二氧化碳跨临界循环转子式膨胀机的分析与实验研究

【摘要】： 本文以目前国际上制冷热泵研究的关键问题——开发 CO2 膨胀机这一前沿 性课题为研究对象，以开发高效率的 CO2膨胀机为目的，从而使 CO2跨临界循 环不仅具有环保优势，同时节约能源。本文的研究为其实用化提供理论基础和 实践经验。 通过对采用回热器、提高压缩机效率、提高换热系数、利用膨胀机和优化 循环等方法的比较发现，利用膨胀机可大幅度地提高 CO2跨临界系统性能系数。 对膨胀过程进行不可逆热力学分析，根据 CO2 跨临界循环中膨胀过程不同初始 参数，建立了膨胀过程中的流体流动的物理模型和泄漏模型，以及压力波的传 播速度模型。这些模型的建立为膨胀机的模拟提供理论基础。利用膨胀机理论 模型对膨胀机的运行特性进行分析，发现膨胀机的运行参数存在最佳点使膨胀 机的输出功效率达到最大。 在原有滑板滚动活塞膨胀机的基础上进行改进，对滑板膨胀机进行重新设 计，开发了第二代滑板滚动活塞膨胀机并进行了理论分析。通过与原有滑板型 膨胀机的对比，发现利用新型滑板可减小不可逆损失，新型滑板膨胀机的理论 效率高于原有滑板型膨胀机。开发了 CO2 摆动转子膨胀机，对摆动转子膨胀机 进行了动力学和不可逆损失的研究，计算表明摆动转子膨胀机的泄漏损失很小， 其理论效率高于新型滑板滚动活塞膨胀机。对摆动转子进行了有限元受力分析， 结果发现摆动转子的最大应力和变形发生在摆杆基部，数值并不很大，通过选 择适宜的材料和合理设计，摆动转子是非常适合在 CO2 跨临界循环高压差环境 下工作。 对膨胀机的回收方式进行了较全面的分析，比较了各种形式的优缺点和可 - I - WP=4 行性。提出发电方式可用于大型的系统，输出的电量可以驱动小型的设备。在 小型系统中，压缩膨胀机较为有利。对压缩膨胀机在系统的布置方式进行了理 论研究，研究表明压缩膨胀机提供双级压缩的第二级压缩形式的系统循环性能 系数接近最优值，与主压缩机同轴双级压缩循环方式可以最大限度的提高系统 的能效。选择了压缩膨胀机的开发形式，给出了具体的设计思路。分析了偏心 轮轴的相位角对压缩膨胀机运行的影响，以及轴的受力情况。 对开发的 CO2 跨临界循环原有型滑板膨胀机、新型滑板滚动活塞膨胀机和 摆动转子膨胀机进行了实验研究。三个样机都能平稳运行。测试的新型滑板滚 动活塞膨胀机的效率在 35％～47％之间。摆动转子膨胀机的效率则在 33％~44 ％之间，都高于原有型滑板膨胀机的效率，说明为减小泄漏的设计是有效的。 通过实验得到膨胀机系统的运行特性，系统参数存在最优匹配的问题。实验验 证了膨胀机存在最佳参数使膨胀机的输出效率达到最大的理论分析结论。