制冷與熱泵循環(huán)中膨脹部件的理論與試驗研究.pdf

1、我國能源形勢的嚴(yán)峻已成為不爭的事實，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)，本文主要對膨脹部件進(jìn)行研究，通過理論分析、數(shù)值計算和試驗研究相結(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、非標(biāo)工況下工作或故障應(yīng)急的

2、備用裝置。本文對耗散型節(jié)流裝置二級孔板進(jìn)行了相關(guān)研究。提出了二級孔板的設(shè)計方法，并設(shè)計加工了孔板樣板，通過試驗對比分析了各樣板的節(jié)流特性。二級孔板的設(shè)計重點在于第二級多孔孔板，主要設(shè)計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。對各樣板的試驗結(jié)果表明，各級孔板孔徑的變化對其節(jié)流特性的影響不同；二級孔板能夠?qū)崿F(xiàn)流量調(diào)節(jié)作用，其中以第二級孔板對流量的調(diào)節(jié)作用為主。多孔孔板的設(shè)計參數(shù)為多孔孔板的設(shè)計以及節(jié)流效應(yīng)的試驗提供了比較基礎(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。對于給出的二級孔板設(shè)計模型，第一級孔板的理論壓降與試驗值之間的相對誤差在±15％以內(nèi)；而第二級孔板的理論壓降由于受到各種半經(jīng)驗公式的誤差累積的影響，其與試驗值之間的相對誤差在±30%以內(nèi)，有必要對模型進(jìn)行修正。
　　針對常規(guī)工質(zhì)膨脹比較大的特點，設(shè)計了回收型節(jié)流裝置雙轉(zhuǎn)子滾動活塞式膨脹機(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。通過對膨脹機(jī)運動部件之間相對運動及

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。通過對泄漏模型與摩擦損失模型的分析與模擬計算，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，對膨脹機(jī)在不同工況下的運行情況進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果表明，工質(zhì)進(jìn)口壓力與干度對膨脹機(jī)效率的影響較大。在設(shè)計工況下膨脹機(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)計轉(zhuǎn)速1500rp

5、m，進(jìn)口壓力在1.0MPa至2.0MPa范圍內(nèi)變化時，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，初始溫度或壓

6、力較高時將有助于這一過程的進(jìn)行。而相變延遲現(xiàn)象對膨脹機(jī)的影響存在一定閾值，只有相變延遲時間超過這一閾值時，膨脹過程才會受到比較明顯的影響。對膨脹腔內(nèi)的液體實現(xiàn)有效擾動，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)其成長的動力，使相變過程快速進(jìn)行。
　　成功研制了雙轉(zhuǎn)子滾動活塞式膨脹機(jī)樣機(jī)，并對其進(jìn)行了試運轉(zhuǎn)與試驗測試。結(jié)果表明，膨脹機(jī)在兩相進(jìn)口條件下運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并輸出一定的膨脹功；同時也發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子式膨

7、脹機(jī)實現(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。同時，膨脹機(jī)的試驗結(jié)果也驗證了膨脹功的來源，主要以膨脹相變功為主。能實現(xiàn)膨脹機(jī)正常運轉(zhuǎn)的進(jìn)口工質(zhì)干度最低為0.3。試驗過程中隨進(jìn)口工質(zhì)干度由0.3增加至0.7，實現(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時約達(dá)到1200W，而當(dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口氣態(tài)工