两相流双转子膨胀机膨胀过程的能流特性研究

赵 丽, 夏意军, 胡仟龙, 欧阳琴

(湖南工业大学 土木工程学院建环系，湖南 株洲 412000)

0 前言

2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上提出我国碳达峰、碳中和目标。为进一步推进双碳目标的实现，空调行业的节能减排任务重点在提高系统效率。在空调制冷技术发达的今天，常规的提高系统效率方法已趋于完善，进一步提高系统效率的关键在于节流部件。

国内外对于膨胀机的研究中，应用于CO2跨临界系统的容积式与透平式膨胀机均已有广泛的研究并已逐步走向应用[1-2]。受工质物理特性影响，CO2的临界压力较高(7.1 MPa)而临界温度较低(31 ℃)，将CO2用于制冷循环时部分工作过程处于跨临界状态，这使得节流过程损失非常大，在相同冷凝温度下CO2循环效率较常规氟利昂类工质低20%～30%[3]。而循环采用膨胀机代替节流阀时，单位制冷量得到提高，同时可回收的膨胀功约占压缩功的20%～25%[4]，这将使得CO2跨临界循环的能效得到大大提高，因此CO2跨临界循环膨胀机的研究极有意义，促进了CO2膨胀机研究成果的形成与转化。而应用于常规氟利昂类人工工质的膨胀机的研究成果较少，也是受工质特性限制，如：膨胀比较大，采用容积式膨胀机体积难于控制；临界温度较高，节流过程一般工作在两相区，不适合采用透平式膨胀机；节流损失较小，对小型系统而言，可回收膨胀功有限，研究的经济价值不高，等等，均限制了两相流膨胀机的广泛研究。但据模拟计算，膨胀机回收的膨胀功占压缩功的2%～15%，对系统COP(Coefficient of Performance，性能系数)的贡献为3.6%～20%[5]，对于大中型机组而言，可回收的膨胀功十分可观。膨胀机回收这部分能量完全可以作为分布式能源系统的分散能源使用，为国家节能减排做出一定程度的贡献。

基于此，作者及所在课题组设计分析并制造了适用于常规制冷剂的两相流双转子膨胀机样机。由于样机初步测试的结果不理想，因此有必要对膨胀机工作过程进行细致分析与能流研究，以提出合理的样机改造方案。

1 两相流双转子膨胀机样机及基本结构

开发的两相流双转子膨胀机样机及主要部件如图1所示，包括两级气缸、与膨胀机同轴连接的发电机及灯箱负载。其基本结构如图2所示，图中：1为气缸，2为滚动活塞，3为偏心轮，4为滑片，5为连接管，6为进气口，7为排气口，8为气缸壁。左边为第一级气缸系统，右边为第二级气缸系统，二者由中间通道5连接。

图1 两相流双转子膨胀机外观及主要部件

图2 两相流双转子膨胀机结构图

对两相流膨胀机样机进行了一系列试验：在高压氮气的试运转试验中，膨胀机能正常运行。在空气进口0.8～1.0 MPa条件下，膨胀机运转良好，根据末端负载获得的回收膨胀功与进出口焓差的比值，估算得到膨胀机的效率在30%左右。在测试用的试验台中，给定样机一定的气液两相进口条件，膨胀机运转平稳，并输出一定的膨胀功，但是效率远未达到设计水平。

2 两相流双转子膨胀机的能流分析

根据样机的试验结果，对膨胀机进行能流分析。从结构方面看，对于转子式的容积膨胀机而言，能量流动主要有：发生在各运动部件之间的泄漏损失与摩擦损失，包括滑板、滚动活塞、气缸、偏心轮与主轴等，工作腔的余隙容积损失、热交换损失以及节流损失等，可称为膨胀机的结构性不可逆损失。而工作条件方面，包括工质的进口条件、润滑油的特性等，也会在一定程度上影响膨胀过程的能流情况，称为膨胀机的条件性不可逆损失。

2.1 膨胀机的结构性不可逆损失

膨胀机的结构性不可逆损失主要包括：

(1)泄漏损失。膨胀机的泄漏损失包括内部泄漏与外部泄漏。膨胀机内部各运动部件之间存在间隙，间隙大小由加工精度及润滑情况决定。由于膨胀机工作过程中各工作腔压差的存在，工质在这些间隙处存在一定程度的泄漏，泄漏损失的大小与泄漏处间隙大小、泄漏处两端压差、工质物性等因素有关。结合样机的润滑系统，各部分间隙产生的泄漏中难免含有润滑油，因此润滑油对物性的影响也需要进行考虑。而膨胀机与外部之间的泄漏要严格避免，因此在膨胀机泄漏损失的分析中，重点分析膨胀机的内部泄漏情况。

(2)摩擦损失。根据各运动部件的受力情况分析可得到转子式膨胀机的摩擦损失情况。转子式膨胀机的运动部件主要为滑板与滚动活塞，其中滚动活塞、滑板、偏心轴等与气缸端盖之间、主轴与轴承之间的摩擦系数，主要与各零件材料、结构以及润滑情况有关。其中润滑情况最为关键，因此减小摩擦损失的关键在于润滑系统。

(3)余隙容积损失。设计的两相流膨胀机在工作过程中，随滚动活塞的转动各工作腔存在余隙容积，残存的少量工质随滚动活塞的继续转动被压缩，再通过各泄漏间隙分散至膨胀机其他空间，作为泄漏损失表现出来。设计时一般优化进排气角度，以达到减小余隙容积损失的效果。而且由于转子式膨胀机的特殊结构，由此引起的膨胀机余隙容积损失不超过0.5%[8]。

(4)工质与外部环境的热交换损失。膨胀机可能存在的热交换损失，包括与外界环境以及与润滑油之间的热交换。这两处热交换具有相同特点，温差小，换热系数也小。由于润滑油还是在膨胀机内部，因此与润滑油之间的热交换并入对工质物性参数的影响考虑，而不单独计算。

(5)吸排气过程的节流效应。根据转子式膨胀机的结构特点，产生节流效应的位置主要在排气过程中。随滚动活塞转动排气口逐渐被打开，工质流体在排气口打开瞬间将发生闪蒸并瞬间膨胀。由于工质已经过膨胀过程的规律膨胀，排气过程的闪蒸虽引起能量进一步降级，但这部分损失有限，一般按照理想可回收膨胀功的比例进行考虑。

2.2 膨胀机的条件性不可逆损失

条件性不可逆损失方面的分析，以工质的进口状态变化时膨胀机的效率变化为主，在运行工况与设计工况不一致时将造成膨胀机效率降低，可回收膨胀功减小，而降低与减小的程度由偏离设计工况的多少决定。

根据样机的调试结果，样机在全液状态不能正常运转，而在气相占比越高时效率及可回收的膨胀功都呈增加趋势。根据气态与液态流体各自的流动特性，并结合两相流相变过程时的相变延迟现象，可以得到初步验证。这也说明了膨胀特性研究在两相流膨胀机研究中的重要性。同时，也指明了两相流膨胀机的改进方向，对现有膨胀机进行前置汽化设计，将大大提高样机效率。

而润滑油的特性对膨胀机效率的影响实际上将体现在前面提到的泄漏损失、摩擦损失与热交换损失等方面，不再赘述。

3 两相流双转子膨胀机不可逆损失改进方案

综合以上分析，对于现有两相流膨胀机样机，其可行的改进方案主要包括：

(1)改善膨胀机润滑油系统，控制轴流式供油系统的供应压力，改善各运动部件的润滑情况，减少润滑油泄漏，从而减小占比较大的摩擦损失与泄漏损失。

(2)从两相流膨胀相变特性及机理方面，对现有膨胀机进行前置汽化设计，提高样机进口干度。事实上即舍弃部分液态工质的闪蒸能量，以提高膨胀机工作效率与回收的膨胀功。

4 总结

本文主要对膨胀机样机的能流特性进行了分析，通过对各能量流动过程及不可逆损失的产生机理、样机的试验情况对比分析，提出了现有样机可实现的改造方案。

适用于普通工质的两相流膨胀机的研究，在节能变得至关重要的社会背景下是很有意义的，尤其是在提高常规制冷循环系统效率的有效方案大多已接近完善的情况下，对于还是薄弱环节的节流部件的研究对提高系统效率十分关键，尤其在大中型机组中回收的膨胀功十分可观，对其进行有效利用，对于国家的节能与双碳目标的达成有积极的意义。