膨胀比对单螺杆膨胀机性能影响的理论分析与实验研究

发布时间：2020-04-23 08:28

【摘要】：在中低温余热回收利用中,有机朗肯循环被认为是具有较大潜力的技术方向。而对于中小型有机朗肯循环系统,膨胀机作为输出动力设备限制了其系统性能进一步提升。膨胀机对有机朗肯循环系统性能的影响主要体现在膨胀机效率和膨胀比两个方面,故如何提高膨胀机效率和膨胀比成为了实现有机朗肯循环系统实用化的关键。单螺杆膨胀机具有膨胀比高、受力平衡、振动小和适用压力范围广等多方面的优势,故采用单螺杆膨胀机作为动力输出设备的有机朗肯循环系统有望获得实际应用。本文针对单螺杆膨胀机膨胀比展开了理论分析与实验研究,本文主要研究工作如下:开展了膨胀比对有机朗肯循环热力性能影响的分析。建立了有机朗肯循环的热力学模型,分析了膨胀机效率、膨胀比和工质泵效率以及三者相互耦合对有机朗肯循环系统性能的影响,其中膨胀比对系统性能影响非常明显,即使膨胀机效率和工质泵效率略微降低,提高膨胀比依然是提高系统性能的重要手段。结合现有的实验研究和技术水平,小型有机朗肯循环系统膨胀机的膨胀比应该提高到6-10左右,此时系统的热效率可达8%-10%。开展了变工况条件下单螺杆膨胀机膨胀比的实验研究。分析了变转速和变进口压力两种工况下内外膨胀比的变化趋势及产生机理。实验结果发现,进气压力为0.4-0.65 MPa时,内膨胀比的数值为5-8左右,外膨胀比的数值为3-4左右。单螺杆膨胀机内外膨胀比随工况的变化差异很大,可以看出,单螺杆膨胀机膨胀比受工况的影响明显,当提高进气压力时,膨胀比出现逐渐增加的趋势,并没有出现明显的欠膨胀状态。开展了结构参数对单螺杆膨胀机膨胀比的优化分析。分析了单螺杆结构参数对螺杆螺槽容积和最大内容积比的影响。分析结果发现,随着中心距的增加螺槽容积先增加后减小,最大内容积比逐渐下降且下降的幅度逐渐减小。螺杆和星轮为不等径结构时,随着不等径率的增加,基元容积的最大值对应的相对中心距逐渐增大,最大内容积比也逐渐增大。相同中心距时,随着不等径率的增加螺槽容积出现先增加后减小的趋势,不等径率为10%时,最大基元容积较等径结构增加了36%左右,最大内容积比增加了80%左右。由此可见,通过调整中心距和不等径率理论上可以获得高的螺槽容积和最大内容积比的单螺杆结构,这可为获得高膨胀比的单螺杆膨胀机提供理论依据。开展了高膨胀比单螺杆膨胀机的研发工作。确定了高膨胀比单螺杆膨胀机的基本结构设计参数。设计螺杆直径为117 mm,不等径率约为10%(即取星轮直径为128 mm),中心距为87.75 mm,内容积比为8的单螺杆膨胀机样机。然后进行了螺杆轴、螺杆转子、星轮以及样机机壳等设计,并对螺杆轴进行了强度和刚度校核。在此基础上加工装配了单螺杆膨胀机样机,开展了高膨胀比单螺杆膨胀机样机的初步性能测试。实验结果发现,进气压力为1.06-1.87 MPa时,内膨胀比的数值为12-26左右,外膨胀比的数值为7-8左右。结构参数的优化设计是实现高膨胀比的技术手段,这项研究为后续开展单螺杆膨胀机的优化设计工作提供了理论和数据支撑。
【图文】：

膨胀机,单螺杆,样机,性能测试

3.1.1 单螺杆膨胀机的工艺流程实验台主要针对本实验室设计的单螺杆膨胀机样机进行性能测试，，选用压缩空气作为测试工质。单螺杆膨胀机样机的性能测试实验平台的流程如图3-1所示。图 3-1 单螺杆膨胀机样机性能测试实验流程图Fig. 3-1 The process flow diagram of performance test on single screw expanderprototypes压缩机提供的高压空气进入单螺杆膨胀机内膨胀做功，做完功的气体经油气分离器引至室外排出。膨胀机输出的轴功通过扭矩仪测出，同时用涡流测功机为假负载消耗轴功。在膨胀机的进出口管路上布置有各种传感器，用于监测膨胀机进出口的压力、温度以及流量参数。

压力传感器

点和传感器布置进口流量计选用的是北京合世自动化科技有限公司定智能涡街流量计，口径为 DN25，测量介质为空气，测量范差 0.5%，采用 24VDC 电压供电，输出信号为 4~20 mA进、出口管道压力传感器选用的是北京昆仑海岸传感技术B-KO-PAG 压力液位变送器，精度为 0.2 级，其中进口量程为 0~1 MPa。进、出口温度传感器均采用上海华润电热仪表厂的螺纹式 WZPT-01，精度为 0.5 级，进口量程为 0~100 oC 的热电100 oC 的热电阻。进、排气瞬间压力传感器选用的是西安微正电子科技有限力传感器，螺纹接口 M12x1，供电 24 V，输出 4~20 mA
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK115

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