涡旋膨胀机的热力学特性及试验研究
发布时间：2021-04-24 03:08
目前,有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）系统不仅是最为常用的提高能源利用效率的方式之一,而且能够将太阳能、低温余热等可再生能源充分利用并且不会对环境产生污染。涡旋膨胀机作为ORC发电系统中的核心部件,其性能的优劣决定着整个ORC系统的性能特性。本文对低温余热用涡旋膨胀机的工作过程建立了几何模型和热力学模型,在已有研究的基础上,对其进行了热力学过程分析和试验验证。本文主要对以下几方面内容做了重点研究:（1）首先简单阐述了涡旋型线的基础理论及啮合所需的基本条件。然后对研究和试验样机所采用的不对称双圆弧齿头修正进行了详细的叙述,并通过解析法求得了修正前后涡旋齿齿头面积的变化量,根据试验样机的基本几何参数建立了涡旋膨胀机的几何模型,为热力学模型的求解奠定了基础;采用积分法模拟了工作腔内容积的变化,并对修正前后的吸气容积进行了对比分析。（2）在所构建的等截面涡旋膨胀机几何模型的基础上,基于变质量系统热力学和能量守恒定律,建立了涡旋膨胀机整个工作过程的传热和泄漏模型;通过对构建的热力学模型的求解,得到了涡旋膨胀机工作腔内工质的容积、质量和压力随主轴转角的变化规律;给...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 涡旋膨胀机
1.2.1 基本结构
1.2.2 工作原理
1.2.3 涡旋膨胀机的特点
1.3 国内外研究现状
1.3.1 几何模型的研究
1.3.2 热力学模型的研究
1.3.3 涡旋膨胀机的试验验证
1.4 有机朗肯循环技术简介
1.5 主要研究内容
1.6 本章小结
第2章 涡旋膨胀机的几何理论
2.1 涡旋型线啮合理论
2.1.1 平面曲线啮合原理
2.1.2 平面曲线啮合理论
2.1.3 涡旋型线构成原则
2.2 涡旋膨胀机的型线生成
2.3 试验用涡旋膨胀机的几何参数
2.4 样机涡旋齿齿头的修正
2.4.1 不对称双圆弧修正
2.4.2 修正后齿头增加的面积
2.5 工作腔容积的计算
2.5.1 工作腔的划分
2.5.2 膨胀腔和排气腔容积的计算
2.5.3 涡旋齿齿头型线未修正时吸气腔容积的计算
2.5.4 涡旋齿齿头型线修正后吸气腔容积的计算
2.5.5 涡旋膨胀机的膨胀比
2.5.6 结论和分析
2.6 本章小结
第3章 涡旋膨胀机的热力学过程模型
3.1 热力学基本控制方程
3.1.1 单腔控制容积法
3.1.2 工作腔内气体温度随主轴转角的变化关系
3.1.3 理想工质的状态方程
3.1.4 工质质量与主轴转角的变化关系
3.2 工质的质量流量
3.3 传热模型
3.3.1 工质流体流入和流出工作腔的传热
3.3.2 工作腔传热
3.4 泄漏模型的建立
3.4.1 切向泄漏及计算
3.4.2 径向泄漏及计算
3.5 涡旋膨胀机的输出特性
3.6 涡旋膨胀机的性能评价指标
3.7 本章小结
第4章 膨胀机热力学模型的求解
4.1 模拟计算假设与基本控制方程组
4.1.1 基本假设条件
4.1.2 基本控制方程
4.2 四阶龙格—库塔法
4.3 涡旋膨胀机的模拟运行工况及空气的物性参数
4.4 求解流程图
4.5 热力学模型的求解结果及分析
4.6 本章小结
第5章 涡旋膨胀机的试验验证
5.1 试验系统及其原理
5.2 试验系统的主要组成部分
5.2.1 高压气源
5.2.2 进气压力的控制
5.2.3 试验数据采集系统
5.2.4 发电机和负载
5.3 测试方法及流程
5.3.1 测试方法
5.3.2 测试流程
5.4 试验结果分析
5.4.1 出口压力和容积流量
5.4.2 电压、电流和输出功率
5.4.3 涡旋膨胀机容积效率、等熵效率的拟合
5.5 涡旋膨胀机工作腔内压力的变化
5.6 本章小结
结论和展望
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]以空气为工质的含油涡旋膨胀机性能的试验研究[J]. 吴竺,朱彤,高乃平,崔颂,潘煜,潘登. 流体机械. 2018(06)
[2]径向间隙对涡旋膨胀机性能的影响[J]. 吴竺,方晓艳,朱彤. 机械设计与制造. 2017(S1)
[3]涡旋压缩机型线的综述与展望[J]. 彭斌,赵生显,李要红,朱永军,张朋成. 压缩机技术. 2017(03)
[4]有机朗肯循环用涡旋膨胀机的改进与实验研究[J]. 李垒,陶乐仁,申玲,胡永攀,李庆普. 化工进展. 2017(05)
[5]涡旋式膨胀机效率的研究（英文）[J]. 王吉岱,唐小庆,魏军英,马兰. 机床与液压. 2017(06)
[6]国家能源局印发《2017年能源工作指导意见》[J]. 本刊讯. 电力与能源. 2017(01)
[7]有机朗肯循环涡旋膨胀机性能测试与仿真分析[J]. 吴竺,朱彤,高乃平,谢飞博,潘登. 制冷技术. 2017(01)
[8]一种涡旋压缩机泄漏间隙内气体泄漏模型[J]. 查海滨,宋永兴,王君,姜营,仇性启. 工程热物理学报. 2016(07)
[9]涡旋型线对涡旋压缩机性能的影响[J]. 彭斌,朱兵国. 流体机械. 2016(06)
[10]基于圆渐开线涡旋压缩机的几何模型研究[J]. 彭斌,朱兵国. 流体机械. 2016(05)
硕士论文
[1]涡旋膨胀机的数学模型及内部瞬态流场研究[D]. 李要红.兰州理工大学 2018
[2]有机朗肯循环涡旋膨胀机及发电系统的模拟与应用研究[D]. 曹政.东南大学 2016
[3]涡旋膨胀机的数学模型及试验研究[D]. 朱兵国.兰州理工大学 2016
[4]涡旋式膨胀机的热力特性研究[D]. 陈波.浙江大学 2004
本文编号：3156553
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 涡旋膨胀机
1.2.1 基本结构
1.2.2 工作原理
1.2.3 涡旋膨胀机的特点
1.3 国内外研究现状
1.3.1 几何模型的研究
1.3.2 热力学模型的研究
1.3.3 涡旋膨胀机的试验验证
1.4 有机朗肯循环技术简介
1.5 主要研究内容
1.6 本章小结
第2章 涡旋膨胀机的几何理论
2.1 涡旋型线啮合理论
2.1.1 平面曲线啮合原理
2.1.2 平面曲线啮合理论
2.1.3 涡旋型线构成原则
2.2 涡旋膨胀机的型线生成
2.3 试验用涡旋膨胀机的几何参数
2.4 样机涡旋齿齿头的修正
2.4.1 不对称双圆弧修正
2.4.2 修正后齿头增加的面积
2.5 工作腔容积的计算
2.5.1 工作腔的划分
2.5.2 膨胀腔和排气腔容积的计算
2.5.3 涡旋齿齿头型线未修正时吸气腔容积的计算
2.5.4 涡旋齿齿头型线修正后吸气腔容积的计算
2.5.5 涡旋膨胀机的膨胀比
2.5.6 结论和分析
2.6 本章小结
第3章 涡旋膨胀机的热力学过程模型
3.1 热力学基本控制方程
3.1.1 单腔控制容积法
3.1.2 工作腔内气体温度随主轴转角的变化关系
3.1.3 理想工质的状态方程
3.1.4 工质质量与主轴转角的变化关系
3.2 工质的质量流量
3.3 传热模型
3.3.1 工质流体流入和流出工作腔的传热
3.3.2 工作腔传热
3.4 泄漏模型的建立
3.4.1 切向泄漏及计算
3.4.2 径向泄漏及计算
3.5 涡旋膨胀机的输出特性
3.6 涡旋膨胀机的性能评价指标
3.7 本章小结
第4章 膨胀机热力学模型的求解
4.1 模拟计算假设与基本控制方程组
4.1.1 基本假设条件
4.1.2 基本控制方程
4.2 四阶龙格—库塔法
4.3 涡旋膨胀机的模拟运行工况及空气的物性参数
4.4 求解流程图
4.5 热力学模型的求解结果及分析
4.6 本章小结
第5章 涡旋膨胀机的试验验证
5.1 试验系统及其原理
5.2 试验系统的主要组成部分
5.2.1 高压气源
5.2.2 进气压力的控制
5.2.3 试验数据采集系统
5.2.4 发电机和负载
5.3 测试方法及流程
5.3.1 测试方法
5.3.2 测试流程
5.4 试验结果分析
5.4.1 出口压力和容积流量
5.4.2 电压、电流和输出功率
5.4.3 涡旋膨胀机容积效率、等熵效率的拟合
5.5 涡旋膨胀机工作腔内压力的变化
5.6 本章小结
结论和展望
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]以空气为工质的含油涡旋膨胀机性能的试验研究[J]. 吴竺,朱彤,高乃平,崔颂,潘煜,潘登. 流体机械. 2018(06)
[2]径向间隙对涡旋膨胀机性能的影响[J]. 吴竺,方晓艳,朱彤. 机械设计与制造. 2017(S1)
[3]涡旋压缩机型线的综述与展望[J]. 彭斌,赵生显,李要红,朱永军,张朋成. 压缩机技术. 2017(03)
[4]有机朗肯循环用涡旋膨胀机的改进与实验研究[J]. 李垒,陶乐仁,申玲,胡永攀,李庆普. 化工进展. 2017(05)
[5]涡旋式膨胀机效率的研究（英文）[J]. 王吉岱,唐小庆,魏军英,马兰. 机床与液压. 2017(06)
[6]国家能源局印发《2017年能源工作指导意见》[J]. 本刊讯. 电力与能源. 2017(01)
[7]有机朗肯循环涡旋膨胀机性能测试与仿真分析[J]. 吴竺,朱彤,高乃平,谢飞博,潘登. 制冷技术. 2017(01)
[8]一种涡旋压缩机泄漏间隙内气体泄漏模型[J]. 查海滨,宋永兴,王君,姜营,仇性启. 工程热物理学报. 2016(07)
[9]涡旋型线对涡旋压缩机性能的影响[J]. 彭斌,朱兵国. 流体机械. 2016(06)
[10]基于圆渐开线涡旋压缩机的几何模型研究[J]. 彭斌,朱兵国. 流体机械. 2016(05)
硕士论文
[1]涡旋膨胀机的数学模型及内部瞬态流场研究[D]. 李要红.兰州理工大学 2018
[2]有机朗肯循环涡旋膨胀机及发电系统的模拟与应用研究[D]. 曹政.东南大学 2016
[3]涡旋膨胀机的数学模型及试验研究[D]. 朱兵国.兰州理工大学 2016
[4]涡旋式膨胀机的热力特性研究[D]. 陈波.浙江大学 2004
本文编号：3156553
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