兩相流雙轉子膨脹機膨脹過程的能流特性研究

趙 麗, 夏意軍, 胡仟龍, 歐陽琴

(湖南工業大學 土木工程學院建環系，湖南 株洲 412000)

0 前言

2020年9月，習近平主席在第75屆聯合國大會上提出我國碳達峰、碳中和目標。為進一步推進雙碳目標的實現，空調行業的節能減排任務重點在提高系統效率。在空調制冷技術發達的今天，常規的提高系統效率方法已趨于完善，進一步提高系統效率的關鍵在于節流部件。

國內外對于膨脹機的研究中，應用于CO2跨臨界系統的容積式與透平式膨脹機均已有廣泛的研究并已逐步走向應用[1-2]。受工質物理特性影響，CO2的臨界壓力較高(7.1 MPa)而臨界溫度較低(31 ℃)，將CO2用于制冷循環時部分工作過程處于跨臨界狀態，這使得節流過程損失非常大，在相同冷凝溫度下CO2循環效率較常規氟利昂類工質低20%～30%[3]。而循環采用膨脹機代替節流閥時，單位制冷量得到提高，同時可回收的膨脹功約占壓縮功的20%～25%[4]，這將使得CO2跨臨界循環的能效得到大大提高，因此CO2跨臨界循環膨脹機的研究極有意義，促進了CO2膨脹機研究成果的形成與轉化。而應用于常規氟利昂類人工工質的膨脹機的研究成果較少，也是受工質特性限制，如：膨脹比較大，采用容積式膨脹機體積難于控制；臨界溫度較高，節流過程一般工作在兩相區，不適合采用透平式膨脹機；節流損失較小，對小型系統而言，可回收膨脹功有限，研究的經濟價值不高，等等，均限制了兩相流膨脹機的廣泛研究。但據模擬計算，膨脹機回收的膨脹功占壓縮功的2%～15%，對系統COP(Coefficient of Performance，性能系數)的貢獻為3.6%～20%[5]，對于大中型機組而言，可回收的膨脹功十分可觀。膨脹機回收這部分能量完全可以作為分布式能源系統的分散能源使用，為國家節能減排做出一定程度的貢獻。

基于此，作者及所在課題組設計分析并制造了適用于常規制冷劑的兩相流雙轉子膨脹機樣機。由于樣機初步測試的結果不理想，因此有必要對膨脹機工作過程進行細致分析與能流研究，以提出合理的樣機改造方案。

1 兩相流雙轉子膨脹機樣機及基本結構

開發的兩相流雙轉子膨脹機樣機及主要部件如圖1所示，包括兩級氣缸、與膨脹機同軸連接的發電機及燈箱負載。其基本結構如圖2所示，圖中：1為氣缸，2為滾動活塞，3為偏心輪，4為滑片，5為連接管，6為進氣口，7為排氣口，8為氣缸壁。左邊為第一級氣缸系統，右邊為第二級氣缸系統，二者由中間通道5連接。

圖1 兩相流雙轉子膨脹機外觀及主要部件

圖2 兩相流雙轉子膨脹機結構圖

對兩相流膨脹機樣機進行了一系列試驗：在高壓氮氣的試運轉試驗中，膨脹機能正常運行。在空氣進口0.8～1.0 MPa條件下，膨脹機運轉良好，根據末端負載獲得的回收膨脹功與進出口焓差的比值，估算得到膨脹機的效率在30%左右。在測試用的試驗臺中，給定樣機一定的氣液兩相進口條件，膨脹機運轉平穩，并輸出一定的膨脹功，但是效率遠未達到設計水平。

2 兩相流雙轉子膨脹機的能流分析

根據樣機的試驗結果，對膨脹機進行能流分析。從結構方面看，對于轉子式的容積膨脹機而言，能量流動主要有：發生在各運動部件之間的泄漏損失與摩擦損失，包括滑板、滾動活塞、氣缸、偏心輪與主軸等，工作腔的余隙容積損失、熱交換損失以及節流損失等，可稱為膨脹機的結構性不可逆損失。而工作條件方面，包括工質的進口條件、潤滑油的特性等，也會在一定程度上影響膨脹過程的能流情況，稱為膨脹機的條件性不可逆損失。

2.1 膨脹機的結構性不可逆損失

膨脹機的結構性不可逆損失主要包括：

(1)泄漏損失。膨脹機的泄漏損失包括內部泄漏與外部泄漏。膨脹機內部各運動部件之間存在間隙，間隙大小由加工精度及潤滑情況決定。由于膨脹機工作過程中各工作腔壓差的存在，工質在這些間隙處存在一定程度的泄漏，泄漏損失的大小與泄漏處間隙大小、泄漏處兩端壓差、工質物性等因素有關。結合樣機的潤滑系統，各部分間隙產生的泄漏中難免含有潤滑油，因此潤滑油對物性的影響也需要進行考慮。而膨脹機與外部之間的泄漏要嚴格避免，因此在膨脹機泄漏損失的分析中，重點分析膨脹機的內部泄漏情況。

(2)摩擦損失。根據各運動部件的受力情況分析可得到轉子式膨脹機的摩擦損失情況。轉子式膨脹機的運動部件主要為滑板與滾動活塞，其中滾動活塞、滑板、偏心軸等與氣缸端蓋之間、主軸與軸承之間的摩擦系數，主要與各零件材料、結構以及潤滑情況有關。其中潤滑情況最為關鍵，因此減小摩擦損失的關鍵在于潤滑系統。

(3)余隙容積損失。設計的兩相流膨脹機在工作過程中，隨滾動活塞的轉動各工作腔存在余隙容積，殘存的少量工質隨滾動活塞的繼續轉動被壓縮，再通過各泄漏間隙分散至膨脹機其他空間，作為泄漏損失表現出來。設計時一般優化進排氣角度，以達到減小余隙容積損失的效果。而且由于轉子式膨脹機的特殊結構，由此引起的膨脹機余隙容積損失不超過0.5%[8]。

(4)工質與外部環境的熱交換損失。膨脹機可能存在的熱交換損失，包括與外界環境以及與潤滑油之間的熱交換。這兩處熱交換具有相同特點，溫差小，換熱系數也小。由于潤滑油還是在膨脹機內部，因此與潤滑油之間的熱交換并入對工質物性參數的影響考慮，而不單獨計算。

(5)吸排氣過程的節流效應。根據轉子式膨脹機的結構特點，產生節流效應的位置主要在排氣過程中。隨滾動活塞轉動排氣口逐漸被打開，工質流體在排氣口打開瞬間將發生閃蒸并瞬間膨脹。由于工質已經過膨脹過程的規律膨脹，排氣過程的閃蒸雖引起能量進一步降級，但這部分損失有限，一般按照理想可回收膨脹功的比例進行考慮。

2.2 膨脹機的條件性不可逆損失

條件性不可逆損失方面的分析，以工質的進口狀態變化時膨脹機的效率變化為主，在運行工況與設計工況不一致時將造成膨脹機效率降低，可回收膨脹功減小，而降低與減小的程度由偏離設計工況的多少決定。

根據樣機的調試結果，樣機在全液狀態不能正常運轉，而在氣相占比越高時效率及可回收的膨脹功都呈增加趨勢。根據氣態與液態流體各自的流動特性，并結合兩相流相變過程時的相變延遲現象，可以得到初步驗證。這也說明了膨脹特性研究在兩相流膨脹機研究中的重要性。同時，也指明了兩相流膨脹機的改進方向，對現有膨脹機進行前置汽化設計，將大大提高樣機效率。

而潤滑油的特性對膨脹機效率的影響實際上將體現在前面提到的泄漏損失、摩擦損失與熱交換損失等方面，不再贅述。

3 兩相流雙轉子膨脹機不可逆損失改進方案

綜合以上分析，對于現有兩相流膨脹機樣機，其可行的改進方案主要包括：

(1)改善膨脹機潤滑油系統，控制軸流式供油系統的供應壓力，改善各運動部件的潤滑情況，減少潤滑油泄漏，從而減小占比較大的摩擦損失與泄漏損失。

(2)從兩相流膨脹相變特性及機理方面，對現有膨脹機進行前置汽化設計，提高樣機進口干度。事實上即舍棄部分液態工質的閃蒸能量，以提高膨脹機工作效率與回收的膨脹功。

4 總結

本文主要對膨脹機樣機的能流特性進行了分析，通過對各能量流動過程及不可逆損失的產生機理、樣機的試驗情況對比分析，提出了現有樣機可實現的改造方案。

適用于普通工質的兩相流膨脹機的研究，在節能變得至關重要的社會背景下是很有意義的，尤其是在提高常規制冷循環系統效率的有效方案大多已接近完善的情況下，對于還是薄弱環節的節流部件的研究對提高系統效率十分關鍵，尤其在大中型機組中回收的膨脹功十分可觀，對其進行有效利用，對于國家的節能與雙碳目標的達成有積極的意義。