有机朗肯循环用涡旋膨胀机的改进与实验研究

李垒，陶乐仁，申玲，胡永攀，李庆普

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

有机朗肯循环用涡旋膨胀机的改进与实验研究

李垒1，2，陶乐仁1，2，申玲1，2，胡永攀1，2，李庆普1，2

（1上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

目前有机朗肯循环（ORC）的效率普遍较低，而膨胀机的性能将对循环效率产生直接的影响。为提高有机朗肯循环用涡旋膨胀机的性能，本文提出对涡旋膨胀机进行了改进，使动涡旋齿的齿头不会遮挡进气孔，进、出气口对称分布，并对涡旋齿端型线进行了修正。研究改进后涡旋膨胀机进口压力、流量、转速等参数对其性能的影响。实验结果表明：改进后膨胀机的最大外等熵效率为53%，且存在一个最佳压力值，使得膨胀机的外等熵效率最大。进口流量的增加会使膨胀机的转速提高，输出功率增大。膨胀机的外等熵效率变化曲线呈抛物线变化，不同的负载对应着不同的最佳流量值，使得膨胀机的外等熵效率最大。不同负载下的膨胀机有着不同的最佳转速，使得其输出功最大，且进气压力越大，其最佳转速也越大。研究结果表明：对涡旋膨胀机的改进是切实可行的，且对膨胀机的实验为以后进一步改进指明了方向。

有机朗肯循环；涡旋膨胀机；等熵效率；性能实验

当前，我国正处于快速发展阶段，能源消耗量大，同时由于粗犷式的能源利用使得我国能源大幅度减少，能源利用效率较低，大量的低品位能源未能得到充分利用。在能源利用过程中，热能是人类生产生活应用最广泛的一种形式，但在常规热能利用中，有约50%的㶲被浪费，约67%的能源在工业生产中被直接排放，其中绝大部分是低品位热能[1-2]，能源利用效率问题亟待解决。有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）是以有机流体作为工作介质的朗肯动力循环[3]。由于有机物沸点较低，可以用中低温余热作为热源，在不消耗其他化石燃料的情况下，可将低品位余热转换为使用范围更广的高品位电能。因此，ORC在发电系统中的应用是提高能源利用率和降低环境污染的有效途径。

在ORC发电系统中，膨胀机是其核心部件。一般将膨胀机分为速度型和容积型两大类。速度型是把流体的动能转化为轴功，如透平膨胀；容积型是利用流体膨胀产生的压力差来做功，如涡旋式膨胀机、螺杆膨胀机[4]。在低温余热有机朗肯循环发电系统中主要使用的是容积型膨胀机。其中，涡旋式膨胀机具有主轴转速低、适用压比大、运动部件少等优点，尤其在微小型（功率＜10kW）中低温余热回收系统中应用较多。如YANAGISAWA等[5]以压缩空气为工质，对无油涡旋膨胀机的性能进行了实验研究，实验表明：在转速为2500r/min、工质压力为0.65MPa时，膨胀机的最大容积效率为76%，最大绝热效率为60%，指出影响膨胀机效率的最大因素为动静涡旋盘的摩擦机械损失。GAO等[6]对涡旋膨胀机ORC系统进行了模拟，并采用空气压缩机驱动流量分别为66mL/r和86mL/r的涡旋膨胀机进行实验，结果表明系统的总效率在1.7%～3.2%之间，㶲效率在8.6%～16.9%之间，与模拟结果差距较大。褚晓广等[7]采用组合型线修正和调节进口面积的方法对涡旋膨胀机进行了改进，实验结果表明改造后的样机全效率最高达53%，最大输出功率增加了360W，验证了涡旋膨胀机结构改进方法的有效性和可行性。

涡旋膨胀机大多由涡旋压缩机改装而成，采用的是涡旋压缩机技术，其涡旋齿始端采取了型线修正，对压缩机而言，这种修正会使动静涡旋齿实现完全啮合、增加压缩机的压缩比、减小余隙容积[8]。但对膨胀机而言，这会使动涡旋齿周期性地遮蔽进气口，进气阻力增大，从而降低能量转换效率。本文在前人研究的基础上，对涡旋膨胀机的动涡旋齿的齿头、型线与进气孔等进行了改进，并进行了实验研究[9-12]。

1 涡旋膨胀机的设计与改进

根据涡旋膨胀机输出功率1.2kW及额定工况下的出入口气体参数值，对涡旋膨胀机进行了改进设计，动、静涡旋齿与进气孔的位置如图1所示，动涡旋齿在公转平动过程中，齿头始终没有对进气孔有遮蔽。静涡旋齿和动涡旋齿以相位差180°、固定偏心距的方式啮合，通过进气口进入的具有一定压力和温度的气体在动、静涡旋齿组成的月牙形间隙内膨胀，推动动涡旋齿做公转平动，动涡旋齿通过偏心轴传递这种运动，实现功率的输出。这样进气口不受动涡旋齿遮蔽，降低了进气阻力，同时设计进、出气口对称分布，降低了排气对动涡旋齿的摩擦阻力。对涡旋齿端型线进行直接截断修正，与传统方式相比，将起始膨胀角向后推移，增加了第一膨胀腔容积[13]。

图1 动、静涡旋齿的齿头及进气孔位置

对于涡旋齿采用的是对称圆弧修正的方法，对涡旋齿进行了修正。修正前为对称圆弧加直线修正，通过专用设备铣削，将其铣削成型为对称圆弧。涡旋型线修正前后实物如图2所示，其中图2(a)为修正前涡旋压缩机型线，图2(b)为修正后对称圆弧型线。修正前后型线参数如表1所示。

图2 涡旋型线修正前后实物图

表1 型线修正前后参数

2 实验方案设计

实验测试系统如图3所示，由稳定的气源系统、减压阀、流量调节阀、压力传感器、温度传感器、涡旋膨胀机、交流发电机、电功率测试仪表、负载电阻等组成。涡旋膨胀机与交流发电机通过铝合金梅花联轴器相连，组成实验系统的能量转换组件。

图3 涡旋膨胀机性能实验原理图

实验过程中，要求气体压力稳定，同时要有足够的储量供测试使用。本实验所采用的稳定供气系统由30m3液氮储罐、气体自增压系统、汽化器、压力调节阀、流量控制阀组成。在自增压系统的作用下，液氮不断地进入汽化器汽化为2.5MPa的氮气，通过压力调节阀减压进入管路供膨胀机性能实验使用。

3 数据分析与处理

本实验选取涡旋膨胀机带动的交流发电机的输出功率为目标函数，研究进气压力、流量、负载等参数对膨胀机性能的影响。

输出轴功是该实验的目标函数，而机械损失主要包括动、静涡旋齿之间的摩擦及轴承损失两部分，看成为机械损失，可用扭矩损失计算，其表达式为式(1)[14]。

为了分析涡旋膨胀机的性能，假设涡旋膨胀机内为可逆绝热过程，即等熵。对其等熵效率进行了实验分析，可用式(2)进行计算[15]。

式中，h2、h2s的值由涡旋膨胀机出口压力确定，调用NIST软件查询得到。

3.1 进气压力对涡旋膨胀机性能的影响

通过调节减压阀及稳压阀使得膨胀机进气压力在0.3～1.6MPa进行变化，在实验中首先调节进气压力至0.3MPa，进气流量调节为350mL/min，待发电机运行平稳后，接通484Ω的负载电阻，记录膨胀机转速及此时的发电机输出功率，压力增加幅度为0.1MPa，逐渐升压至1.6MPa，测得在484Ω的负载电阻下涡旋膨胀机的输出电功率。按上述压力调节方式，依次改变负载电阻值为194Ω、97Ω、64Ω、49Ω，测量在不同阻值下膨胀机的输出电功率，测量结果如图4所示。

图4 膨胀机转速-进气压力变化曲线

由图4可以看出，随着进气压力的不断升高，膨胀机转速逐渐增加，当负载阻值为484Ω时，膨胀机最大转速为3567r/min；当负载阻值为49Ω时，膨胀机最小转速为839r/min。改进前涡旋膨胀机的额定转速为3000 r/min，实验中最大转速3265r/min。由于对膨胀机的改进，使得齿头始终没有遮挡进气孔，降低了进气阻力损失，使得最大转速得到提高。还可以看出，膨胀机在低压低转速下仍能较平稳运行。

图5为不同负载轴功率在不同进气压力下的变化趋势图。从图5中可以看出，随着压力的增加，不同负载条件下，涡旋膨胀机的输出功率呈现增加的趋势。负载阻值为49Ω时，膨胀机存在最大输出功率为1.325kW，而改进前在此工况下的最大输出功率为1.176kW。比较各负载下的输出功率，发现在不同负载不同压力下，输出功率的增加存在一个转折点，在转折点之前功率增加较快，转折点之后功率增长幅度减小，且不同负载转折点出现在0.5～0.7MPa之间。这是因为几何结构固定的膨胀机其膨胀比已确定，在膨胀过程中，由于背压为环境压力，其膨胀终了压力低于或高于背压，造成过膨胀或欠膨胀现象的发生，从而影响了输出功率的增加幅度[16]。

图5 膨胀机轴功-进气压力变化曲线

图6 外等熵效率-进气压力变化曲线

通过实验还发现，改进后涡旋膨胀机的最大外等熵效率为53%，比改进前提高了约6.2%。在不同功率负载条件下，外等熵效率呈现抛物线变化，如图6所示。在测试的几种负载条件下，膨胀机效率最大值均出现在0.5～0.7MPa之间。当压力小于最大效率压力值时，其外等熵效率增加较快，而当进气压力大于最大效率压力时，外等熵效率开始减小。当压力增加到1.6MPa时，其外等熵效率只有18%～23%。通过分析膨胀机的效率变化曲线发现，其外等熵效率最大值时对应的压力区间与前述输出功率增长率转折点对应区间基本重合，这是由于在此压力区间内，膨胀机的入口压力与背压比接近膨胀机的固有膨胀比，使膨胀机的外部不可逆损失减小[17]。

虽然在一定范围内增大进气压力值可以增加膨胀机的输出功率，但是当进气压力大于最大效率压力区间值时，其效率会减小，而且由于进气压力的增大，还会增大动、静涡旋齿间的轴向间隙，轴向力传递到止推轴承上，造成摩擦阻力增大，降低膨胀机的效率[18]。当进气压力增大到2.3MPa时，动涡旋齿背部端面出现了明显的拉丝状摩擦痕迹，如图7所示。

图7 动涡旋齿背部摩擦痕迹图

3.2 进气流量对涡旋膨胀机性能的影响

进气流量对涡旋膨胀机性能影响较大，进气量过小，会出现过膨胀现象，甚至会发生出气口气体倒吸现象，倒吸现象会消耗部分功率；如进气流量过大，将会出现欠膨胀现象，气体的能量不能得到充分利用[19]。在实验时测试流量最小值设定为12m3/h，通过流量控制阀设定进气流量值分别为18m3/h、24m3/h、30m3/h、36m3/h、42m3/h。

图8反应了随着进气流量的增加膨胀机转速的变化情况。在不同阻值负载的作用下，膨胀机转速随进气流量的增加而增大。当流量小于45m3/h时，较大的负载作用下的膨胀机转速反而略微高一些。当流量大于45m3/h时，不同负载作用下的膨胀机最高转速趋于一致。

图8 膨胀机转速-进气流量变化曲线

当改变膨胀机的进气流量时，其输出轴功率也会变化，如图9所示。不同负载作用下膨胀机的输出功率随着进气量的增加而增大，最大输出功率为1.387kW。而相同负载、进气流量的工况下，改进前膨胀机的最大输出功率仅为1.264kW。当进气量达到48m3/h时，轴功率增加趋势变缓。这种现象表明虽然增加进气量可以增加膨胀机的输出功率，但当进气量达到一定值时，功率基本不再增加，因为过大的进气量使得膨胀机内发生欠膨胀现象，反而会消耗轴功[15]。

图9 进气流量-输出功率曲线图

图10 进气流量-外等熵效率变化曲线

图10为进气流量与膨胀机的外等熵效率变化关系曲线图。从图10中可以看出，随着进气流量的增加膨胀机的外等熵效率先增加后减小。不同负载作用下的膨胀机外等熵效率最大值在50%附近。结合图9与图10发现，当流量值为40m3/h时，该流量值靠近膨胀机最大功率流量区间与最佳外等熵效率流量区间，膨胀机既可以获得较大的功率输出又有较高的外等熵效率。

3.3 转速对涡旋膨胀机性能的影响

膨胀机如转速过高，会增加膨胀机进、排气口的流动损失，且随着转速的提高，会加剧内部件的机械磨损，影响膨胀腔内气体的泄漏，进而影响其性能[19]。在实验中，采用阻值连续可调的负载电阻，在给定的进气压力下，通过连续调节负载阻值的方法改变转速，测试输出功率及外等熵效率。

图11为在不同进口压力下，改变膨胀机的转速时其输出功率的变化曲线图。由图11可以看出，膨胀机存在一个最优转速，使得其输出功率最大。当转速大于最优转速时输出功率减小。这是由于随着转速的增加，会增大进气过程中的节流及流动阻力损失，同时膨胀机的润滑条件变差，摩擦功耗增大。对比不同进气压力下输出功率变化曲线发现，进气压力不同时其最优转速也不同，且最优转速随着进气压力的增大而增大。

膨胀机转速改变时，不同进气压力所对应的膨胀机外等熵效率变化曲线如图12所示。当进气压力不变时，转速对膨胀机的外等熵效率影响较小，当转速变化时，外等熵效率虽然有一定幅度的波动，但基本上在该进气压力下的平均等熵效率值附近波动。当进气压力为0.6MPa时，外等熵效率基本维持在45%左右，进气压力为1.0MPa时，外等熵效率在38%左右；进气压力为1.4MPa时，外等熵效率均值为20%。由图12可以看出，当进气压力较大时其外等熵效率较低，这是因为相同转速情况下，较低的进口压力使得膨胀过程中的泄漏量较小[20]。

图11 膨胀机转速-功率曲线图

图12 膨胀机转速-外等熵效率图

4 结论

本文首先对涡旋膨胀机动涡旋齿的齿头、型线与进气孔等进行了改进，研究了工作参数对改进后涡旋膨胀机性能的影响。实验发现膨胀机最大外等熵效率为53%，与改进前相比提高约6.2%；随着进气压力的增大，膨胀机的转速、输出功增大，且与负载成正比，且存在一个最佳压力值，使得膨胀机的外等熵效率最大。

当进气流量增加时，膨胀机转速升高，但增幅逐渐变小；与此同时，膨胀机的输出功率也逐渐增大，但当流量大于45m3/h时，膨胀机的功率增加幅度变缓；膨胀机的外等熵效率变化曲线呈抛物线变化，且不同的负载对应着不同的最佳流量值，使得膨胀机的外等熵效率最大。

研究表明不同负载作用下的膨胀机有着不同的最佳转速值，使得其输出功最大，且进气压力越大，其最佳转速值也越大，但是转速的改变对膨胀机的外等熵效率影响较小。在进气压力值不变的情况下，不同转速的膨胀机外等熵效率值仅在小范围内波动。

符号说明

h —— 焓，kJ/(kg·K)

L —— 流量，m3/h

M —— 扭矩，N·M

N —— 功率，W

n —— 转速，r/min

P —— 压力，MPa

s —— 熵，kJ/K

η —— 效率，%

下角标

exp——膨胀机

in——涡旋膨胀机输入

loss——涡旋膨胀机内部损失

1——工质在膨胀机入口热力学状态点

2——工质在膨胀机出口热力学状态点

s——等熵膨胀过程

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Improvement and experimental research on the performance of scroll expander using organic Rankine cycle（ORC）

LI Lei1，2，TAO Leren1，2，SHEN Ling1，2，HU Yongpan1，2，LI Qingpu1，2
（1School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，Shanghai 200093，China）

The current efficiency of the organic Rankine cycle（ORC）is generally low.The performance of the expander has a direct impact on the cycle efficiency. In order to enhance the scroll expander performance of organic Rankine cycle，the scroll expander was improved. The movable scroll wraps do not block the inlet hole，the inlet and outlet are distributed symmetrically，and the scroll profile modification is adopted. The influence of inlet pressure，flow rate and rotating speed of the scroll expander on its performance was studied. The experimental results showed that the maximum external isentropic efficiency of the modified scroll expander would be up to 53%，and there is an optimal pressure value，which makes the maximum external isentropic efficiency of the expander. The increase of the inlet flow rate will increase the rotating speed and the output power of the expander. The changes of isentropic efficiency show parabolic curves，and different loads correspond to different optimal flow values，which makes the maximum external isentropic efficiency of the expander. Different loads of the expander have different optimal speeds，making the maximum output power，the optimal speed is largeras the inlet pressure increases. Research results showed that it is feasible to improve the scroll expander，and the experiments of expander point out the direction for further improvement.

organic Rankine cycl（eORC）；scroll expander；isentropic efficiency；performance experiment

TK114

：A

：1000–6613（2017）05–1642–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.012

2016-09-26；修改稿日期：2016-12-01。

上海市动力工程多相流动与传热实验室开放基金项目（13DZ2260900）。

李垒（1985—），男，博士研究生，主要研究方向为新能源节能技术的应用。E-mail：a7082928@126.com。联系人：陶乐仁，博士生导师，教授，主要研究方向为传热传质强化、新能源应用。E-mail：cry0307@usst.edu.cn。