本文關(guān)鍵詞：基于單螺桿膨脹機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能研究

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【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對能源的需求日益增加,而我國能源消費具有能源消費總量巨大、能源利用率低和能源消費結(jié)構(gòu)不合理的特點,由此帶來的環(huán)境污染嚴(yán)重、能源供應(yīng)緊張和供需矛盾不斷加劇,嚴(yán)重制約我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。余熱利用是提高能源利用率行之有效的手段。在我國,高、中溫的余熱利用技術(shù)比較成熟,已經(jīng)得到推廣應(yīng)用。近年來中低溫、低溫余熱的利用引起研究者的重視,并對不同的余熱利用技術(shù)進(jìn)行了探討,其中對有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)技術(shù)的關(guān)注最為廣泛。膨脹機(jī)是有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的核心部件。單螺桿膨脹機(jī)是一種新型的容積式膨脹機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡單、受力平衡、使用壽命長、維護(hù)成本低和適用工質(zhì)廣泛等諸多優(yōu)點,十分適合用于中小規(guī)模的中低溫余熱利用的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。借鑒單螺桿壓縮機(jī)模型,對單螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)進(jìn)行了介紹,并定義參數(shù)齒徑比ψ=b/d2,討論了星輪齒寬以及螺桿螺槽之間的最小肋厚與齒徑比的關(guān)系,結(jié)果表明:齒徑比越大,星輪齒的寬度就越大,而螺槽之間的最小肋厚就越小,所以齒徑比不能太大,太大會影響螺桿的強度;齒徑比也不能太小,太小會影響單螺桿膨脹機(jī)的排量。綜合考慮,齒徑比可以選擇0.14~0.154。將齒徑比代入單螺桿膨脹機(jī)的基元容積的計算式,可以極大地簡化基元容積的表達(dá)式。簡化后的基元容積與單螺桿膨脹機(jī)的螺桿直徑是三次方關(guān)系,而系數(shù)為單螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。借鑒Φ155單螺桿膨脹機(jī)和Φ175單螺桿膨脹機(jī)的性能測試試驗臺經(jīng)驗,搭建了以壓縮空氣為工質(zhì)的Φ195單螺桿膨脹機(jī)的性能試驗臺。通過對螺桿直徑分別為Φ117、Φ155、Φ175和Φ195四種型號的單螺桿膨脹機(jī)的性能測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,獲得了單螺桿膨脹機(jī)的性能在不同影響因素下的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明:單螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)氣體積流量、輸出功率以及工質(zhì)的溫降并不是簡單的與螺桿直徑的三次方成正比,還受到其他因素的影響。而從不同型號的單螺桿膨脹機(jī)輸出功率來看,轉(zhuǎn)速2500rpm~3000rpm是功率輸出的最佳區(qū)間。單螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)氣壓力、膨脹比的增加,有利于單螺桿膨脹機(jī)的輸出性能的提高,而排氣背壓的增加不利于單螺桿膨脹機(jī)的運行。研制了基于單螺桿膨脹機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)試驗系統(tǒng),以濰柴動力的WP10.336型號的柴油發(fā)動機(jī)的尾氣作為熱源,以有機(jī)工質(zhì)R123為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)。根據(jù)試驗需要,自主研制開發(fā)了Φ155的單螺桿膨脹機(jī),并研制了蒸發(fā)器和冷凝器。為了降低設(shè)備重量和體積,蒸發(fā)器為采用輕型材料鈦管的螺旋盤管換熱器,而冷凝器為采用百葉窗肋片和封閉式結(jié)構(gòu)的全鋁平行流換熱器。通過改變發(fā)動機(jī)的出力、單螺桿膨脹機(jī)的輸出扭矩、有機(jī)工質(zhì)流量和單螺桿膨脹機(jī)的排氣背壓等參數(shù),研究了不同工況對單螺桿膨脹機(jī)和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能影響,獲得了單螺桿膨脹機(jī)和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在不同工況下的變化規(guī)律。結(jié)果表明:柴油發(fā)動機(jī)在加裝尾氣余熱回收有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)后,發(fā)動機(jī)的油耗和背壓均有所增加,最大分別增加了0.7kg/h和2.5kPa,考慮ORC系統(tǒng)的輸出功率,總輸出功率的每千瓦油耗最大降低3.5%。單螺桿膨脹機(jī)的輸出功率、單螺桿膨脹機(jī)的效率以及ORC系統(tǒng)的效率均隨著發(fā)動機(jī)功率的增加而增大,最大分別為10.38kW、57.88%、6.48%。在發(fā)動機(jī)功率為180kW、轉(zhuǎn)速為1900rpm時,單螺桿膨脹機(jī)的輸出功率和ORC系統(tǒng)效率均隨有機(jī)工質(zhì)蒸氣的干度的增加而有所增大,而隨排氣背壓的增加而下降,并且影響十分顯著。結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)試驗中測得的單螺桿膨脹機(jī)的性能特性和螺旋盤管蒸發(fā)器的傳熱特性,完成對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的建模,并以有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)單位體積的最大輸出功率作為目標(biāo)函數(shù),以有機(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)壓力、尾氣的排氣溫度、單螺桿膨脹機(jī)的螺桿直徑和轉(zhuǎn)速為變量對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化。通過對優(yōu)化后的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行不同工況下的性能研究,結(jié)果表明單螺桿膨脹機(jī)的輸出軸功率、有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈功率和有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)效率均隨著有機(jī)工質(zhì)的蒸氣干度和發(fā)動機(jī)功率的增加而增加,但是在發(fā)動機(jī)工況為180kW和200kW時,以上指標(biāo)相差很小。雖然在不同發(fā)動機(jī)工況下單螺桿膨脹機(jī)的輸出軸功率隨著蒸發(fā)壓力的增加而變大,但是有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)輸出凈功率和系統(tǒng)效率在蒸發(fā)壓力2.2~2.4MPa時得到最佳值。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK115;TB653

【共引文獻(xiàn)】

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本文編號：1304002