【摘要】：在中低溫余熱回收利用中,有機朗肯循環(huán)被認(rèn)為是具有較大潛力的技術(shù)方向。而對于中小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng),膨脹機作為輸出動力設(shè)備限制了其系統(tǒng)性能進一步提升。膨脹機對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在膨脹機效率和膨脹比兩個方面,故如何提高膨脹機效率和膨脹比成為了實現(xiàn)有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)實用化的關(guān)鍵。單螺桿膨脹機具有膨脹比高、受力平衡、振動小和適用壓力范圍廣等多方面的優(yōu)勢,故采用單螺桿膨脹機作為動力輸出設(shè)備的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)有望獲得實際應(yīng)用。本文針對單螺桿膨脹機膨脹比展開了理論分析與實驗研究,本文主要研究工作如下:開展了膨脹比對有機朗肯循環(huán)熱力性能影響的分析。建立了有機朗肯循環(huán)的熱力學(xué)模型,分析了膨脹機效率、膨脹比和工質(zhì)泵效率以及三者相互耦合對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響,其中膨脹比對系統(tǒng)性能影響非常明顯,即使膨脹機效率和工質(zhì)泵效率略微降低,提高膨脹比依然是提高系統(tǒng)性能的重要手段。結(jié)合現(xiàn)有的實驗研究和技術(shù)水平,小型有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)膨脹機的膨脹比應(yīng)該提高到6-10左右,此時系統(tǒng)的熱效率可達8%-10%。開展了變工況條件下單螺桿膨脹機膨脹比的實驗研究。分析了變轉(zhuǎn)速和變進口壓力兩種工況下內(nèi)外膨脹比的變化趨勢及產(chǎn)生機理。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),進氣壓力為0.4-0.65 MPa時,內(nèi)膨脹比的數(shù)值為5-8左右,外膨脹比的數(shù)值為3-4左右。單螺桿膨脹機內(nèi)外膨脹比隨工況的變化差異很大,可以看出,單螺桿膨脹機膨脹比受工況的影響明顯,當(dāng)提高進氣壓力時,膨脹比出現(xiàn)逐漸增加的趨勢,并沒有出現(xiàn)明顯的欠膨脹狀態(tài)。開展了結(jié)構(gòu)參數(shù)對單螺桿膨脹機膨脹比的優(yōu)化分析。分析了單螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對螺桿螺槽容積和最大內(nèi)容積比的影響。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著中心距的增加螺槽容積先增加后減小,最大內(nèi)容積比逐漸下降且下降的幅度逐漸減小。螺桿和星輪為不等徑結(jié)構(gòu)時,隨著不等徑率的增加,基元容積的最大值對應(yīng)的相對中心距逐漸增大,最大內(nèi)容積比也逐漸增大。相同中心距時,隨著不等徑率的增加螺槽容積出現(xiàn)先增加后減小的趨勢,不等徑率為10%時,最大基元容積較等徑結(jié)構(gòu)增加了36%左右,最大內(nèi)容積比增加了80%左右。由此可見,通過調(diào)整中心距和不等徑率理論上可以獲得高的螺槽容積和最大內(nèi)容積比的單螺桿結(jié)構(gòu),這可為獲得高膨脹比的單螺桿膨脹機提供理論依據(jù)。開展了高膨脹比單螺桿膨脹機的研發(fā)工作。確定了高膨脹比單螺桿膨脹機的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。設(shè)計螺桿直徑為117 mm,不等徑率約為10%(即取星輪直徑為128 mm),中心距為87.75 mm,內(nèi)容積比為8的單螺桿膨脹機樣機。然后進行了螺桿軸、螺桿轉(zhuǎn)子、星輪以及樣機機殼等設(shè)計,并對螺桿軸進行了強度和剛度校核。在此基礎(chǔ)上加工裝配了單螺桿膨脹機樣機,開展了高膨脹比單螺桿膨脹機樣機的初步性能測試。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),進氣壓力為1.06-1.87 MPa時,內(nèi)膨脹比的數(shù)值為12-26左右,外膨脹比的數(shù)值為7-8左右。結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)高膨脹比的技術(shù)手段,這項研究為后續(xù)開展單螺桿膨脹機的優(yōu)化設(shè)計工作提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。
【圖文】：

3.1.1 單螺桿膨脹機的工藝流程實驗臺主要針對本實驗室設(shè)計的單螺桿膨脹機樣機進行性能測試，，選用壓縮空氣作為測試工質(zhì)。單螺桿膨脹機樣機的性能測試實驗平臺的流程如圖3-1所示。圖 3-1 單螺桿膨脹機樣機性能測試實驗流程圖Fig. 3-1 The process flow diagram of performance test on single screw expanderprototypes壓縮機提供的高壓空氣進入單螺桿膨脹機內(nèi)膨脹做功，做完功的氣體經(jīng)油氣分離器引至室外排出。膨脹機輸出的軸功通過扭矩儀測出，同時用渦流測功機為假負(fù)載消耗軸功。在膨脹機的進出口管路上布置有各種傳感器，用于監(jiān)測膨脹機進出口的壓力、溫度以及流量參數(shù)。

點和傳感器布置進口流量計選用的是北京合世自動化科技有限公司定智能渦街流量計，口徑為 DN25，測量介質(zhì)為空氣，測量范差 0.5%，采用 24VDC 電壓供電，輸出信號為 4~20 mA進、出口管道壓力傳感器選用的是北京昆侖海岸傳感技術(shù)B-KO-PAG 壓力液位變送器，精度為 0.2 級，其中進口量程為 0~1 MPa。進、出口溫度傳感器均采用上海華潤電熱儀表廠的螺紋式 WZPT-01，精度為 0.5 級，進口量程為 0~100 oC 的熱電100 oC 的熱電阻。進、排氣瞬間壓力傳感器選用的是西安微正電子科技有限力傳感器，螺紋接口 M12x1，供電 24 V，輸出 4~20 mA
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK115

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