CO2跨临界循环滚动活塞膨胀机的研究与开发--试验测试部分

为提高CO2跨临界循环的效率，降低系统的节流损失，用CO2膨胀机代替系统中的节流阀，并对其回收膨胀功进行了研究，设计和开发了两代CO2滚动活塞膨胀机样机，给出了两代CO2膨胀机的特点，同时进行了试验对比．试验测试结果表明滚动活塞形式的膨胀机在超临界和两相区运行是可行的．第二代膨胀机明显优于第一代膨胀机，可见采取的降低泄漏、减小摩擦等措施非常有效．膨胀机在CO2跨临界循环中运行，存在最佳转速，使膨胀机的输出功率达到最大。     

空分装置中增压透平膨胀机控制

增压透平膨胀机是空分设备的核心部机之一,在空分装置中为低温精馏提供充足的冷量,对产品的产量进行有效的调节。本文详细介绍了增压透平膨胀机控制保护的两个总要方面,增压透平膨胀机的防喘振控制、机组油泵控制和主备泵的无扰切换逻辑。     

双螺杆水蒸气膨胀机的研究与开发

针对双螺杆水蒸气膨胀机的工作过程进行了理论研究,结果表明,在欠、过膨胀工作过程中回收功减少,且当压差相等时欠膨胀引起的做功能力下降幅度较小。通过研究内容积比、进口蒸汽热力参数和欠、过膨胀对双螺杆水蒸气膨胀机回收功和容积流量影响时发现:内容积比存在最优值,其可使膨胀机回收功最大;欠膨胀会导致膨胀功下降,膨胀机的容积流量减少。由此,提出了双螺杆膨胀机的经济性设计思路:在大中型双螺杆膨胀机的设计时宜采用欠膨胀工况,使膨胀终了压力接近且略大于出口背压,相应的内容积比小于最优内容积比。采用该思路进行设计,不仅可以得到较好的回收功,而且可使得膨胀机容积流量减少、经济性提高,为指导双螺杆膨胀机的设计提供借鉴。     

低温余热回收用涡旋膨胀机性能模拟研究

采用R123为循环工质,建立了应用于低温余热回收系统中涡旋膨胀机工作过程的数学模型,分析了吸、排气损失和泄漏、传热对涡旋膨胀机工作过程的影响.结果表明:涡旋膨胀机实际工作过程与理论过程存在偏差,吸气和排气过程存在压力损失,整个过程中伴随着泄漏与热传递;膨胀腔内工质的质量在吸气结束时低于理论值,膨胀过程中工质的质量先减小再增大;实际输气量和输出功率随转速的增加而增大,但增加量随转速的增加而减小;容积效率随转速的增加而增大;降低径向和轴向间隙可以提高膨胀机的容积效率.     

HFC410A空调系统中两级滑片式膨胀机的实验研究

针对HFC410A制冷空调系统开发的具有两级膨胀过程的滑片式膨胀机,其内容积比为7.66且满足HFC410A高容积膨胀比的要求,搭建了HFC410A制冷空调实验系统,并对不同工况和转速下的样机进行了实验研究。结果表明:两级滑片式膨胀机系统的性能系数(COP)最多提高11.7%,最大等熵效率为33.7%,在常规压比下膨胀机的最佳转速为1 300～1 400r/min;高压工况下摩擦损失减少,膨胀机输出功增大,有益于系统COP提升;过冷度增大,系统制冷量提高,有益于系统COP提升,但膨胀机回收功减小,相对于节流阀系统的COP提高率减小,膨胀机替换节流阀后的经济性优势降低,系统过冷度对膨胀机等熵效率和容积效率的影响较小。     

CO2滑片膨胀机热力过程的试验研究

为了提高制冷系统的效率,研制了滑片膨胀机,以替代跨临界CO2制冷循环中的节流阀.利用膨胀机气缸上2只相隔一定角度的压力传感器,获得了工作腔内压力随转角变化的完整曲线(p-θ图),并通过p-θ图分析了膨胀机的内部热力过程.研究结果表明:所研制的滑片膨胀机能够实现连续、稳定的膨胀过程,但严重的内部泄漏使得膨胀过程中的压力下降非常迅速,并导致过度膨胀现象发生;通过在滑片底部设置弹簧,改善滑片与气缸内壁之间的密封,在p-θ图上能观察到膨胀过程趋于理想的情况;在膨胀机的进、出口之间密封圆弧处增加密封条,可以显著提高膨胀机的进、出口压力差,说明该处泄漏得到大幅减少;所研制的膨胀机绝热效率在20%左右,且随转速的改变没有明显的变化,降低高压差下的气体泄漏是今后样机改进的重点.     

螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统分析

针对100℃以下流体的余热回收,建立了采用低沸点工质的双循环螺杆膨胀机余热回收系统优化模型,根据工质在蒸发器出口的热力状态不同,对不同膨胀过程求解,并分析了影响系统性能的主要因素.结果表明:对于工质蒸发温度的选择,当可以忽略蒸发侧泵耗时,宜采用以机组效率最大为目标进行优化设计,当必须考虑蒸发侧泵耗时,宜采用以系统效率最大为目标进行优化设计;对于螺杆膨胀机膨胀比的选择,当余热温度<100℃时,工质R245fa的最佳膨胀比为4,丁烷的最佳膨胀比为3,当余热温度>100℃时,最佳膨胀比的值增大;对于循环工质的选择,应考虑单位质量做功能力强、蒸发压力低和最佳膨胀比小的有机物等.     

一种新型自由活塞式膨胀机的研制及试验研究

研制出一种具有新型吸、排气控制机构的双作用自由活塞式膨胀机，用于替代跨临界CO2制冷循环中的节流阀并回收膨胀功，在空气试验台上通过膨胀腔内动态压力测量对膨胀机及其吸、排气控制机构的工作原理进行了验证，并利用p-t和p-V指示图对膨胀机性能进行了试验研究．试验结果表明：膨胀机的吸、排气控制机构能够按照要求实现膨胀机的正常吸、排气；膨胀机能够在较宽的高、低压力范围内工作，膨胀机的工作频率随高、低端压力差近似成线性关系，并且膨胀机在10～17Hz频率范围内工作特性较佳，在10．2Hz下膨胀机的绝热效率约为62％．对膨胀机工作过程的进一步研究发现，吸气通道太长导致膨胀机吸气过程响应慢，是高频率下膨胀机吸气不充分及效率下降的重要原因．     

CO2滑片膨胀机热力过程试验研究

为了提高制冷系统的效率，研制了滑片膨胀机，以替代跨临界CO2制冷循环中的节流阈．利用膨胀机气缸上2只相隔一定角度的压力传感器，获得了工作腔内压力随转角变化的完整曲线（p-θ图），并通过p-θ图分析了膨胀机的内部热力过程．结果表明：研制的滑片膨胀机能够实现连续、稳定的膨胀过程，但严重的内部泄漏使得膨胀过程中的压力下降非常迅速，并导致过度膨胀现象发生；[第一段]     

涡旋膨胀机研究进展及展望

随着“双碳”目标的提出,涡旋膨胀机作为回收低品位能量的机械装置备受关注。首先,对近年来涡旋膨胀机的理论研究成果进行了综述,主要包括型线理论、热动力学和计算流体力学(CFD)仿真。然后,对涡旋膨胀机在有机朗肯循环(ORC)中的应用进行了总结,梳理了涡旋膨胀机在跨临界CO₂制冷循环中的应用研究成果。最后,对涡旋膨胀机未来的研究方向进行了展望。结果表明：变壁厚涡旋膨胀机因其可以在不增加泄漏线长度的情况下增加内容积比,因此将成为未来型线优化的主要方向;CFD仿真已成为重要的研究工具;润滑油是影响涡旋膨胀机性能的关键因素,提高润滑油的黏度有利于提升效率,而过量的润滑油则会使其性能下降;工作压力是影响涡旋膨胀机性能的最主要的因素,过膨胀、欠膨胀以及泄漏现象都会使其性能下降。此外,涡旋膨胀-压缩一体机集成了膨胀机和压缩机两个功能单元于一个机壳中,显著简化了系统结构并提高了能量回收效率,是提升新能源车用CO₂热泵空调系统性能的有效途径。基于当前的研究成果和行业需求,提出涡旋膨胀机未来应继续深入研究和优化型线设计、减少泄漏、优化工作压力等,以满足日益增长的能量...     

CO2转子膨胀机泄漏的理论及实验

研究CO2转子膨胀机内高低压间泄漏问题是提高膨胀机效率的途径之一．笔者结合转子膨胀机内常用的平板泄漏模型进行了超临界泄漏的机理分析,结果表明泄漏通道表面形成的油膜使泄漏通道间隙减少,泄漏量降低40％．研制了超临界CO2流体泄漏试件,建立了泄漏实验装置,进行了超临界流体微小通道5μm、10μm和15μm泄漏实验,验证了润滑油对泄漏的影响．实验数据表明,润滑油时膨胀机内部超临界流体泄漏有显著的影响．根据实验结果修正了已有的平板泄漏模型,误差在6％之内．该模型适用于含润滑油的超临界CO2泄漏分析．     

CO2跨临界循环双缸滚动活塞膨胀机的设计与分析

二氧化碳跨临界循环需要利用膨胀机回收功以提高循环效率．在单缸滚动活塞膨胀机的基础上,提出了双缸滚动活塞膨胀机,分析了进气控制结构,进气管中余隙容积的存在会损失一部分膨胀功;分析了两缸内工作腔的吸气、膨胀、排气过程;在一定工况下,设计了双缸并联滚动活塞膨胀机;根据设计的结构参数进行了运动分析和受力计算上下两缸的活塞与滑板之间的摩擦力以及活塞上的气体力是平衡的,只需要平衡惯性力矩即可。     

油田气深冷分离装置膨胀机模拟计算模型的研究

透平膨胀机是膨胀机法深冷分离装置中的关键设备,本文根据某油田引进装置的设计条件,考核了使用 SRK(1972)、修正的 SRK(1978)和 P-R 等立方型状态方程进行膨胀机模拟计算的适用性,所得结果与原设计值和BWRS状态方程计算值基本一致,而且节省机时。由于修正的SRK方程具有较完整的二元交互作用系数,因此,在膨胀机法深冷分离计算中一般可优先考虑采用。     

相位在状态监测及故障诊断中的应用

介绍了测量初相位的一种方法。结合振动幅值的变化速率及测得的相位信息，对Ｅ２３２烟气轮面组的运行状态进行综合分析，诊断出由于催化剂冲蚀造成烟气轮机损伤。从而得出结论：决定机组能否安全运行不能仅看它是否已越越现行规定的振幅停机值。而且要仔细观察它的振幅改变速度和相位的相对变化。     

Development and dynamic characteristics of an Organic Rankine Cycle

The design, construction and test of an Organic Rankine Cycle （ORC） with R123 as the working fluid were performed. A scroll expander was integrated in the system. The conductive oil with its temperature of 150 ℃ was used to simulate the low-grade heat source. An AC dynamometer unit measured the expander shaft torque, rotating speed and shaft power. The experiments were conducted in two operating modes： the constant mass flow rate and the constant shaft torque. Under the constant mass flow rate operating mode, the stepped increase of the shaft torque increased the expansion ratios of the expander and decreased the vapor superheats at the expander inlet. Thus, the shaft power and thermal efficiency were increased. Alternatively, the constant shaft torque operating mode involved two different regions, interfaced at the pumping frequency of 9 Hz. By the increase of the mass flow rates, the vapor superheats at the expander inlet was decreased and the shaft power was increased, but the ORC thermal efficiencies were slightly decreased. Both operating modes yielded the saturation shaft powers that were the maximum values one could use. It was found that the measured shaft powers and ORC thermal efficiencies were lower than the enthalpy determined values based on the fluid pressures and temperatures at the expander inlet and outlet. The maximum measured shaft power and thermal efficiency were 2.63 kW and 5.31%, compared with the enthalpy determined values of 3.87 kW and 9.46 %, respectively.     

用于冷中子源系统的氦制冷循环方案分析

为向冷中子源装置氢系统提供17．5K的低温冷源，设计了逆布雷顿循环的液氮预冷模式和4种膨胀机预冷模式，并对这5种循环模式进行热力分析和[火用]分析，获得了各循环模式下的主要热力参数并分析比较了各自的热力性质．结果表明：带液氮预冷和前置式并联膨胀机预冷2种模式的热力性能最好，[火用]效率最高；对于膨胀机预冷循环，并联模式优于串联模式，前置式优于后置式．循环系统[火用]损失部位主要在压缩机、膨胀机和换热器，减小这3部分[火用]损失的途径有以下方面：改善循环，减小系统氦的质量流量；提高压缩机的等温效率、膨胀机的等熵效率；改善换热器的内部温度、温差、压力分布及物流分配．本研究为中国先进研究堆冷中子源氦制冷系统的设计提供了数值基础。     

回热式有机朗肯循环系统热力性能

膨胀机和工质泵作为有机朗肯循环系统的重要动力部件,在不同的热源温度下,合适的膨胀机及工质泵转速能够有效提高有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统的热效率.基于回热式ORC系统的热力学分析,选用1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa)为工质研究了膨胀机转速、工质泵转速以及热源温度对系统...     

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66 kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.     

模块化螺杆膨胀发电机组转速控制模型

为研究基于有机朗肯循环的模块化螺杆膨胀发电机组的动力机转速控制,建立了螺杆膨胀机转子的动态响应模型.对满液式蒸发器建立一种固定边界分段模型,并采用一阶惯性环节对模型进行补偿.针对模块化螺杆膨胀机组无调节阀直接控制进入螺杆机工质流量的特点,提出通过控制热源流体侧调节阀来间接控制螺杆机转速的方法.针对热源流量变化对工质蒸气流量及焓值都会产生影响的情况,分别建立系统的流量通道及焓通道模型.在Matlab中分别建立对应的系统动力机转速控制模型并仿真.仿真结果表明:通过控制热源流体流量来控制动力机转速的控制策略可行;相对于工质焓值,工质蒸气流量在转速调节中起主要作用.通过对转速、热源流量以及比例-积分-微分控制器参数等扰动信号的仿真分析可知,该控制系统具有较强的稳定性.