有机朗肯循环涡旋膨胀机性能试验研究

搭建了以R123为工质,设计输出功率为3kW的有机朗肯循环涡旋膨胀机试验系统,对涡旋膨胀机在不同工况下的性能进行了试验研究。试验得到涡旋膨胀机的最大输出功率为2.425kW,最高等熵效率为55%。变负载研究中涡旋膨胀机的转速变化范围为1550²165r/min。试验工况范围内,涡旋膨胀机输出功率、总机械效率随负载的增加而增加,转速随负载数量的增加而降低。     

空气系统中滑片膨胀机热力性能的试验研究

研制了一台双作用滑片膨胀机,搭建了以空气为介质的膨胀机性能试验台,对所研制的滑片膨胀机热力性能进行了测试,对影响膨胀机性能的主要因素进行了定量分析.试验结果表明:容积效率随膨胀机的转速增加而增大,在1000r/min之后基本保持在35%左右;当进、排气压力差不变时,膨胀机输出功随压比增大而增大,当压差不变时,存在最佳压比使绝热效率达到最大值26%;在进、排气压力不变时,随着转速的增加绝热效率在900r/min会出现最优值28%.进一步分析表明,泄漏和摩擦损失是影响膨胀机效率的关键因素.     

膨胀比对活塞式膨胀机工作特性影响的研究

活塞式膨胀机在压缩空气储能领域具有广泛的应用,但是效率低,很大程度上限制了其发展。为改善活塞式膨胀机的工作性能,通过MATLAB建立活塞式膨胀机的仿真模型,通过实验方法验证仿真模型的准确性,以输出功率和效率作为性能指标对活塞式膨胀机进行研究,分析了进气压力、间隙容积、进气持续角对膨胀机输出特性的影响。结果表明：在恒定工况下,随着进气压力的增大,膨胀机的输出功率增大,但效率降低;在稳定的进气压力下,膨胀机存在最优间隙容积与进气持续角;活塞式膨胀机的效率随进气持续角的增大而降低,进气持续角越大膨胀机输出功率随转速的升高下降斜率增大;3 MPa的进气压力下,膨胀比为2.18时膨胀机的效率最佳,进气持续角为90°时膨胀机输出功率最优,在转速为570 r/min时输出功率达最大4.29 kW、效率达到19.6%。为可变膨胀比活塞式膨胀机的设计提供了理论依据。     

余热回收型涡旋膨胀机性能试验

回收发动机冷却水的热量,建立余热回收型涡旋膨胀机系统,以提高燃油利用效率和涡旋膨胀机的工作效率,为汽车发电机提供动力,供各电子电器工作。对车用余热回收型涡旋膨胀机的速度特性、输入特性、涡旋膨胀机内泄漏情况进行了试验研究。试验结果表明:当余热回收型涡旋膨胀机的转速在1000³000r/min范围内时,其功率随着转速的提高而不断增大,并且做功效率也有所提高,内泄漏情况也有所降低;涡旋膨胀机输出功率随着气动功率的增大而增大;加装余热回收系统后,提高了涡旋膨胀机的效率;试验结果表明本系统的各项性能结果能够满足为汽车电子电器供电的应用要求。通过对涡旋膨胀机样机的性能试验,对于本余热回收型涡旋膨胀机的后期改进和对余热回收系统的优化提供一定的参考依据。     

单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能研究

对于有机朗肯循环(Organic Rankine cycle,ORC)系统,膨胀机的选择对系统性能的影响至关重要。单螺杆膨胀机作为一种新型的容积式膨胀机,非常适用于中小型ORC系统。为了研究单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能,搭建完成以烟气为热源、R123为循环工质的ORC系统试验台。通过改变单螺杆膨胀机的输出转矩和背压以及有机工质的蒸汽干度,获得单螺杆膨胀机相应性能的变化,并得到单螺杆膨胀机的最大输出功率为5.46 k W,最大总效率和容积效率分别为48.7%和80%。试验结果表明,在热源不变的条件下,单螺杆膨胀机的膨胀比随着转矩的增加、干度的增加而增加,而随着背压的增加而降低;容积效率随着转矩的增加和干度的增加均为下降;单螺杆膨胀机的总效率随着背压和干度的增加而降低,而随着转矩的增加先增加而降低。     

采用螺杆膨胀机的ORC系统特性试验研究

有机工质朗肯循环（Organic Rankine cycle,ORC）能回收工业余热产生高压蒸气,并由膨胀机输出机械功,是一种具有广泛应用前景的节能技术。工质泵和膨胀机作为ORC循环运行的两大核心机械,实现不同热源流量或温度条件下,工质泵频率和膨胀机转速的匹配,可有效提高ORC循环效率。基于ORC循环的热力学分析,选用R245fa作为循环工质,采用适用性广、可靠性高的螺杆膨胀机,设计并搭建了ORC系统试验台,根据试验结果,重点研究螺杆膨胀机转速、工质泵频率及蒸发器出口过热度对系统性能的影响。结果表明：膨胀机转速的增加会使得系统中工质的循环流量上升,但对蒸发压力的影响较小;存在与工质泵频率相匹配的最佳膨胀机转速,使得系统的循环热效率达到最大;工质泵频率增加时,工质的循环流量和蒸发温度也随之增大,蒸发器换热量、膨胀机输出功率及系统循环热效率都有所上升;蒸发器出口过热度的变化基本不会影响系统热效率。     

有机朗肯循环中工质泵对系统性能的影响

针对有机朗肯循环中工质泵耗功对系统效率影响较大的问题,本文以R245fa为工质的发电系统为例,对在不同的工质泵效率下,是否考虑泵耗功时,系统性能随工况的变化进行分析计算。结果表明,是否考虑泵耗功对系统的第一定律效率有较大的影响,并且这一影响会随着膨胀机效率和工质泵效率的降低而更加明显;蒸发温度的升高同样会增大工质泵对第一定律效率的影响,而冷凝温度的变化则几乎不会引起工质泵对第一定律效率的影响。在蒸发温度为99℃、冷凝温度为35℃、膨胀机效率为0.7、泵效率为0.3的ORC系统中,不考虑泵耗功的系统第一定律效率为9.6%,考虑泵耗功的系统第一定律效率为8.5%,工质泵的耗功占膨胀机输出功的比例为12.5%。     

涡旋膨胀机的性能模拟

为了研究涡旋膨胀机的性能特点,从等截面和变截面涡旋膨胀机的几何模型出发,分析了等截面和变截面涡旋膨胀机容积在一个运转周期内的变化情况。基于质量和能量守恒构建了涡旋膨胀机的整体数学模型,通过对数学模型的求解,得到了涡旋膨胀机工作腔内工质的压力、温度和质量随主轴转角的实际变化规律。通过对涡旋膨胀机数学模型的定量化分析,揭示了等截面和变截面涡旋膨胀机几何参数对其性能的影响规律,为涡旋膨胀机类型的选择以及涡旋膨胀机的性能优化研究打下了基础。     

低温氦气向心透平变工况特性研究

以低温氦气为流动工质,采用实际气体模型计算工质物性,进行低温氦气向心透平的气动设计与性能研究。运用数值模拟方法,对所设计的氦气透平膨胀机进行设计和非设计工况下的三维稳态流场分析。结果显示:在设计工况下,流道内的流场合理,气动性能符合设计要求;在变工况条件下,随着转速的增大,效率先增大后减小,在设计转速时最大。漩涡的出现会导致透平效率迅速下降。当转速一定时,随着膨胀比的增大,质量流量近似线性的增大,效率先增大后减小,在设计膨胀比时最大;转速的减小可使最大效率点对应的膨胀比减小;转速的变化对流量几乎没有影响;随着入口温度增大,质量流量逐渐降低,效率先增大后降低,在设计入口温度下最大。     

压缩空气小型发电系统的性能分析

为了研究压缩空气小型发电系统的性能,首先搭建试验平台并对系统各部分建立数学模型,其次基于试验平台和MATLAB/Simulink软件对系统进行试验验证和仿真研究,验证了仿真模型的合理性。进而获得不同进气压力和转速工况下发电系统的输出功率和效率特性。结果表明：该系统的输出功率随着进气压力的增加而增加,当系统进气压力为0.7 MPa,膨胀机输出转速为3000 r/min时,随着输出电压的增大,系统的输出功率先增加后趋于稳定,最大输出功率可达5.98 kW;不同的输出功率对应的最佳发电效率不同,当输出功率为1 kW和5 kW时,系统的发电效率分别为63.2%和76.7%;当气罐容积为500 L,储气罐初始压力为6 MPa,进气压力为0.7 MPa时,系统至多可以满足5.98 kW的输出功率工作2209 s。     

空气压缩机模型级用于不同真实气体的气动性能研究

基于机器马赫数相等的相似变换准则,对不同真实气体工质同一离心压缩机模型级进行常温常压及高温高压下气动性能的数值研究。除了空气,选取的气体工质还包括二氧化碳和丙烯两个重介质以及一个轻介质甲烷。通过分析不同工质的物性和模型级气动性能变化规律,寻找影响不同工质模型级性能变化的主要因素。结果表明:在机器马赫数相等的条件下,工质远离临界区时,模型级内部流场受比热比影响较大,导致不同真实气体的级性能随比热比的变化而改变,流场内部流动损失及压力随比热比的增大而增大。当模型级进出口比热比变化较小时,比热比越大,级效率越低,压比越高,但能头系数变化较小;进出口比热比变化较大时,级性能变化比较大。     

无油涡旋膨胀机性能特性及试验研究

对应用于有机朗肯循环系统中的涡旋膨胀机,搭建了以空气为工质的性能试验测试平台。测量了试验样机在不同进气压力下的转速、转矩、出气压力和容积流量;对不同负载下发电机的电压、电流和发电量进行了测量;对实际和理论情况下的容积流量、输入功率和输出功率进行了比较。     

两相螺杆膨胀机热力过程特性研究

两相螺杆膨胀机在能量回收领域具有较好的应用前景。本文构建了螺杆膨胀机的转子型线,建立了其两相膨胀过程的数学模型,分析了工质压力、质量、干度等参数随主轴转角的变化规律。结果表明:孔口流动损失造成吸气开始及结束阶段均存在压力降低现象,泄漏导致膨胀阶段工质压力从低于理想值增加至高于理想值。吸气结束时吸气腔内工质质量低于理想值,实际输气量由吸气孔口流动损失和泄漏量决定。膨胀过程工质干度随主轴转角的增大而降低,排气开始时工质干度大于理想值。工质入口干度的增加导致输出功率逐渐降低,但单位质量工质的输出功率逐渐增加。     

ZNR2.4罗茨机械增压器性能试验研究

建立了机械增压器性能测试试验台，对自主研发的ZNR2.4罗茨机械增压器的绝热效率、容积效率、轴功率消耗和噪声等进行了试验研究,得到了ZNR2.4罗茨机械增压器性能随转速和压比的变化规律。研究结果表明：绝热效率受压比影响较大，压比在1.3附近时绝热效率最高；容积效率随着转速的提高而不断提高，当转速在3 500 r/min以上时，容积效率高于70%；轴功率随转速的提高不断增大，最大为0.7 kW；噪声随转速提高而增大，但声压级均值小于85 dB(A)，最大值不超过95 dB(A)。研究结论为罗茨机械增压器的后续改进和优化提供试验参考。     

活塞式膨胀机的性能分析与试验验证

针对活塞式膨胀机的工作过程,利用能量方程、气体状态方程、拉格朗日方程等建立了非线性瞬时的热力学和动力学模型,实现对系统的精确建模和性能研究。利用MATLAB/Simulink得到的仿真转速/功率与实验平台测得的转速/功率进行比较,验证了数学模型的正确性。通过仿真模型研究了进气压力、负载扭矩对活塞式膨胀机系统性能的影响,并分析了进气温度对系统性能的影响。研究表明:在一定压力条件范围内,随着负载扭矩的增加,活塞式膨胀机的输出功率和效率分别增大到一定峰值后减小,最大峰值功率为3.97 kW,最大峰值效率为38.8%;负载扭矩40 N·m,进气压力2 MPa时,排气阶段的压力为 0.55 MPa,占进气压力的27.8%;提高进气温度会提高系统的输出功率和效率。     

不同季节单螺杆膨胀机散热损失的试验研究

膨胀机作为有机朗肯循环系统中的动力输出部件,其性能对系统起着至关重要的作用。传热损失作为膨胀机不可逆损失之一,是影响膨胀机运行效率的重要因素。本文对单螺杆膨胀机机壳及润滑油散热损失进行了冬夏两季试验研究,并进行了对比分析。试验结果表明,转速为3 000 r/min时,提高进气温度有助于减少传热损失的影响。虽然机壳及润滑油散热损失均有所提高,但各散热损失占比逐渐降低。夏季总散热损失占比由20.00%降低至9.52%,而冬季总散热损失占比由15.00%减小至8.79%。     

采用涡旋式膨胀机的有机朗肯循环系统试验研究

通过搭建采用涡旋式膨胀机的小型有机朗肯循环(ORC)系统,并使用R134a、R245fa、R22和R32 4种不同循环工质,测试了ORC系统的整体性能以及涡旋式膨胀机特性。试验采用的热源温度为70～110℃,冷源温度为28.5±1℃。试验结果中,系统最高运行效率为6.75%,涡旋式膨胀机进出口的压差相对稳定,为261.2～608.8 kPa,绝热效率为79.30%～99.19%,而工质实际流量仅为理论流量的23.5%～50.6%。     

含有凹槽结构迷宫密封泄漏性能的数值研究

针对不同结构迷宫密封泄漏特性的问题,通过采用CFD三维分析的方法,研究了直通式和含有矩形和圆形凹槽的迷宫密封在不同压比,间隙,转速下的三维流场和泄漏特性。研究结果表明:含有凹槽的结构能够显著的加快耗散气体动能,进而提高密封效率,降低迷宫密封泄漏量,其中圆形凹槽比矩形凹槽阻止泄漏量更优;随着间隙增大,迷宫密封泄漏均增大,泄漏量和泄漏增长率依次是圆形优于矩形优于直通式;随着进出口压比的增大,泄漏量增加明显,矩形与圆形凹槽增加趋势相近;随着转速的增大,气体在迷宫密封内的湍动能耗散增大,泄漏量有所降低,凹槽迷宫密封内的涡旋充分耗散,泄漏量降低更多,达到极值后趋于稳定。     

涡旋压缩机油气分离器分离特性及压降的 数值模拟

电动汽车空调涡旋压缩机油气分离器的性能对空调系统的安稳运行及压缩机的润滑与密封均起着至关重要的作用。针对这种油气分离器结构尺寸小,要求其压降小,分离效率高,转速适用范围宽等特点,为探寻其内部的流动规律、压降及分离效率随转速的变化规律,首先选用适用于强旋流流动的雷诺应力模型(RSM),模拟计算了油气分离器中流体的流线图和速度分布;利用DPM模型对气液二相流进行数值模拟,计算了压缩机在不同转速下油气分离器中润滑油的分离效率及流体压降。分析结果表明,气体在分离器中做准自由涡流动和准强制涡流动,分离效率随油滴粒径的增大而提高,压缩机转速较低时,分离效率随转速的降低而急剧降低,压降与转速的平方成比例增大。最后,给出了优化设计电动涡旋压缩机油气分离器的设计方法。     

吸气状态对压缩机效率影响的实验研究

建立变频滚动转子式压缩机试验台,测量了吸气过热或吸气带液状态下压缩机的容积效率和等熵效率。结果表明:高背压设计的滚动转子式压缩机在吸气带液时,压缩机效率的下降趋势小于低背压设计的活塞压缩机,为其下降率的50%;吸气干度为0.9时压缩机的容积效率和等熵效率比吸气饱和状态下降约为7%和8%,在相同的转速和运转频率下,压缩机效率随吸气干度的降低近似线性下降。