CN103629153A - 一种压缩空气的单级叶轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于在压缩空气的轴流／径流／混流式通风机、鼓风机、压缩机，以及涡轮增压器和质子交换膜燃料电池空气供应系统中的单级(或多级结构的首级)叶轮机械的叶轮内气体压缩热力过程实施喷水雾化冷却的技术，可以大幅减少耗功、节能。本发明装置简单、技术成熟、使用安全可靠、技改成本低、效果好，宜于大规模推广应用。

Description

一种压缩空气的单级叶轮机械

技术领域

本发明涉及压缩空气的轴流／径流／混流式通风机、鼓风机、压缩机中的单级叶轮机械，以及内燃机增压技术领域内涡轮增压器中的单级离心压气机和质子交换膜燃料电池空气供应系统中的单级离心压气机。

背景技术

压缩空气的多级鼓风机和透平压缩机，在空气压缩的热力过程中，广泛采用冷却技术。冷却的主要任务——减少压缩过程中空气的温度，从而减少达到给定增压压力时所耗用的压缩功，实现节约能耗。冷却方法可以分为下面几种：外部冷却(引出的冷却)、内部冷却、预先冷却、喷水或其它液体的冷却，以及上述几种方法的联合使用。相关内容参阅[苏联]B.Φ.里斯著(董孝强等译)《离心压缩机械》·第三章·第84～144页·北京·中国工业出版社·1965年1月。

依叶轮机械气动热力学原理知：在每一单级叶轮机械级的空气压缩热力过程中，外界机械功与单级叶轮机械级内气体能量间的交换只能在旋转叶轮内进行。因此，只有在叶轮这一转动元件内的空气冷却才能减少原动机(譬如电机)驱动该压气机级转动消耗的功率，其它固定元件(如扩压器、迴流器、蜗壳)内的气体冷却则均不会对该级耗功的节省有所贡献。

现有上述叶轮机械采用的所有冷却技术中，均无对单级或多级中的第一级(首级)叶轮内的空气压缩热力过程实施冷却节省耗功的应用先例，造成了巨大的能量浪费。为了改进现有技术的这一缺点和不足，本发明公开了一种新的改进方案。

发明内容

本发明的目的在于为压缩空气的单级(或多级叶轮机械中的首级)叶轮机械内的压缩热力过程的耗功节省提供一个实用性很强、技术成熟、结构简单、使用安全可靠、节能效果显著、技改成本低的技术方案。

本发明为实现上述目的采用的核心技术是往流入单级或多级中的首级叶轮机械的旋转叶轮进口的空气气流中喷水雾化加湿。

与现有技术采用的单级叶轮机械喷水冷却方式——在叶轮出口后加湿的情况不同，本发明在空气流入叶轮前的叶轮进口部位的气流中喷水加湿，实质上是对叶轮内部气体流动的压缩过程实施冷却。因为在一般大气环境条件下，水的定压比热约为空气定压比热的4倍；水的汽化潜热更是高达空气定压比热的2400倍。这样，由水和空气在叶轮进口由于喷水雾化加湿形成的混合气体——潮湿空气(含有较多水量的未饱和／饱和／超饱和潮湿空气)，在叶轮内的压缩热力过程中所产生的温升会因其中所含水份的吸热受到显著抑制，从而获得冷却的明显结果。

由热力学的分析可知：

●喷水加湿，增加流入叶轮内潮湿空气中的含水量，即使在喷入很少量水的情况下(例如在每公斤干空气中喷入10克水)，也能使轮内压缩过程的温度增升明显得到抑制，使整个压缩热力过程更接近等温压缩过程，显著减少了压缩过程耗用的功率。

●喷水冷却，即使在很小压缩比(π_c≈2)的情况，也能产生很好的节能效果，可节省功率5％左右。

●喷水冷却产生的耗功节省效果，随压缩空气的流量与压缩比的增加而提高。对于低压缩比，轮内压缩热力过程使空气的增温达不到水在该压力下的沸点时，则潮湿空气中所含雾化水滴的吸热量只是与含水量等同质量空气的吸热量的四倍；但对高压缩比，当轮内压缩空气的温升达到沸点温度时，比空气等压比热高达2400倍的水的汽化潜热吸热能力，就能强烈抑制空气在级内的温升，得到很好的耗功节省效果。

●空气在叶轮内的压缩热力过程，自叶轮进口至叶轮出口是一个压力和温度不断增升的过程。这一状况，可保证被压缩的轮内潮湿空气中的水蒸汽不会达到露点(相对湿度100％，低于该压力下的露点，水蒸汽就开始凝结)，轮内加湿雾化补入的水份可一直作为吸热剂对抑制级内空气温升发挥作用，同时也不致为因水蒸汽凝结放热和产生凝结水滴形成的“气水二相流动”内部附加流动损失对级内空气的压缩热力过程造成的不利负面影响而耽心。

●耗功节省部分在T～S(温～熵)图上的显示

喷水轮内冷却压气机级压缩实际热力过程1→2在T～S图上的显示如附图1所示。图中，诸热当量面积的含义如下：

曲边多边形122″ab1的面积——喷水轮内冷却压气机级耗用的多变压缩功；

曲边梯形13cb1的面积——级内气体流动摩擦、分离、泄漏和轮盘摩阻等造成的损失；

曲边多边形12dbc31的面积——冷却时传至外界的总热量，它等于过程1→2冷却传出的热量(曲边梯形12db1面积)与损失转化的热量(曲边梯形13cb1面积)之和，即面积12dbc31=面积12db1+面积13cb1。

参与对比的诸标准压缩热力过程的耗功热当量面积分别为：

①与外界无冷却换热情况的压气机级1→3多变压缩过程耗用的多变压缩功为曲边多边形132″ab1面积；

②等熵(绝热)压缩过程1→2′耗用的等熵压缩功为曲边梯形12′2″ab1面积；

③等温(冷却)压缩过程1→2″耗用的等温压缩功为矩形12″ab1面积。

将喷水轮内冷却压气机级压缩的实际热力过程的耗功分别与上述不同标准压缩热力过程的耗功对比，可知：

■与无冷却多变压缩过程相比，耗功节省了曲边三角形1231面积的热当量；

■与等熵(绝热)压缩过程相比，耗功节省了曲边三角形122′1面积的热当量；

■与等温(冷却)压缩过程相比，耗功多耗了曲边三角形122″1面积的热当量。

综上分析，可得结论：喷水轮内冷却压缩热力过程的耗功明显较非冷却节省。

本发明为实现喷水雾化加湿进行轮内空气压缩热力过程冷却的技术方案，是在单级压气机(或多级压气机的首级)的空气进口管上接入一个喷水雾化加湿装置。该装置能根据压气机负荷工况冷却的需要，相应提供所需足够的喷水量。

对于雾化加湿水量需求较小的装置，可采用超声雾化加湿装置。该装置产生的水雾能充分与单级压气机的吸入空气完美混合，基本不会在压缩过程出现“沾壁”、“气水二相流”的状况，从而避免了引发“腐蚀”、“脏物粘附”通流部分流道壁面和增加流动损失的现象发生。这种超声雾化加湿装置，在现今的空调器械、医疗器械、超市蔬菜保鲜……中广泛应用，本发明可根据需要方便选用。

对于雾化加湿水量需求大的装置，可采用大中型柴油机上将水雾喷入进气管进入燃烧室，以降低最高燃烧温度(降低有害氮氧化物排放)时所用的雾化喷嘴(喷水压力0.5～0.75兆帕，喷水量每分钟可达数升)。这种雾化喷嘴的应用实例请参阅李宁等《G32柴油机满足IMO Tier II NO_x排放要求的技术研究》·柴油机·2012年第3期·第18～21页·上海。

根据本发明技术方案的构成，可知本发明是一项技术成熟、结构简单、使用安全可靠、节能效果显著、用途广泛、技改成本低、值得大力推广的节能技术。

附图说明

图1示出的是单级叶轮机械内压缩空气不同热力过程的T～S(温～熵)示意图。

图2示出的是涡轮增压器中的单级离心压气机进气管上接入超声雾化水液加湿装置的本发明示例的示意图。

图3示出的是一种超声波雾化系统示意图。

具体实施方式

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容作进一步描述。

如上所述，本发明方案的技术核心是在单级叶轮机械压气机的进口管上接入喷水雾化加湿装置，使其产生的极细水雾，在叶轮进口与吸入的空气充分混合成富含水份的潮湿空气(所含水量，根据冷却需要，可以在叶轮进口调节成未饱和／饱和／超饱和状态)。悬浮在潮湿空气中的雾状水滴在叶轮内的潮湿混合空气的压缩热力过程中，作为吸热剂，不断吸收压缩所产生的热量，从而抑制与降低了轮内空气温度的增升程度，起到了冷却的效果——减少了压气机的耗功。

附图2示出的是涡轮增压器中的离心压气机(单级涡轮增压器／二级增压中的低压涡轮增压器中的单级离心压气机)的进口管上接入超声雾化水液加湿流入轮内空气的装置。其中的涡轮增压器结构是一种小排量轿车增压汽油机用的单级涡轮增压器，超声雾化装置(图3)示出的是一种使用PZT陶瓷的螺栓紧固Langevin(郎之万)型振子产生2MHz左右频率超声波形成水雾状粒子的结构。相关内容请详见[日]坂野久夫著(历仁玉译)《最新精密陶瓷》·上海·同济大学出版社·1990年11月·第91页。

Claims (3)

1.一种压缩空气的单级叶轮机械，它由一个单级叶轮机械和一个喷水雾化加湿装置串接组成，其特征在于：喷水雾化加湿装置的雾化水液流出口与单级叶轮机械中叶轮的空气吸入口串接。

2.按权利要求1所述的单级叶轮机械，其特征在于：该单级叶轮机械是指压缩空气的轴流／径流／混流式通风机、鼓风机、压缩机以及涡轮增压器和质子交换膜燃料电池空气供应系统中只有单级结构的叶轮机械，或多级结构中的首级(第一级)叶轮机械。

3.按权利要求1所述的单级叶轮机械，其特征在于：喷水雾化加湿装置可以是任何一种具有雾化喷水功能的装置，不局限于采用超声雾化和喷嘴雾化等已有成熟技术。

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