無(wú)油渦旋膨脹機(jī)性能特性及試驗(yàn)研究

彭斌，孫健

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

為了有效地解決能源的低效利用，尤其是不可再生能源的再次利用問題，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(organic Rankine cycle system, ORC)由于其高效的余熱回收能力，已被越來(lái)越多的研究者所重視。在工業(yè)生產(chǎn)中，大量的不可再生能源以中低品位(100℃～250℃)的形式排放到外界，造成了環(huán)境污染和大量的能源損失，而有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)能夠有效地回收中低品位的熱源，因而整個(gè)ORC系統(tǒng)的運(yùn)行效率就決定了其能源回收利用率的大小[1]。渦旋膨脹機(jī)在工作原理上屬于容積型膨脹機(jī)，相較于其他類型的膨脹機(jī)而言，具有轉(zhuǎn)速低、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，因此被眾多的研究者所青睞，越來(lái)越多的人開始對(duì)其進(jìn)行了深入的理論和試驗(yàn)研究，并得到了實(shí)際應(yīng)用。目前由于加工條件和材料的限制，渦旋膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)輸出功率均<10kW[4-5]。

YANAGISAWA等通過對(duì)由渦旋壓縮機(jī)改造而來(lái)的渦旋膨脹機(jī)使用空氣作為工質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出其最大等熵效率為75%[6]；吳竺等采用工質(zhì)R123對(duì)渦旋膨脹機(jī)變負(fù)載工況的傳熱模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究[7]；潘登等人對(duì)渦旋膨脹機(jī)在不同工況下的熱力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8]；徐進(jìn)等人給出了輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩隨氣動(dòng)功率的變化曲線[9]；KIM等人利用低溫?zé)嵩椿厥障到y(tǒng)對(duì)渦旋膨脹機(jī)的傳熱模型進(jìn)行了驗(yàn)證[10]；吳竺等人以油氣比為變化量給出了轉(zhuǎn)速、空氣質(zhì)量流量和輸出功率隨油氣比的變化關(guān)系[11]；WANG J D等驗(yàn)證了渦旋式膨脹機(jī)的效率與進(jìn)氣壓力、體積流量、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速之間均有關(guān)系[12]；顧偉等以R600為工質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，當(dāng)渦旋膨脹機(jī)的輸出軸功為740W時(shí)，其轉(zhuǎn)速為4589r/min[13-14]。

目前研究所用的渦旋膨脹機(jī)的輸出功率大都<1kW，并且在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中由于諸多條件的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工況條件的大范圍調(diào)節(jié)，無(wú)法獨(dú)立地研究溫度和壓力分別對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響[15]。本文搭建了以空氣為工質(zhì)的渦旋膨脹機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)所用的渦旋膨脹機(jī)的最大設(shè)計(jì)功率為1.5kW通過試驗(yàn)得到了其進(jìn)出口的壓力和溫度、轉(zhuǎn)速和流量，發(fā)電機(jī)的電壓、電流和發(fā)電量。通過試驗(yàn)研究驗(yàn)證了所建立的熱力學(xué)模型，為渦旋膨脹機(jī)的理論設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)研究平臺(tái)

圖 1 為渦旋膨脹機(jī)的試驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖。本試驗(yàn)平臺(tái)由高壓氣源、渦旋膨脹機(jī)、玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、三相異步發(fā)電機(jī)、截止閥、壓力表、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器、鉗式測(cè)功計(jì)、手持式紅外線測(cè)溫儀、負(fù)載、聯(lián)軸器和管路連接件等組成。試驗(yàn)中由渦旋壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓高溫氣體經(jīng)過儲(chǔ)氣罐和連接管路進(jìn)入渦旋膨脹機(jī)后，高壓氣體通過連接管路進(jìn)入渦旋膨脹機(jī)，動(dòng)渦盤在氣體的推動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，渦旋膨脹機(jī)與三相異步發(fā)電機(jī)采用聯(lián)軸器相連接，降低了兩者的傳動(dòng)損失，提高了整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的工作效率。本試驗(yàn)中壓力的調(diào)節(jié)是由手動(dòng)球閥來(lái)控制的，由于手動(dòng)球閥難以精確調(diào)節(jié)，因此在試驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。在試驗(yàn)中，渦旋膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速、出口壓力和容積流量均受到進(jìn)氣壓力的影響，因此在試驗(yàn)中應(yīng)嚴(yán)格、精確地調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力。

圖1 試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)所用的渦旋膨脹機(jī)為某公司生產(chǎn)的空氣壓縮量為0.4m3/h的渦旋壓縮機(jī)經(jīng)過改裝而成的，基本參數(shù)如表1所示。

表1 渦旋膨脹機(jī)基本參數(shù)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

在試驗(yàn)中可以直接測(cè)得的數(shù)據(jù)有：膨脹機(jī)的進(jìn)出口壓力、溫度和容積流量，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)矩、輸入功率和轉(zhuǎn)速，三相異步發(fā)電機(jī)的電壓、電流和發(fā)電量。

膨脹機(jī)的輸出功率可以用來(lái)描述渦旋膨脹機(jī)的輸出特性，其計(jì)算公式如下：

Pshaft=Tn/9.55

(1)

其中：Pshaft為渦旋膨脹機(jī)的輸出功率，W；T為膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；n為膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min。T、n均可通過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得。

理論容積流量可以用來(lái)衡量渦旋膨脹機(jī)的進(jìn)氣量與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，其計(jì)算公式如下：

Vth=60πPhn(P-2t)(3-θ*/π)

(2)

其中θ*為膨脹起始角。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果與討論

3.1 容積流量和出口壓力

圖2所示為出口壓力和容積流量隨進(jìn)氣壓力的變化。如圖2(a)所示，出口壓力和容積流量隨著進(jìn)氣壓力的增加而增加，在進(jìn)氣壓力較低時(shí)出口壓力和容積流量變化較為緩慢，在進(jìn)氣壓力較高時(shí)出口壓力和容積流量變化較快。圖2(b)所示為理論容積流量和實(shí)測(cè)容積流量隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。由于存在著進(jìn)氣、排氣壓力損失和泄漏，實(shí)測(cè)容積流量要低于理論容積流量；在高轉(zhuǎn)速時(shí)由于氣流的阻塞作用，實(shí)測(cè)容積流量與理論容積流量之間的差值將變大。

圖2 不同進(jìn)氣壓力下出口壓力和容積流量的變化

3.2 電壓和電流的變化

圖3所示為發(fā)電機(jī)的電壓和電流隨進(jìn)氣壓力的變化。電壓和電流隨著進(jìn)氣壓力的增大先緩慢增加，后隨著進(jìn)氣壓力的增大而逐漸增大。

圖3 不同進(jìn)氣壓力下電壓和電流變化

3.3 輸出功率

圖4所示為輸出功率與進(jìn)氣壓力和主軸轉(zhuǎn)角之間的變化關(guān)系。如圖4(a)所示，隨著進(jìn)氣壓力的增大輸出功率也隨之增大，實(shí)測(cè)值與理論值在低壓時(shí)差值較大，隨著壓力的增大，兩者之間的差值逐漸減小，差值最大值為50W，這也驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性；圖4(b)所示為在模擬條件：進(jìn)氣壓力Pin=0.89MPa、轉(zhuǎn)速n=2500r/min、出口壓力Pd=0.15MPa下，輸出功率隨主軸轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)。隨著主軸轉(zhuǎn)角的不斷增大，膨脹機(jī)的輸出功率先減小后增大，其最大值為1100W、最小值為800W。

圖4 不同進(jìn)氣壓力下輸出功率的變化

3.4 容積效率和等熵效率的擬合

在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)渦旋膨脹機(jī)的容積效率ηv和等熵效率ηs都受到進(jìn)氣壓力Pin、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速n和膨脹比ε的影響。借助于MATLAB擬合出的多項(xiàng)式來(lái)求解容積效率和等熵效率。

容積效率的多項(xiàng)式由式(3)求得：

ηv=-80.52373+6.09308α+10.15034β-0.22062γ+0.17893α2-0.29674β2+0.02729γ2-0.52974α·β+0.15236α·γ-0.11033β·γ

(3)

等熵效率的多項(xiàng)式由式(4)求得：

ηs=40.74198+6.221α-7.67136β+0.88519γ-0.31322α2+0.32905β2-0.72528γ2-0.34181α·β+0.47222α·γ-0.02158β·γ

(4)

式中：α=ln(n)；β=ln(Pin)；γ=ln(ε)。

由式(3)和式(4)中可以看出容積效率ηv和等熵效率ηs均受轉(zhuǎn)速n、進(jìn)氣壓力Pin和膨脹比ε的影響。相較于容積效率而言，膨脹比對(duì)等熵效率影響更大。由于在實(shí)際的工作過程中，渦旋膨脹機(jī)是在一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行的，而本試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速是由進(jìn)氣壓力所控制的，因此膨脹比對(duì)渦旋膨脹機(jī)起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 從以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著進(jìn)氣壓力的逐漸增大，渦旋膨脹機(jī)的出口壓力和容積流量也隨之而增大；由于進(jìn)出口壓力的損失和泄漏等因素的影響，實(shí)測(cè)容積流量和理想容積流量之間存在著較大的差值，因此減小渦旋膨脹機(jī)的內(nèi)泄漏對(duì)增大容積流量有著重要的影響。

2) 發(fā)電機(jī)的電壓和電流從側(cè)面反映了渦旋膨脹機(jī)輸出功率的變化關(guān)系。在較低轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)電機(jī)的電壓和電流變化較為緩慢，當(dāng)進(jìn)氣壓力增大到一定值時(shí)，電壓和電流的變化較為明顯。

3) 分別對(duì)渦旋膨脹機(jī)在不同進(jìn)氣壓力和主軸轉(zhuǎn)角下的輸出功率進(jìn)行了分析，主要是為了分析影響輸出功率的主要因素。由于膨脹機(jī)的內(nèi)部損失和連接部件的機(jī)械損失，實(shí)測(cè)輸出功率要小于理論輸出功率。因此在滿足試驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)要求和保證試驗(yàn)安全的前提下，應(yīng)盡可能地提高渦旋膨脹機(jī)的進(jìn)氣壓力，以便獲得更高的輸出功率，進(jìn)而提高整個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率。