逆循环中能量回收涡轮膨胀机的理论和试验研究

摘要

制冷热泵机组的应用越来越广泛，如何提高系统能效成为了当前的研究热点。传统制冷热泵系统中，节流过程存在较大损失。应用膨胀机代替节流阀，不仅可以增加循环的单位制冷量，而且可以回收部分膨胀功。若将该技术应用于大型制冷热泵系统中，节能潜力巨大。本文通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合，对常规工质制冷热泵循环中膨胀功回收涡轮机进行了研究。
　　对带膨胀功回收装置的制冷循环进行了热力学分析。结果表明，制冷循环中加入回热器，使循环的单位制冷量变大，循环的耗功增加，还会使循环的等熵膨胀功减小。因此，回热器是否能提高循环的性能系数，除和制冷剂本身的热力学性质有关外，还和膨胀功回收装置的效率有关系。对于R22制冷循环，无论膨胀机效率高低，回热器都会使循环性能系数降低；对于R134a制冷循环，当膨胀机效率低于30％时，回热器会使循环性能系数提高，当膨胀机效率高于30%时，回热器使循环的性能系数降低。
　　对涡轮膨胀机喷管内的制冷剂闪发膨胀过程进行了理论分析和试验研究。发现制冷剂在喷管内闪发膨胀过程中存在热力学非平衡现象和临界流现象。对气液两相制冷剂流体的音速进行了探讨，发现制冷剂在喷管内降压加速的过程中，状态由亚音速变为超音速，所以喷管应采用缩放形状。在理论分析的基础上，设计并加工了两个试验喷管，对喷管内的压力分布、临界流现象、射流速度以及转换效率进行了研究。结果表明，喷管内的主要压降发生在喉部前后，可达0.7~0.9MPa。制冷剂的临界质流密度为19800~24000kg/(s·m2)。通过试验临界流量值与理论模型计算值的对比发现，均相平衡模型的计算误差在-35%和-5%之间；Henry-Fauske模型的计算误差在15%和35%之间。临界状态下，喷管的试验射流速度最高可达78m/s，喷管内效率最高可达96%。当喷管背压高于临界背压时，临界流现象消失，喷管内会出现弱激波，射流速度和内效率明显下降。其它尺寸相同时，扩散角越大，射流速度越大，能量转换效率越高。
　　对涡轮膨胀机转轮内的制冷剂气液两相流建立了数学模型，分析了制冷剂在转轮内流动时的不可逆损失，对转轮内制冷剂气液两相流进行了模拟与分析。结果表明，机组制冷量越高，转轮所达到的效率越高，高效转速范围越宽。存在最佳转速使得转轮效率达到最高。减小转轮直径可以提高转轮效率，但转轮最佳转速明显增加。存在最佳速度比使得转轮的效率达到最高，机组制冷量越大，转轮空间制冷剂的干度越大，转轮的最佳速度比越大。机组制冷量在200kW以上时，转轮最佳转速范围为6500~8000rpm，效率可达到60%以上；机组制冷量在50kW以下时，涡轮膨胀机的效率极低，甚至无法运转。
　　设计并加工了两个涡轮膨胀机样机，制作了机械测功装置，对两个样机进行了试验研究。结果表明，转轮叶片的宽度和疏密程度对膨胀机的效率有很大影响。样机2空载时的转速范围为1300~3000rpm。存在一最佳转速使得膨胀机的扭矩、回收功及效率达到最高值，试验中最佳转速为2000rpm左右，最高单位回收功可达254.8J/kg，最高效率可达10.4%。提出了样机的改进方案，并预测改进的膨胀机效率可达39%~59%。
　　制冷循环中的两相涡轮膨胀机从无到有，试验得出了一些规律性的结果，为进一步开展研究打下的基础。

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字母注释表

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 制冷循环及优化措施研究现状

1.3 制冷循环中膨胀机研究现状

1.4 课题研究内容的提出

1.5 课题研究的内容和意义

1.6 本章小结

第二章 带膨胀功回收装置的制冷循环分析

2.1 回热器对膨胀机循环的影响

2.2 膨胀功回收方式的比较

2.3 带引射器的制冷循环热力学分析

2.4 本章小结

第三章 喷管内制冷剂闪发膨胀理论研究

3.1 喷管内部制冷剂闪发加速研究现状

3.2 喷管内部制冷剂膨胀加速机理分析

3.3 喷管中制冷剂的临界流现象研究

3.4 本章小结

第四章 喷管内制冷剂闪发膨胀的试验研究

4.1 三角循环试验台的建立

4.2 实验喷管的设计及加工

4.3 喷管试验数据测量与处理

4.4 喷管试验结果与分析

4.5 本章小结

第五章 转轮内部制冷剂气液两相流动模拟

5.1 转轮内部制冷剂两相流动模型的建立

5.2 转轮的不可逆损失分析

5.3 转轮输出力矩、输出功及效率

5.4 转轮模型的验证

5.5 转轮理论模型效率特性分析

5.6 转轮模拟结果与分析

5.7 本章小结

第六章 涡轮膨胀机的设计及试验研究

6.1 试验内容及方法

6.2 膨胀机样机1的设计及试验研究

6.3 膨胀机样机2的设计及试验研究

6.4 本章小结

第七章 结论、创新点及展望

7.1 论文的主要结论

7.2 论文的创新点

7.3 今后的研究方向

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢