【摘要】：在中低溫余熱回收利用中,有機(jī)朗肯循環(huán)被認(rèn)為是具有較大潛力的技術(shù)方向。而對(duì)于中小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng),膨脹機(jī)作為輸出動(dòng)力設(shè)備限制了其系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升。膨脹機(jī)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在膨脹機(jī)效率和膨脹比兩個(gè)方面,故如何提高膨脹機(jī)效率和膨脹比成為了實(shí)現(xiàn)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵。單螺桿膨脹機(jī)具有膨脹比高、受力平衡、振動(dòng)小和適用壓力范圍廣等多方面的優(yōu)勢(shì),故采用單螺桿膨脹機(jī)作為動(dòng)力輸出設(shè)備的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)有望獲得實(shí)際應(yīng)用。本文針對(duì)單螺桿膨脹機(jī)膨脹比展開(kāi)了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究,本文主要研究工作如下:開(kāi)展了膨脹比對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)熱力性能影響的分析。建立了有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力學(xué)模型,分析了膨脹機(jī)效率、膨脹比和工質(zhì)泵效率以及三者相互耦合對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響,其中膨脹比對(duì)系統(tǒng)性能影響非常明顯,即使膨脹機(jī)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(shí)驗(yàn)研究和技術(shù)水平,小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)膨脹機(jī)的膨脹比應(yīng)該提高到6-10左右,此時(shí)系統(tǒng)的熱效率可達(dá)8%-10%。開(kāi)展了變工況條件下單螺桿膨脹機(jī)膨脹比的實(shí)驗(yàn)研究。分析了變轉(zhuǎn)速和變進(jìn)口壓力兩種工況下內(nèi)外膨脹比的變化趨勢(shì)及產(chǎn)生機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),進(jìn)氣壓力為0.4-0.65 MPa時(shí),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(jī)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(jī)膨脹比受工況的影響明顯,當(dāng)提高進(jìn)氣壓力時(shí),膨脹比出現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì),并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的欠膨脹狀態(tài)。開(kāi)展了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單螺桿膨脹機(jī)膨脹比的優(yōu)化分析。分析了單螺桿結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí),隨著不等徑率的增加,基元容積的最大值對(duì)應(yīng)的相對(duì)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(shí),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(shì),不等徑率為10%時(shí),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(jiàn),通過(guò)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(jī)提供理論依據(jù)。開(kāi)展了高膨脹比單螺桿膨脹機(jī)的研發(fā)工作。確定了高膨脹比單螺桿膨脹機(jī)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)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(jī)樣機(jī)。然后進(jìn)行了螺桿軸、螺桿轉(zhuǎn)子、星輪以及樣機(jī)機(jī)殼等設(shè)計(jì),并對(duì)螺桿軸進(jìn)行了強(qiáng)度和剛度校核。在此基礎(chǔ)上加工裝配了單螺桿膨脹機(jī)樣機(jī),開(kāi)展了高膨脹比單螺桿膨脹機(jī)樣機(jī)的初步性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),進(jìn)氣壓力為1.06-1.87 MPa時(shí),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(jì)是實(shí)現(xiàn)高膨脹比的技術(shù)手段,這項(xiàng)研究為后續(xù)開(kāi)展單螺桿膨脹機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)的工藝流程實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的單螺桿膨脹機(jī)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，，選用壓縮空氣作為測(cè)試工質(zhì)。單螺桿膨脹機(jī)樣機(jī)的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的流程如圖3-1所示。圖 3-1 單螺桿膨脹機(jī)樣機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)流程圖Fig. 3-1 The process flow diagram of performance test on single screw expanderprototypes壓縮機(jī)提供的高壓空氣進(jìn)入單螺桿膨脹機(jī)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(jī)輸出的軸功通過(guò)扭矩儀測(cè)出，同時(shí)用渦流測(cè)功機(jī)為假負(fù)載消耗軸功。在膨脹機(jī)的進(jìn)出口管路上布置有各種傳感器，用于監(jiān)測(cè)膨脹機(jī)進(jìn)出口的壓力、溫度以及流量參數(shù)。

點(diǎn)和傳感器布置進(jìn)口流量計(jì)選用的是北京合世自動(dòng)化科技有限公司定智能渦街流量計(jì)，口徑為 DN25，測(cè)量介質(zhì)為空氣，測(cè)量范差 0.5%，采用 24VDC 電壓供電，輸出信號(hào)為 4~20 mA進(jìn)、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(jí)，其中進(jìn)口量程為 0~1 MPa。進(jìn)、出口溫度傳感器均采用上海華潤(rùn)電熱儀表廠的螺紋式 WZPT-01，精度為 0.5 級(jí)，進(jìn)口量程為 0~100 oC 的熱電100 oC 的熱電阻。進(jìn)、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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TK115

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本文編號(hào)：2637542