请百度搜索马鞍山市精螺机械科技有限公司找到我们!

行业动态

单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019-3-11     浏览次数:    
  单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能研究
  摘要:对于有机朗肯循环(OrganicRankinecycle,ORC)系统,膨胀机的选择对系统性能的影响至关重要。单螺杆膨胀机作为一种新型的容积式膨胀机,非常适用于中小型ORC系统。为了研究单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能,搭建完成以烟气为热源、R123为循环工质的ORC系统试验台。通过改变单螺杆膨胀机的输出转矩和背压以及有机工质的蒸汽干度,获得单螺杆膨胀机相应性能的变化,并得到单螺杆膨胀机的最大输出功率为5.46kW,最大总效率和容积效率分别为48.7%和80%。试验结果表明,在热源不变的条件下,单螺杆膨胀机的膨胀比随着转矩的增加、干度的增加而增加,而随着背压的增加而降低;容积效率随着转矩的增加和干度的增加均为下降;单螺杆膨胀机的总效率随着背压和干度的增加而降低,而随着转矩的增加先增加而降低。
  关键词:有机朗肯循环;膨胀机;单螺杆;性能研究;
  0前言
  随着我国传统化石燃料消耗量不断增加,随之带来如温室效应、臭氧层破坏、酸雨、雾霾等一系列严重的环境问题,影响人们日常生活和身体健康。
  节能减排,提高能源利用效率,开发可再生的新能源等理念不断深入人心。有机朗肯循环(OrganicRankinecycle,ORC)以低沸点有机工质为介质,广泛应用于中低温余热回收[1-3]、地热发电[4]、生物质发电[5]、太阳能热发电[6-7]等领域,被认为是可替代传统的朗肯循环的最具有前途的系统[8]。随着对有机朗肯循环系统研究的不断深入,更多的目光投向了千瓦级的有机朗肯循环系统的研究,这主要是因为全球90%的余热利用规模都集中在10~250kW范围。
  膨胀机是有机朗肯循环的核心部件,直接影响到系统的性能和效率。膨胀机有速度型和容积型两种。轴流透平膨胀机是速度型膨胀机的代表,其具有结构简单、效率高等许多优点[9]。但是,透平膨胀机主要应用在发电规模大于50kW[10],更小的透平膨胀机意味着更高的转速和很小的效率[11]。另外,由于叶片易受水击破坏,透平膨胀机很难应用于全流膨胀[12]。容积式膨胀机包括螺杆膨胀机、涡轮膨胀机、转子膨胀机、活塞膨胀机[13]。与速度型膨胀机相比,容积式膨胀机具有低转速、单级膨胀比高和较低的流量等优点,也适合应用在全流膨胀[14-16]。所以,容积式膨胀机更适合应用在小规模的有机朗肯循环系统。
  单螺杆膨胀机是一种新型的螺杆膨胀机,主要由机壳、转子和星轮构成。单螺杆膨胀机除了具有容积式膨胀机所具有的优点外,还有结构简单、使用寿命长、受力平衡、高容积效率、低噪声等诸多优点[16-21]。所以,单螺杆膨胀机可以用于饱和蒸汽、过热蒸汽、两相流和热水场合,更适用于1~200kW范围的有机朗肯循环系统。

  为了探究单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的性能,搭建了以烟气为热源、R123为工质的有机朗肯循环试验台。通过改变单螺杆膨胀机的输出转矩、单螺杆膨胀机的背压和有机工质的流量,来研究不同工况下单螺杆膨胀机性能的变换规律。

  1试验系统
  试验原理图如图1所示。试验以有机物R123为工质,稳定的高温烟气为热源,热源温度为408℃,质量流量为1135kg/h。液态工质被工质泵从储液罐泵送到蒸发器中,在蒸发器中吸热变为有机工质蒸汽。蒸汽进入单螺杆膨胀机进行膨胀、做功,做功后的乏汽进入冷凝器被冷凝为液态,重新进入储液罐开始下一次循环。由于工质泵是工频运行,为了改变系统的循环流量,在工质泵的旁路上安装了回流阀。单螺杆膨胀机的输出轴功、转矩和转速由电涡流测功机测量并记录。搭建完成的试验系统如图2所示。
  单螺杆膨胀机是该试验系统的核心部件,如图3所示,其主要结构参数如表1所示。
  2数据处理
  在有机工质进入蒸发器前,通过测量得到工质的压力P1、温度T1和体积流量qV1。工质的密度ρ1和比焓h1可以通过式(1)和式(2)求出ρρ111=(,)PT(1)hhPT111=(,)(2)进入蒸发器的有机工质流量qm1通过式(3)求出qqmV111=ρ(3)在有机工质进入膨胀机前测量其压力P2、温度T2和体积流量qV2。同时,通过测量烟气在蒸发器进出口的温度Tgas,in和Tgas,out以及质量流量qm,gas,烟气的放热量H由式(4)求出HcmTT=?gasgas,ingas,out()(4)式中,c为比热容,mgas为气体质量。
  假定蒸发器的表面对环境的散热量为0,则有机工质的吸热量与烟气的放热量相等。那么,有机工质蒸汽的比焓为21m1Hhhq=+(5)通过查表,可以得到在压力P2时的饱和蒸汽和饱和液体的比焓。
  hfP2′=()2(6)hfP22′′=()(7)那么,有机工质的干度为2222hhxhh?′=′′′?(8)比熵s2由式(9)计算得出ssP222=(,)ρ(9)在单螺杆膨胀机的出口,压力P3和温度T3通过测量得出。但是当乏汽为饱和蒸汽时,比焓h3和比熵s3无法通过P3和T3求出。考虑单螺杆膨胀机在等熵膨胀时,有机工质在单螺杆膨胀机的出口比熵s3s等于入口比熵s2,所以等熵膨胀后比焓h3s可以由式(10)表示hhPs333s=(,)s(10)单螺杆膨胀机的输出轴功表示为9550NnW=(11)单螺杆膨胀机的总效率表示为输出轴功与有机工质的等温膨胀焓降的比值,如式(12)所示23100%100%ess()WWmhmhhη=×=×Δ?(12)容积效率定义为理论流量与实际流量的比值,如式(13)所示thVVVη=(13)式中,Vth为理论流量,V为实际流量。
  膨胀比定义为膨胀前的压力与膨胀后的压力之比,如式14所示P2P3ε=(14)R123的状态参数可以通过软件REFPROP8.0查表得出。
  3误差分析
  本试验系统主要的测试参数包括有空气的质量流量、流进流出蒸发器的温度,有机工质流进流出蒸发器和单螺杆膨胀机的温度以及压力,有机工质经过冷凝器后的温度、压力,以及有机工质的体积流量。
  (1)温度测量值。有机工质侧的所有温度测点均为PT100温度传感器,测温误差为±0.5℃;烟气侧温度的测量采用N型热电偶温度传感器,测温误差为±1.5℃。
  (2)压力测量值。有机工质侧采用的压力变送器量程为0~2MPa,精度为0.5%,最大绝对误差为10kPa。
  (3)流量测量值。蒸发器入口的有机工质流量测量采用浮子流量计,测量范围为6~55L/min,精度为1.0%,最大绝对误差为0.55L/min;单螺杆膨胀机入口的有机工质流量测量采用涡街流量计,测量范围为10~130m3/h,精度为0.5%,最大绝对误差为0.65m3/h。
  空气流量采用热式气体质量流量计,测量范围为0~1800kg/h,精度为1.0%,最大绝对误差为18kg/h。
  (4)转矩测量值。转矩测量传感器为应变式拉压力传感器,测量精度为±0.2%~0.4%FS,额定转矩为160N·m。
  (5)转速测量值。转速测量传感器为60脉冲磁电式转速传感器,转速测量精度为±1r/min。
  单螺杆膨胀机的各项性能参数如输出轴功率、膨胀比、总效率和膨胀比等误差的计算需要借助误差传递公式来实现2221212nnyyyyxxxxxx?????????
  δ=δ+δ++δ??????
  ?????????
  ?(15)式中,δx1,δx2,…,δxn为直接测量值x1,x2,…,xn的误差。
  根据式(11)~(15),由试验数据及前面的直接测量误差计算得到:①输出轴功率的最大绝对误差为0.022kW,最大相对误差为0.409%;②单螺杆膨胀机总效率的最大绝对误差为0.47%,最大相对误差为0.958%;③容积效率的最大绝对误差为0.4%,最大相对误差为0.5%;④膨胀比的最大绝对误差为0.03,最大相对误差为0.71%。
  4试验结果及分析
  4.1转矩对单螺杆膨胀机性能的影响在试验过程中,通过改变电涡流测功机的励磁电流对测功机的负载进行改变,从而改变单螺杆膨胀机的输出力矩。同时,热源保持不变。
  从图4可以看出,单螺杆膨胀机的转速随着其输出转矩的增加而降低,从输出转矩20N·m时的2000r/min下降到50N·m时的将近1000r/min。
  图4膨胀机转速随转矩的变化由于单螺杆膨胀机是容积式机械,每一转的容积是固定不变的,所以单螺杆膨胀机的流量与转速密切相关。由于输出转矩的增加导致转速的降低,单螺杆膨胀机的入口流量必然也会随之下降,如图5所示。在单螺杆膨胀机的运转过程中,内泄漏是影响其性能的主要因素。理论上流量可以通过转速、基元容积和内容积比等参数计算得出,但是由于泄漏的存在,一般理论流量要小于实际流量,两者的比值定义为容积效率。从图6可以发现,容积效率也是随着转矩的增加而降低的。这就说明,实际流量较小时,泄漏量相对较大,实际流量较大时,泄漏量相对较小。
  图5流量随转矩的变化图6容积效率随转矩的变化从图7可以发现,单螺杆膨胀机的入口压力随着输出转矩的增加而增大,而排气压力几乎没有明显的变化,维持在0.16MPa左右。排气压力主要受冷凝温度、排气管道和冷凝器的阻力等影响,所以几乎保持不变。而入口压力则不然。由于转矩增加导致转速降低,体积流量减小。但是在蒸发过程中,热源保持稳定,有机工质的质量流量波动很小,也就意味着有机工质的吸热量变化很小。因此,有机工质的蒸发压力自然会随着流量的降低而有所升高,从而达到蒸发体积流量与单螺杆膨胀机的体积流量向匹配。
  由于单螺杆膨胀机的入口压力随着转矩的增加而增大,也不可避免地加剧内泄漏的发生,从而影响单螺杆膨胀机的容积效率的变化。
  根据定义,膨胀比为单螺杆膨胀机的入口压力与排气压力的比值。从图7可知,单螺杆膨胀机的排气压力保持稳定,所以,膨胀比的变化趋势与单螺杆膨胀机的入口压力保持一致,如图8所示。不难发现,最大膨胀比为4.3。
  图7膨胀机进出口压力随转矩的变化图8膨胀比随转矩的变化从图9可以看出,单螺杆膨胀机的输出功率随着转矩的增加呈抛物线型变化,并在转矩为45N·m时得到最大输出功率5.46kW。图10是单螺杆膨胀机的总效率随着转矩的变化曲线。根据式(12),总效率是输出功率与等熵膨胀焓降的比值。随着转矩的增加,单螺杆膨胀机的入口压力和比焓均增加,而排气压力变化不大,造成等熵焓降也变大。所以,虽然输出功率随着转矩的增加而增加并在45N·m时得到最大输出功率,但是总效率的最大值48.7%是在输出转矩为35N·m时得到的。
  图9输出功率随转矩的变化图10总效率随转矩的变化4.2背压对单螺杆膨胀机性能的影响在试验过程中,保持单螺杆膨胀机的转速维持在1200r/min,并保持单螺杆膨胀机的入口参数稳定,即入口压力、温度和体积流量保持稳定,如图11、12所示。
  图11膨胀机进口参数随出口压力的变化图12流量随出口压力的变化图13表现了膨胀比与出口压力的关系。由于膨胀比为单螺杆膨胀机的入口压力与出口压力的比值,入口压力保持不变的情况下,膨胀比为出口压力的函数。根据式(14),膨胀比和出口压力成反比例关系,膨胀比随着出口压力的增大呈双曲线变化,如图13a所示,而随着出口压力呈线性升高,如图13b所示。
  (b)图13膨胀比随出口压力的变化从图14可以看出,单螺杆膨胀机的输出功率随着出口压力的增加而线性快速降低,从出口背压0.26MPa(绝对压力)时的输出功率5.2kW迅速降低到出口背压0.52MPa(绝对压力)时的输出功率0.30kW,这说明单螺杆膨胀机的输出特性对出口背压的影响特别敏感。这是因为:一方面有机工质的实际焓降随着背压的增加而减小,另一方面实际膨胀比更加偏离设计膨胀比,单螺杆膨胀机内部不可逆损失变大。从图15可以发现,单螺杆膨胀机的总效率是随着出口背压的增加而加速下降。所以,在ORC系统设计中,要尽可能地降低排气背压。
  图14输出功率随出口压力的变化图15总效率随出口压力的变化4.3有机工质蒸汽干度对单螺杆膨胀机性能的影响在试验过程中,通过调整工质泵旁路上的回流阀,来实现有机工质蒸汽干度的变化。同时,保持热源条件不变,及烟气进入蒸发器的温度和流量保持不变,另外,单螺杆膨胀机的转速保持在1200r/min。
  从图16可以发现,随着工质干度的变化,单螺杆膨胀机的入口压力是增大的,而且在干度比较小时增加较快;而出口压力是随着干度增加而降低的,并且在干度较小时降低速度较快。有机工质蒸汽干度的增加,是由于进入蒸发器的有机工质质量流量减小的结果。但是,蒸发器中烟气侧并没有变化,所以,较小的质量流量为了携带相同的热量,蒸发参数必然发生变化。蒸汽温度的升高,造成蒸汽比容的变大。当蒸汽流速大于单螺杆膨胀机的流量时,蒸发压力会增大,比容减小,达到蒸汽流速与单螺杆膨胀机的流量的匹配。而出口压力主要由冷凝压力、排气管道和冷凝器阻力构成。环境温度不变的条件下,冷凝压力不变。所以,出口压力的降低主要是由于质量流量的降低,阻力变小的缘故。
  由于单螺杆膨胀机的入口压力随着工质蒸汽干度的增加而增加,而出口压力正好相反,所以单螺杆膨胀机的膨胀比必然随着蒸汽干度的增加而增加,如图17所示。从图17可以发现,最大膨胀比为3.96。
  图16膨胀机进出口压力随工质干度的变化图17膨胀比随工质干度的变化在单螺杆膨胀机的运行过程中,泄漏是影响其性能的主要因素之一。而液滴的存在无疑能减轻气体的泄漏。而另一方面,如图16所示,单螺杆膨胀机的入口压力也是随着工质干度的增加而增加,这无疑也加剧气体的泄漏。所以,单螺杆膨胀机的流量随着工质干度的增加是增加的,如图18所示。从图中还可以发现,流量的增加是逐渐变缓的,这充分说明工质中的液滴的增加能有效地减小泄漏,而在工质干度较大时,泄漏主要受到螺杆螺槽之间压差的影响。
  由于单螺杆膨胀机维持在1200r/min转速下运行,其理论流量保持不变。所以,容积效率仅与实际流量相关,随着工质干度的增加而减少,容积效率从80.5%降低至62.8%,如图19所示。从图20可以看出,单螺杆膨胀机的输出功率是随着工质干度的增加而增加的,在低干度时,输出功率增加较快,而在高干度时,输出功率增加缓慢,这与文献[14,22]得出的结论相类似。这是因为随着工质干度的增加,入口压力、膨胀比以及入口流量均增加,有利于单螺杆膨胀机输出功率的提高。
  图20输出功率随工质干度的变化然而,单螺杆膨胀机的总效率却是随着工质干度的增加从49.53%迅速下降的,并在工质干度为0.8时得到最小值44.61%,如图21所示。虽然单螺杆膨胀机的输出功率是增加的,但是由于工质的入口压力增加和出口压力的降低,工质的等熵焓降增加更快。这也说明内泄漏等不可逆损失对单螺杆膨胀机性能的影响十分显著,在单螺杆膨胀机的运行中要特别注意尽可能地减小内泄漏的发生。
  图21总效率随工质干度的变化
  5结论
  通过以上对单螺杆膨胀机在ORC系统中的性能的分析,可以得出以下结论。
  (1)随着转矩的增加,单螺杆膨胀机的转速降低、进口体积流量减小。由于有机工质的质量流量和吸热量变化很小,所以有机工质蒸汽的比体积减小而比焓不变,蒸发压力变大。因此,单螺杆膨胀机的膨胀比变大。另外,随着转矩的增加,单螺杆膨胀机的输出功率和总效率先增大后减小。
  (2)当单螺杆膨胀机的入口参数和转速不变时,背压增加导致膨胀比降低,有机工质的实际焓降减小,所以单螺杆膨胀机的输出功率和总效率均降低。
  (3)减少进入蒸发器的有机工质流量,有机工质蒸汽的干度和比焓增加,入口压力增加。蒸汽干度减小和入口压力增加,单螺杆膨胀机的泄漏量会相应增加,导致入口体积流量增大,容积效率降低。

  虽然单螺杆膨胀机的输出功率随蒸汽干度的增加而变大,但是由于泄漏等不可逆损失的增加造成单螺杆膨胀机总效率反而下降。


本文由 积木式单双螺杆 整理编辑。


返回上一步
打印此页
13956229280
浏览手机站