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1、两相螺杆膨胀机热力过程特性研究 年第42卷第9期 流体机械 文章编号:1005-0329(2014)09-0039-0439 1前言 螺杆膨胀机具有流量范围宽、运行稳定性好、 工况变化适应性强、可带液膨胀等特点,在工业余 压回收、制冷系统节能、低温余热回收等方面具有 较好的应用前景,已成为近年来的研究热点。目 前,螺杆膨胀机的研究多集中在系统应用与理论 分析方面,针对两相膨胀过程的深入研究较少。Brasz等将螺杆膨胀机用于制冷系统节能1经验交流(合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室合肥压缩机技术省级实验室,安徽合肥230031)摘要: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
2、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。关键词:两相;螺杆膨胀机;热力过程中图分类号:TH45;TB653 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1005-0329.20
3、14.09.009(StateKeyLaboratoryofCompressorTechnology,AnhuiProvinceKeyLaboratoryofCompressorTechnology,HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)LIUGuang-bin,YANGQi-chao,ZHAOYuan-yang,WANGLe,TANGBin,LILian-shengAbstract:Two-phasescrewexpanderhasgoodprospectintheenergyrecoveryfieldanditsp
4、erformancepredictionisveryim-areanalyzed.Theresultsshowthattherearepressurereductionatstartingandendingstagesofsuctionprocessduetoflowinglos-portant.Inthispaper,arotorprofileisbuiltandamathematicalmodelissetup,andthevariationofpressure,massandqualityses.Thesimulatedpressureofmixtureislowerthantheide
5、alvaluefirstlyandthenincreasesintheexpansionprocess.Themassreduced,butthepoweroutputofunitmassflowrateincreasedwiththeinletquality.Keywords:two-phase;screwexpander;thermodynamicprocessofmixtureinsuctionchamberislowerthantheidealvalue,buttheactualmassisdecidedbythesuctionlossandleakage.Thequalityincr
6、easeswithrotationangleanditislargerthantheidealoneatthebeginningofdischarge.Theoutputpowergradually 膨胀机效率约为70%,证明了其适应于大型商业 收稿日期:2014-03-05 40 FLUIDMACHINERY Vol42,No.9,2014论研究提供依据6。 A一对齿槽的横截面积q下标,侵入面积T阳转子导程转角 选择一对齿间容积作为控制容积,忽略传热过程,考虑到阴阳转子、转子与壳体间存在微小间隙,建立控制容积内能量守恒方程10: dumix?dmin,mix?dmout,mix?=hin,m
7、ix+hout,mix dd?d? 综上所述,现有文献研究主要集中在膨胀机 的应用和宏观特性研究上,针对膨胀过程微观特性的研究较少。由于螺杆膨胀机结构复杂,当伴随两相膨胀过程时,其性能预测具有一定难度,本文构造了螺杆膨胀机的转子型线,建立了描述其两相膨胀过程的数学模型,分析了工作腔内压力、质量、干度等参数随主轴转角的变化及入口干度对性能的影响,可为螺杆膨胀机性能预测提供参考。 2数学模型 螺杆膨胀机与压缩机结构类似,通过阴、阳转子三维曲面间的啮合实现容积变化,完成高压工质的膨胀过程。型线构建是数值计算的基础,由圆弧及其包络线构成的转子型线确保转子间为“的啮合关系面”密封,改善了密封及传动性能,
8、分别建立阴、阳转子坐标系。根据型线间,可得到两动坐标系间的变换关系79动坐标系o1x1y: 为: 1与动坐系o2x2y2间的变换x1=-xy2cos(1+z1/z2)1y 2sin(1+1=-x2sin(1+zz1/z2)1+Dcos(1) 1/z2)1 (1) ?动坐标系-y2cos(1o+z1/z与动坐标系2为: 2x2y2)1+Dsin(o1x1y11) 间的变换 x2=-+xz1cos(1+z1/z2)1-y1sin(1y 1/z2)1+Dcos(z1/z2)1 2=-x1sin(1+z1/z2)1-y1cos(1 (2) ?式中 +Dz1/z2)转子中心距 1+Dsin(z1/z2)
9、1z1、z21阳转子动坐标系与静坐标系间的 阳、阴转子齿数 角度 转子型线间的包络条件为7?x1?y1-?x1?y1 =: 利用数值积分?t,可得到一对齿间面积及齿槽1?1?t (3) 容积被侵占值,进而得到一对齿间容积的变化规律: V()=AL-T Ad式中V工作腔容积 2 q (4) -dmdmixmix-pmix udV (5)式中mix、m、p下标内能,混合物、质量、压力 螺杆膨胀机的泄漏通道主要包括转子接触线in、out下标,流入、流出 位置的啮合间隙、泄漏三角形、齿顶与气缸间的间隙、转子端面与壳体间的间隙,运行过程中两侧压差导致工质从高压侧向低压侧泄漏,影响膨胀机的实际工作过程。两
10、相工质泄漏过程通过以下方程描述7d。 dm=fLALmix2mixkmix-1pmixmix (mix2-kmixkmix+1) 1/2 其中,临界压比定义为: (6) PPk =Pmix,L mix,L?mix 当Pmixk2+1?k-1? ?k-1Pkk -1(7) ?2+1?当Pmix,L<? mixk2+1? 式中v比容 k比热容比临界压比f泄漏系数L下标,泄漏 两相工质通过吸、排气孔口的流动过程表示 为8: dmdmix=fpAp?p2mix,h-pmix,l? 1/2 吸、排气孔口 vmix,h? (8) 式中p下标,h下标,高压侧l下标,低压测 两相工质物性关系通过调用re
11、fprop8.0软件 物性数据库得到通过以上方程耦合求解(p,可以表示为: ,t,pl,l,tl)=,f可得到两相螺杆膨 (mix,mix) (9) 年第42卷第9期 流体机械 胀机工作过程中工质热力学参数随主轴转角的变化规律。3分析及讨论 本文采用工质为饱和水蒸气,吸气压力为0.6MPa,排气压力为0.1MPa,质量流量为1.6kg/s,转速为3000r/min作为设计工况,定义无泄漏和流动损失的膨胀过程中工质热力学参数为理想值,考虑泄漏及孔口过程模拟螺杆膨胀机的热力41 间的泄漏量,导致在膨胀初始阶段工质压力低于理想值。随着膨胀过程的进行,工作腔内工质压力逐渐降低,漏入工作腔的工质质量逐渐
12、大于漏出质量,使工质压力高于理想值。由于排气孔口面积远大于吸气孔口,排气过程工质压力变化与理想过程偏差较小。 性能。根据设计工况,所构建的螺杆转子型线及结构参数如图1和表1所示。从图中可以看出,采用圆弧及其包络线为构成曲线的螺杆膨胀机转子型线啮合良好,各段曲线间过渡光滑,易于加工。通过匹配得到的转子具有较高的面积利用系数和适中的长径比 。 图1转子端面型线表1螺杆膨胀机转子参数参数数值阴阳转子齿数比5/6中心距(m)0.3工作段长度(m) 0.625长径比1.51面积利用系数0.4297扭角系数 0.9857 由于孔口流动损失和转子啮合间隙图2表示螺杆膨胀机模拟工况下的、泄漏三角形p-V。、齿
13、顶间隙及端面间隙等泄漏通道的影响,工作腔内工质压力变化规律偏离理想过程。从图中可以看出,在吸气开始阶段及吸气结束阶段均存在压力降低现象, 且吸气开始阶段压力降低量大于结束阶段,这是由于吸气开始阶段孔口面积增大速率低于吸气结束阶段孔口面积减小速度的缘故。在膨胀开始阶段,工作腔内工质压力低于理想值,工作腔与高压侧腔体间的泄漏量低于与低压腔体 图2膨胀机工作过程p-V 图3表示了一对齿间容积内工质质量随主轴转角的变化规律。 从图中可以看出,由于吸气压力损失的影响,吸气结束时吸气腔内工质质量低于理想值,随着膨胀过程的进行,部分高压气体漏入膨胀腔,使得膨胀腔内工质质量逐渐增大。较大的排气孔口面积造成排气
14、过程开始时排气腔内工质压力迅速降低至排气压力。泄漏过程的存在,导致膨胀机实际吸气量为吸气结束时吸气腔 内工质质量与泄漏量的总和,因此,实际输气量依泄漏量的大小可能大于、等于或小于理想输气量。 图3工作腔内工质质量变化规律 图4表示工作腔内工质干度随主轴转角的变化规律。由于水为典型的湿性工质,当膨胀机入口为干饱和蒸气时,部分气体在膨胀过程中冷凝为液体,工质干度逐渐降低。工质的泄漏过程造成了高、低压侧间能量的传递,导致工质内能发生变化,使工质干度与理想值偏离。在模拟工况下,膨胀初始阶段工质干度变化较小,排气开始时工 42 FLUIDMACHINERY Vol42,No.9,2014质干度大于理想干
15、度。螺杆膨胀机对液体不敏感的特点使得其更适用于水蒸气等湿性工质的膨胀过程 。 输气量可能大于、等于或小于理想值。工质干度随膨胀过程逐渐降低,膨胀初始阶段工质干度变化较小,膨胀结束时工质干度大于理想干度。膨图4干度随主轴转角的变化规律 图5表示入口干度对螺杆膨胀机输出功率的影响。螺杆膨胀机的结构特性使其对工质带液不敏感,适用于两相工质膨胀过程。从图中可以看出,随着工质入口干度的增加,工质密度逐渐增大,膨胀机实际吸气量逐渐降低,导致输出功率降低,但单位质量工质的输出功率逐渐增加。对于恒定体积流量的工质,降低入口干度有利于提高输出功率,而对于恒定质量流量的工质则需增大入口干度 。 图5入口干度对输出
16、功率的影响 4结语 螺杆膨胀机适用于两相工质的膨胀过程,采用圆弧及其包络线作为构成曲线的螺杆膨胀机转子型线啮合良好,匹配得到的转子具有较高的面积利用系数和适中的长径比。吸气压力损失导致吸气开始阶段及吸气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逐渐增加至高于理想值。膨胀机实际吸气量为吸气结束时吸气腔内工质质量与泄漏量的总和,实际 胀机输出功率随工质入口干度的增加而降低,单位质量工质的输出功率则逐渐增加。 参考文献 1BrasescrewJJ,SmithIK,StosicN.Developmentofter-cooledexpressorchillersasaC.throt
17、tle15thvalveatwin InternationalreplacementCompressorforwa-2Stosic2000:979-983. EngineeringConferenceatPurdueUniversity:Purdue,CompressorN,IKS,KovacevicA.ATwinScrewCombined temsC.ence:Purdue,2002:C21-22. InternationalAndExpandercompressorForCO2engineeringRefrigerationconfer-Sys-3KovacevicofA,StosicN,
18、SmithIK.usecombinedscrewcompressor-expanderNumericalmachinessimulation fortioninModellinghighpressurePracticerefrigerationandTheory,2006,14systemsJ.Simula-4Smith1143-1154. (8):workingIK,StosicfluidforN,MujicpowerrecoveryE,KovacevicfromexhaustA.Steamgasesasthe meansofscrewexpandersJ.Proc.IMech,PartE:
19、byJournal5马一太(2):117-125. ofProcessMechanicalEngineering,2011,225应用两相螺杆膨胀机的理论分析,魏东,王景刚,等.CO2跨临界制冷循环中 J.工程热物理学报,2001,22(2):137-140. 6曹滨斌系统分,析李惟毅J.天螺杆膨胀机双循环低温余热回收津大学学报,2010,43(4):310- 7邢子文314. 京:机械工业出版社.螺杆压缩机,2003.-理论、设计及应用M.北 8吴华根限元计算研究,罗江锋J.,关丽莹流体机械,等.螺杆空压机转子受力有 ,2014,42(2):51-54.9杨兴华的数值模拟研究,潘家祯,王吉岱
20、J.流体机械,等.涡旋式膨胀机内部流场 ,2013,41(2):22-25.10WangnovelM,ZhaoYY,CaoF,etal.pansionvane-typeprocessJournalforexpanderR-410AwithSimulationstudyona ofRefrigeration,refrigerationinternaltwo-stage2012,systemex-35(4J.757-771. International): 作者简介:刘广彬(1983-),男,工程师,压缩机及节能技术研究,通讯地址:230031安徽合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院压缩机技术国家重点实验室。 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：刘广彬， 杨启超， 赵远扬， 王乐， 唐斌， 李连生， LIU Guang-bin， YANG Qi-chao， ZHAO Yuan-yang， WANG Le， TANG Bin， LI Lian-sheng合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室 合肥压缩机技术省级实验室,安徽合肥,230031流体机械Fluid Machinery2014(9)