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CO_2双缸滚动活塞膨胀机的结构改进和实验研究

王伟  
【摘要】:制冷剂带来的负面环境效应受到越来越多的关注,自然工质CO_2因其优越的环保性受到推荐和提倡。膨胀机是提高CO_2跨临界循环效率的根本性措施。本文针对已初步研制出的CO_2双缸滚动活塞膨胀机,分析其效率低的原因并提出相应的改进方案,最后通过实验验证改进后的效果。 论文首先对双缸滚动活塞膨胀机的结构和运动规律作了概要地介绍,复核和分析了原膨胀机的结构尺寸,得出部分关键参数的设计推荐值。重点分析了膨胀比的影响因素,发现中间通道容积严重影响膨胀比,提出合理设计孔径和长度。 论文介绍了摩擦磨损的相关理论,对CO_2膨胀机最常发生的粘着磨损建立模型,分析了其关键的影响因素。在气液两相状态下,含量较少的润滑油无法形成油膜,需单独的供油系统,并建议采用动静压供油方式。根据CO_2双缸膨胀机不同的泄漏点选择合适的密封材料。 论文分析了双缸滚动活塞膨胀机的外泄漏和内泄漏,采取中间隔板一体化和气缸端面加密封圈等措施可以消除外泄漏。通过在滚动活塞端面镀铜能够减小泄漏间隙,还能防止产生粘着磨损。滚动活塞端面同样可以采用O型圈来增强密封效果,但是需要耐磨的复合橡胶材料。为膨胀机设计一套单独的供油系统,减小膨胀机的摩擦磨损,同时油膜使泄漏通道变窄,降低了膨胀机的泄漏损失。 利用CO_2水-水热泵系统完成了双缸滚动活塞膨胀机的实验,包括解决实验中出现的泄漏问题和完成膨胀机的效率测试,得到膨胀机的初步运行特性,其等熵效率最高达到31.79%。在各实验工况下,测得的膨胀比远小于设计水平,这被认为是目前效率不高的最主要原因,作为下一步的重点改进方向,正在进行重新设计加工。


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