

　　本技術(shù)方案理論功耗中其他的技術(shù)功耗，主要為驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，包括支撐系統(tǒng)公轉(zhuǎn)的兩個(gè)軸承（高轉(zhuǎn)速）；三組共六個(gè)自轉(zhuǎn)軸承（高負(fù)荷（承受整個(gè)螺旋板散熱器離心力）低轉(zhuǎn)速）；驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)的功耗，壓縮完成的氣體從壓縮機(jī)導(dǎo)出，需要經(jīng)過兩次滑動(dòng)密封，滑動(dòng)密封需要消耗一定的功耗；連接螺旋板散熱器和液體循環(huán)泵的齒鏈結(jié)構(gòu)有一定功耗；壓縮液流動(dòng)損失，經(jīng)過循環(huán)泵也有一定的損失。以上損失，無法精確計(jì)算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，不高于或者略高于普通活塞壓縮機(jī)的機(jī)械損耗。因此整體上比常規(guī)壓縮機(jī)節(jié)能，還是很有研究?jī)r(jià)值的（見表2）。

　　本技術(shù)方案的理論功耗為413W，實(shí)際功耗未知，沒有機(jī)械摩擦損失，壓縮過程無需潤(rùn)滑，機(jī)械損失預(yù)計(jì)較低，即使加上電動(dòng)機(jī)效率，最終整體功耗預(yù)計(jì)為600W～800W。該級(jí)別目前的壓縮機(jī)國(guó)家等效標(biāo)準(zhǔn)中，一級(jí)能效比為11，代入本次計(jì)算，則能耗為1100W，二級(jí)能效比1220W，三級(jí)能效比1380W，本技術(shù)方案節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。且可以確定，成本比目前的活塞或者螺桿壓縮機(jī)要低。本技術(shù)方案只要保證三個(gè)螺旋板散熱器重量一樣，旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定，不需要高精度加工，對(duì)潤(rùn)滑要求低，投產(chǎn)和使用門檻都比較低。

　　第3章 等溫壓縮機(jī)用途

　　本發(fā)明用途非常廣泛，等溫壓縮機(jī)可單獨(dú)用于壓縮氣體，部分替代主流的活塞式及螺桿式空壓機(jī)。相較于多級(jí)中冷空壓機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便宜，氣體流動(dòng)損失小，因?yàn)榫哂兴袎嚎s機(jī)中最大的散熱面積，因此最接近理論等溫壓縮線，具有最小的理論功耗。相比單級(jí)或者多級(jí)壓縮機(jī)，預(yù)計(jì)具有約10%～40%的理論節(jié)能效果。

　　如果用水做壓縮液，壓縮空氣可以做到無油；用某些低粘度油類做壓縮液，可以做到壓縮空氣無水，也可用于一些高溫易發(fā)生危險(xiǎn)或者變質(zhì)的特殊氣體壓縮。在作為空氣儲(chǔ)能壓縮機(jī)以及膨脹機(jī)時(shí)，使壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮端熱損耗降低，膨脹機(jī)免補(bǔ)燃，整體效率可提高10到20個(gè)百分點(diǎn)。

　　除了可單獨(dú)作為氣體壓縮機(jī)，更大的作用是作為熱力循環(huán)中的氣態(tài)工質(zhì)壓縮機(jī)，參與熱力循環(huán)，可以最大效率的完成理想熱力循環(huán)。雖然卡諾循環(huán)中同樣有對(duì)氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)行等溫壓縮的過程，但卡諾循環(huán)對(duì)于熱源的要求是等溫放熱，這在實(shí)際中是極少有的，多數(shù)熱源的熱源與溫度都呈函數(shù)正比關(guān)系，如果有可以等溫放熱的熱源，直接應(yīng)用卡諾循環(huán)即可。

　　本文只籠統(tǒng)簡(jiǎn)略的介紹變溫?zé)嵩矗ㄈ剂匣蛘邿嵩矗┡c恒溫?zé)嵩矗ù髿猸h(huán)境）之間進(jìn)行的理想熱力循環(huán)，內(nèi)容涵蓋了大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用工況，較為寬泛和基礎(chǔ)，其中不乏不適用于氣態(tài)工質(zhì)等溫壓縮循環(huán)的工況，只是讓大家對(duì)于本等溫壓縮技術(shù)，應(yīng)用于熱力循環(huán)的可能性前景有個(gè)大致了解。與卡諾循環(huán)只有正循環(huán)與逆循環(huán)不同，等溫壓縮熱力循環(huán)，更細(xì)致的區(qū)分了四種基礎(chǔ)循環(huán)模式，根據(jù)實(shí)際工況以及技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性，可能還需要對(duì)這四種循環(huán)進(jìn)行修正或者聯(lián)合。

　　熱機(jī)循環(huán)，等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹

　　制冷循環(huán)，等溫壓縮-絕熱膨脹-等壓吸熱

　　制熱循環(huán)，等溫膨脹-絕熱壓縮-等壓放熱

　　冷機(jī)循環(huán)，等溫膨脹-等壓放熱-絕熱壓縮

　　先解釋一下什么是冷機(jī)，冷機(jī)是指以低于環(huán)境溫度的物質(zhì)為低溫?zé)嵩吹恼h(huán)，以大氣環(huán)境溫度為高溫?zé)嵩?，輸出凈功的熱機(jī)。例如低溫過冷海水，為了與熱機(jī)以及制冷區(qū)分，稱其為冷機(jī)。這不是正式學(xué)術(shù)名詞，且實(shí)際來源極少，溫差不大，利用價(jià)值較低，但是作為理論的一部分，還是要提出的。下面對(duì)理論做出簡(jiǎn)單的概括性和定性分析說明。

　　其中的熱機(jī)循環(huán)已經(jīng)有人做過研究，稱為三角循環(huán)（TLC），研究結(jié)果表明，三個(gè)過程的熱機(jī)循環(huán)具有最高的熱功轉(zhuǎn)化效率，這和卡諾循環(huán)具有最高的熱效率并不矛盾?？ㄖZ循環(huán)是純理論循環(huán)，三角循環(huán)（TLC）則考慮了現(xiàn)實(shí)中熱環(huán)境、時(shí)間等現(xiàn)實(shí)因素，兩者是等效的，并不存在矛盾。而等溫?zé)崃ρh(huán)，不止包括熱機(jī)三角循環(huán)（TLC)，還包括制冷制熱以及冷機(jī)循環(huán)，以及修正循環(huán)與聯(lián)合循環(huán)。等溫?zé)崃ρh(huán)更全面系統(tǒng)地闡述了各種工況下的理想熱力循環(huán)。

　　外熱源熱機(jī)

　　外熱源熱機(jī)系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成，本發(fā)明的等溫壓縮機(jī)、絕熱膨脹機(jī)、逆向換熱器，使用氣態(tài)工質(zhì)，循環(huán)過程中工質(zhì)無相變，循環(huán)過程為：等溫壓縮-等壓吸熱-絕熱膨脹，主要用于中低溫非相變和非燃燒熱源的利用（相變熱源直接用朗肯循環(huán)即可）。例如各種工業(yè)余熱、太陽能、地?zé)岬取＠碚撔矢哂谟袡C(jī)朗肯循環(huán)（ORC）、斯特林循環(huán)、封閉式布雷頓循環(huán)等，也可用于核反應(yīng)堆（高溫氣冷堆）發(fā)電或者直接輸出動(dòng)力（例如核潛艇動(dòng)力）。絕熱膨脹機(jī)從現(xiàn)在成熟的技術(shù)里面優(yōu)選即可。逆向換熱器上面流過的是熱源，下面流過的是工質(zhì)。

　　這只是示意了一個(gè)理想的，只有5度傳熱溫差的逆向換熱器。事實(shí)上傳熱是很復(fù)雜的，除了熱的傳遞，還包括流體力學(xué)、熱源之間的熱對(duì)流、表面?zhèn)鳠?、換熱器材質(zhì)熱傳導(dǎo)等，這里就不深入探討了。只是表明，這種換熱在準(zhǔn)靜態(tài)條件下是可以發(fā)生的，只是溫差越小，需要的散熱器面積的越大，需要在短期成本和長(zhǎng)期成本之間做出一個(gè)平衡的選擇。以下是TS圖和PV圖，高溫?zé)嵩碩1與低溫?zé)嵩碩2，T2通常為大氣環(huán)境溫度。

　　大多數(shù)熱源的理論極限就是上圖左邊構(gòu)成的近似三角形。有機(jī)朗肯循環(huán)、斯特林循環(huán)以及布雷頓循環(huán)，都存在的不可逆損失。

　　我們以朗肯循環(huán)來對(duì)比一下其平均吸熱溫度與放熱溫度，以及吸熱量，就可以明白為什么等溫循環(huán)的效率高于其他循環(huán)模式。這里不應(yīng)當(dāng)與卡諾循環(huán)對(duì)比，因?yàn)閷?duì)于有限熱源來說，其放熱溫度并不能恒定，不滿足卡諾循環(huán)條件。

　　這里說明一下?lián)Q熱器，液體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)遠(yuǎn)高于氣體，大約高50到100倍量級(jí)，但是氣體工質(zhì)的換熱器不會(huì)比液體工質(zhì)的熱交換換熱面積高那么多倍數(shù)。液體工質(zhì)大部分情況下冷卻介質(zhì)也是氣體，代表性的是管翅式換熱器，液體工質(zhì)的內(nèi)表面相比翅片面積小很多，換成板式兩側(cè)都是氣態(tài)工質(zhì)的工況，兩側(cè)面積相差不多，所以純氣態(tài)工質(zhì)熱力循環(huán)換熱器可能要大于相變循環(huán)，但這和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)關(guān)系不大。

　　準(zhǔn)靜態(tài)條件下，與現(xiàn)有循環(huán)對(duì)比，三個(gè)過程的等溫?zé)崃ρh(huán)的效率大約提高10%到50%，并且這是理論極限值。超過等溫?zé)崃ρh(huán)的理論值，是違反熱力學(xué)第二定律的。

　　內(nèi)/外燃機(jī)循環(huán)

　　內(nèi)燃機(jī)燃燒過程非常復(fù)雜，燃料的成分復(fù)雜，燃燒過程包含多個(gè)放熱吸熱（燃燒生成物的熱分解）、熱容變化、物化特性變化。這里只以氣態(tài)工質(zhì)燃燒（例如一氧化碳燃燒生成二氧化碳）為例，汽柴油等含氫燃料燃燒過程包含部分液體汽化熱力過程，以及燃燒產(chǎn)物（水蒸氣)的凝結(jié)等熱力過程更加復(fù)雜，限于篇幅就不一一詳細(xì)列舉了。對(duì)包含燃燒過程的熱力循環(huán)，大體上仍然和外熱熱源熱機(jī)循環(huán)方式一樣，但有一些特殊的情況，需要對(duì)循環(huán)過程進(jìn)行修正，修正的主要因素是燃料的自燃點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)修正以后的循環(huán)增加一個(gè)回?zé)徇^程，用預(yù)留的尾氣熱對(duì)已經(jīng)經(jīng)過等溫壓縮的新鮮空氣和燃料進(jìn)行加熱，溫度越接近燃料的自燃點(diǎn)越好，回?zé)崾菫榱吮苊馊紵龝r(shí)產(chǎn)生的熱量，從最高溫處傳遞給還沒開始燃燒過程的燃料。這是個(gè)高溫差傳熱，是不可逆損失，理論上可以不用回?zé)?，用絕熱壓縮替代也可以，只是那樣系統(tǒng)壓力會(huì)更高。

　　與目前循環(huán)的對(duì)比：

　　實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)修正循環(huán)，不能使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)那樣壓縮燃燒膨脹在一個(gè)汽缸內(nèi)完成的結(jié)構(gòu)，等溫壓縮機(jī)本身就不能做絕熱膨脹，需要像燃?xì)廨啓C(jī)那樣工質(zhì)移缸，由等溫壓縮機(jī)預(yù)先壓縮參與燃燒的空氣，讓空氣熵降焓不降，預(yù)先等溫排出燃燒會(huì)產(chǎn)生的等量多的熱量，然后通過熱交換，獲得部分尾氣預(yù)留的熱量，讓空氣和燃料燃燒時(shí)的溫度，盡可能接近自燃點(diǎn)定壓燃燒?？梢院鲆暺偷囊妆?，不會(huì)有爆震問題，讓汽油機(jī)至少達(dá)到柴油機(jī)的效率水平，對(duì)油料要求低，但是因?yàn)榭深A(yù)期的等溫壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)重量，該循環(huán)不適合渦噴和渦扇以及渦軸類發(fā)動(dòng)機(jī)，乘用車的裝機(jī)性可能也不好，最高系統(tǒng)壓力也顯著超過柴油機(jī)，對(duì)材料的要求是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

　　該循環(huán)方式從理論上講，降低了排熱溫度，減少了排熱損失，排熱已經(jīng)在對(duì)參與燃燒的空氣時(shí)預(yù)先等溫壓縮完成，因?yàn)橐罄鋮s風(fēng)量和壓縮空氣存在反比關(guān)系，所以可以以極低的溫差完成。通俗的解釋就是，假如不進(jìn)行等溫壓縮，絕熱壓縮空氣會(huì)升高1000度，那么用100倍量的空氣來為等溫壓縮過程降溫，被壓縮的空氣和冷卻它的空氣，溫度只都約升高10度（約值，還要算比熱容的），所以等溫循環(huán)的排熱溫度只有10度283K，遠(yuǎn)低于目前發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣溫度約800到1000K，尾氣的溫度也基本接近于環(huán)境溫度了，減低了排熱損失就是提高了有效輸出的效率。

　　這個(gè)多倍量的冷卻空氣是完成整個(gè)熱力循環(huán)，比其他內(nèi)燃機(jī)效率更高的必備條件，空氣無處不在且免費(fèi)，所以不算特殊條件，只要在地球上就可以滿足。如果是潛艇可以用海水來冷卻，效果更好，理論上本循環(huán)方式對(duì)燃料的節(jié)約幅度約為10%～40%左右。

　　〈注：本文未完待續(xù)，更多精彩見下期——〉

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