废油再生

关键词： 废油 循环 四中 经济

废油再生（精选四篇）

废油再生 篇1

1 循环经济的特征

循环经济发端于生态经济。美国经济学家肯尼思·鲍尔丁在1966年开创性地提出生态经济的概念和生态经济协调发展的理论, 生态经济就是把经济发展与生态环境保护和建设有机结合起来, 使二者互相促进的经济活动形式。把单程或开放型的“资源消费—产品—废物排放”转变为“资源消费—产品—再生资源”闭环型物资流动模式, 成为生态型资源循环来发展经济。

“循环经济是一种以资源的高效利用和循环利用为核心, 以‘减量化、再利用、资源化’为原则, 以低消耗、低排放、高效率为基本特征, 符合可持续发展理念的经济增长模式, 是对‘大量生产、大量消费、大量废弃’的传统增长模式的根本变革。”这一定义不仅指出了循环经济的核心、原则、特征, 同时也指出了循环经济是符合可持续发展理念的经济增长模式, 抓住了当前我国资源相对短缺而又大量消耗的症结, 对解决我国资源对经济发展的瓶颈制约具有迫切的现实意义。

循环经济作为一种科学的发展观, 一种全新的经济发展模式, 具有自身的独立特征, 体现了5个新观念。

一是新的系统观。循环经济的系统是由人、自然资源和科学技术等要素构成的大系统。它要求把“人”作为这个大系统的一部分来研究符合客观规律的经济原则。就是说, “人”是认识经济规律、制定经济原则, 研究客观系统的核心因素。

二是新的经济观。循环经济要求运用生态学规律, 只有在资源承载能力之内的良性循环, 才能使生态系统平衡地发展。

三是新的价值观。循环经济观在考虑自然时, 是将其作为人类赖以生存的基础, 是需要维持良性循环的生态系统;在考虑科学技术时, 不仅考虑其对自然的开发能力, 而且要充分考虑到它对生态系统的修复能力, 使之成为有益于环境的技术;在考虑人自身的发展时, 不仅考虑人对自然的征服能力, 而且更重视人与自然和谐相处的能力, 促进人的全面发展。

四是新的生产观。而循环经济的生产观念是要充分考虑自然生态系统的承载能力, 尽可能地节约自然资源, 不断提高自然资源的利用效率, 循环使用资源, 创造良性的社会财富。

五是新的消费观。循环经济观提倡物质的适度消费、层次消费, 在消费的同时就考虑到废弃物的资源化, 建立循环生产和消费的观念。同时, 循环经济观要求通过税收和行政等手段, 限制以不可再生资源为原料的一次性产品的生产与消费。

2 废油的再生利用

石油是人类不可再生的自然资源。随着全球经济的发展, 石油资源紧张和油价不断飙升已是不争的事实。从资源循环利用和经济发展的角度来看, 最大限度地回收利用各种废油对缓解资源紧张, 减少环境污染, 促进我国经济社会可持续发展具有重要意义。

所谓废油, 包括工业废油和生活废油。工业废油主要指废润滑油, 是在各种机械、车辆、船舶和设备的使用过程中, 由于受到氧化、热分解作用和杂质污染, 其理化性能达到各自的换油指标而被换下来的废油, 润滑油在使用过程中受外界污染会产生大量胶质、氧化物从而降低乃至失去了其控制摩擦、减少磨损、冷却降温、密封隔离、减轻振动等功效, 而变成废油, 是已经使用过的、全部或者部分的由矿物油或合成碳氢化合物 (合成油) 、贮油罐内残余物、油和水的混合物以及乳浊液组成的半固体状或液状产品。

我国是仅次于美国和俄罗斯的世界第三大润滑油消费国。根据“九五”期间我国润滑油需求的实际增长情况和2001~2010年我国国民经济发展计划安排, 2003年我国润滑油的总需求量就已达425万~435万吨, 预计2010年约为490万~510万吨, 2020年可达800万吨。更为严峻的是, 我国现有汽车保有量仅为美国的12.5%、日本的50%, 而润滑油消费量则为美国的58%、日本的155%, 可见利用率差别之巨、浪费之大。

我国每年换油所得的废油量相当可观, 加上机油的漏泄, 废油量就更加惊人。如果这些废油处理不当、随意丢弃, 不仅给环境造成巨大伤害, 而且还要造成宝贵的能源白白浪费。

废弃润滑油如果不能得到妥善的回收和处理, 将严重危害环境, 一是对水体的污染, 二是对大气的污染, 三是对土壤的污染。

废油其中只有10%为不能利用的废物, 而90%是可以重新加工再利用的。废油再生是解决目前能源困境的有效途径。

废油再生是个老话题。我国建国初始, 市一级石油公司, 都建了废油再生装置, 但因规模小, 加上经济技术问题以及二次污染问题, 导致全部处于关停状态。到目前, 相对于欧美发达国家废油再生技术还是滞后的。

近年来, 随着我国经济的迅速发展, 汽车年产量的激增使得润滑油用量大幅增加。汽车润滑油用量几乎占润滑油用量的50%。目前, 我国润滑油年用量在400万吨以上, 到2020年可达800万吨以上。如果按30%回收率再生, 每年可再生240万吨, 这是一笔十分可观的经济效益。随着全球经济的发展, 世界性的石油资源紧缺日见凸显, 油价居高不下的局面已成定局。因此, 废油再生不仅是个重要的经济问题, 更是个政治问题、社会问题, 是发展循环经济的战略性课题。

废油再生利用技术, 在发达国家已有比较成熟的经验。在我国到目前为止, 绝大多数废油被当做烧火油用于锅炉, 或被低质量、低效率加工成劣质汽柴油流入市场。由于我国废油再生方面的政策、法规不够完善, 人们对废油的环境危害性认识不足, 又缺乏有效的约束机制, 使得正常的废油处理渠道不能畅通, 甚至在废油大量产生的城区还没有废油回收再生企业。因此, 使一些非法回收再生黑窝点得以有机可乘。他们用高价从企业或汽车4S店回收废油, 用土法再生油品, 然后再低价将劣质油品卖给油库或加油站。这种不纯净的混合油不仅给汽车发动机造成损害, 严重的还引起爆炸。同时, 土法炼制废油, 不仅由于回收率低造成严重的资源浪费, 而且造成了更为严重的二次污染。

3 建立完善的体制促进废油再生利用

可以说, 我国正规的废油再生企业, 已经积累了从技术工艺到设备生产的丰富经验, 可以达到与国际接轨的先进水平。

对于国家, 废油再生体制是关键所在, 对于企业, 更现实的问题是回收网络的建立与完善, 否则废油再生企业再优秀, 也会面临无米之炊的困境, 再生企业总不能一家一户去回收, 这不仅不能保证原料的充足和稳定的来源, 更是耗费企业的大量人、财、物力, 造成再生成本的加大, 使企业无利可求, 不利于再生企业的生存与发展。

必须遏止非法炼油厂和黑窝点的生存, 建立完善的回收渠道, 支持和发展有“危废经营许可证”企业生产。树立“一盘棋”思想, 打破地域观念, 从全局利益考虑, 减少流通壁垒, 确保回收流通渠道的畅通;强化执法队伍, 加大惩罚力度。必须狠抓典型、严加整治、公开曝光, 惩一戒百, 方能达到严格执行制度的理想效果;制定相关政策, 并运用价格、财税、金融等手段, 促进能源资源节约和有效利用, 推动我国废油回收再生行业的发展;进一步科学合理布局, 有选择地重点扶持先进的废油回收再生企业, 引进国外先进处理设备, 提高处理能力和生产高质量的产品, 真正地实现能源的再生利用。

鉴于目前废油回收和加工市场良莠不齐的状况, 必须有3项保证:一是政府支撑的保证, 这是最重要的;二是循环经济的推动;三是科技进步的促进。因此, 急需政府出台相应措施。

(1) 制定和完善一系列严格的废油产生、回收、储运、再生产加工等法律、法规;

(2) 给予回收、再生企业适当的优惠待遇;

(3) 对回收、再生企业实行许可证制度。回收网点可以适当扩大, 但再生加工企业要相对集中;

(4) 推进、鼓励对废油加工的科学研究, 不断提高回收工艺水平, 达到废气、废渣无害化处理效果。

废油再生技术在钢铁企业的应用 篇2

由于钢铁企业润滑油消耗量较大,定期更换的油品作为废旧物资进行让售效益较低,其中大部分油品使用1-2年就进行了更换,但实际这些油只是内部杂质、水分、油泥等超标,而其内部化学添加剂并无明显劣化,通过有效的手段去除此类杂质可重新恢复油品80%左右的性能。然而现有的废油处理方式经济投入低的技术落后环保问题难以解决,技术先进的又要投入巨额的资金,均不符合企业自行处理废油的要求,因此寻找一种低投入又能符合质量要求,便于企业操作管理的废油处理方案十分有必要。

一、钢企废油处理的基本管理要求

(一)废油处理管理重点

废油再生降级使用最关键的环节为控制处理后的油品质量,以及对不同质量油品合理选择使用,确保降低油品消耗成本的同时保证设备的运行安全。因此做好油品理化性能检验及使用审核把关,为开展好该项工作的根本,使其制度化、标准化。

1)建立废油相关管理制度。在企业中开展好此项工作,应率先在制度上进行规范、明确,对新旧油品的定义、使用要求、存储要求、质量要求等作出要求,同时配套的制订激励措施,利用经济杠杆推动再生油品的使用单位积极响应。

2)油品分类。对企业内各个生产环节内定期更换下线的油品按不同的种类进行细分存放,如:液压油、齿轮油、汽轮机、涡轮蜗杆油、其他机械油等,原则上不同种类不同厂家油品不得混合存放。

3)油品处理。建立符合国家标准可存放易燃易爆物品的废油处理中心,操作人员进行专业培训,重点做好防范火灾、油品泄漏等预防措施。

4)油品使用。依照企业各类设备重要程度的分类,如:关键设备、重要设备、辅助设备、在线设、离线设备等,原则上对处理后的再生油应用到对生产不产生直接影响的辅助设备或离线设备中,坚持对处理后的再生油进行降级使用。

5)油品化验。根据再生处理废油的使用地点实际需求,明确油品处理后的质量标准,利用油品化验设备对处理后的油品进行理化性能检测,确保处理后的油品质量保证设备安全。

二、适合钢铁企业废油处理的工艺方法

(一)废油处理工艺分类

废油的再生大致可分为“再净化”及“再精制”两类。“再净化”包括过滤、离心、真空脱水、沉降等过程,以除去废油中的水分及固体杂质为目标,包括细分散的杂质。为了破乳及凝聚细分散杂质,经常使用适当的破乳剂和助凝剂。“再精制”是指能除去溶解在油中的杂质的工艺,包括硫酸精制、吸附精制、蒸馏、加氢精制、溶剂精制等过程(单元操作)。

“再精制”工艺对于润滑油废油再生形成的基础油性能,需要专业的炼油厂投入大量的设备及专业人员进行实施,一般钢铁企业不适合采用上述工艺进行废油处理,另外一般钢铁企业的废油主要是因油品内部杂质、水分过多,而定期更换下线的,其中的化学添加剂含量变化较小。为此采取“再净化”工艺延长油品使用寿命更加符合钢铁企业的实际需求。

(二)“再净化”废油处理工艺的主要流程

1)沉淀。将桶装废油加入废油沉淀处理油罐,通过采取电热或蒸汽管道等加热方式,将废油加热至80℃,通过加温降低油品粘度加快杂质沉降速度,在该温度下持续36小时左右打开沉沉淀油罐底部排污阀,将经自然沉淀的大颗粒杂质、油泥、水进行排出。

2)粗滤预处理。经沉淀处理的油品加入循环处理油箱中,采用钢网式滤油机进一步对大颗粒杂质、水分进行初步分离,该方式作为废油的预处理可减小预处理成本,但由于处理精度不高,25UM以下颗粒物和与油品结合在一起的游离水不能有效去除。

3)除水。通过离心机进行预处理后,针对油品中的游离水分采用真空滤油机进行处理,通过抽真空降低水的沸点去除水分,在抽真空过程中油品加热温度不能超过80℃,避免油品受高温发生氧化和油品添加剂的分解,同时定期进行取样化验,直至水分含量合格为止。

4)精滤。废油水分处理达标后,采用板式滤油机及离心式滤油机对油品进行精细过滤,通过试验此种过滤方式较常见的滤芯过滤方式耗材消耗更低,操作更为简便。在进行精细过滤的同时定期化验油品清洁度,要求颗粒物含量达到NAS9-10级标准。

5)再生油废渣处理。废油通过再生处理得到了达到使用要求的再生油,同时也衍生出了一些废油渣、废滤纸等废弃物,因此类肥料内含有大量的油性物质不得随意丢弃和掩埋。为此可利用钢铁企业自身的烧结机、焦化炉等设备,将此类废弃物添加到原料中起到提高燃烧热值的作用,产生的烟气经除尘设备、脱硫设备集中处理并达到排放标准。

三、结论

1)钢铁企业进行废油再生处理时,制定符合自身管理要求的油品使用、回收、再生、废弃物处理的一系列管理规定和操作流程,是做好废油再生降级使用工作的先决条件。

2)这样一套废油的工艺方法符合钢铁企业自行开展废油再生处理的现实需求,无需投入大量的资金、人力,整体工艺简单有效、经济实用、投入少回报快。

3)良好的解决了钢铁企业润滑油品费用高、回收利用率低的困扰,在钢铁价格低迷时期起到良好的降低生产成本作用,提高企业整体竞争力。

4)这项举措符合国家提出的节能环保发展要求,实际的减少钢铁企业的能源消耗和环保压力,实现了降低成本和保护环境的双向共赢。

参考文献

[1]秦大同,谢里阳.润滑与密封设计[M]北京:化学工业出版社,2013,3.

[2]成大先.机械设计手册.第3卷[M].北京:化学工业出版社,2008,1.

[3]孙晓峰.葛浩杰.项建中.胡志安.张达春.刘嘉法.题名[R].中高粘度混合废油再生工艺.

废油再生 篇3

索马说, 中国每年消耗润滑油600多万吨, 其中90%以上都可以回收, 废油再生的市场机会巨大。采用先进的废油再生技术, 废油回收率可以达到70%, 而能耗仅为从原油中提炼润滑油的15%, 经济效益相当可观。所谓废油再生即将废油回收再提炼, 形成再生新能源。汽车、船舶等工业机械设备每次在更换机油的过程中都会产生加油量75%的废油。

索马表示, 如果在中国开展废油再生工作, 每年将能够减少450万吨二氧化碳的排放。中国机油使用量是美国的20倍, 将废机油回收再使用将可以减少中国对原油的需求。废油再生既对节能减排具有重要意义, 也可以解决废油的环境污染问题。美国石油研究所认为, 使用废油循环技术生产润滑油, 每一加仑要比原油节省能源50%~80%;而欧洲研究表明, 这一生产过程的二氧化碳排放也将减少58%。此外, 由于有毒重金属锌、铅、镉和铬在废油处理过程中被剥离出来, 其对环境造成的危害将降到最低。

索马认为, 目前中国废油回收基本被非法加工炼油者收购, 经沉淀、过滤等简单处理后流向市场。由于非法经营者不需交税, 可以高价回收废油, 从而导致正规公司收油困难, 这破坏了废油再生利用的广大市场。对此, 索马希望中国政府有关部门能出台措施, 保障废油回收规定的实施。

首先, 由政府法制部门牵头, 环保局等相关部门具体负责废润滑油回收与再生管理立法工作;

第二, 加强对废润滑油处置及再生技术优化管理, 鼓励外商投资废油再提炼项目。支持企业引进先进废油再提炼技术和环保节能设备, 严格限制和取缔高耗能、高污染的技术、设备。

第三, 提高废润滑再生准入门槛, 建立废油回收和再生经营许可证制度。

第四, 严格废油回收环节的管理。对违法进行废油回收、再生的企业和个人, 环保、技术监督、城管等执法部门要依照国家法律严肃查处。

第五, 严格废油再生企业的管理。废油再生企业必须具备4个条件:具有先进的再生设备和生产工艺流程;有专职技术人员和规定的化验评定手段;再生油的质量, 应符合国家油品标准规定的各项理化性能和使用性能要求;具有符合要求的三废治理设施和安全消防设施。对生产过程中排放的废气、废水、废渣的处理要符合国家环保要求。严禁对环境的二次污染。

废油再生 篇4

随着机械制造业节能减排的推进,逐渐兴起的废机械润滑油分子蒸馏再生装备中,真空环境下高温油液蒸汽的快速冷凝,成为制约分离效率的核心技术之一。现有研究表明,涡旋压缩机制冷系统正在快速取代传统蒸馏冷凝方式,而涡旋压缩机结构参数的优化研究成为该类制冷技术的关键。

传统的涡旋机械优化设计,如涡旋压缩机参数优化,主要是针对圆的渐开线的型线方程优化[1]。设定的参数为节距、型线厚度、涡旋圈数以及涡旋盘的高度,方程的固有特性使传统优化方法具有很大的局限性。本文提出基于泛函的通用涡旋型线理论,即根据平面曲线弧微分固有方程理论[2,3,4]和Taylor级数思想,任意函数曲线的数学表达式都可以将其展开为切向角参数φ的级数的弧函数形式。它集成了单一型线的优点,可在不同约束条件下,运用优化的思想得到综合各目标函数最好的型线方程。本文以能效比为目标函数,利用通用涡旋型线几何理论研究其参数变化。

1 基于泛函的涡旋型线几何理论

涡旋型线是由几何共轭型线构成的,根据平面曲线弧微分固有方程理论和Taylor级数思想,任意函数曲线的数学表达式都可以将其展开为切向角参数φ的级数的弧函数形式;反之,只要曲率半径ρ(φ)是关于切向角参数φ的递增函数,均可通过切向角参数φ的级数的弧函数形式来表征任意共轭函数曲线。同时,三角函数、指数函数、对数函数等均可用幂级数函数来表达。根据现有涡旋型线的级数表达形式的共有特性构成的共轭曲线可取函数类的级数表达式[5,6]:

F(x,y)=c1f1(x,y)+c2f2(x,y)+…+cnfn(x,y) (1)

简化得

其在直角坐标系下的形式可表征为

$\begin{array}{l}X{}_{\text{f},\text{o}}=(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})\cos (\phi -\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\cos \phi \\ Y{}_{\text{f},\text{o}}=(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})\sin (\phi -\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\sin \phi \\ X{}_{\text{f},\text{i}}=(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})\cos (\phi -\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\cos \phi \\ Y{}_{\text{f},\text{i}}=(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})\sin (\phi -\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\sin \phi \\ X{}_{\text{o},\text{o}}=(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})\cos (\phi +\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\cos (\phi +\text{π})+R{}_{\text{o}\text{r}}\cos \theta \\ Y{}_{\text{o},\text{o}}=(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})\sin (\phi +\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\sin (\phi +\text{π})+R{}_{\text{o}\text{r}}\sin \theta \\ X{}_{\text{o},\text{i}}=(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})\cos (\phi +\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\cos (\phi +\text{π})+R{}_{\text{o}\text{r}}\cos \theta \\ Y{}_{\text{o},\text{i}}=(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})\sin (\phi +\frac{\text{π}}{2})+R{}_{\text{g}}\sin (\phi +\text{π})+R{}_{\text{o}\text{r}}\sin \theta \end{array}$

$\frac{\text{d}s}{\text{d}\phi }={\displaystyle \sum _{k=1}^{n}c}{}_{k}k\phi {}^{k-1}=R{}_{\text{s}}(\phi )+\frac{\text{d}R{}_{\text{g}}(\phi )}{\text{d}\phi }$ (3)

$R{}_{\text{g}}(\phi )=\frac{\text{d}R{}_{\text{s}}(\phi )}{\text{d}\phi }R{}_{\text{s}}={\displaystyle \sum _{b=0}^{n-1}b}{}_k\phi {}^k$

式中,Rs为s曲线法线上的分量;Rg为s曲线切线上的分量;t为壁厚;Ror为公转半径(定长);θ为公转角度;(Xf,i,Yf,i)为静涡盘内壁型线方程坐标;(Xf,o,Yf,o)为静涡盘外壁型线方程坐标;(Xo,o,Yo,o)为动涡盘外壁型线方程坐标;(Xo,i,Yo,i)为动涡盘内壁型线方程坐标;bk为多项式参数,k=1,2,…,k∈N+。

2 涡旋压缩机能效比方程

2.1 能效比方程

涡旋压缩机的结构一般包括动涡旋盘、静涡旋盘、十字滑块、轴向支撑结构、曲轴驱动机构、支架体等。涡旋体示意图见图1。

本文采用涡旋压缩机的能效比ηEER为优化设计的目标函数。ηEER是压缩机单位时间的制冷量与输入功率的比值[7,8,9,10]:

ηEER=Qe/Win (4)

式中,Qe为输出功率(制冷量),W;Win为输入功率,W。

2.2 涡旋压缩机工作状态的状态方程与焓变

涡旋压缩机运行时,动静涡盘周期性吸气压缩直至排气,运行方式如图2所示[11]。由图2易知,气态制冷工质(R134a)被压缩时,体积V逐渐减小,压力p逐渐增大,温度T也是逐渐增大的。故设在吸气时,进入涡旋盘的气体状态为(p1,V1,T1),在进行压缩的任何状态为(p,V,T),排气时的气体状态为(p2,V2,T2),假设气体模型为绝热状态下理想气体模型,则涡旋压缩机压缩时其p、V、T之间的关系为[12]

pVK=p1V${}_1^{{\rm K}}$=p2V${}_2^{{\rm K}}$=…=C (5)

式中,V1为压缩机的吸气体积,m3;V2为压缩终止时涡旋体围成的体积;C为常数。

根据热力学第一定律知:

ΔH=Q-Ws (6)

式中,Q为工质内能变化,J;Ws为对外界所做的功,J;ΔH为焓变,J。

又知在绝热条件下Q=0,故有

$\text{Δ}{\rm H}{}_{\text{e}}=-W{}_{\text{s}}=\frac{{\rm K}}{{\rm K}-1}nR{\rm T}{}_1[(\frac{p{}_2}{p{}_1}){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}-1]$ (7)

式中,K为工质压缩指数;n为工质的物质的量,mol;T1、p1为工质进入压缩机时的温度和压力。

且知在绝热压缩下,有

${\rm T}{}_2={\rm T}{}_1(\frac{p{}_2}{p{}_1}){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}$ (8)

式中,T2为工质被排出时的温度,K。

故制冷工质制冷量为ΔH。

本文假设制冷工质处于绝热状态,没有热的损失,不交换热,故这是一种理想状态。实际情况下,摩擦损失、热传递等都会有热的损失。

2.3 结构参数与能效比的关系

由上述可知,能效比在单位时间内的制冷量就是在绝热情况下的焓变,即

Qe=ΔH (9)

在单位时间里,制冷工质(R134a)的流量为

Vc=NV1=NhSp (10)

$\begin{array}{l}S{}_{\text{p}}={\displaystyle {\int }_{\phi +\text{π}}^{\phi +3\text{π}}(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})}{}^2+R{}_{\text{g}}\frac{\dot{t}}{2}+(R{}_{\text{s}}-\frac{t}{2})\dot{R}{}_{\text{g}}\text{d}\phi \cdots -\\ {\displaystyle {\int }_{\phi }^{\phi +2\text{π}}(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})}{}^2-R{}_{\text{g}}\frac{\dot{t}}{2}+(R{}_{\text{s}}+\frac{t}{2})\dot{R}{}_{\text{g}}\text{d}\phi \cdots -\\ R{}_{\text{o}\text{r}}[R{}_{\text{g}}(\phi +2\text{π})-R{}_{\text{g}}(\phi )](11)\end{array}$

式中,N为电动机的转速,r/s;h为涡旋盘高度,mm;Sp为动静涡盘围成的面积,mm2;$\dot{R}{}_{\text{g}}$、$\dot{t}$分别为Rg、t所对应的一阶导数。

制冷工质状态(p1,Vc,T1)已知或由计算求得,工质摩尔数n根据气体状态方程可以求得[12]。

绝热条件下,式(5)成立,则p1VK1=p2VK2。

压缩比RV、输入功率Win和多方压缩功WP可分别表示为

$R{}_{\text{V}}=\frac{V{}_1}{V{}_2}=\frac{hS{}_{\text{p}1}}{hS{}_{\text{p}2}}=\frac{S{}_{\text{p}1}}{S{}_{\text{p}2}}$ (12)

Win=Wp/ηm (13)

$W{}_{\text{p}}=\frac{{\rm K}}{{\rm K}-1}(p{}_2/R{}_{\text{V}}-p{}_1)V{}_{\text{c}}$ (14)

式中,Sp1、Sp2分别为吸气面积和压缩面积;ηm为电动机效率。

综上可知,若已知涡旋体的结构参数,就能计算其能效比。优化参数时,以能效比为目标函数,使得能效比最优,就能得出最佳的结构参数。

3 遗传算法原理以及数学模型的建立

3.1 遗传算法简介

在遗传算法中,首先将空间问题中的决策变量通过一定的编码表示成遗传空间的一个个体,它是一个基因型串结构数据;然后将目标函数转换成适应度值,用来评价每个个体的优劣,并将其作为遗传操作的依据。遗传操作包括3个算子:选择、重组和变异。

3.2 适应度函数的确定

在遗传算法中使用适应度这个概念度量群体中各个个体在优化计算中能达到或接近于或有助于找到最优解的优良程度。适应度函数也称为评价函数,是根据目标函数确定的作用于区分群体中个体好坏的指标,是算法演化过程的驱动力,也是进行自然选择的唯一依据。本文以能效比为目标函数,其适应度函数为[13]

f(ηEER)=1/ηEER (15)

其中,ηEER为目标函数能效比方程,f值为其倒数,这是由于基于MATLAB的遗传算法是最小值法,倒数的最小值为最大值。故所求能效比越大越好。

3.3 优化变量的选取与约束条件的确定

优化变量的选取。直接影响涡旋压缩机整机性能的参数包括:涡旋盘的高度h、涡旋盘的大盘直径D,以及关键部件的涡旋型线形状;涡旋型线形状又包括型线圈数No、公转半径Ror以及型线方程等。

本文选取的优化变量为

优化变量与能效比方程之间的联系:每组优化变量表示一种情况下的涡旋压缩机,则压缩机的结构就确定了,如型线方程、型线线长、压缩比、吸气容积、压缩容积、涡旋体高度等;制冷系统中,在电机的驱动下,涡旋压缩机如图2运行,则知制冷工质的初始状态为p1T1,Vc制冷流量由吸气形成的容积与转速决定,经压缩到末状态p2T2的一个周期所产生的焓变,就是制冷工质在此涡旋压缩机下的制冷量。优化方法求得的最佳一组优化变量,即为优化结果。

优化变量约束条件的确定:

(1)涡旋圈数No。涡旋圈数要恰当,涡旋圈数过少会使被压缩气体量减少,从而降低压缩效率,但涡旋圈数过多不仅会给加工带来困难,而且泄漏线加长,局部散热差,涡旋体变形大,经验取2<No<5。

(2)公转半径Ror。公转半径直接影响吸气体积与排气体积,以及涡旋壁面厚度t,经验取1.5mm<Ror<5mm。

(3)涡旋盘高度h。行程容积一定时,增加型线壁高h有利于减少泄漏,但过大又会导致运动稳定性变差,且壁面刚度下降,加工困难,经验选择20mm<h<50mm。

(4)涡旋壁面厚度t。由于基于泛函的通用涡旋型线S(φ)在k>2时为变壁厚,壁面厚度从薄到厚t(φ)是随着φ变化的函数,因此,壁面厚度太薄容易使刚度下降,但壁面厚度太厚又会使涡旋盘体积过大,经验选择0.5mm<t<5mm。

(5)涡旋体大盘直径D。涡旋盘直径D直接由型线方程S(φ)与涡旋型线圈数No决定,同时它也反制约后两个参数。经验一般可取40mm～100mm,本文取80mm。

4 算例

在前面的研究已得到,基于泛函的通用涡旋型线的变化规律是在k=3时压缩比最佳。采用R134a制冷工质,在制冷循环系统中,进入压缩机的R134a的初始压力为0.607MPa,初始温度为35℃,电动机功率为4kW,电动机效率为0.90,主轴转速为47r/s。本文基于MATLAB的遗传算法对上述问题进行优化。部分MATLAB程序清单如下:

优化得ηeer=0.28015,即能效比为ηEER=1/ηeer=3.5695。其对应的型线方程为S3(φ)=0.1330φ+0.3919φ2+0.0085φ3,公转半径Ror=2.4625mm,型线圈数No=4.1418,涡旋盘高度h=50mm。优化后的涡旋型线S3(φ)如图3所示,三维实体图见图1。

图4所示为优化前等壁厚涡旋型线S2(φ)。表1为优化后的型线S3(φ)与型线S2(φ)参数性能比较。

由表1可知:

(1)工程上,型线S2(φ)的涡旋压缩机的能效比能达到2.5412,相同情况下,型线S3(φ)的涡旋压缩机的能效比能达到3.5695,故后者更优。

(2)在相同公转半径、涡旋圈数、涡旋盘高度以及大盘直径下,型线S3(φ)具有更短的型线长度,在一定程度上能减小泄漏[14]。

(3)吸气体积相差较小,即体积利用率相差较小,体积利用系数决定其制冷工质的流量大小,在大盘直径相同的情况下,体积利用系数主要受公转半径的影响。

(4)型线S3(φ)的吸气面积稍小于型线S2(φ),但由于前者的压缩体积更小,使得压缩比大于后者。

(5)在假设涡旋压缩机压缩制冷工质为绝热的情况下,在大盘直径为80.00mm的等约束条件下,以能效比为目标函数,利用遗传算法优化的型线S3(φ)的能效比,大于相同公转半径及型线圈数的等壁厚型线S2(φ)的能效比。

5 结论

(1)建立的以能效比为目标函数的结构参数优化模型,能通过参数变化,准确直观地分析涡旋压缩机热力过程中由排气容积变化引起的热能变化以及能效比变化。

(2)在所选全部优化变量(h、D、No、Ror、S(φ))中,公转半径Ror与涡旋型线圈数No对能效比的影响最为显著。

(3)具体实例计算(k=3)表明,优化后的型线S3(φ)的能效比优于等壁厚的型线S2(φ)的能效比,验证了本文方法的有效性及实用性。

(4)基于泛函的通用涡旋型线利用平面曲线弧微分固有方程理论和Taylor级数思想,通过切向角参数φ的级数的弧函数形式来表征任意共轭函数曲线,为涡旋压缩机型线的设计拓展了思路。

摘要：涡旋压缩机结构参数直接影响到润滑油分子蒸馏再生装备的效率。以基于泛函通用涡旋型线构成的变壁厚涡旋盘为研究对象,建立了以能效比为目标函数的结构参数优化模型。分析了涡旋压缩机压缩过程中由排气容积变化引起的热能变化及能效比变化。以能效比为目标函数,以涡旋盘结构参数及型线方程为变量,利用遗传算法得到能效比最优化时的变量。给出具体算例,并与等壁厚的涡旋型线构成的压缩机进行性能比较,得知前者更优。基于泛函的通用涡旋型线为涡旋压缩机型线设计拓展了思路。