制冷與熱泵循環(huán)中膨脹部件的理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、我國能源形勢(shì)的嚴(yán)峻已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，為了解決我國的能源問題，關(guān)鍵在于節(jié)能，節(jié)約優(yōu)先，效率為本。針對(duì)制冷行業(yè)，進(jìn)一步提高循環(huán)效率是關(guān)鍵。由于膨脹節(jié)流過程節(jié)能潛力巨大，而且作為制冷與熱泵系統(tǒng)中的研究薄弱環(huán)節(jié)，本文主要對(duì)膨脹部件進(jìn)行研究，通過理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究相結(jié)合，從耗散型節(jié)流裝置孔板到回收型節(jié)流裝置膨脹機(jī)開展研究。
　　孔板是一種結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、并有一定控制性能的膨脹部件，可作為膨脹機(jī)在啟動(dòng)、非標(biāo)工況下工作或故障應(yīng)急的

2、備用裝置。本文對(duì)耗散型節(jié)流裝置二級(jí)孔板進(jìn)行了相關(guān)研究。提出了二級(jí)孔板的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)加工了孔板樣板，通過試驗(yàn)對(duì)比分析了各樣板的節(jié)流特性。二級(jí)孔板的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于第二級(jí)多孔孔板，主要設(shè)計(jì)思路為通過開孔率轉(zhuǎn)化為相應(yīng)尺寸標(biāo)準(zhǔn)孔板的設(shè)計(jì)。對(duì)各樣板的試驗(yàn)結(jié)果表明，各級(jí)孔板孔徑的變化對(duì)其節(jié)流特性的影響不同；二級(jí)孔板能夠?qū)崿F(xiàn)流量調(diào)節(jié)作用，其中以第二級(jí)孔板對(duì)流量的調(diào)節(jié)作用為主。多孔孔板的設(shè)計(jì)參數(shù)為多孔孔板的設(shè)計(jì)以及節(jié)流效應(yīng)的試驗(yàn)提供了比較基礎(chǔ)，其中，疏

3、密度和開孔率是影響多孔孔板節(jié)流效應(yīng)的主要因素。對(duì)于給出的二級(jí)孔板設(shè)計(jì)模型，第一級(jí)孔板的理論壓降與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差在±15％以內(nèi)；而第二級(jí)孔板的理論壓降由于受到各種半經(jīng)驗(yàn)公式的誤差累積的影響，其與試驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差在±30%以內(nèi)，有必要對(duì)模型進(jìn)行修正。
　　針對(duì)常規(guī)工質(zhì)膨脹比較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了回收型節(jié)流裝置雙轉(zhuǎn)子滾動(dòng)活塞式膨脹機(jī)，分析了膨脹機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作過程，建立了膨脹機(jī)的不可逆損失模型。通過對(duì)膨脹機(jī)運(yùn)動(dòng)部件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及

4、各泄漏通道的分析，分別建立了膨脹機(jī)的流體泄漏模型與摩擦損失模型，并分析了潤滑油含量對(duì)物性的影響以及不同泄漏間隙下膨脹機(jī)的泄漏損失情況。通過對(duì)泄漏模型與摩擦損失模型的分析與模擬計(jì)算，提出了減小膨脹機(jī)不可逆損失的有效方法。根據(jù)建立的膨脹機(jī)模型，對(duì)膨脹機(jī)在不同工況下的運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明，工質(zhì)進(jìn)口壓力與干度對(duì)膨脹機(jī)效率的影響較大。在設(shè)計(jì)工況下膨脹機(jī)的理論效率為72.0%，理論輸出功為4.87kW。而膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速1500rp

5、m，進(jìn)口壓力在1.0MPa至2.0MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，其理論輸出功在2.55~6.92kW之間，理論效率可以保持在63.4%~74.1%之間。
　　討論了膨脹相變過程中的亞穩(wěn)平衡狀態(tài)，定性分析了相變延遲現(xiàn)象對(duì)膨脹機(jī)性能的影響，探討了改善相變延遲現(xiàn)象的方法，討論了初始參數(shù)對(duì)膨脹相變過程的影響，并分析了快速降壓過程中汽泡的成長情況。由于制冷劑在膨脹機(jī)內(nèi)的膨脹相變過程為亞穩(wěn)平衡態(tài)的相變，為打破亞穩(wěn)平衡狀態(tài)需要足夠尺度的擾動(dòng)，初始溫度或壓

6、力較高時(shí)將有助于這一過程的進(jìn)行。而相變延遲現(xiàn)象對(duì)膨脹機(jī)的影響存在一定閾值，只有相變延遲時(shí)間超過這一閾值時(shí)，膨脹過程才會(huì)受到比較明顯的影響。對(duì)膨脹腔內(nèi)的液體實(shí)現(xiàn)有效擾動(dòng)，將有助于改善相變延遲現(xiàn)象的發(fā)生。一旦汽核形成，膨脹過程中壓力的變化將成為促進(jìn)其成長的動(dòng)力，使相變過程快速進(jìn)行。
　　成功研制了雙轉(zhuǎn)子滾動(dòng)活塞式膨脹機(jī)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了試運(yùn)轉(zhuǎn)與試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，膨脹機(jī)在兩相進(jìn)口條件下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并輸出一定的膨脹功；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子式膨

7、脹機(jī)實(shí)現(xiàn)過冷液膨脹受到了一定的限制。其中膨脹機(jī)效率與回收功受進(jìn)口工質(zhì)干度的影響較大，基本隨干度的增加呈增加趨勢(shì)。同時(shí)，膨脹機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了膨脹功的來源，主要以膨脹相變功為主。能實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的進(jìn)口工質(zhì)干度最低為0.3。試驗(yàn)過程中隨進(jìn)口工質(zhì)干度由0.3增加至0.7，實(shí)現(xiàn)的膨脹機(jī)名義效率由最低0.6%可增加至超過80%。膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速集中在250~370rpm之間?；厥盏呐蛎浌υ谶M(jìn)口干度約0.7時(shí)約達(dá)到1200W，而當(dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口氣態(tài)工