李亞南， 王景甫， 吳玉庭， 雷 標(biāo)， 沈麗麗， 馮玲玲

(1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部， 北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124；3.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司， 河北 唐山 064000)

近年來(lái)，人們對(duì)食品和醫(yī)藥安全越來(lái)越重視，對(duì)壓縮空氣品質(zhì)的要求也越來(lái)越迫切，特別是需要絕對(duì)無(wú)油的潔凈空氣. 水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)采用純凈水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，不會(huì)對(duì)壓縮空氣造成污染，且噴入壓縮腔的純凈水還可以起到冷卻、密封和降噪的作用，使壓縮過(guò)程接近等溫壓縮，有效降低機(jī)器能耗[1]. 同時(shí)，單螺桿結(jié)構(gòu)的螺桿承受的徑向和軸向氣體力可以自動(dòng)平衡，不存在三角泄漏區(qū)問(wèn)題，與雙螺桿相比具有受力平衡、振動(dòng)小、噪聲低、壽命長(zhǎng)、容積效率高和適用壓力范圍廣等多方面的優(yōu)勢(shì)[2]. 因此，水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)是提供無(wú)油壓縮空氣的理想選擇.

關(guān)于單螺桿壓縮機(jī)的研究有很多，Zimmern[3-5]最先發(fā)布了關(guān)于單螺桿壓縮機(jī)的文章，文章研究了單螺桿壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)，并給出了一些相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù). 吳建華等[6]對(duì)單螺桿壓縮機(jī)的工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了最佳內(nèi)外壓力比與內(nèi)容積比的近似關(guān)系. 李紅旗等[7]對(duì)噴油單螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子螺槽的表面溫度進(jìn)行了測(cè)量. 周雷等[8]建立了噴液?jiǎn)温輻U壓縮機(jī)內(nèi)液滴空間運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了噴液參數(shù)對(duì)氣液換熱的影響. 辛電波等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了轉(zhuǎn)速、排氣壓力和噴油量等參數(shù)對(duì)噴油單螺桿壓縮機(jī)熱力性能的影響.

液體噴入壓縮機(jī)后的液滴直徑與壓縮機(jī)的性能有很大關(guān)系. 所以有必要對(duì)噴入壓縮機(jī)的液體的霧化特性進(jìn)行研究，分析其對(duì)壓縮機(jī)性能的定量影響規(guī)律. 現(xiàn)有關(guān)于霧化對(duì)壓縮機(jī)性能影響的研究主要針對(duì)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)，李紅旗等[10]研究了潤(rùn)滑油霧化對(duì)單螺桿壓縮機(jī)排氣溫度的影響，證明對(duì)潤(rùn)滑油霧化可以有效提高壓縮機(jī)的性能. 吳修聞等[11]研究了噴油參數(shù)對(duì)雙螺桿壓縮機(jī)性能的影響，得出了不同噴油孔直徑下保證噴油呈霧化狀態(tài)的最小噴油量. 林強(qiáng)等[12]對(duì)單螺桿壓縮機(jī)噴油霧化進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同噴油參數(shù)下單螺桿壓縮機(jī)的效率.

以上研究主要集中在油潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)，現(xiàn)有關(guān)于水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)的研究較少，Li等[13-14]研究了不同嚙合副型線對(duì)單螺桿壓縮機(jī)動(dòng)力水潤(rùn)滑參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)采用多圓柱嚙合副時(shí)水潤(rùn)滑效果最好，但是沒(méi)有建立水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)的工作過(guò)程熱力學(xué)模型. 吳震宇等[15]研究了提高轉(zhuǎn)速對(duì)燃料電池用單螺桿壓縮機(jī)性能的影響，以及壓縮機(jī)在壓縮過(guò)程中的能量損失，但是沒(méi)有研究霧化對(duì)壓縮機(jī)性能的影響. Yang等[16]研究了用于機(jī)械蒸汽壓縮系統(tǒng)的單螺桿水蒸氣壓縮機(jī)，分析了噴水量與壓縮機(jī)性能之間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)得到對(duì)噴水進(jìn)行霧化可以提高壓縮機(jī)的性能的結(jié)論，但是沒(méi)有對(duì)噴水霧化進(jìn)行詳細(xì)的理論分析. 而且水蒸氣壓縮機(jī)與空氣壓縮機(jī)雖然機(jī)械結(jié)構(gòu)相近，但在使用工況和熱力性能等方面有很大差別.

對(duì)于水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)，噴入壓縮機(jī)中的水以2種形態(tài)存在：一部分在工作腔壁面形成液膜，對(duì)各泄漏通道起到密封和潤(rùn)滑的作用；另一部分通過(guò)節(jié)流孔后被霧化為微小的液滴，與被壓縮氣體均勻混合，可與高溫氣體進(jìn)行換熱，起到冷卻降溫的作用，使壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程趨近等溫壓縮. 而且水的比熱、黏度等參數(shù)與油有很大的差別，所以很有必要分析噴水霧化對(duì)水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)性能的影響. 因此，本文主要對(duì)單螺桿水潤(rùn)滑空氣壓縮機(jī)的噴水霧化進(jìn)行理論分析和仿真研究，建立水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的工作過(guò)程熱力學(xué)模型，通過(guò)模型研究噴水孔直徑對(duì)霧化效果以及壓縮機(jī)性能參數(shù)的影響，為水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

1 工作過(guò)程模型建立

1.1 假設(shè)

水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程非常復(fù)雜，工作介質(zhì)涉及到液態(tài)水、水蒸氣、干空氣3種流體. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在建立工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型時(shí)，做出以下假設(shè)：

1) 忽略流體位能、動(dòng)能以及流動(dòng)損失的變化.

2) 控制容積內(nèi)各流體的溫度、壓力等分布是均勻的，并且工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)隨螺桿轉(zhuǎn)角呈周期性變化.

3) 液態(tài)水的密度為常數(shù).

4) 濕空氣中水蒸氣始終為飽和狀態(tài).

5) 液態(tài)水以液膜和液滴2種形態(tài)存在.

6) 忽略吸氣過(guò)程的壓力脈動(dòng)，且氣相和液相的壓力始終相等.

7) 控制容積內(nèi)，液滴質(zhì)量與液態(tài)水總質(zhì)量的比值為恒定，定義為霧化比.

1.2 基本方程

取水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的一個(gè)工作螺槽為控制容積，如圖1所示. 圖中：W為耗功；Q為換熱量；m為質(zhì)量；p為氣體壓力；V為螺槽容積；T為溫度；v為比體積. 下標(biāo)符號(hào)定義如下：a為干空氣，v為水蒸氣，l為液態(tài)水，g為濕空氣，in為流入，out為流出.

圖1 控制容積示意圖

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒可列出各組分的質(zhì)量和內(nèi)能隨螺桿轉(zhuǎn)角變化的微分方程.其中，濕空氣的質(zhì)量守恒方程為

(1)

式中：θ為螺桿轉(zhuǎn)角.

液態(tài)水的質(zhì)量守恒方程為

(2)

干空氣的能量守恒方程為

(3)

式中：h為比焓；Qa為干空氣與液態(tài)水的換熱量；Wa為壓縮氣體耗功.

液態(tài)水的能量守恒方程為

(4)

式中：Ql為液態(tài)水與濕空氣的換熱量；u為比熱力學(xué)能.

結(jié)合熱力學(xué)基本方程

(5)

式中c為比熱容.可得，控制容積內(nèi)干空氣的比體積隨螺桿轉(zhuǎn)角變化的微分方程為

(6)

控制容積內(nèi)干空氣的壓力隨螺桿轉(zhuǎn)角變化的微分方程為

(7)

控制容積內(nèi)液態(tài)水的溫度隨螺桿轉(zhuǎn)角變化的微分方程為

(8)

1.3 泄漏模型

單螺桿空氣壓縮機(jī)有9條泄漏通道，如圖2所示.L1為螺槽底部與星輪齒頂之間的間隙，L2和L4分別為星輪齒左右側(cè)與螺槽之間的間隙，L3和L5分別為星輪齒前后側(cè)與螺槽和機(jī)殼包圍的氣孔，L6為星輪齒頂面與殼體密封面之間的間隙，L7和L8分別為螺槽前后邊緣與殼體內(nèi)表面之間的間隙，L9為螺槽排氣端邊緣與殼體內(nèi)表面之間的間隙.

圖2 單螺桿壓縮機(jī)泄漏通道示意圖

潤(rùn)滑水噴入壓縮機(jī)后，工作介質(zhì)變?yōu)樗? 氣兩相流體，本文將通過(guò)各泄漏通道的流體看為兩相層流，并假設(shè)泄漏通道中氣體所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與壓縮腔中的氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等[17-18].泄漏方程可表示為

(9)

式中：Clea為流量系數(shù)；α為空隙率；S為截面面積；ρ為密度；v為速度；ω為螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；f為滑移系數(shù)；χ為氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；h1為高壓側(cè)的比焓；h2為低壓側(cè)的比焓.

1.4 換熱模型

本文假設(shè)噴入壓縮機(jī)中的液態(tài)水以液滴和液膜2種形態(tài)存在，液膜均勻地附著在控制容積的壁面上.因此水與濕空氣之間的換熱量隨螺桿轉(zhuǎn)角的變化可表示為

(10)

式中：film為液膜，drop為液滴.則水與干空氣的換熱量隨螺桿轉(zhuǎn)角的變化為

(11)

式中：cpa為干空氣的等壓比熱容；cpv為水蒸氣的等壓比熱容.

濕空氣與水之間的換熱量計(jì)算可采用強(qiáng)迫對(duì)流換熱公式，換熱系數(shù)可由努塞爾數(shù)來(lái)確定.其中，濕空氣與液膜之間的換熱量隨轉(zhuǎn)角的變化可由

(12)

來(lái)計(jì)算.式中：kfilm為濕空氣與液膜之間的換熱系數(shù)；Sfilm為液膜面積，即控制容積壁面面積；cr為螺旋管修正系數(shù)；vg,film為濕空氣相對(duì)于液膜的速度；de為螺槽內(nèi)的等效直徑；Nu為努塞爾數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；μ為動(dòng)力黏度.

濕空氣與液滴之間的換熱量隨轉(zhuǎn)角的變化可由

(13)

來(lái)計(jì)算.式中：kdrop為濕空氣與液滴之間的換熱系數(shù)；Sdrop為液滴總面積；ddrop為霧化后的液滴直徑；vg,drop為濕空氣相對(duì)于液滴的速度；ζ為水的霧化率；ml為噴入水的質(zhì)量.

水噴入螺槽后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜，這里為了簡(jiǎn)化計(jì)算，引入霧化率ζ，等于液滴質(zhì)量占液態(tài)水總質(zhì)量的百分比，其取值范圍為0～1.

1.5 噴水模型

從噴水口的入口截面到出口截面列伯努利方程為

(14)

入口流速近似為0，且忽略位置變化，則可得出口截面的流速為

(15)

則，噴水的質(zhì)量流量為

(16)

式中：v1為噴水孔入口流速；v2為噴水孔出口流速；β為動(dòng)能修正系數(shù)；g為重力加速度；z為位置高度；Cp為流量系數(shù)；Sp為噴水孔面積；p1為噴水孔入口壓力；p2為噴水孔出口壓力.

1.6 霧化機(jī)理

水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)噴水的霧化機(jī)理是將液體在壓力的作用下通過(guò)噴水孔噴出，實(shí)現(xiàn)壓力勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，從而獲得相對(duì)于周?chē)鷼怏w較高的流動(dòng)速度，通過(guò)氣液之間強(qiáng)烈的剪切作用來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的霧化[19].液體射流在空氣中做相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 一方面它將受到空氣動(dòng)力( 慣性力) 的作用， 這個(gè)力促使其破碎；另一方面是液體表面張力的作用， 這個(gè)力保證射流不破碎.而當(dāng)外力作用足以克服表面張力和液體黏滯力時(shí)，液體就會(huì)破碎成許多液滴.這些液滴是不穩(wěn)定的，在周?chē)鷼饬鞯淖饔孟?，又?huì)發(fā)生二次霧化，進(jìn)而破碎成更小的液體顆粒.

液滴在氣體中破碎是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，經(jīng)過(guò)學(xué)者不斷研究，引進(jìn)了量綱一的韋伯?dāng)?shù)來(lái)分析流體的運(yùn)動(dòng).其計(jì)算公式為

(17)

式中：ρg為濕空氣的密度；ul為水滴相對(duì)于空氣的速度；σl為水滴的表面張力；dp為噴水孔直徑.

由式(17)可以看出，韋伯?dāng)?shù)表征了空氣動(dòng)力與液體表面張力的比值.韋伯?dāng)?shù)越小，液體的表面張力越發(fā)揮主要作用，液滴破碎比較困難；韋伯?dāng)?shù)越大，說(shuō)明氣體的動(dòng)壓強(qiáng)越大，液滴容易發(fā)生變形和破碎.所以韋伯?dāng)?shù)越大，水的霧化效果越好.

噴水孔噴出的水在空氣中的破裂可以分為Rayleigh型分裂、第1類(lèi)風(fēng)生分裂、第2類(lèi)風(fēng)生分裂和霧化4種形式[20-21]，如圖3所示.

圖3 4種破碎形式示意圖

1) Rayleigh型分裂

在射流速度很低的情況下，氣動(dòng)力的作用較小，由液體的表面張力作用，液柱表面出現(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)震蕩波.在液體離開(kāi)噴嘴出口一定距離后，連續(xù)的液柱分裂成比射流直徑大的液滴.

2) 第1類(lèi)風(fēng)生分裂

隨著射流速度的增加，氣動(dòng)力開(kāi)始發(fā)揮作用，但液體表面張力仍然起主要作用并不斷地增強(qiáng)，導(dǎo)致在液柱的內(nèi)部受到不均勻分布的壓力，最終加快了液柱的破碎.液體分裂的位置距離噴嘴出口也很遠(yuǎn)，但破碎的液滴直徑與初始射流直徑的量級(jí)在同一級(jí)別上.

3) 第2類(lèi)風(fēng)生分裂

伴隨著液體射流速度的增加，氣液之間的相互作用力加強(qiáng)，使得不穩(wěn)定表面波增長(zhǎng)，進(jìn)而使得連續(xù)液柱發(fā)生破碎，表面張力會(huì)抑制擾動(dòng)波的增長(zhǎng).在距離噴孔一定距離處連續(xù)液柱進(jìn)行分裂，分裂后的液滴直徑要比最初射流直徑小.

4) 霧化

在壓力差或者射流速度足夠大時(shí)，液體在剛離開(kāi)噴嘴進(jìn)入氣體中就馬上分裂，破碎形成直徑很小的液滴，即霧化.霧化后的液滴直徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比初始射流直徑小.

現(xiàn)有文獻(xiàn)一般認(rèn)為當(dāng)韋伯?dāng)?shù)大于60時(shí)，噴入單螺桿壓縮機(jī)工作腔內(nèi)的液滴呈霧化形式.

研究中常用霧化液滴平均直徑來(lái)表征霧化效果.在不同的霧化場(chǎng)景常采用不同的液滴平均直徑.常用的有：

1) 算數(shù)平均直徑D10

(18)

式中ni為噴霧群中直徑為Di的霧滴個(gè)數(shù).

進(jìn)行這種平均后，原來(lái)含有不同尺寸霧滴的滴群被折合成霧滴總數(shù)不變、直徑均為D10的霧滴群.

2) 索特平均直徑D32

(19)

索特平均直徑的含義是，把噴霧滴群中∑ni個(gè)不同尺寸的霧滴，折合成N個(gè)直徑為D32的霧滴，其總體積和總面積均與原液滴群相同.

本文霧化后液滴的索特平均直徑計(jì)算式[22]為：

(20)

式中：μl為水的動(dòng)力黏度；Δp為噴水孔前后壓差.

2 仿真計(jì)算

通過(guò)以上分析，建立了水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算模型中工質(zhì)的參數(shù)與泄漏、換熱等因素是相互耦合的，為了求解該耦合問(wèn)題，本文采用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算.

以無(wú)泄漏和等熵壓縮計(jì)算結(jié)果作為初始條件，結(jié)合泄漏模型、傳熱模型和噴水模型等，利用四階龍格庫(kù)塔法求解方程組的數(shù)值解，得到工作過(guò)程的狀態(tài)參數(shù).當(dāng)絕對(duì)值ξ(即最后2次計(jì)算得到壓力差值)達(dá)到精度要求時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂，得到最終計(jì)算結(jié)果.計(jì)算流程如圖4所示.

圖4 計(jì)算程序流程

3 結(jié)果與討論

水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 水潤(rùn)滑單螺桿壓縮機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 霧化效果分析

由圖5可以看出，當(dāng)噴水孔直徑不變時(shí)，噴水速度與噴水流量成正比，所以韋伯?dāng)?shù)隨著噴水流量的增大而增大.由韋伯?dāng)?shù)的值大于60，可以得出不同噴水孔直徑對(duì)應(yīng)的最小噴水量.

圖5 韋伯?dāng)?shù)與噴水流量關(guān)系

由圖6可以看出，隨著噴水孔直徑的增大，霧化后的液滴直徑增大，而且增大的速率逐漸變緩.噴水孔直徑由5 mm增大到7 mm，液滴直徑增大0.011 mm.

圖6 液滴直徑與噴水孔直徑關(guān)系

3.2 p-V圖分析

圖7為不同噴水孔直徑下的p-V圖，由圖可以看出，在噴水孔直徑為5 mm時(shí)，壓縮過(guò)程的p-V曲線與絕熱壓縮過(guò)程曲線基本重合，隨著噴水孔直徑的增大，噴水流量增大，水與壓縮空氣之間的換熱量增大，所以壓縮過(guò)程逐漸遠(yuǎn)離絕熱壓縮過(guò)程，向等溫壓縮過(guò)程曲線靠近，有利于壓縮機(jī)性能的提高.

圖7 不同噴水孔直徑對(duì)p-V圖的影響

3.3 性能分析

3.3.1 容積效率

如圖8所示，噴水孔直徑相同時(shí)，壓縮機(jī)的容積效率隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高，當(dāng)噴水孔直徑為6 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)? 500 r/min增加到3 000 r/min，容積效率從67.1%提高到了79.7%.這是因?yàn)?，容積效率與泄漏量有關(guān).一方面，對(duì)于單個(gè)工作螺槽來(lái)說(shuō)，泄漏速率是恒定的，轉(zhuǎn)速越高泄漏時(shí)間越短，總泄漏量變少.另一方面，轉(zhuǎn)速升高，螺槽中的水氣比減少(如圖9所示)，影響了換熱量和密封效果，泄漏量增大.隨著轉(zhuǎn)速的升高，后者的作用逐漸增大，所以容積效率的增加速率變緩.

圖8 轉(zhuǎn)速和噴水孔直徑對(duì)容積效率的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，噴水量與噴水孔前后壓差和噴水孔面積成正比，同工況下，噴水孔前后壓差不變，所以噴水孔的直徑越大，噴水孔面積越大，噴水量越大，壓縮機(jī)的換熱和密封性能越好，容積效率越高.在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，噴水孔從5 mm增加到7 mm，容積效率由77.2%提高到了81.1%.

由圖9可看出，水氣比隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小，但是減小趨勢(shì)越來(lái)越緩.這是由于轉(zhuǎn)速越高，單個(gè)螺槽的噴水時(shí)間越短，噴水量越少.當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，噴水孔直徑越大，噴水流量越大，因此水氣比越高.在低轉(zhuǎn)速下，噴水孔直徑的增大對(duì)水氣比的增加作用更明顯.當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，噴水孔由5 mm增大到7 mm，水氣比增加了3.77%，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，噴水孔由5 mm增大到7 mm，水氣比增加了1.70%.

圖9 轉(zhuǎn)速和噴水孔直徑對(duì)水氣比的影響

當(dāng)噴水孔直徑為6 mm時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，水氣比的范圍為5.96%～2.52%，高于一般油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的油氣比.

3.3.2 絕熱效率

圖10為轉(zhuǎn)速和噴水孔直徑對(duì)絕熱效率的影響規(guī)律.隨著轉(zhuǎn)速的升高，絕熱效率逐漸增加，可以看出，當(dāng)噴水孔直徑為7 mm，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，絕熱效率最高，為76.5%.但增加速率逐漸變小，這是因?yàn)?，絕熱效率為絕熱壓縮功與實(shí)際耗功的比值，轉(zhuǎn)速升高時(shí)，泄漏量減小，減小了泄漏耗功，同時(shí)由于水氣比減小，換熱性能下降，增加了耗功.當(dāng)直徑為5 mm時(shí)，絕熱效率在3 000 r/min時(shí)出現(xiàn)了下降.說(shuō)明此時(shí)由于水氣比減少對(duì)絕熱效率的影響超過(guò)了泄漏時(shí)間減少對(duì)絕熱效率的影響.

圖10 轉(zhuǎn)速和噴水孔直徑對(duì)絕熱效率的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，增大噴水孔直徑有利于絕熱效率的提升.轉(zhuǎn)速越高，噴水孔直徑的大小對(duì)絕熱效率的影響作用越明顯.1 500 r/min時(shí)，噴水孔直徑由5 mm增加到7 mm，提高的絕熱效率為4.1%；3 000 r/min時(shí)，噴水孔直徑由5 mm增加到7 mm，提高的絕熱效率為7.6%.

3.3.3 比功率

如圖11所示，噴水孔直徑相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，比功率逐漸減小，但減小速率逐漸變緩.這是因?yàn)楸裙β蕿閷?shí)際耗功與實(shí)際排氣量的比值，通過(guò)上面的分析知道，容積效率的增長(zhǎng)速率逐漸變緩，所以比功率的減小速率也逐漸變緩.各噴水孔直徑下，3 000 r/min和2 500 r/min時(shí)的比功率相差不大.當(dāng)噴水孔直徑為7 mm時(shí)，比功率隨著轉(zhuǎn)速的升高由4.91 kW/(m3·min-1)減小到4.25 kW/( m3·min-1).

圖11 轉(zhuǎn)速和噴水孔直徑對(duì)比功率的影響

轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著噴水孔直徑的增大，比功率逐漸減小.高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于噴水孔直徑的增大而減小的比功率較多.如圖11所示，1 500 r/min時(shí)，噴水孔直徑由5 mm增加到7 mm，減小的比功率為0.32 kW/(m3·min-1)；3 000 r/min時(shí)，噴水孔直徑由5 mm增加到7 mm，減小的比功率為0.47 kW/(m3·min-1).

4 結(jié)論

本文建立了水潤(rùn)滑單螺桿空氣壓縮機(jī)工作過(guò)程的熱力學(xué)模型，模型考慮了泄漏以及水與濕空氣之間的換熱等因素.通過(guò)模型研究了噴水孔直徑以及轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，并且引入韋伯?dāng)?shù)對(duì)霧化效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析.得到的結(jié)論如下：

1) 提高轉(zhuǎn)速一方面有利于減少泄漏時(shí)間，使泄漏量減少，提高壓縮機(jī)的效率；但是另一方面，減小了水氣比，影響換熱量和密封，增大泄漏量，因此提高轉(zhuǎn)速對(duì)效率的提升作用逐漸減弱.

2) 隨著噴水孔直徑的增大，霧化后的液滴平均直徑增大.為了保證霧化效果，可以根據(jù)韋伯?dāng)?shù)來(lái)確定不同噴水孔直徑對(duì)應(yīng)的最小噴水量.