毕业论文（设计）膨胀比对单螺杆膨胀机性能影响的初步实验研究

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1、膨胀比对单螺杆膨胀机性能影响的初步实验研究北京市教委科技而上项H(KM201510005012)和973项H(2013CB228306)资助摘要：目前，屮小规模冇机观肯循环系统的实用化仍存在许多问题，共屮膨胀机性能是阻碍其应用的重要技术瓶颈。膨胀机性能影响循环热效率的两个重要指标为膨胀机效率和膨胀比，而变膨胀时膨胀机效率的变化是循环优化的重要基础数据。本文开展了膨胀比对单螺杆膨胀机性能影响的初步研究工作，并对自主研发的膨胀机样机进行了实验研究。结果表明：内膨胀比较大的样机膨胀机效率和容积效率均有一

2、定程度的降低。关键词：单螺杆膨胀机，膨胀比，性能测试，膨胀机效率，容积效率0引言基于有机朗肯循环的余热发电技术被认为是目前最有前景的技术之一⑴。大型的ORC系统已经相对成熟，并广泛应用于水泥、化工等行业。然而大量余热资源具有温度低、资源量小和较为分散的特点，更适合采用小型ORC系统°然而受制于膨胀机效率、工质泵效率和循环热效率等因素的制约，小型ORC系统目前仍处于实验室阶段。大量研究工作表明，膨胀机性能对ORC循环热效率影响很人。Peterson等⑵得出在膨胀机效率达到50%的情况下系统循环效率为

3、7.2%,膨胀机的膨胀比为4.57,指出影响循环效率的关键是膨胀机。Kang等⑶测得膨胀机的最大效率为82.2%,系统的最大循环效率估计能达到5.65%,选用的膨胀机的膨胀比为2.72。可以看出，系统循环效率并不仅仅和膨胀机效率有关，还与膨胀比有关。顾伟等⑷研究了工质在不同膨胀比下的循环热效率比较，得出了对于同一种工质，系统的效率随着膨胀比的增加而增加。可见，膨胀比对循环热效率的影响很大。在许多膨胀比刈循环热效率影响的分析中，隐含了膨胀机效率不变的前提，这是一种理想假设。然而在实际工作过程中，膨胀

4、机效率随膨胀比的增加往往会呈现出先增加后降低的趋势，不同类型的膨胀机趋势相同，只是变化幅度可能不同。对于ORC系统,提高膨胀比会提高循环热效率，而膨胀机效率下降会降低循环热效率。获得不同膨胀比条件下膨胀机效率变化规律是ORC系统优化设计和运行的前提条件。在各种小型膨胀机中，单螺杆膨胀机因其独特结构较容易实现变膨胀比。为了探索膨胀比的改变对单螺杆膨胀机性能的影响，本文拟开展不同膨胀比条件下单螺杆膨胀机性能实验研究，为单螺杆膨胀机优化设计积累基础数据。1膨胀机主要性能指标1.1膨胀比定义根据文献⑸，螺

5、杆压缩机的压缩比分为内压比和外压比。内压比定义为压缩终了绝对压力与进气绝对压力之比；外压比定义为排气绝对压力与进气绝对压力之比。压缩机的内压比由固定不变的轴向排气孔口决定，外压缩比由运行工况所确定。参照螺杆压缩机的定义，螺杆膨胀机的膨胀比亦分为内膨胀比和外膨胀比。对于单螺杆膨胀机而言，在基元容积与排气孔口连通的一瞬间，基元容积内的气体压力称为内膨胀终了压力。进气压力与内膨胀终了压力Z比定义为内膨胀比。排气管内的气体压力称为背压，进气压力与背压的比值定义为外膨胀比。内膨胀比由内容积比及过程指数所确定

6、，内容积比是排气容积与进气容积之比，是一结构参数，过程指数受工质类型及温度等影响；而外膨胀比主要由运行工况所要求的进、排气压力所确定。1.2效率定义膨胀机轴功率代是指通过膨胀机伸出轴输出的实际功率。实验中，轴功率化通常是通过测量膨胀机扭矩：T和转速n的实时数据，按照下式计算获得：Pe=Tn9550(1)膨胀机轴效率久是指膨胀过程中轴端输出功率几与理想焙降Z比，反映的是膨胀机的总体效率情况。轴效率的关系式如下：加（说—饥）容积效率riv是理论排气量匕与实际排气量K之比，反映膨胀机儿何结构利用的完善程

7、度。关系式如下：2试验系统单螺杆膨胀机样机的性能测试实验系统流程如图1所示。图I单螺杆膨胀机性能测试实验流程图实验流程：膨胀机入口压力设定为8bar>7bar和6bar三组压力，分别为进行实验。实验屮，通过调节阀的开度控制入II流量，从储气罐排出的压缩空气进入膨胀机内膨胀做功，做完功的气体通过排气管路排出室外。膨胀机输出的轴功通过扭矩仪测出的扭矩和转速计算获得。在膨胀机的进出丨1管路上布置有各种传感器，用于监测膨胀机进出口的压力、温度以及流量等热力学参数，并通过数采设备实时记录。3试验结果分析本文

8、对两台膨胀机样机进行了性能测试。两台样机均采用实验室自主设计的螺杆直径117mm膨胀机样机，其结构参数基本一样，啮合间隙和配合间隙也一样，主要区别为内膨胀比不同，第一台样机A的内膨胀比为3.66,第二台样机B的内膨胀比为5.31。比较图2和图3可知，两台样机的功率都随着转速的增加而增加，并且在入口压力05053.221.O8baro7bar△6bar5.O1口8bar7bar△6bar10001500200025003000图2A样机功率随转速变化的趋势10001500200025