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以空气为工质的含油涡旋膨胀机性能的试验研究

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收稿日期： 2017-03-27 修稿日期： 2018-03-01文章编号：1005-0329（2018）06-0005-05以空气为工质的含油涡旋膨胀机性能的试验研究吴 竺，朱 彤，高乃平，崔 颂，潘 煜，潘 登（同济大学，上海 201804）摘 要： 搭建了以压缩空气为工质的涡旋膨胀机性能测试平台，研究了涡旋膨胀机润滑油量和进出口工质参数对其输出性能的影响。

结果表明：油气比在0.4%~10.0%范围内涡旋膨胀机输出功率和效率稳定不变；涡旋膨胀机输出功率随进出口压比的增大而增大，等熵效率受欠膨胀损失影响随进出口压比的增大而降低；涡旋膨胀机输出功率、等熵效率和容积效率均随转速的增大而增大，机械效率随转速的增大而降低，膨胀机运行效率在转速为2600r/min 时达到最大值58.9%。

关键词： 涡旋膨胀机；压缩空气；有机朗肯循环；等熵效率中图分类号： TH12 文献标志码： A doi ：10.3969/j.issn.1005-0329.2018.06.002Experimental Research on the Performance of An Oil Lubricating Scroll Expander with Air as TheWorking MediumWU Zhu ，ZHU Tong ，GAO Nai-ping ，CUI Song ，PAN Yu ，PAN Deng（Tongji University ，Shanghai 201804，China ）Abstract： A test bench for performance of scroll expander with compressed air as the working medium was built in this paper，and the influence of lubricating oil amount and inlet and outlet parameters on output performance of the scroll expander were investigated. The results show that: both the output power and efficiency of the scroll expander were stable when the ratio of lubricating oil to air was in the range of 0.4%~10%.The output power of the scroll expander increases with the increase of inlet and outlet pressure ratio and the isentropic efficiency of the scroll expander decreases with the increase of inlet and outlet pressure ratio due to the influence of expansion loss. The output power，isentropic efficiency and volumetric efficiency increase with the increase of the rotating speed，whereas the mechanical efficiency decreases with the increase of the rotating speed. The maximum overall efficiency 58.9% of the scroll expander is achieved at rotating speed of 2600 r/min.Key words： scroll expander；compressed air；organic rankine cycle；isentropic efficiency1 引言涡旋膨胀机是一种容积型做功部件，相对于其他类型的膨胀机，涡旋膨胀机具有转速低、效率高、运行平稳、噪声小、造价适中等优点［1~3］。

受加工工艺和涡旋机械结构特点的限制，目前涡旋膨胀机功率输出范围为0.1~10 kW ［4~6］，因此主要适用于中小型功率输出系统，其中在中小型有机朗肯循环系统中具有巨大的应用潜力［7，8］。

针对涡旋膨胀机在有机朗肯循环系统中的应用，国内外已经有大量学者对其性能进行了试验研究和理论分析。

Yanagisawa 等率先对制冷空调系统中的涡旋压缩机进行改造［9］，将其改造为涡旋膨胀机，并使用压缩空气作为工质对该涡旋膨胀机的性能进行了试验研究，得到涡旋膨胀机的最大等熵效率为75%，奠定涡旋膨胀机应用的可行性。

Saitoh 等对一款全开式涡旋压缩机进行改造，并将其应用到小型太阳能有机朗肯循环系统上，以R113为循环工质，对该涡旋膨胀机进行了性能试验研究，结果表明，当膨胀机转速为1800 r/min 时，其输出功率达到450 W ［10］。

顾伟等改造的全开式涡旋膨胀机，以R600a 为工质，热水为低温热源，进行有机朗肯循环系统的试验研究，试验结果显示：膨胀机的最大功率能达到740 W ，试验过程中，膨胀机最高转速为4589 r/min ［11，12］。

Peterson 等以内容积比为4.57的涡旋压缩机为研究对象，将其改造为涡旋膨胀机，并在回热型有机朗肯循环系统上对其特性进行研究，当涡旋膨胀机转速在1280r/min时，达到最大等熵效率50%，系统最大热效率为7.2%［13］。

目前对于涡旋膨胀机的试验研究，主要集中在功率小于1 kW的范围［14，15］，同时在有机朗肯循环系统中对涡旋膨胀机开展试验研究难以实现较宽范围的调节工况，温度和压力参数难以实现独立的参数分析［16］。

因此本文搭建以压缩空气为工质的涡旋膨胀机试验平台，以空气为工质不需要设置蒸发器和冷凝器等设备，通过加热器和阀门能实现压力和温度的独立控制，实现较宽范围的工况调节，进而模拟实际有机朗肯循环系统中的运行工况。

试验测试的含油涡旋膨胀机的设计输出功率为2.5 kW，通过试验测试，得到涡旋膨胀机输出性能与进出口压力、进口温度、转速和润滑油流量的关系，为涡旋膨胀机在中小型有机朗肯循环系统中的推广应用提供指导。

2 试验测试平台试验测试平台为开式系统，主要设备包括：螺杆压气机、储气罐、冷却干燥器、过滤器、空气加热器、涡旋膨胀机、测功机、油泵和数据采集平台等。

本试验所采用的涡旋膨胀机由某国产涡旋压缩机改造而来，压缩机型号为ATC-40-C2，通过对涡盘的测量，得到涡旋膨胀机的吸气容积为122.7mL，排气容积为252.8 mL，容积比为2.06。

试验系统各设备和仪表的型号及参数见表1所示。

表1 试验设备及仪器仪表参数设备和仪表量程精度空气压缩机≤0.8 MPa-储气罐容积1 m3，耐压0.84 MPa-冷干机--电加热器0~200 ℃±1 ℃磁粉测功机转速0~3000 r/min，扭矩0~50 N·m转速±0.2%扭矩±0.5%温度传感器-200~420 ℃±0.3℃压力变送器0~1 MPa±0.055%涡街流量计0~180 kg/h±1%试验台采用MCGS组态数据采集系统，对试验中得到的温度、压力、流量、膨胀机输出扭矩、转速以及输出功率等进行了实时的数据采集，频率为1次/s。

其中温度和压力的测点设置在膨胀机的进出口管道上，涡街流量计设置在膨胀机进口管道。

3 数据处理试验直接测试的参数包括：膨胀机进口和出口的空气温度和压力、膨胀机进口空气的质量流量、膨胀机的负载扭矩和输出转速。

涡旋膨胀机的输出功率、进出口空气焓值、等熵效率和机械效率通过直接测量参数计算得到。

膨胀机的输出功率由测量所得的扭矩与转速的乘积获得，也可以在测功机的显示界面上直接读出，其具体计算式为:P TN=/.955（1）式中P——涡旋膨胀机的输出功率，WT——测功机给膨胀机加载的扭矩，N·mN—膨胀机转速，r/min空气的焓值通过NIST REFPROP 9.1软件根据测试得到的温度和压力参数查询得到。

旋涡膨胀机进、出口空气焓差，等熵效率和机械效率的计算式为：∆H m h h=−()12（2）ηs=−()−()h h h h1212/s（3）ηm=P H/∆（4）式中ΔH——膨胀机进、出口空气的焓差，Wm——空气的质量流量，kg/sh——单位质量空气的焓值，J/kgηs——涡旋膨胀机的等熵效率ηm——涡旋膨胀机的机械效率1，2，2s——下标，膨胀机入口、出口、等熵膨胀的出口4 试验结果与讨论4.1 润滑油流量影响试验过程中，测功机对涡旋膨胀机加载的扭矩为10 N·m，膨胀机入口空气温度为80 ℃，入口压力为0.5 MPa，出口压力0.1 MPa，调节润滑油质量流量和空气质量流量比（油气比）的范围为0.4%~10%。

涡旋膨胀机的输出转速和质量流量与油气比的关系如图1所示。

涡旋膨胀机转速的变化范围为1850~2000 r/min ，整体呈现出先增大后降低的趋势。

空气质量流量的变化趋势与转速的变化趋势一致，变化范围为1.6~1.7 kg/min 。

可以看出，油气质量比在该范围内时，涡旋膨胀机的运行参数变化不大，并无显著影响。

图1 转速和空气质量流量随油气比的变化涡旋膨胀机输出功率、机械效率和等熵效率随油气比的变化如图2所示。

在试验工况范围内，输出功率、等熵效率和机械效率随油气比的变化较小，膨胀机的输出功率保持在2000 W 左右，机械效率维持在90%左右，等熵效率维持在65%左右。

图2 输出功率和效率随油气比的变化4.2 进口温度影响涡旋膨胀机进口压力稳定为0.525 MPa ，出口压力稳定为0.101 MPa ，转速稳定为1500 r/min ，进口温度的变化范围为41~147 ℃。

涡旋膨胀机输出扭矩和质量流量随入口温度的变化如图3所示，涡旋膨胀机扭矩从10.7 N ·m 上升到12.6 N ·m 。

涡旋膨胀机转速不变，因此其体积流量几乎不变，在入口压力不变的情况下，入口温度的提高将导致入口空气密度降低，从而导致空气的质量流量从1.54 kg/min 下降到1.12 kg/min。

图3 扭矩和质量流量随入口温度的变化涡旋膨胀机出口空气温度和单位质量输出功随入口温度的变化如图4所示。

出口温度和单位质量输出功均随入口温度的升高而增加。

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微小通道内超临界R134a流动传热特性

微小通道内超临界R134a流动传热特性

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 4 期微小通道内超临界R134a 流动传热特性张巧玲1，马祖浩1，于子元2，刘梓俊1，黄铋匀1，杨振东1，马浩然1（1 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2青岛沃柏斯智能实验科技有限公司，山东 青岛 266100）摘要：超临界有机朗肯循环（supercritical organic Rankine cycle ，SORC ）是回收中低品位能源较理想的新型动力循环技术之一，而超临界有机工质的传热特性严重影响了系统能效，目前已成为制约有机朗肯循环技术向前发展的瓶颈。

基于此，本文实验研究了超临界R134a 在2mm 微小通道内的流动传热特性，参数范围为：热流密度60~120kW/(m 2·s)，质量流速800~3000kg/(m 2·s)，压力4.1~5.1MPa ，工质进口温度20~100℃，探讨了热流密度、质量流速、压力、流体焓值等参数对传热特性的影响规律。

结果表明，传热系数随流体温度的升高先增加后减小，随质量流速的增加而增加，随着热流密度和压力的增加而减小。

流体焓值在拟临界值附近出现压降平缓区。

根据实验数据拟合得到了微通道内R134a 的传热关联式，该关联式预测误差均在±10%之内，具有良好的预测精度。

关键词：微小通道；超临界R134a ；流动传热；有机朗肯循环；传热关联式中图分类号：TK124；TQ021 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）04-1667-09Convection heat transfer research of supercritical R134a inmini-channel of tubeZHANG Qiaoling 1，MA Zuhao 1，YU Ziyuan 2，LIU Zijun 1，HUANG Biyun 1，YANG Zhendong 1，MA Haoran 1(1 State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, Shaanxi, China; 2 Qingdao Wobes Intelligent Experiment Technology Co., Ltd., Qingdao 266100, Shandong, China)Abstract: The supercritical organic Rankine cycle (SORC) is an ideal new power cycle technology for recovering energy using supercritical organic Rankine cycle. The energy efficiency of the system is significantly affected by the SORC, the supercritical organic working medium, low grade energy recovery, and the heat transfer characteristics of the supercritical organic working medium. At present, it has become a bottleneck that restrict the development of organic Rankine cycle technology. To address this issue, the experimental studies were conducted on the flow heat transfer characteristics of supercritical R134a in a tiny channel with an inner diameter of 2mm). The parameters considered in the study were as follows: heat flux ranging from 60—120kW/(m 2·s), mass flow rate from 800—3000kg/(m 2·s), pressure from 4.1—5.1MPa, and working medium inlet temperature from 20—100℃. The effects of heat flow density, mass flow velocity, pressure and fluid temperature on the heat transfer characteristics were discussed. The results showed that the heat transfer coefficient initially increased and then decreased with the increase of fluid temperature. It also increased with the increase of研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1273收稿日期：2023-07-24；修改稿日期：2023-12-09。

300kW功率等级ORC发电机组试验系统搭建与性能测试

300kW功率等级ORC发电机组试验系统搭建与性能测试

300kW功率等级ORC发电机组试验系统搭建与性能测试孙茴;王蒲伟;韦钰芳;李顺;姚恩亮;戴宁;胡哺松;段捷【摘要】为了检验长动集团自主设计生产的CT300型ORC原理样机的工作性能,为机组设计工作和后续优化提供数据支撑,借助汽轮机空负荷试验平台搭建了300 kW功率等级ORC发电机组运行试验系统,并开展了相关运行试验.通过运行试验验证了各部件及发电机组的运行特性.结果表明,所搭建的运行试验系统运行正常,可满足ORC机组在各个工况下运行时的外部条件要求,ORC机组稳定发电功率为313.8 kW,发电效率为10.1％,实现了试验系统的设计目标.运行试验中涡轮转速出现了周期性震荡,原因是热源不稳定和泵后手动阀无法精确调节所共同导致的,通过稳定热源和更换调节性能更高的调节阀可以解决该问题.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2019(037)004【总页数】6页(P350-355)【关键词】有机朗肯循环;试验系统;系统性能;周期震荡;调节阀【作者】孙茴;王蒲伟;韦钰芳;李顺;姚恩亮;戴宁;胡哺松;段捷【作者单位】中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国航天科技集团第六研究院,陕西西安710000;中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国长江动力集团有限公司,湖北武汉430000;中国航天科技集团第六研究院,陕西西安710000【正文语种】中文【中图分类】TK11+5符号说明:Nt——涡轮转速/r·min-1P——输出功率/kWMhr——蒸汽流量/kg·s-1Pe——工质蒸发压力/MPat——时间/s低温热源包括空气、地表水、地下水、土壤、太阳热能、各种工业废热、地热、海洋温差等可再生能源。

我国低温热源的浪费非常严重，传统用能大户广泛存在低温余热利用率低甚至零利用率的现象。

有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究

有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究

2017年第36卷第10期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3577·化 工 进展有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究曹泷，刘秀龙，张鸣，徐进良（华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室，北京102206）摘要：针对孤网环境下有机郎肯（ORC ）系统的实际应用，以R245fa 为工质，采用单螺杆膨胀机与同步发电机同轴联动，设计集成了一台10kW 级的小型ORC 机组，并以10.5kW 的卤素灯阵作为孤网负载，就地消耗机组输出的电能。

实验中在115℃热源条件下通过调整负载容量改变ORC 系统的运行工况，对不同负载与膨胀机转速下ORC 系统性能进行实验研究。

实验数据表明：单螺杆膨胀机的性能较为优良，其等熵效率最大值为84.1%，随负载及膨胀机转速的增加而减小。

工质泵的实际运行效率为8.31%～19.10%，其等熵效率随负载及转速增大而变大，最大值为73.97%。

工质泵的机械效率较低，仅为19.22%～36.82%，与负载及膨胀机转速之间没有明显关系，较低的机械效率是工质泵实际运行效率偏低的主要原因。

机组电功随负载及膨胀机转速的增加而增大，最大发电量与发电效率分别为5.86kW 与7.38%。

关键词：有机朗肯循环；孤网；R245fa ；单螺杆膨胀机；系统集成中图分类号：TK11+5 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）10–3577–07 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0194Experimental study of an integrated organic Rankine cycle system underisolated network operating conditionCAO Shuang ，LIU Xiulong ，ZHANG Ming ，XU Jinliang（Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy ，North China Electric PowerUniversity ，Beijing 102206，China ）Abstract ：The test results of a 10kW integrated organic Rankine cycle （ORC ）system with R245fa as the working fluid under isolated network operating condition were presented in this paper. A single screw expander was integrated in the system to drive the synchronous generator to generate electric power. The 10.5kW halogen lamp array was used as the load to consume the generated electric power. Two independent parameters ，the load capacity and the expander speed ，were varied during the test. The ORC system characteristics were analyzed at the heat source temperature of 115℃. The experimental data showed that the single screw expander performed very well. The maximum expander isentropic efficiency was 84.1%，which decreased with increase of load and expander speed. The maximum isentropic efficiency of working fluid pump was 73.97%，which increased with the increase of load and expander speed. The mechanical efficiency of the working fluid pump was only 19.22%—36.82%，and had no obvious relationship with the load and the expander speed. The generated electric power increased with the increase of load and expander speed. The maximum generated electric power and the electrical efficiency were 5.86kW and 7.38%，respectively. Key words ：organic Rankine cycle ；isolated network ；R245fa ；single screw expander ；system integration利用技术研究。

工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响

工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响

工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响王慧;马新灵;孟祥睿;魏新利【摘要】搭建了以自行研发的向心透平为膨胀机的ORC低温余热发电系统实验平台，研究了R123质量流量对循环系统的性能影响。

结果表明：液压隔膜泵的温升和熵增均较小，所消耗的功率随流量的增加而增加。

工质在蒸发器内的压降明显大于冷凝器内的压降，均随流量的增加而增加；向心透平的等熵效率随质量流量的增加先增加后减小，存在最佳流量0.215 kg·s−1使透平等熵效率达到最大值0.775；系统输出的电功率随流量的增加而增加，流量为0.283 kg·s−1时输出系统最大功率为2.009 kW；蒸发器的㶲损率占系统总㶲损率的比重最大，冷凝器次之，向心透平第三，在本实验最佳质量流量下，三者的㶲损率分别为62%、32%、6%。

%An experimental prototype of organic Rankine cycle (ORC) was built for low-temperature waste heat power generation. With R123 as working fluid, heat transfer oil as the waste heat source, and radial inflow turbine as expander, a series of tests were carried out by adjusting the R123 massflow rate to evaluate the performance of apparatus and system. The temperature rise and entropy increase of hydraulic diaphragm pump were lower, and consumed power increased with the mass flow rate. The pressure drop in the evaporator was greater than that in the condenser, and both increased with the mass flow rate of R123. The isentropic efficiency of the radial inflow turbine increased first and then decreased with the increase of R123 flow rate, with the maximum value of 0.775 kg·s−1 and the optimum value of 0.215 kg·s−1. The system output power increased monotonously to 2.009 kW as the flow rate of R123 increased to0.283 kg·s−1. E xergy destruction rate of evaporator was the largest parts in total exergy destruction rate, followed by condenser and radial inflow turbine, about 62%, 32% and 6%, respectively, under the optimum condition.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】8页(P4185-4192)【关键词】有机朗肯循环;余热发电;熵;热力学【作者】王慧;马新灵;孟祥睿;魏新利【作者单位】郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001; 河南职业技术学院机电工程系，河南郑州 450046;郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001;郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001;郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TK11+5有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）是利用低品位热能最有效的方法之一。