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單螺杆膨脹機在有機朗肯循環係統中的性能研究

文字:[大][中][小] 手機頁麵二維碼 2019/3/11     瀏覽次數:    
  單螺杆膨脹機在有機朗肯循環係統中的性能研究
  摘要:對於有機朗肯循環(OrganicRankinecycle,ORC)係統,膨脹機的選擇對係統性能的影響至關重要。單螺杆膨脹機作為一種新型的容積式膨脹機,非常適用於中小型ORC係統。為了研究單螺杆膨脹機在ORC係統中的性能,搭建完成以煙氣為熱源、R123為循環工質的ORC係統試驗台。通過改變單螺杆膨脹機的輸出轉矩和背壓以及有機工質的蒸汽幹度,獲得單螺杆膨脹機相應性能的變化,並得到單螺杆膨脹機的最大輸出功率為5.46kW,最大總效率和容積效率分別為48.7%和80%。試驗結果表明,在熱源不變的條件下,單螺杆膨脹機的膨脹比隨著轉矩的增加、幹度的增加而增加,而隨著背壓的增加而降低;容積效率隨著轉矩的增加和幹度的增加均為下降;單螺杆膨脹機的總效率隨著背壓和幹度的增加而降低,而隨著轉矩的增加先增加而降低。
  關鍵詞:有機朗肯循環;膨脹機;單螺杆;性能研究;
  0前言
  隨著我國傳統化石燃料消耗量不斷增加,隨之帶來如溫室效應、臭氧層破壞、酸雨、霧霾等一係列嚴重的環境問題,影響人們日常生活和身體健康。
  節能減排,提高能源利用效率,開發可再生的新能源等理念不斷深入人心。有機朗肯循環(OrganicRankinecycle,ORC)以低沸點有機工質為介質,廣泛應用於中低溫餘熱回收[1-3]、地熱發電[4]、生物質發電[5]、太陽能熱發電[6-7]等領域,被認為是可替代傳統的朗肯循環的最具有前途的係統[8]。隨著對有機朗肯循環係統研究的不斷深入,更多的目光投向了千瓦級的有機朗肯循環係統的研究,這主要是因為全球90%的餘熱利用規模都集中在10~250kW範圍。
  膨脹機是有機朗肯循環的核心部件,直接影響到係統的性能和效率。膨脹機有速度型和容積型兩種。軸流透平膨脹機是速度型膨脹機的代表,其具有結構簡單、效率高等許多優點[9]。但是,透平膨脹機主要應用在發電規模大於50kW[10],更小的透平膨脹機意味著更高的轉速和很小的效率[11]。另外,由於葉片易受水擊破壞,透平膨脹機很難應用於全流膨脹[12]。容積式膨脹機包括螺杆膨脹機、渦輪膨脹機、轉子膨脹機、活塞膨脹機[13]。與速度型膨脹機相比,容積式膨脹機具有低轉速、單級膨脹比高和較低的流量等優點,也適合應用在全流膨脹[14-16]。所以,容積式膨脹機更適合應用在小規模的有機朗肯循環係統。
  單螺杆膨脹機是一種新型的螺杆膨脹機,主要由機殼、轉子和星輪構成。單螺杆膨脹機除了具有容積式膨脹機所具有的優點外,還有結構簡單、使用壽命長、受力平衡、高容積效率、低噪聲等諸多優點[16-21]。所以,單螺杆膨脹機可以用於飽和蒸汽、過熱蒸汽、兩相流和熱水場合,更適用於1~200kW範圍的有機朗肯循環係統。

  為了探究單螺杆膨脹機在有機朗肯循環係統中的性能,搭建了以煙氣為熱源、R123為工質的有機朗肯循環試驗台。通過改變單螺杆膨脹機的輸出轉矩、單螺杆膨脹機的背壓和有機工質的流量,來研究不同工況下單螺杆膨脹機性能的變換規律。

  1試驗係統
  試驗原理圖如圖1所示。試驗以有機物R123為工質,穩定的高溫煙氣為熱源,熱源溫度為408℃,質量流量為1135kg/h。液態工質被工質泵從儲液罐泵送到蒸發器中,在蒸發器中吸熱變為有機工質蒸汽。蒸汽進入單螺杆膨脹機進行膨脹、做功,做功後的乏汽進入冷凝器被冷凝為液態,重新進入儲液罐開始下一次循環。由於工質泵是工頻運行,為了改變係統的循環流量,在工質泵的旁路上安裝了回流閥。單螺杆膨脹機的輸出軸功、轉矩和轉速由電渦流測功機測量並記錄。搭建完成的試驗係統如圖2所示。
  單螺杆膨脹機是該試驗係統的核心部件,如圖3所示,其主要結構參數如表1所示。
  2數據處理
  在有機工質進入蒸發器前,通過測量得到工質的壓力P1、溫度T1和體積流量qV1。工質的密度ρ1和比焓h1可以通過式(1)和式(2)求出ρρ111=(,)PT(1)hhPT111=(,)(2)進入蒸發器的有機工質流量qm1通過式(3)求出qqmV111=ρ(3)在有機工質進入膨脹機前測量其壓力P2、溫度T2和體積流量qV2。同時,通過測量煙氣在蒸發器進出口的溫度Tgas,in和Tgas,out以及質量流量qm,gas,煙氣的放熱量H由式(4)求出HcmTT=?gasgas,ingas,out()(4)式中,c為比熱容,mgas為氣體質量。
  假定蒸發器的表麵對環境的散熱量為0,則有機工質的吸熱量與煙氣的放熱量相等。那麽,有機工質蒸汽的比焓為21m1Hhhq=+(5)通過查表,可以得到在壓力P2時的飽和蒸汽和飽和液體的比焓。
  hfP2′=()2(6)hfP22′′=()(7)那麽,有機工質的幹度為2222hhxhh?′=′′′?(8)比熵s2由式(9)計算得出ssP222=(,)ρ(9)在單螺杆膨脹機的出口,壓力P3和溫度T3通過測量得出。但是當乏汽為飽和蒸汽時,比焓h3和比熵s3無法通過P3和T3求出。考慮單螺杆膨脹機在等熵膨脹時,有機工質在單螺杆膨脹機的出口比熵s3s等於入口比熵s2,所以等熵膨脹後比焓h3s可以由式(10)表示hhPs333s=(,)s(10)單螺杆膨脹機的輸出軸功表示為9550NnW=(11)單螺杆膨脹機的總效率表示為輸出軸功與有機工質的等溫膨脹焓降的比值,如式(12)所示23100%100%ess()WWmhmhhη=×=×Δ?(12)容積效率定義為理論流量與實際流量的比值,如式(13)所示thVVVη=(13)式中,Vth為理論流量,V為實際流量。
  膨脹比定義為膨脹前的壓力與膨脹後的壓力之比,如式14所示P2P3ε=(14)R123的狀態參數可以通過軟件REFPROP8.0查表得出。
  3誤差分析
  本試驗係統主要的測試參數包括有空氣的質量流量、流進流出蒸發器的溫度,有機工質流進流出蒸發器和單螺杆膨脹機的溫度以及壓力,有機工質經過冷凝器後的溫度、壓力,以及有機工質的體積流量。
  (1)溫度測量值。有機工質側的所有溫度測點均為PT100溫度傳感器,測溫誤差為±0.5℃;煙氣側溫度的測量采用N型熱電偶溫度傳感器,測溫誤差為±1.5℃。
  (2)壓力測量值。有機工質側采用的壓力變送器量程為0~2MPa,精度為0.5%,最大絕對誤差為10kPa。
  (3)流量測量值。蒸發器入口的有機工質流量測量采用浮子流量計,測量範圍為6~55L/min,精度為1.0%,最大絕對誤差為0.55L/min;單螺杆膨脹機入口的有機工質流量測量采用渦街流量計,測量範圍為10~130m3/h,精度為0.5%,最大絕對誤差為0.65m3/h。
  空氣流量采用熱式氣體質量流量計,測量範圍為0~1800kg/h,精度為1.0%,最大絕對誤差為18kg/h。
  (4)轉矩測量值。轉矩測量傳感器為應變式拉壓力傳感器,測量精度為±0.2%~0.4%FS,額定轉矩為160N·m。
  (5)轉速測量值。轉速測量傳感器為60脈衝磁電式轉速傳感器,轉速測量精度為±1r/min。
  單螺杆膨脹機的各項性能參數如輸出軸功率、膨脹比、總效率和膨脹比等誤差的計算需要借助誤差傳遞公式來實現2221212nnyyyyxxxxxx?????????
  δ=δ+δ++δ??????
  ?????????
  ?(15)式中,δx1,δx2,…,δxn為直接測量值x1,x2,…,xn的誤差。
  根據式(11)~(15),由試驗數據及前麵的直接測量誤差計算得到:①輸出軸功率的最大絕對誤差為0.022kW,最大相對誤差為0.409%;②單螺杆膨脹機總效率的最大絕對誤差為0.47%,最大相對誤差為0.958%;③容積效率的最大絕對誤差為0.4%,最大相對誤差為0.5%;④膨脹比的最大絕對誤差為0.03,最大相對誤差為0.71%。
  4試驗結果及分析
  4.1轉矩對單螺杆膨脹機性能的影響在試驗過程中,通過改變電渦流測功機的勵磁電流對測功機的負載進行改變,從而改變單螺杆膨脹機的輸出力矩。同時,熱源保持不變。
  從圖4可以看出,單螺杆膨脹機的轉速隨著其輸出轉矩的增加而降低,從輸出轉矩20N·m時的2000r/min下降到50N·m時的將近1000r/min。
  圖4膨脹機轉速隨轉矩的變化由於單螺杆膨脹機是容積式機械,每一轉的容積是固定不變的,所以單螺杆膨脹機的流量與轉速密切相關。由於輸出轉矩的增加導致轉速的降低,單螺杆膨脹機的入口流量必然也會隨之下降,如圖5所示。在單螺杆膨脹機的運轉過程中,內泄漏是影響其性能的主要因素。理論上流量可以通過轉速、基元容積和內容積比等參數計算得出,但是由於泄漏的存在,一般理論流量要小於實際流量,兩者的比值定義為容積效率。從圖6可以發現,容積效率也是隨著轉矩的增加而降低的。這就說明,實際流量較小時,泄漏量相對較大,實際流量較大時,泄漏量相對較小。
  圖5流量隨轉矩的變化圖6容積效率隨轉矩的變化從圖7可以發現,單螺杆膨脹機的入口壓力隨著輸出轉矩的增加而增大,而排氣壓力幾乎沒有明顯的變化,維持在0.16MPa左右。排氣壓力主要受冷凝溫度、排氣管道和冷凝器的阻力等影響,所以幾乎保持不變。而入口壓力則不然。由於轉矩增加導致轉速降低,體積流量減小。但是在蒸發過程中,熱源保持穩定,有機工質的質量流量波動很小,也就意味著有機工質的吸熱量變化很小。因此,有機工質的蒸發壓力自然會隨著流量的降低而有所升高,從而達到蒸發體積流量與單螺杆膨脹機的體積流量向匹配。
  由於單螺杆膨脹機的入口壓力隨著轉矩的增加而增大,也不可避免地加劇內泄漏的發生,從而影響單螺杆膨脹機的容積效率的變化。
  根據定義,膨脹比為單螺杆膨脹機的入口壓力與排氣壓力的比值。從圖7可知,單螺杆膨脹機的排氣壓力保持穩定,所以,膨脹比的變化趨勢與單螺杆膨脹機的入口壓力保持一致,如圖8所示。不難發現,最大膨脹比為4.3。
  圖7膨脹機進出口壓力隨轉矩的變化圖8膨脹比隨轉矩的變化從圖9可以看出,單螺杆膨脹機的輸出功率隨著轉矩的增加呈拋物線型變化,並在轉矩為45N·m時得到最大輸出功率5.46kW。圖10是單螺杆膨脹機的總效率隨著轉矩的變化曲線。根據式(12),總效率是輸出功率與等熵膨脹焓降的比值。隨著轉矩的增加,單螺杆膨脹機的入口壓力和比焓均增加,而排氣壓力變化不大,造成等熵焓降也變大。所以,雖然輸出功率隨著轉矩的增加而增加並在45N·m時得到最大輸出功率,但是總效率的最大值48.7%是在輸出轉矩為35N·m時得到的。
  圖9輸出功率隨轉矩的變化圖10總效率隨轉矩的變化4.2背壓對單螺杆膨脹機性能的影響在試驗過程中,保持單螺杆膨脹機的轉速維持在1200r/min,並保持單螺杆膨脹機的入口參數穩定,即入口壓力、溫度和體積流量保持穩定,如圖11、12所示。
  圖11膨脹機進口參數隨出口壓力的變化圖12流量隨出口壓力的變化圖13表現了膨脹比與出口壓力的關係。由於膨脹比為單螺杆膨脹機的入口壓力與出口壓力的比值,入口壓力保持不變的情況下,膨脹比為出口壓力的函數。根據式(14),膨脹比和出口壓力成反比例關係,膨脹比隨著出口壓力的增大呈雙曲線變化,如圖13a所示,而隨著出口壓力呈線性升高,如圖13b所示。
  (b)圖13膨脹比隨出口壓力的變化從圖14可以看出,單螺杆膨脹機的輸出功率隨著出口壓力的增加而線性快速降低,從出口背壓0.26MPa(絕對壓力)時的輸出功率5.2kW迅速降低到出口背壓0.52MPa(絕對壓力)時的輸出功率0.30kW,這說明單螺杆膨脹機的輸出特性對出口背壓的影響特別敏感。這是因為:一方麵有機工質的實際焓降隨著背壓的增加而減小,另一方麵實際膨脹比更加偏離設計膨脹比,單螺杆膨脹機內部不可逆損失變大。從圖15可以發現,單螺杆膨脹機的總效率是隨著出口背壓的增加而加速下降。所以,在ORC係統設計中,要盡可能地降低排氣背壓。
  圖14輸出功率隨出口壓力的變化圖15總效率隨出口壓力的變化4.3有機工質蒸汽幹度對單螺杆膨脹機性能的影響在試驗過程中,通過調整工質泵旁路上的回流閥,來實現有機工質蒸汽幹度的變化。同時,保持熱源條件不變,及煙氣進入蒸發器的溫度和流量保持不變,另外,單螺杆膨脹機的轉速保持在1200r/min。
  從圖16可以發現,隨著工質幹度的變化,單螺杆膨脹機的入口壓力是增大的,而且在幹度比較小時增加較快;而出口壓力是隨著幹度增加而降低的,並且在幹度較小時降低速度較快。有機工質蒸汽幹度的增加,是由於進入蒸發器的有機工質質量流量減小的結果。但是,蒸發器中煙氣側並沒有變化,所以,較小的質量流量為了攜帶相同的熱量,蒸發參數必然發生變化。蒸汽溫度的升高,造成蒸汽比容的變大。當蒸汽流速大於單螺杆膨脹機的流量時,蒸發壓力會增大,比容減小,達到蒸汽流速與單螺杆膨脹機的流量的匹配。而出口壓力主要由冷凝壓力、排氣管道和冷凝器阻力構成。環境溫度不變的條件下,冷凝壓力不變。所以,出口壓力的降低主要是由於質量流量的降低,阻力變小的緣故。
  由於單螺杆膨脹機的入口壓力隨著工質蒸汽幹度的增加而增加,而出口壓力正好相反,所以單螺杆膨脹機的膨脹比必然隨著蒸汽幹度的增加而增加,如圖17所示。從圖17可以發現,最大膨脹比為3.96。
  圖16膨脹機進出口壓力隨工質幹度的變化圖17膨脹比隨工質幹度的變化在單螺杆膨脹機的運行過程中,泄漏是影響其性能的主要因素之一。而液滴的存在無疑能減輕氣體的泄漏。而另一方麵,如圖16所示,單螺杆膨脹機的入口壓力也是隨著工質幹度的增加而增加,這無疑也加劇氣體的泄漏。所以,單螺杆膨脹機的流量隨著工質幹度的增加是增加的,如圖18所示。從圖中還可以發現,流量的增加是逐漸變緩的,這充分說明工質中的液滴的增加能有效地減小泄漏,而在工質幹度較大時,泄漏主要受到螺杆螺槽之間壓差的影響。
  由於單螺杆膨脹機維持在1200r/min轉速下運行,其理論流量保持不變。所以,容積效率僅與實際流量相關,隨著工質幹度的增加而減少,容積效率從80.5%降低至62.8%,如圖19所示。從圖20可以看出,單螺杆膨脹機的輸出功率是隨著工質幹度的增加而增加的,在低幹度時,輸出功率增加較快,而在高幹度時,輸出功率增加緩慢,這與文獻[14,22]得出的結論相類似。這是因為隨著工質幹度的增加,入口壓力、膨脹比以及入口流量均增加,有利於單螺杆膨脹機輸出功率的提高。
  圖20輸出功率隨工質幹度的變化然而,單螺杆膨脹機的總效率卻是隨著工質幹度的增加從49.53%迅速下降的,並在工質幹度為0.8時得到最小值44.61%,如圖21所示。雖然單螺杆膨脹機的輸出功率是增加的,但是由於工質的入口壓力增加和出口壓力的降低,工質的等熵焓降增加更快。這也說明內泄漏等不可逆損失對單螺杆膨脹機性能的影響十分顯著,在單螺杆膨脹機的運行中要特別注意盡可能地減小內泄漏的發生。
  圖21總效率隨工質幹度的變化
  5結論
  通過以上對單螺杆膨脹機在ORC係統中的性能的分析,可以得出以下結論。
  (1)隨著轉矩的增加,單螺杆膨脹機的轉速降低、進口體積流量減小。由於有機工質的質量流量和吸熱量變化很小,所以有機工質蒸汽的比體積減小而比焓不變,蒸發壓力變大。因此,單螺杆膨脹機的膨脹比變大。另外,隨著轉矩的增加,單螺杆膨脹機的輸出功率和總效率先增大後減小。
  (2)當單螺杆膨脹機的入口參數和轉速不變時,背壓增加導致膨脹比降低,有機工質的實際焓降減小,所以單螺杆膨脹機的輸出功率和總效率均降低。
  (3)減少進入蒸發器的有機工質流量,有機工質蒸汽的幹度和比焓增加,入口壓力增加。蒸汽幹度減小和入口壓力增加,單螺杆膨脹機的泄漏量會相應增加,導致入口體積流量增大,容積效率降低。

  雖然單螺杆膨脹機的輸出功率隨蒸汽幹度的增加而變大,但是由於泄漏等不可逆損失的增加造成單螺杆膨脹機總效率反而下降。


本文由 積木式單雙螺杆 整理編輯。


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