（工程热物理专业论文）co2双缸滚动活塞膨胀机的模拟计算及实验研究.pdf

摘要 臭氧层破坏和全球变暖给人类生存的环境造成了破坏，自然工质c 0 2 由于其 良好的特性又重新进入人们的视野。膨胀机的应用无疑是提高c 0 2 制冷系统效 率的关键。本文应用f l u e n t 模拟软件及f o r t r a n 程序编译软件分别对现有的c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的工作过程进行了模拟计算，同时通过对不同中间通道的膨 胀机的模拟结果得出了有望提高膨胀机效率的最佳中间通道长径比。本文根据模 拟结果对膨胀机的中间通道进行了改进，并通过实验验证了改进后的效果。 本文首先分析了双缸滚动活塞膨胀机的工作过程，并对c 0 2 双缸滚动活塞膨 胀机的结构及膨胀机工作腔容积计算方法进行了介绍。由于原样机效率不是很理 想，本文对为提高膨胀机的效率而做的改进措施进行了总结，并针对中间通道影 响原样机膨胀比的情况，提出了新的中间通道改进方案。 论文用f l u e n t 模拟软件和f o r t r a n 编程软件，分别对不同长径中间通道的膨 胀机内部流动过程、降压过程、泄漏过程、摩擦过程进行模拟分析并得出相应结 论，两种方法在压力分析方面结果一致，其它过程均可作为彼此的补充，从而指 导今后膨胀机的设计与研究。 本文对c 0 2 水水热泵实验系统进行了详细介绍，并对实验的研究内容、目 的和方法进行了阐述。对改进后的双缸滚动活塞膨胀机在该水水热泵实验台上 进行了实验测定，以完成膨胀机的效率测试。在实验的第一个阶段首先对c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的中间通道进行了改进，即同时减小中间通道的长度和直 径。在实验过程中膨胀机的入口最优工况为2 6 ，6 5 m p a 左右，回收功率最高 达到2 0 0 w ，效率最高达到4 2 3 。在各种实验工况下，原膨胀机测得的膨胀比 已经达到了2 2 左右，较之设计膨胀比2 5 ，已经比较接近。但由于泄漏问题的 存在，以及为了提高膨胀比，一级气缸还可以减薄，这些问题的解决及措施的应 用势必会进一步提高膨胀机的效率，总而言之，膨胀机仍有改进的空间。 关键词：c 0 2 跨临界循环：双缸滚动活塞膨胀机；中间通道；模拟计算 致谢：本论文得到8 6 3 探索性项目( 2 0 0 7 a a 0 5 2 2 6 2 ) 的资助。 a b s t r a c t o z o n ed e p l e t i o na n dg l o b a lw a r m i n gc o u l dc a u s es e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m n a t u r a lr e f r i g e r a n tc 0 2e n t e r si n t oo u rh o r i z o na g a i no w i n gt o i t s b e n i g n a n d e n v i r o n m e n t a lb e h a v i o r t h ea p p l i c a t i o no fe x p a n d e ri st h ek e yp o i n tt oi m p r o v et h e e f f i c i e n p r o c e s s c yo fc 0 2r e f r i g e r a t i o ns y s t e mu n d o u b t e d l y t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ew o r k o fc 0 2t w o c y l i n d e rr o l l i n gp i s t o ne x p a n d e rb ys o f t w a r ef l u e n ta n df o r t r a n ， a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fi n t e r m e d i a t ec h a n n e lw i t hd i f f e r e n tl e n g t ha n dd i a m e t e r d i s p l a yt h eo p t i m a ls i z eo f t h ec h a n n e l t h ee x p a n d e ri si m p r o v e da f t e rt h i ss i m u l a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ti no r d e rt ot e s t - i t sp e r f o r m a n c e t h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ee x p a n d e rw a sa n a l y z e df i r s t l yi n t h i sp a p e nt h e s t r u c t u r eo ft h ee x p a n d e ra n dc a l c u l a t em e t h o do fi t sw o r k i n gv o l u m ew e r ea l s o i n t r o d u c e df o l l o w i n g t h ee f f i c i e n c yo ft h ep r e c e d i n gp r o t o t y p ew a s n o tv e r yp e r f e c t t h ei m p r o v e dm e a s u r e sa i m i n gt oi n c r e a s ee f f i c i e n c yo ft h ep r o t o t y p e w e r e s u m m a r i z e da n dan e ws c h e m eo ft h ei n t e r m e d i a t ec h a n n e lo w i n gt oo p t i m i z i n gt h e e x p a n s i o nr a t i ow a sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r t h ep r o c e s si n c l u d i n gf l o w , p r e s s u r er e l e a s i n g ，l e a k a g e ，f l i c t i o nl o s s e sw e r es i m u l a t e da n d c e a i nc o n c l u s i o n sw e r a r r i v e di nt h ev i e wo fi n t e r m e d i a t ec h a n n e lw i t hd i f f e r e n tl e n g t ha n d d i a m e t e rb vt h es o f t w a r ef l u e n ta n df o r t r a n t h ep r e s s u r ea n a l y s i s r e s u l t sw e r e c o n s i s t e n tw i t ht h et w os i m u l a t i o nm e t h o d s r e s u l t so fo n em e t h o dc a nb e c o m et h e s u p p l e m e n to ft h eo t h e ro n e a n dt h er e s e a r c ha n dd e s i g no f t h ee x p a n d e rc a nb e d i r e c t e db yt h et w om e t h o d s t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lw a t e r - w a t e rh e a tp u m ps y s t e mw a sg i v e n am i n u t e d e s c r i p t i o n ，a n dt h er e s e a r c hc o n t e n t ，p u r p o s ea n dm e t h o d sw e r ef o r m u l a t e di n t h e p a p e r t h ee x p e r i m e n to ft h em o d i f i e de x p a n d e rw a sc a r r i e do u to nt h e h e a tp u m p s v s t e ma i m i n gt oc o m p l e t et h ee f f i c i e n c yt e s t t h ei n t e r m e d i a t ec h a n n e lo ft h e e x p a n d e rw a sm o d i f i e di nt h ef i r s tp h r a s e ，w h i c hs h o u l d d e c r e a s et h el e n g t ha n d d i a m e t e ra tt h es a m et i m e t h eb e s tw o r k i n gc o n d i t i o ni sa b o u t2 6 。c ，6 5 m p ai nt h e e x p e r i m e n tp r o c e s s e s ，t h eh i g h e s tr e c o v e rp o w e ri s u pt o2 0 0 w , a n dt h em a x i m u m e f f i c i e n c yr e a c h e sa p p r o x i m a t e l y4 2 3 t h ee x p a n s i o nr a t i o o ft h ee x p a n d e ri s a r r i v e da t2 2o rs o ，w h i c hi sc l o s e dt ot h et h e o r e t i c a lr a t i o2 5 b u tt h el e a k a g e p r o b l e ms t i l le x i s t sa n dt h ef i r s t s t a g eo ft h ee x p a n d e rc a nb e r e d u c e df u r t h e r , t h e e f f i c i e n c yo ft h ee x p a n d e rw o u l dr a i s em o r ei ft h ep r o b l e mi s s o l v e da n dt h em e a s u r e i se f f e c t i v ea p p l i e d i naw o r d ，t h e r es t i l le x i s t sf u r t h e ri m p r o v e m e n tr o o mo ft h i s p r o t o t y p e k e y w o r d s ：c 0 2 v a n s c r i t i c a lc y c l e ，t w o c y l i n d e rr o l l i n gp i s t o ne x p a n d e r , i n t e r m e d i a t e c h a n n e l ，s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 自然环境和可持续发展 工业革命以后，全球经济迅速发展，生产力水平大幅提升，科技发展日新月 异。随之而来的是对能源消耗的日益增加，尤其是对化石能源的消耗更是不容乐 观，大气中温室气体浓度迅速上升，如图1 - 1 所示。目前【lj ，人类每年向大气排 放的c 0 2 约2 2 0 x1 0 8 吨，而工业革命前只有0 4 1 0 8 吨。大气中的体积分数由 1 7 0 0 年的2 8 0 1 0 。6 增加到目前的3 5 0 1 0 ，每年大约增加0 5 或1 5 x1 0 ： 而近2 0 年来增加趋势急剧上升，平均每年增加1 9 x1 0 6 ，这一增加仍以近乎指 数曲线的规律在发展。2 0 0 7 年大气中二氧化碳浓度测算达到了3 7 9 p p m ，是地球 史上6 5 万年以来的最高值。由于大气中c 0 2 等温室气体惊人的增加率已经加速 了地球变暖的进程，使“温室效应”愈发明显，直接造成了气候的变化，如果得 不到有效控制，将给人类带来不可估量的损失。 图1 - 1 大气中c 0 2 的变化 第一章绪论 近1 0 年来中国经济快速增长，但经济增长模式令人堪忧。中国的经济增长 对能源的依赖度也很高。2 0 0 7 年煤炭消费占全球的3 0 左右，国内一次性能源 需要中，煤炭占7 0 ，电力部门9 0 的燃料是煤炭。据2 0 0 8 年中国能源消费 结构深度研究报告统计，2 0 0 7 年前5 个月，在经济社会快速发展的大背景下， 我国各种能源品种消费量均以较快的速度增长。这种能源消费的增长趋势必然导 致温室气体排放量的增加，然而，气候变暖的诸多弊端会带来更大的经济上的损 失。 气候变化及其对经济和社会的发展影响的问题正成为当前世界各国政府和 科学家们所关注的重大问题。中国是一个大国，由于种种原因，减排或者控制 c 0 2 的排放是必然的选择，特别是在京都议定书到期后，中国将面临c 0 2 的巨大压力。 从总量上看，目前中国c 0 2 排放量约占世界二氧化碳排放量总量的1 3 0 ， 仅次于美国( 占2 3 9 ) 己居世界第二。1 9 9 0 - 2 0 0 6 年，我国的二氧化碳排放量 大致经历了三个阶段，第一阶段是1 9 9 0 1 9 9 6 年，这一阶段二氧化碳排放量低速 增长，由2 4 1 5 亿吨上升至3 3 9 5 亿吨，平均增长速度为6 7 7 。第二阶段是 1 9 9 7 - 2 0 0 2 年，这一阶段二氧化碳排放速度相对平缓，由3 3 5 5 亿吨上升至3 7 0 2 亿吨，平均增长速度为2 0 7 。第三阶段是2 0 0 3 - 2 0 0 6 年。这一阶段二氧化碳增 速较快，由4 3 5 3 亿吨上升至5 6 2 6 亿吨，平均增长速度为1 3 4 ：但是2 0 0 6 年 有所缓和，增长速度降为8 5 。可以预知的是，二氧化碳的排放量要以比过去 几百年都要快的速度增长，中国作为能源消耗大户，二氧化碳的排放总量也不容 忽视，虽然截止到现在为止，中国的人均排放量相较于世界平均水平要低一些， 但可以预测的是，2 0 2 5 年前后，很有可能会赶上世界平均水平。显然若仍按旧 的模式发展，为实现现代化发展而耗费数量巨大的资源以及造成严重的环境污 染，是很不可行的。我们既要找到适合自己发展的道路，也要对能源进行有效的 利用以及花大力度对环境进行保护，走具有中国自己特色的可持续发展道路。 改革开放以来，中国经济迅速腾飞，但随着资源消耗的加剧而带来的环境污 染和破坏也日益加剧，为了子孙后代的稳健和可持续发展，我们有责任开拓新的 经济发展模式，且环境保护这一重要内容必须要包含在新的发展模式中。 1 1 2 全球变暖与臭氧层破坏 早在2 0 0 6 年英国就有气候相关的报告曾指出【2 】，人类自己的生产和生活环 境已经受到了很大的威胁，而这些威胁产生的罪魁祸首却并不难找出，工业革命 以来，化石燃料大量使用，这无疑加剧了大气温度的升高以及空气质量的降低。 第一章绪论 紧接着第二年初又有1 0 0 多个国家的专家学者在巴黎做出来了具有跨时代意义 的报告，报告中提到人类对全球变暖应负有很大的责任，并预言人类不论怎样抑 制污染的发生，大气的温度以及海平面的高度都会持续上升好几百年。预计到 2 0 9 0 年前后，假若人类仍没有采用有效的办法，大气的温度还有1 1 至6 4 。c 的 上浮空间，海平面的高度也会有1 8 至5 8 c m 的上升幅度。如果极地冰层继续熔化， 则海平面仍可能会上升1 0 至2 0 7 c m 。 众所周之，导致全球温度升高的最主要原因，是由于近些年来大气中温室气 体的浓度的不断升高。这些温室气体主要来源与人类的现代生产和生活方式的改 变有着直接的关系，煤炭及其他化石燃料燃烧时必然伴随着大量温室气体的排 放，诸如二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 等，其中对大气温度上升作出重要贡献 的温室气体还应该说是二氧化碳。 臭氧层的破坏对生活在地球上的人类和生物产生了很大危害，而造成臭氧层 破坏的主要原因是人类向大气排放的氟氯烃化合物【3 】。因此，臭氧层的破坏是可 以修复的，应该从最根源上寻找解决的办法，开发c f c s 替代品，停止使用c f c s 。 臭氧减少带来的危险己受到海内外各界的注意，为有效的避免臭氧层遭到破 坏，也为使生态环境不再日益恶化，对于臭氧层的保护行动已经维持了好几十年。 国际社会中已经通过了关于臭氧层保护计划、保护臭氧层维也纳公约、 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书。我国于1 9 9 1 年6 月签署了议定书 的伦敦修正案，议定书的缔约方截止到目前已经达到1 6 8 个。1 9 9 4 年第5 2 次联合国大会的决定指出，将每年的9 月1 6 日确定为国际保护臭氧层日。中国 也在努力争取早日实现其规定的指标，已经有2 0 余项政策为保护臭氧层而制定 并付诸实施。这无疑对臭氧层的尽快修复【4 】起到了积极的作用。 此外，为使臭氧层免遭破坏，氟利昂替代品的开发就显得越来越重要，在被 推广宣传的新合成的制冷剂中，以杜邦和霍尼韦尔公司生产的零o d p 和低g w p 的r 1 3 4 a 替代物r 1 2 3 4 y f 及衍生物r 1 2 3 4 z e 等h f o 为主要代表，即使它们达到 臭氧层也不会产生破坏作用。 臭氧层保护是近些年来国际上面临的重要议题。全球变暖也是目前人类面临 的又一难题，据国际气象组织的报告，最近1 0 年是有史以来最热的1 0 年。气候 变化不仅关系人类未来的生存安全，而且已经成为影响未来国际体系、重塑全球 政治经济发展格局的重要因素之一。伴随着全球环境保护的制度化趋势，建立公 平有效的国际气候治理机制已经成为当今政治的重要议程之一1 5 j 。2 0 0 9 年1 2 月 7 日起，1 9 2 个国家的环境部长和其他官员在哥本哈根召开全球气候大会，商讨 京都议定书一期承诺到期后的后续方案，就未来应对气候变化的全球行动签 署新的协议。京都议定书签署之后，显然能有望积极的控制全球气候变暖问 第一章绪论 题。而以美国为代表的发达国家的关注点却集中在自身减排需要的成本问题以及 发展中国家的减排义务上。京都议定书并没有得到美国国会的一致赞同，也 没有作出完成规定减排额度的承诺，更拒绝设定时间表。2 0 0 1 年初，美国政府 宣布退出京都议定书，国际气候谈判一度陷入僵局。 2 0 0 9 年1 2 月中旬在丹麦的首都哥本哈根召开了世界气候全球大会，不论全 球各界曾对其怀有多高的期望，还是只有达成了一个没有法律效应的文件一哥 本哈根协议，协议指出，2 0 2 0 年的排放目标经过经济层面的量化后要提交给框 架公约秘书处，同时要作出执行此目标的承诺。中国+ 7 7 国集团、伞形国家集 团以及欧盟三方在此次会议上最终达成了协议，但遗憾的是协议的内容并不受到 法律的制约。不论世人如何评论此次会议对于共同应对全球变暖的贡献，哥本 哈根协议确实为形成正式的法律文件之前奠定了一个基本的基调，也指出了应 该走的方向。为了保护我们共同生存的星球，抑制全球变暖，我们每一个人都责 无旁贷。 1 1 3 自然工质的复兴 为寻找能满足环保要求的新型制冷剂，自然工质诸如如r 2 9 0 和c 0 2 等慢慢 进入了人们的视野，受到了业界专家学者的青睐。若此类自然工质能够在制冷行 业中得到广泛应用，这无疑为人类生存环境的保护带来了福音。 c 0 2 是大气中的重要组成部分，使用c 0 2 做为冷媒至少不会对生态环境造成 破坏。且c 0 2 还有其自身的一些特性，比如临界温度为3 1 3 。c 而临界压力达到 了7 3 7 m p a 6 1 ，c 0 2 循环中从压缩机出来的流体压力和温度都非常高，且冷凝过 程是在超临界区域进行的，这样就可以通过此过程制取生活用热水。另外二氧化 碳的臭氧层破坏指数为零，温室效应指数相较于氟化物也已经非常低了，从化学 性质上来看，二氧化碳是相对比较稳定且安全的，从物理性质上来看，其热物性 与制冷循环是相适合的，比如传热特性较好，运动粘度也相对不高，并且有着非 常高的单位容积制冷量。由于c 0 2 有着相对不太高的临界温度，甚至比夏季的 空调工况下的环境温度( 3 5 。c ) 还要低一些，此时应用跨临界循环的优势就能凸 显出来。跨临界循环由于其节流损失非常严重，跨临界循环系统的能效比也不是 很理想。目前，c 0 2 单级压缩的循环效率的c o p 相较与传统工质r 2 2 、r 1 3 4 a 等还要低一些。因此若使c 0 2 得到广泛的应用和推广，必须加强对跨临界系统 的循环方式以及优化跨临界循环的系统与设备的相关研究。膨胀机的开发和应用 对提高c 0 2 跨临界系统的效率有着重要的意义，膨胀机能够回收部分膨胀功， 这就有效的较低了由于节流损失的能量，系统的效率也会相应提高。 4 第一章绪论 1 2c 0 2 跨临界膨胀机的研究与发展 c 0 2 跨临界循环较之传统循环，c o p 并不是很高，究其原因主要是因为c 0 2 跨临界循环中的节流损失很大，为此，前国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 第一个 提出了可以使用膨胀机来回收部分膨胀功的方法【引。膨胀机的体积可以做得相对 较小但仍能保证制冷量，这无疑就降低了膨胀机的制造成本。这也主要取决于 c 0 2 具有相对较小的比容。目前对于膨胀机的研究也受到了一些挑战，摩擦和泄 漏等问题仍需亟待解决。目前，膨胀机的开发还不是很成熟，具体表现为膨胀机 的效率还比较低。研究高效的膨胀机对c 0 2 跨临界循环的效率的提高有着及其 重要的作用。西安交通大学以及松下公司、天津大学热能研究所、日本日立公司 都展开了对c 0 2 制冷膨胀机的开发和研究工作【9 j 。 1 2 1 国内外研究现状 ( 1 ) 自由活塞式c 0 2 膨胀机一压缩机的研究 寻找合理且能有效的提高膨胀机效率的途径对于膨胀机的发展有着重要的 意义。德国d r e s d e n 大学的p h e y l 教授和h q u a c k 博士【1o 】对这一课题做了深 入的研究，将单双级循环的效率及其最优压力做了比对，并给出了比对结果，在 活塞机械的选择上，应保证价格不宜过高、结构不宜过于复杂，当然，运行上也 应相对简单。在自由活塞式膨胀一压缩机( 该样机应用在空气分离系统中) 的基础 上，又研制了另外一台自由活塞膨胀一压缩机，该新样机是应用在c 0 2 双级压缩 制冷系统中的，如图1 2 所示，每个气缸被活塞分为了压缩和膨胀两个不同的部 分，膨胀容积如图中1 、4 所示，而压缩容积也如图中2 、3 所示。之后，2 0 0 2 年又开发了压缩一膨胀机的第二代样机，样机结构如图1 3 所示，与原样机相比， 膨胀机的效率提高了约1 0 ，这主要是因为后来的膨胀机在结构上做了改动，摆 杆齿轮的增加能够有效的抵消活塞之间的部分力的相互影响，如此以来，摩擦损 失也就相应减少了，进而使膨胀机的效率得到提高。在之后又研发出的第三代膨 胀机中，主要对膨胀过程进行了改进，压缩过程与第二代大致相同，三个全压膨 胀阶段构成了该样机的整个膨胀过程。最终膨胀机的等熵效率已经达到了 6 5 7 0 。 第一章绪论 c y l i n d e r2c y l i n d e r4 c y l i n d e r2 c y l i n d e r4 图1 2 自由活塞式膨胀压缩机 图1 3 改进后的自由活塞式膨胀压缩机 西安交通大学l 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，如图1 4 所示，用于替代c 0 2 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、排气控制结构的工作 原理进行了验证，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，在工作频率为1 0 2 下膨胀机的绝热效率约为6 2 ，对膨 胀机的进一步研究发现，吸气通道太长导致膨胀机吸气过程响应慢，从而导致高 频下膨胀机吸气不充分及效率下降，另外，膨胀机的仍存在着相对较大的压力波 动，泄漏问题也需进一步解决，膨胀机仍需要继续改造。 图1 4 对称性自由活塞膨胀机外观图图1 5 铰链式膨胀压缩机剖面图 ( 2 ) 铰接叶片式c 0 2 压缩一膨胀机的研究 英国m i e ed r i v e r 科技公司成功开发了铰链式压缩一膨胀机，此样机的 第一章绪论 开发是基于滑片压缩机的基础之上的。其样机结构如图1 5 所示，此样机为膨胀 机和压缩机的一体机，在_ 个气缸中就能完成膨胀和压缩两个独立的过程。低压 侧流体的压缩是随着偏心转子的旋转而进行的，气缸与转子组成的容积随着偏心 转子随活塞旋转而逐渐减小，从而完成整个压缩过程。该样机结构用楔形铰接片 替代了一般情况下最常用的滑片一槽结构，且该楔形铰接叶片具有相应的厚度并 能够绕一个固定的轴旋转，这也是该结构的一大创新点。膨胀腔也被许多个滑片 分割成了很多个的基元，膨胀腔的高压变形及摩擦亦相应减少，也主要因为滑片 的厚度增加了，这也使该膨胀机更能适应于大压差工作条件。轴联结在此样机中 已经变得不再重要，即转换环节的减少必然能够使其效率得到提高，既便如此， 密封和余隙容积问题的解决仍然是今后的重要课题。 ( 3 ) 涡旋式膨胀机 h j h u f f 等先后开发出了两台应用于c 0 2 跨临界循环系统的涡旋膨胀机， 它们的开发是建立在应用于传统工质r 1 3 4 a 的半封闭的涡旋压缩机的基准之上 的。样机1 由于泄露线的增加而使泄漏量相对比较严重，但却对压缩机流量方面 的要求相对更适用了，究其原因，主要是由于涡圈的高度较之原来减的更薄了。 样机2 的泄漏量较之样机1 有所减少，主要是由于该样机在涡旋线顶部开的槽中 放置了能有效减少泄漏的密封条。且该样机的等熵效率最高的时候可以达到 4 2 ，若对涡盘间接触力进行进一步优化，等熵效率仍可以继续提高。w e s t p h a l e n 等人也对涡旋膨胀机进行了模拟计算，该样机主要应用于c 0 2 跨临界循环的空 调工况中。分析结果表明，合适的膨胀机的使用能够有效的减少系统的能量输入， 部分压缩动力完全可以由膨胀机的输出功来提供。日本日立公司对于应用于c o ： 跨临界循环系统的涡旋膨胀机也作出了新的研究成果，该样机效率最高时的转速 在2 2 0 0 3 4 0 0 r p m 左右，此时的压力比也要比理论压力比稍大，且该样机的内置 容积比为2 0 ，吸气容积为2 8 m 3 。 e t 本松下公司研制出的c 0 2 涡旋膨胀机的容积效率有待进一步提高，今后 研究的主要方向应放在如何有效的解决泄漏路径中存在的轴向和径向间隙问题 中来。 ( 4 ) c 0 2 螺杆膨胀机 伦敦c 时大学的n s t o s t i c 小组对应用于c 0 2 跨临界循环双螺杆压缩膨胀机 作出了分析和探讨，该样机的基本结构如图1 - 6 ( a ) 以及图1 - 6 ( b ) 所示，对于单级 螺杆压缩机来讲，工作压力处于6 5 8 5 m p a 的高压范围内。在如此高的压力下 工作，径向负荷必然加大，如此造成的轴承磨损也会相应变大。若采用螺杆压缩 膨胀机，将压缩部分及膨胀部分的进排气口进行合理的布置，如此必然可以有效 的将轴向的部分负荷平衡掉，径向的摩擦损失也就相应减少了。在膨胀机的工作 第一章绪论 过程中，工作流体的压力随着随着转子的转动是不断降低的。分析结果指出，转 子的轴向力和径向力都相应减少，这无疑取决与该螺杆机结构的合理安排，结构 安排合理，还能有效的降低轴承磨损，进而提高膨胀机的效率。 图1 - 6 ( a ) c 0 2 双螺杆膨胀压缩机图 蓊阂 l x 0 口 c 0 e # ex o 日n q i n i c t0 ；m p r e ；s t x 。：o r t 口f e s = 0r 1 0 t b _ 0 e 3 翱件嗍1p r 亡 f q l0 r e m协_ p e s 乱e n 盯u 产。2 ：= = = 3 麋渊 图1 - 6 ( b ) c 0 2 双螺杆膨胀压缩机 ( 5 ) 转子式膨胀机 天津大学热能研究所较早就着手开展了c 0 2 膨胀机的研究 1 3 - 1 6 】，到现在为 止，膨胀机已经开发了四代，其中包括了滚动活塞式膨胀机以及后来的摆动转子 式膨胀机等，其样机结构如图1 7 所示，该样机与发电电动机以同轴的方式连 接，连接时采用联轴器，布置方式为上下布置；且三个元件包括滚动活塞膨胀机、 发电一电动机和联轴器均采用全封闭的形式；该单级滚活塞膨胀机的采用的是机 械吸气控制方式，该吸气控制的结构主要采用的凸轮阀杆结构。随着滚动活塞的 转动偏心轮和气缸之间组成工作膨胀腔。 对于转子式膨胀机的研究在日本多家公司和研究所也正在进行，日本松下公 司也对双级转子膨胀机【1 7 】进行了深入的研究，压缩机可以获得通过膨胀机得到的 回收功，这就有效的减少了系统的能量输入。样机可参照图1 8 ，对于建立该样 机的仿真模型上，首先要对其进行动力学分析，将样机各部分的受力和摩擦情况 计算出来，最后得出其最优设计方案。实验对比结果表明，膨胀机效率的大小受 到一级膨胀机偏心率的影响，并且二级膨胀机的活塞高度也会对其效率产生作 用。对该双级膨胀机进行多次优化改进后后，其等熵效率已经达到了5 0 6 0 ， 系统c o p 也相应提高了6 左右。 第一章绪论 圈 图】7 第三代滚动活塞膨胀机结构图图1 8 松下c 0 2 两级转子式膨胀机 ( 6 ) 其他c 0 2 膨胀机 西安交通大学的邢子文 1 8 - 2 0 1 等研发了滑片膨胀机，如图1 - 9 所示，设计的样 机工作稳定，由于内部泄漏严重，自由活塞式膨胀机的振动严重，最后测试效率 只有2 0 3 0 ，下一步将对膨胀机的性能进行改造。 挪威科技大学n t n u 实验室的t o n d e l le 对应用于c 0 2 跨临界循环的透平 膨胀机作出了理论分析以及实验研究。同时德国的m a u r e r 和z i n n 对轴向斜盘活 塞式c 0 2 膨胀机和内齿轮泵c 0 2 膨胀机也进行了性能测试。美国u i u c 大学的 a c r c 研究中心对c 0 2 离心式膨胀机也做出了理论分析和实验研究，该样机主要 应用于汽车空调中，研究结果表明，汽车空调用膨胀机的尺寸要低于其它用途的 膨胀机，这主要受到汽车空间大小的限制。若转速提高时，离心式膨胀机以及膨 胀机的喷嘴都可以满足小尺寸要求，而铝合金材质的整机又会使其总体的重量减 轻，离心式膨胀机的运动部件主要有两个叶片和一个轴，较之其它形式的膨胀机 运动部件也相对较少。即便转速很高，磁悬浮轴承仍可以继续低磨损运转，并且 由于磁悬浮轴承不需供回油系统，换热器的效率也会大幅度提高。 图1 - 9c 0 2 滑片式压缩机 9 第一章绪论 1 2 2c 0 2 膨胀机的模拟研究方法 国内外对c 0 2 膨胀机的机理分析以及性能测试的研究已经有所深入，若能 够直观的看出c 0 2 膨胀机内部的流动情况及压力分布情况则会对膨胀机的研究 带来很大的帮助。伦敦c i t y 大学运用c c m 和c f d 模拟软件对螺杆式膨胀一压 缩机进行了数值模拟分析，该分析主要给出了样机内部的温度压力在工作过程中 的变化情况【2 ，如图1 1 0 ，可以将模拟结果与实验结果进行分析比对，从而可 以得到膨胀压缩机最优性能下的设计情况。进而可以使整个系统的效率得到提 高。该样机的压缩机与膨胀机连接在同一跟轴上，当压缩机电力不足时，也可以 由发电机辅助补给。 ，t ：悬 毋： 图1 1 0 伦敦c i t y 大学膨胀压缩机数值模拟结果图 f l u e n t 软件【2 2 j 是一种计算机编译程序，对于热传导流场以及外形比较复杂 的流体流动情况的分析，都可以使用f l u e n t 软件。它可以模拟的流态主要有以下 几种：不可压或可压流动；牛顿流或者非牛顿流；无粘，层流和湍流；定常状态 或者过渡分析；对流热传导，包括自然对流和强迫对流等。 由于f l u e n t 有着强大的功能，所以可以应用在生产和研究中的多个领域，比 如：汽车工业的应用；过程及设备应用过程；航天和涡轮机械的应用；热交换应 用；材料处理应用；建筑设计和火灾研究等。总而言之，f l u e n t 对于复杂流场的 模拟还是有着其自身的优点的。 天津大学热能研究所已经对于c 0 2 膨胀机理以及性能测试做出了不少的的 研究，若能再对c 0 2 膨胀机工作时的内部压力及温度情况作出进一步分析，则 会为今后膨胀机的研究工作提供进一步的指导。本文利用的模拟计算工具分别有 f l u e n t 和f o r t r a n 两个软件，同时对c 0 2 双缸滚动活塞式膨胀机的内部流动和工 作过程进行了分析。 第一章绪论 1 3 本课题研究内容和意义 1 3 1 主要研究内容 本课题主要对原设计的c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机进行了进一步的分析和研 究。由于c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机各运动部件的泄漏损失和摩擦损失严重，导 致了膨胀机的效率不高，对此双缸膨胀机的上一次改进中，王伟【2 3 j 主要解决了膨 胀机的泄漏问题，要想提高膨胀机的效率，泄漏问题必需要解决，而在实验进行 的过程中，泄漏的地方可以明显看出，查明原因后再加以合理的改进，以进一步 优化膨胀机结构。试验结果表明，对泄漏的解决能从一定程度上提高膨胀机的效 率，但由于一级气缸和二级气缸之间中间通道的存在，膨胀机的效率仍不理想， 究其原因，主要是因为中间通道作为余隙容积会影响膨胀机的膨胀比。为验证是 否是中间通道的影响，本文先从理论上分析了中间通道对膨胀机内部膨胀情况的 影响；得出了最佳的中间通道的长度和直径，并依据理论结果对膨胀机进行了重 新改造。 在实验过程中，可以研究不同实验工况下的膨胀机性能，以及整个热泵系统 的运行状态，根据分析计算可以得到的等熵效率，找出膨胀机最佳运行状态下的 系统工况，从而为膨胀机的进一步优化提供了指导作用。 1 3 2 课题研究意义 由于c 0 2 双缸膨胀机是属于首次设计制造，膨胀机效率不是很理想，本文 主要基于原样机的基础上对其进行了进一步改进。并测定了改进后的等熵效率。 本文应用f l u e n t 软件做为模拟工具，对c 0 2 双缸膨胀机工作过程及其内部流体 流动情况进行了模拟计算。本文还利用f l u e n t 模拟软件及f o r t r a n 程序编译软件 同时对不同中间通道的c 0 2 双缸膨胀机的内部流动情况进行了对比分析，得出 了双缸膨胀机中间通道的最佳长径。为以后双缸膨胀机的设计积累了经验。 若对c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的设计进行进一步优化和完善，样机的等熵 效率能够再进一步提高到5 0 以上，如此便可以使c 0 2 跨临界循环尽早的应用 于生产生活中去。 第一章绪论 1 4 本章小结 本章介绍了有关臭氧层破坏、全球变暖及自然工质的复兴等全球性问题。并 介绍了国际社会共同为保护环境所做出的努力，说明环境问题及可持续发展无疑 已经成为当今世界的重要议题。本章对目前国内外c 0 2 膨胀机的研究进展做了 调研和总结。本课题主要研究中间通道对膨胀机效率的影响，这对提高膨胀机的 效率有重要的意义。 1 2 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 天津大学热能研究所已经成功研发出四代滚动活塞式膨胀机，为膨胀机走向 应用提供了一定指导作用。高温高压的c 0 2 流体的工作过程主要包括吸气过程、 膨胀过程和排气过程。对于单缸滚动活塞膨胀机来讲，样机的排气口是与排气管 相通并相互连接的，且该样机的吸气量需要单独控制，对此，单缸膨胀机进气口 处的凸轮阀杆结构是用来控制进气量的主要机械控制装置。由于凸轮结构在安装 的过程中为了配合其运转，凸轮结构与转子之间必然存在一定的间隙，这就可能 引起工质的泄漏损失，且随着活塞的高速运动，摩擦损失以及噪音问题也是该凸 轮阀杆结构在工作过程中会存在的问题。为更好的解决吸气控制问题，一种新型 的两缸滚动活塞式膨胀机被提出并设计出来。 2 1 c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机韵结构 双缸滚动活塞膨胀机较之与单缸膨胀机，分别采用了两套气缸和两个转子， 并且省掉了原来的机械吸气控制装置。一级气缸的进气口与进气管道始终相通并 相互连接，并且进入膨胀机的流体的压力和温度都相对较高，二级气缸的排气口 与排气管相通并相互连接，流出膨胀机的流体经过膨胀后压力和温度都变得相对 较低。样机中起绝热作用的中间隔板安置在上下气缸之间，尽量使传热损失减少。 为平衡轴向力，上下气缸的滑板之间按夹角p 的方式布置，中间隔板上布置有连 接孔，用以连接一级气缸的排气口以及二级气缸的进气口，这也造成了膨胀过程 中的余隙容积，因此，该连接孔径应越短越好。 如图2 1 所示【2 4 1 ，双缸滚动活塞膨胀机主要由一级膨胀机和二级膨胀机组 成，一级膨胀机由一级滚动活塞( 1 ) 、一级气缸( 2 ) 、一级偏心轮( 3 ) 、一级滑 板( 9 ) 等组成，二级膨胀机主要由二级滚动活塞( 5 ) 、二级气缸( 6 ) 、二级偏 心轮( 7 ) 和二级滑板( 1 5 ) 构成。工作过程可以描述为：从气体冷却器出来的 超临界流体经由吸气管进入一级膨胀机内部，当滚动活塞转过吸气口时，吸气过 程开始，当转子再次转过一级气缸吸气口时，吸气过程结束，同时膨胀过程开开 始。当活塞转过二级气缸的排气口时，膨胀过程结束，排气过程开始。此吸气、 膨胀、排气过程周而复始循环进行。 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 勰汰 1 1 厂、 1 嗵d n s n 1 z 一i 1 u c ； 怒一2 霞 i 勿 n 闼鋈心y 、3 呼 、 燃 一级气缸 4 闲心憋黼 漶蕊蕊心1 一聋jm 一 1 3 蕊姆蕊闲 l 、 l 渊蕊 。 _ 一1 缮 矽 - j i 剑 id 幺7吖深7j2 罄 物 7 二级气缸 图2 1 双缸滚动活塞膨胀机结构示意图 1 一一级滚动活塞2 一一级气缸3 一一级偏心轮4 一中问隔板 5 一二级滚动活塞 6 二级气缸乙二级偏心轮8 一主轴9 - 一级膨胀机滑板 1 0 一密封元件 11 一吸气1 5 1 1 2 一一级气缸排气口 1 3 一二级气缸进气口 1 4 _ 排气口1 5 一二级膨胀机滑板 1 4 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 2 2 c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的运动过程 双缸滚动活塞膨胀机较之单级滚动活塞膨胀机运动规律上显得相对复杂，主 要原因还是该样机中两套膨胀机系统的应用。值得注意的是，两套气缸中的膨胀 过程并不是独立各自进行的，该整个样机的膨胀过程仍然是单级膨胀，不同的是 膨胀腔的个数是两个。在双缸滚动活塞膨胀机中二级气缸是主要的膨胀腔，但部 分一级气缸也参与了膨胀，因此，该样机应准确命名为双缸单级滚动活塞式膨胀 机。 对于双缸滚动活塞膨胀机，在工作过程中，上下两缸同时运动。该样机的运 动形式分解如图2 2 所示，该图详细分解了膨胀机完成一个完整的工作过程所经 过的运动状态【2 4 1 。当活塞转过一级气缸的进气1 3 时，吸气过程开始，吸气腔如图 2 2 ( a ) 中虚线所示区域；当活塞再次转过进气口时，吸气结束即膨胀开始，膨 胀腔如图2 2 ( d ) 中粗虚线所示区域。当活塞转过二级气缸的排气口处时，膨胀 过程结束即排气过程开始，工作过程中，流体工质始终流动，一个循环排气与下 一循环的吸气同时进行。在两缸滚动活塞膨胀机中密闭膨胀空间是通过上下两缸 转子的转动在上下气缸中形成的，随着转子的旋转完成从吸气到排气的整个过 程。还可以从图中看出，一级气缸的主要作用就是控制进气，膨胀机完成一个完 整的循环活塞需要运动两周。此外，中间通道的体积不同也会影响膨胀机的膨胀 情况，所以，选择最佳的中间通道长度和直径也显得尤为重要。 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 c o c o ： ! 二级气缸 一级气缸吸气开始( 3 0 。) ( a ) c c o ! 二级气缸 一级气缸吸气过程中( 1 2 0 。) 一级气缸吸气将一周( 3 2 0 。)吸气将结束 ( b ) 1 6 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 c o c o ：二级气缸 吸气结束( 3 9 0 。) 0 2 二级气缸 ( c ) ! 二级气缸 两缸膨胀过程中( 4 7 0 。 c o 二级气缸 两缸膨胀过程中( 5 6 0 。)膨胀过程将结束 ( d ) 图2 2 双缸滚动活塞膨胀机运动示意图 1 7 第二章c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的结构及改进过程 2 3c 0 2 双缸滚动活塞膨胀机的关键结构参数 2 3 1 膨胀机工作腔容积的计算 图2 3 滚动活塞工作腔的几何关系 1 气缸2 滚动活塞3 排气口4 吸气口5 滑板 滚动活塞膨胀机的工作腔几何关系如图2 3 所示，o o l 与滑板中心重合时作 为偏心轮轴转角的始点。在任意转角b 时，取图2 3 所示面积微元d a ，则： d a = 妻( r 2 一p 2 ) d 1 9 ( 2 - 1 ) 式中：r 为气缸半径( m ) ；p 为矢径o a 的长度( m