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。     

CO2双缸滚动活塞膨胀机Fluent模拟与分析

研究用双缸滚动活塞膨胀机代替节流阀,以提高CO2跨临界循环的效率.为了更清楚地研究CO2双缸滚动活塞膨胀机的工作情况,对其工作时内部的压力场、不同长径中间通道的压力场和湍流强度场进行了Fluent模拟与分析,压力场分析结果可以看出膨胀前后容积并非完全等于一级气缸和二级气缸的容积,还应加上中间通道的容积.不同长径中间通道...     

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。     

培尔顿式膨胀机的实验研究

对在小型氟里昂制冷系统中采用培尔顿式两相膨胀机取代节流阀进行了实验研究.基于热力学和几何分析,设计了具有紧凑、简单结构的双弧面切击式叶轮,制作了膨胀-发电机组,对膨胀机的工作性能进行了分析.在以R410A为制冷剂的小型制冷实验系统中,样机运行平稳可靠.在实验工况下膨胀机的最大单位回收功及等熵效率分别达到了2447 J/kg和32.8%.实验确定了样机运转的最佳速度区间为13100～15310r/min.在此转速下,膨胀机有最大的等熵效率并产生最大的回收功.实验样机具有结构紧凑、易加工的特点,在小型制冷系统中的应用具有很好的可行性.     

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．     

跨临界CO2系统用膨胀机的开发与模型分析

为了提高跨临界CO2循环系统的效率,提出了一种不需要吸气控制阀的新型CO2系统用的双滚动转子式膨胀机机构.通过建立相应数学模型,对CO2制冷剂在该膨胀机内部的膨胀过程及主要部件受力状况进行了分析,为该新型膨胀机的后续开发研制提供基础.     

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。     

地热能全流发电用两相单螺杆膨胀机理论膨胀过程热力特性研究

针对地热能发电技术存在的系统效率与热源利用率低的问题,对全流循环发电系统中替代传统汽轮机使用的单螺杆膨胀机进行了热力特性分析。基于质量守恒方程、能量守恒方程与湿蒸汽维里状态方程,建立了考虑液体闪蒸与气液平衡的单螺杆膨胀机理论全流膨胀过程的热力学模型,探索了进气温度与干度对气液两相工质状态及膨胀机热力特性的影响机理。结果表明：当进气温度由140℃升高至170℃时,湿蒸汽工质的质量、压力和温度均得到提升,单螺杆膨胀机的输出功率也由210 kW提升至约260 kW,等熵效率在进气温度为160℃时取得77%的最佳值;进气干度的提高会减少进入工作腔湿蒸汽工质质量,进而导致膨胀结束后介质压力与温度的降低,但显著促进了膨胀机的性能参数包括输出功率和等熵效率的提高,当进气干度为0.3时,单螺杆膨胀机的输出功率超过了500 kW,等熵效率也可达76.5%。上述研究结果对应用于地热能全流发电的两相单螺杆膨胀机的热力特性分析与改善以及全流发电技术的优化有一定的参考意义。     

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.     

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...     

双螺杆膨胀机泄漏过程的数值模拟与分析

利用PROE软件建立双螺杆膨胀机的三维几何模型并测量计算出基元容积、进气孔口面积、泄漏面积随阳转子转角的变化,进行几何参数分析.然后以几何参数为基础,根据能量和质量守恒定律建立热力学模型,模型综合考虑了进气节流、泄漏和实际气体状态方程.选择不同的运行参数仿真分析基元容积中工质质量,通过各泄漏通道的泄漏质量随转角的变化以及对螺杆膨胀机内效率的影响.研究发现,进气和膨胀初期的泄漏是影响螺杆膨胀机内效率的一大因素,接触线和齿顶与机壳内壁是螺杆膨胀机主要的泄漏通道,进气压力的提高和转速的减小都会增加泄漏质量.     

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.     

二氧化碳摆动转子膨胀机的受力分析

由于具有环保优势，近年来自然工质二氧化碳越来越受到关注．但二氧化碳工质应用的跨临界系统存在的最大缺点是节流损失大，导致系统循环性能系数较低．对二氧化碳跨临界摆动转子膨胀机进行了理论分析，为开发高效率膨胀机代替节流阀减小节流损失，提高系统效率提供理论帮助．对膨胀机摆动转子进行了受力分析的研究，建立了摆动转子膨胀机的受力方程，对摆动转子进行了受力计算，结果表明膨胀机的摆杆两侧摩擦力很大，导致摩擦损失增大．     

基于蓄电池储能的涡旋膨胀机废气回收系统优化控制

提出了基于蓄电池储能的涡旋膨胀机废气-回收系统方案,在保证废气排放设备高效运行的基础上,提高涡旋膨胀机的能量转换效率.以兼顾过/欠膨胀损耗和发电机铜耗的损耗模型为优化函数,结合实时估计的废气排放流量、气罐压力以及蓄电池充放电限制等约束条件,优化控制涡旋膨胀机运行.采用输入输出反馈线性化方法设计了供气压力PI控制器实现供气压力的快速跟踪;采用储能系统工作模式实时判断、占空比补偿以及PI控制相结合的控制策略实现母线电压恒定.实验验证了控制策略的有效性,实现了在满足负载功率和废气排放系统高效运行基础上的废气回收最大化.     

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%.     

HFC410A制冷系统能量回收用滑片膨胀机的试验研究

为了减小hydro-fluorocarbons(HFCs)制冷系统在节流过程中的能量损失,提高系统的效率(COP),开发出一种代替节流阀的滑片膨胀机样机,并对样机的性能进行了测试.结果表明,该样机可以满足HFCs工质在膨胀过程中的高容积比的要求.在以HFC410A为工质的制冷系统中,当空调工况下膨胀过程的容积比达到7.48时,样机运行稳定;在1 100～1 200r/min的最佳运行转速下,样机等熵效率最高,对应的容积效率为20.58%.在滑片底部安装弹簧后,样机的容积效率提高到44.27%,等熵效率由原来的20.26%提高到32.07%.与节流阀系统相比,滑片膨胀机样机系统的COP提高了6.49%,达到了3.59.     

无背压活塞环的工作间隙和相对过盈量的设计计算

为使无背压活塞环正常工作并提高使用寿命,对工作间隙和相对过盈量的设计计算进行了研究。利用热变形分析推导出了热膨胀工作间隙计算式。通过力学分析对径向相对过盈量进行了设计计算,保证活塞环无背压。热膨胀工作间隙和径向相对过盈量的计算式可以指导无背压活塞环的设计、加工和装配。     

低温有机朗肯循环系统参数的理论与实验优化

着眼于低温热能的发电利用,以R245fa为循环工质、系统比净功最大为目标,针对进口温度为90,℃的热水型热源开展有机朗肯循环参数理论优化与系统参数实验优化研究.理论优化得最优蒸发、冷凝温度分别为62,℃和33,℃.ORC系统实验得最优蒸发温度为69,℃,此时系统实验比净功为4.31,kJ/kg;测得实验所用涡旋式膨胀机的最优转速和最优压比分别在800,r/min和1.9左右,在该转速和压比附近,膨胀机的定熵效率取得最大值82.7%.     

双转子空调压缩机的性能研究

研究了两转子相互错开１８０°的双转子空调压缩机．以热力学基本方程及马丁－侯方程为依据，顾及双转子与单转子不同的特点，并考虑了工质和润滑剂的泄漏、气缸壁和转子间的热交换、气阀的运动规律等因素，建立了双转子压缩机的工作过程数学模型，编制了以模型为依据的仿真计算机程序．通过对样机的基本性能指标测试分析，取得了与仿真值相一致的结果．还对双转子压缩机的动力性能作了研究，给出了其能量不均匀度值与单转子压缩机值的大小比较．这种空调用双转子压缩机比单转子压缩机有很大的优点，如：负载均匀、振动小、单机制冷量大等，因此，该双转子压缩机特别适用于变频调速的空调器．研究结果对设计及制造空调压缩机有重要的参考价值．