兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)膨脹過程的能流特性研究

趙 麗, 夏意軍, 胡仟龍, 歐陽(yáng)琴

(湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院建環(huán)系，湖南 株洲 412000)

0 前言

2020年9月，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。為進(jìn)一步推進(jìn)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，空調(diào)行業(yè)的節(jié)能減排任務(wù)重點(diǎn)在提高系統(tǒng)效率。在空調(diào)制冷技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，常規(guī)的提高系統(tǒng)效率方法已趨于完善，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率的關(guān)鍵在于節(jié)流部件。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于膨脹機(jī)的研究中，應(yīng)用于CO2跨臨界系統(tǒng)的容積式與透平式膨脹機(jī)均已有廣泛的研究并已逐步走向應(yīng)用[1-2]。受工質(zhì)物理特性影響，CO2的臨界壓力較高(7.1 MPa)而臨界溫度較低(31 ℃)，將CO2用于制冷循環(huán)時(shí)部分工作過程處于跨臨界狀態(tài)，這使得節(jié)流過程損失非常大，在相同冷凝溫度下CO2循環(huán)效率較常規(guī)氟利昂類工質(zhì)低20%～30%[3]。而循環(huán)采用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥時(shí)，單位制冷量得到提高，同時(shí)可回收的膨脹功約占?jí)嚎s功的20%～25%[4]，這將使得CO2跨臨界循環(huán)的能效得到大大提高，因此CO2跨臨界循環(huán)膨脹機(jī)的研究極有意義，促進(jìn)了CO2膨脹機(jī)研究成果的形成與轉(zhuǎn)化。而應(yīng)用于常規(guī)氟利昂類人工工質(zhì)的膨脹機(jī)的研究成果較少，也是受工質(zhì)特性限制，如：膨脹比較大，采用容積式膨脹機(jī)體積難于控制；臨界溫度較高，節(jié)流過程一般工作在兩相區(qū)，不適合采用透平式膨脹機(jī)；節(jié)流損失較小，對(duì)小型系統(tǒng)而言，可回收膨脹功有限，研究的經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，等等，均限制了兩相流膨脹機(jī)的廣泛研究。但據(jù)模擬計(jì)算，膨脹機(jī)回收的膨脹功占?jí)嚎s功的2%～15%，對(duì)系統(tǒng)COP(Coefficient of Performance，性能系數(shù))的貢獻(xiàn)為3.6%～20%[5]，對(duì)于大中型機(jī)組而言，可回收的膨脹功十分可觀。膨脹機(jī)回收這部分能量完全可以作為分布式能源系統(tǒng)的分散能源使用，為國(guó)家節(jié)能減排做出一定程度的貢獻(xiàn)。

基于此，作者及所在課題組設(shè)計(jì)分析并制造了適用于常規(guī)制冷劑的兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)樣機(jī)。由于樣機(jī)初步測(cè)試的結(jié)果不理想，因此有必要對(duì)膨脹機(jī)工作過程進(jìn)行細(xì)致分析與能流研究，以提出合理的樣機(jī)改造方案。

1 兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)樣機(jī)及基本結(jié)構(gòu)

開發(fā)的兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)樣機(jī)及主要部件如圖1所示，包括兩級(jí)氣缸、與膨脹機(jī)同軸連接的發(fā)電機(jī)及燈箱負(fù)載。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中：1為氣缸，2為滾動(dòng)活塞，3為偏心輪，4為滑片，5為連接管，6為進(jìn)氣口，7為排氣口，8為氣缸壁。左邊為第一級(jí)氣缸系統(tǒng)，右邊為第二級(jí)氣缸系統(tǒng)，二者由中間通道5連接。

圖1 兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)外觀及主要部件

圖2 兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)兩相流膨脹機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)：在高壓氮?dú)獾脑囘\(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，膨脹機(jī)能正常運(yùn)行。在空氣進(jìn)口0.8～1.0 MPa條件下，膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，根據(jù)末端負(fù)載獲得的回收膨脹功與進(jìn)出口焓差的比值，估算得到膨脹機(jī)的效率在30%左右。在測(cè)試用的試驗(yàn)臺(tái)中，給定樣機(jī)一定的氣液兩相進(jìn)口條件，膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并輸出一定的膨脹功，但是效率遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)水平。

2 兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的能流分析

根據(jù)樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)行能流分析。從結(jié)構(gòu)方面看，對(duì)于轉(zhuǎn)子式的容積膨脹機(jī)而言，能量流動(dòng)主要有：發(fā)生在各運(yùn)動(dòng)部件之間的泄漏損失與摩擦損失，包括滑板、滾動(dòng)活塞、氣缸、偏心輪與主軸等，工作腔的余隙容積損失、熱交換損失以及節(jié)流損失等，可稱為膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)性不可逆損失。而工作條件方面，包括工質(zhì)的進(jìn)口條件、潤(rùn)滑油的特性等，也會(huì)在一定程度上影響膨脹過程的能流情況，稱為膨脹機(jī)的條件性不可逆損失。

2.1 膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)性不可逆損失

膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)性不可逆損失主要包括：

(1)泄漏損失。膨脹機(jī)的泄漏損失包括內(nèi)部泄漏與外部泄漏。膨脹機(jī)內(nèi)部各運(yùn)動(dòng)部件之間存在間隙，間隙大小由加工精度及潤(rùn)滑情況決定。由于膨脹機(jī)工作過程中各工作腔壓差的存在，工質(zhì)在這些間隙處存在一定程度的泄漏，泄漏損失的大小與泄漏處間隙大小、泄漏處兩端壓差、工質(zhì)物性等因素有關(guān)。結(jié)合樣機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，各部分間隙產(chǎn)生的泄漏中難免含有潤(rùn)滑油，因此潤(rùn)滑油對(duì)物性的影響也需要進(jìn)行考慮。而膨脹機(jī)與外部之間的泄漏要嚴(yán)格避免，因此在膨脹機(jī)泄漏損失的分析中，重點(diǎn)分析膨脹機(jī)的內(nèi)部泄漏情況。

(2)摩擦損失。根據(jù)各運(yùn)動(dòng)部件的受力情況分析可得到轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)的摩擦損失情況。轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件主要為滑板與滾動(dòng)活塞，其中滾動(dòng)活塞、滑板、偏心軸等與氣缸端蓋之間、主軸與軸承之間的摩擦系數(shù)，主要與各零件材料、結(jié)構(gòu)以及潤(rùn)滑情況有關(guān)。其中潤(rùn)滑情況最為關(guān)鍵，因此減小摩擦損失的關(guān)鍵在于潤(rùn)滑系統(tǒng)。

(3)余隙容積損失。設(shè)計(jì)的兩相流膨脹機(jī)在工作過程中，隨滾動(dòng)活塞的轉(zhuǎn)動(dòng)各工作腔存在余隙容積，殘存的少量工質(zhì)隨滾動(dòng)活塞的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)被壓縮，再通過各泄漏間隙分散至膨脹機(jī)其他空間，作為泄漏損失表現(xiàn)出來。設(shè)計(jì)時(shí)一般優(yōu)化進(jìn)排氣角度，以達(dá)到減小余隙容積損失的效果。而且由于轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，由此引起的膨脹機(jī)余隙容積損失不超過0.5%[8]。

(4)工質(zhì)與外部環(huán)境的熱交換損失。膨脹機(jī)可能存在的熱交換損失，包括與外界環(huán)境以及與潤(rùn)滑油之間的熱交換。這兩處熱交換具有相同特點(diǎn)，溫差小，換熱系數(shù)也小。由于潤(rùn)滑油還是在膨脹機(jī)內(nèi)部，因此與潤(rùn)滑油之間的熱交換并入對(duì)工質(zhì)物性參數(shù)的影響考慮，而不單獨(dú)計(jì)算。

(5)吸排氣過程的節(jié)流效應(yīng)。根據(jù)轉(zhuǎn)子式膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)的位置主要在排氣過程中。隨滾動(dòng)活塞轉(zhuǎn)動(dòng)排氣口逐漸被打開，工質(zhì)流體在排氣口打開瞬間將發(fā)生閃蒸并瞬間膨脹。由于工質(zhì)已經(jīng)過膨脹過程的規(guī)律膨脹，排氣過程的閃蒸雖引起能量進(jìn)一步降級(jí)，但這部分損失有限，一般按照理想可回收膨脹功的比例進(jìn)行考慮。

2.2 膨脹機(jī)的條件性不可逆損失

條件性不可逆損失方面的分析，以工質(zhì)的進(jìn)口狀態(tài)變化時(shí)膨脹機(jī)的效率變化為主，在運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況不一致時(shí)將造成膨脹機(jī)效率降低，可回收膨脹功減小，而降低與減小的程度由偏離設(shè)計(jì)工況的多少?zèng)Q定。

根據(jù)樣機(jī)的調(diào)試結(jié)果，樣機(jī)在全液狀態(tài)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而在氣相占比越高時(shí)效率及可回收的膨脹功都呈增加趨勢(shì)。根據(jù)氣態(tài)與液態(tài)流體各自的流動(dòng)特性，并結(jié)合兩相流相變過程時(shí)的相變延遲現(xiàn)象，可以得到初步驗(yàn)證。這也說明了膨脹特性研究在兩相流膨脹機(jī)研究中的重要性。同時(shí)，也指明了兩相流膨脹機(jī)的改進(jìn)方向，對(duì)現(xiàn)有膨脹機(jī)進(jìn)行前置汽化設(shè)計(jì)，將大大提高樣機(jī)效率。

而潤(rùn)滑油的特性對(duì)膨脹機(jī)效率的影響實(shí)際上將體現(xiàn)在前面提到的泄漏損失、摩擦損失與熱交換損失等方面，不再贅述。

3 兩相流雙轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)不可逆損失改進(jìn)方案

綜合以上分析，對(duì)于現(xiàn)有兩相流膨脹機(jī)樣機(jī)，其可行的改進(jìn)方案主要包括：

(1)改善膨脹機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，控制軸流式供油系統(tǒng)的供應(yīng)壓力，改善各運(yùn)動(dòng)部件的潤(rùn)滑情況，減少潤(rùn)滑油泄漏，從而減小占比較大的摩擦損失與泄漏損失。

(2)從兩相流膨脹相變特性及機(jī)理方面，對(duì)現(xiàn)有膨脹機(jī)進(jìn)行前置汽化設(shè)計(jì)，提高樣機(jī)進(jìn)口干度。事實(shí)上即舍棄部分液態(tài)工質(zhì)的閃蒸能量，以提高膨脹機(jī)工作效率與回收的膨脹功。

4 總結(jié)

本文主要對(duì)膨脹機(jī)樣機(jī)的能流特性進(jìn)行了分析，通過對(duì)各能量流動(dòng)過程及不可逆損失的產(chǎn)生機(jī)理、樣機(jī)的試驗(yàn)情況對(duì)比分析，提出了現(xiàn)有樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)的改造方案。

適用于普通工質(zhì)的兩相流膨脹機(jī)的研究，在節(jié)能變得至關(guān)重要的社會(huì)背景下是很有意義的，尤其是在提高常規(guī)制冷循環(huán)系統(tǒng)效率的有效方案大多已接近完善的情況下，對(duì)于還是薄弱環(huán)節(jié)的節(jié)流部件的研究對(duì)提高系統(tǒng)效率十分關(guān)鍵，尤其在大中型機(jī)組中回收的膨脹功十分可觀，對(duì)其進(jìn)行有效利用，對(duì)于國(guó)家的節(jié)能與雙碳目標(biāo)的達(dá)成有積極的意義。