3w涡旋膨胀机试验系统的研究

3w涡旋膨胀机试验系统的研究

1试验系统的搭建有机朗肯循环是一种利用低蒸发有机工艺的朗肯动态循环。该系统主要由四个部分组成：检测器、检测器、膨胀机（透平）、工业质量泵。膨胀机作为系统热功转换的关键部件,对系统循环热效率和系统运行稳定性起关键性作用,有机朗肯循环系统的输出功和热效率随膨胀机的绝热效率线性变化。工业余热、地热、太阳能和生物质能等这些中低温热源普遍具有分布广、功率小的特点,比较适合采用中小型有机朗肯循环。对于中小型有机朗肯循环,容积式的膨胀机较为适合,其中涡旋膨胀机属容积型膨胀机,具有低转速、高效率、可工作于两相区、运行稳定、价格适中等特点,特别适用于0~10kW小型有机朗肯循环系统。因此研究适用于中小型有机朗肯循环涡旋膨胀机,对于中小型有机朗肯循环系统的推广与应用具有十分重要的意义。国内外已有一些研究者对于有机朗肯循环涡旋膨胀机进行了研究,其中主要以试验方法为主。试验中其中采用的有机工质主要包括R123、R134a、R245fa、R600a等,发电功率一般在2kW以下[6~10]。对于输出电功率大于2kW的有机朗肯循环涡旋膨胀机却少有研究。本文搭建了以R123为工质,设计发电功率为3kW的有机朗肯循环涡旋膨胀机试验系统,系统中采用的涡旋膨胀机由涡旋压缩机改造而来。通过试验得到涡旋膨胀机输出功率、等熵效率、转速与运行工况的关系,为小型ORC系统涡旋膨胀机的设计与选型,及系统运行参数的匹配提供参考依据。2防止动胶盘偏转涡旋膨胀机由2个结构相同、错开180°安装的动静涡盘构成。其结构和工作原理如图1所示。高压气体由静涡盘上的中心进气孔进入,推动动涡盘绕着静涡盘沿固定半径作平动转动,通过防自传机构防止动涡盘自转。随着曲轴转角增大,动静涡盘啮合构成的腔体体积不断增大,气体膨胀,压力逐渐降低,膨胀机对外输出功。试验采用的涡旋膨胀机动静涡盘如图2所示。3试验系统3.1试验系统搭建的有机朗肯循环涡旋膨胀机试验系统主要由以下部件组成:蒸发器、涡旋膨胀机、工质泵、冷凝器、冷却水泵、冷却塔、燃烧器、三相同步发电机和负载。采用天然气燃烧产生的热烟气作为热源,冷源采用冷却塔循环水。实验台设计发电功率为3kW,热源温度为280℃,冷源温度为30℃。采用皮带传动将涡旋膨胀机输出轴与发电机相连,发电机输出端接12个浴灯作为负载,通过开关调节负载灯的数量。试验采用的工质为R123。R123为等熵工质,可避免工质膨胀时进入两相区,且在试验的温度范围内具有较高的系统循环效率[3,12,13,14,15,16,17]。试验系统如图3所示。系统主要设备参数如表1所示。3.2温度和压力测量试验系统主要测试仪表包括温度传感器、压力传感器、涡轮流量计、手持式转速计和电功率测量计。除手持式转速计是手动测量外,其他数据的测量都通过数据采集卡统一采集,并自动记录,数据采集记录频率为1次/s。温度传感器均采用K型热电偶,测量范围为300~1280K,测量精度为±0.1K。有2个与膨胀机相关的温度传感器,测量膨胀机进出口温度。压力测量采用的是硅压力变送器,型号为HR-K2S1G1F2B5,测量范围0.03~1.0MPa,可扩展到2.0MPa,测量精度为量程的±0.2%,与膨胀机相关的压力传感器有两个,分别测量膨胀机进出口压力。电功率计用于测量负载端的电流、电压和输出电功率。4试验处理4.1膨胀机等熵效率的测定试验测试得到涡旋膨胀机进出口工质温度、压力及发电机的发电功率。采用NISTRefProp8.0工质物性查询软件,得到膨胀机进出口工质温度和压力对应的焓值和熵值,涡旋膨胀机等熵效率为进出口工质实际焓降与等熵过程焓降之比,反映了膨胀机将热转化为有用功的能力。式中h———工质焓值,J/kgT———工质温度,K4.2程中存在的损失涡旋膨胀机、电机和负载组成了功输出系统,从涡旋膨胀机的工质焓降到电功率的输出,过程中存在的主要损失包括膨胀机的机械损失、皮带传动损失、发电机的机械损失以及发电机的电功率损失。通过总机械效率来反映该过程的总损失,总机械效率定义为输出电功率与涡旋膨胀机总焓降之比:式中We———电机输出的电功率,Wm———膨胀机进口工质流量,kg/s5试验结果与讨论5.1工质泵行程对膨胀机运行的影响试验中通过调节柱塞泵的行程来调节系统循环工质的流量。工质泵行程分别为30%和50%,负载数量保持为12灯不变,由于条件限制,两组试验中没有采集流量数据。图4和5分别为工质泵行程为30%和50%时,发电机输出电功率、电流和电压随时间的变化。工质泵行程为30%时,输出电功率的范围为1600~1850W;工质泵行程为50%时,输出电功率的范围为1000~2550W。取发电机输出较稳定时段,涡旋膨胀机进出口工质温度和压力参数、发电机输出电功率的平均值进行分析。工质泵行程为30%时,取150~650s的时间段;工质泵行程为50%时,取600~1300s的时间段。两组不同工质泵行程条件下,膨胀机进出口工质状态参数、输出电功率、等熵效率如表2所示。表2中工质泵行程为30%时,发电机的平均发电功率为1815W,膨胀机等熵效率为0.2860;工质泵行程为50%时,发电机的平均输出电功率为2425W,膨胀机等熵效率为0.2424。工质泵行程增加,涡旋膨胀机入口和出口的压力均增大。5.2负载对膨胀机运行的影响涡旋膨胀机变负载试验中,通过调节浴灯的数量来调节接入发电机的负载。试验中工质泵的行程固定为45%不变,冷却水流量和热风炉功率固定不变。得到了浴灯数量分别为2、4、6、8、10、12时膨胀机的输出特性。不同负载条件下,发电机的输出电功率、电流、电压以及转速随时间变化如图6所示。开始浴灯数量为10时,由于蒸发器出口参数波动,导致发电机输出参数不稳定。经过700s左右,调节浴灯数量为12后,发电机输出参数较稳定。每组工况的稳定时间为7min左右。浴灯的组合采用并联的方式,浴灯数量增加时,总电阻减小,会导致输出电流增大,由电磁力定律,负载电流增大,发电机转子受到的阻力矩增大,膨胀机受到的阻力矩也增大,转速会降低,由电磁感应定律,发电机的输出电压会降低,最终出现了发电机输出电压随负载增加而降低、电流随负载增加而增加的结果。电机输出参数与负载的关系与文献[18,19]中ORC系统测试结果相同。对不同负载条件下稳定工况时段,膨胀机进出口参数取平均值,得到膨胀机在不同负载条件下的相关参数,见表3。负载变化对膨胀机进出口工质温度、压力和工质流量的影响较小,但对膨胀机转速、等熵效率、机械效率和发电机的输出电功率的影响较大。膨胀机等熵效率、发电机输出功率、膨胀机转速与负载数量的关系如图7所示。不同负载条件下,膨胀机的转速随负载数量的增加而增加,膨胀机的转速变化范围为1550~2165r/min;发电机的输出电功率随负载数量的增加而增大,输出电功率的范围为298.7~1168.5W;除6灯和8灯的关系出现反常外,膨胀机等熵效率随负载的增加有增加的趋势,等熵效率的范围为0.36~0.55;总机械效率随负载的增加而增加,总机械效率的变化范围为0.091~0.234。总机械效率较低,特别是在负载数量较少的时候。可能的原因:一是膨胀机与发电机之间采用皮带传动,传动损失大;二是由于涡旋膨胀机是由涡旋压缩机改造而来,反相运行时的机械损失大;三是负载数量较少时,涡旋膨胀机和电机转速高,机械损失大。6负载对膨胀机性能的影响本文搭建了有机朗肯循环涡旋膨胀机实验系统,采用的有机工质为R123,研究了涡旋膨胀机在不同流量和不用负载条件下,发电机输出功率,涡旋膨胀机等熵效率、总机械效率、转速与进出口工质压力、温度和负载的关系。测试得到与涡旋膨胀机连接的发电机的最高输出电功率为2.425kW,涡旋膨胀机最高等熵效率为55%。研究结果表明,保持负载不变条件下,涡旋膨胀机进出口压力随工质泵流量的增加而增加,同时发电机输出电功率也随工质流量的增加而增加。变负载工况,工质泵流量一定,热源和冷源侧进口参数保持不变的条件下,负载的