李壘，陶樂仁，申玲，胡永攀，李慶普

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

有機朗肯循環(huán)用渦旋膨脹機的改進與實驗研究

李壘1，2，陶樂仁1，2，申玲1，2，胡永攀1，2，李慶普1，2

（1上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

目前有機朗肯循環(huán)（ORC）的效率普遍較低，而膨脹機的性能將對循環(huán)效率產(chǎn)生直接的影響。為提高有機朗肯循環(huán)用渦旋膨脹機的性能，本文提出對渦旋膨脹機進行了改進，使動渦旋齒的齒頭不會遮擋進氣孔，進、出氣口對稱分布，并對渦旋齒端型線進行了修正。研究改進后渦旋膨脹機進口壓力、流量、轉(zhuǎn)速等參數(shù)對其性能的影響。實驗結(jié)果表明：改進后膨脹機的最大外等熵效率為53%，且存在一個最佳壓力值，使得膨脹機的外等熵效率最大。進口流量的增加會使膨脹機的轉(zhuǎn)速提高，輸出功率增大。膨脹機的外等熵效率變化曲線呈拋物線變化，不同的負載對應(yīng)著不同的最佳流量值，使得膨脹機的外等熵效率最大。不同負載下的膨脹機有著不同的最佳轉(zhuǎn)速，使得其輸出功最大，且進氣壓力越大，其最佳轉(zhuǎn)速也越大。研究結(jié)果表明：對渦旋膨脹機的改進是切實可行的，且對膨脹機的實驗為以后進一步改進指明了方向。

有機朗肯循環(huán)；渦旋膨脹機；等熵效率；性能實驗

當前，我國正處于快速發(fā)展階段，能源消耗量大，同時由于粗獷式的能源利用使得我國能源大幅度減少，能源利用效率較低，大量的低品位能源未能得到充分利用。在能源利用過程中，熱能是人類生產(chǎn)生活應(yīng)用最廣泛的一種形式，但在常規(guī)熱能利用中，有約50%的?被浪費，約67%的能源在工業(yè)生產(chǎn)中被直接排放，其中絕大部分是低品位熱能[1-2]，能源利用效率問題亟待解決。有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）是以有機流體作為工作介質(zhì)的朗肯動力循環(huán)[3]。由于有機物沸點較低，可以用中低溫余熱作為熱源，在不消耗其他化石燃料的情況下，可將低品位余熱轉(zhuǎn)換為使用范圍更廣的高品位電能。因此，ORC在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用是提高能源利用率和降低環(huán)境污染的有效途徑。

在ORC發(fā)電系統(tǒng)中，膨脹機是其核心部件。一般將膨脹機分為速度型和容積型兩大類。速度型是把流體的動能轉(zhuǎn)化為軸功，如透平膨脹；容積型是利用流體膨脹產(chǎn)生的壓力差來做功，如渦旋式膨脹機、螺桿膨脹機[4]。在低溫余熱有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中主要使用的是容積型膨脹機。其中，渦旋式膨脹機具有主軸轉(zhuǎn)速低、適用壓比大、運動部件少等優(yōu)點，尤其在微小型（功率＜10kW）中低溫余熱回收系統(tǒng)中應(yīng)用較多。如YANAGISAWA等[5]以壓縮空氣為工質(zhì)，對無油渦旋膨脹機的性能進行了實驗研究，實驗表明：在轉(zhuǎn)速為2500r/min、工質(zhì)壓力為0.65MPa時，膨脹機的最大容積效率為76%，最大絕熱效率為60%，指出影響膨脹機效率的最大因素為動靜渦旋盤的摩擦機械損失。GAO等[6]對渦旋膨脹機ORC系統(tǒng)進行了模擬，并采用空氣壓縮機驅(qū)動流量分別為66mL/r和86mL/r的渦旋膨脹機進行實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)的總效率在1.7%～3.2%之間，?效率在8.6%～16.9%之間，與模擬結(jié)果差距較大。褚曉廣等[7]采用組合型線修正和調(diào)節(jié)進口面積的方法對渦旋膨脹機進行了改進，實驗結(jié)果表明改造后的樣機全效率最高達53%，最大輸出功率增加了360W，驗證了渦旋膨脹機結(jié)構(gòu)改進方法的有效性和可行性。

渦旋膨脹機大多由渦旋壓縮機改裝而成，采用的是渦旋壓縮機技術(shù)，其渦旋齒始端采取了型線修正，對壓縮機而言，這種修正會使動靜渦旋齒實現(xiàn)完全嚙合、增加壓縮機的壓縮比、減小余隙容積[8]。但對膨脹機而言，這會使動渦旋齒周期性地遮蔽進氣口，進氣阻力增大，從而降低能量轉(zhuǎn)換效率。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對渦旋膨脹機的動渦旋齒的齒頭、型線與進氣孔等進行了改進，并進行了實驗研究[9-12]。

1 渦旋膨脹機的設(shè)計與改進

根據(jù)渦旋膨脹機輸出功率1.2kW及額定工況下的出入口氣體參數(shù)值，對渦旋膨脹機進行了改進設(shè)計，動、靜渦旋齒與進氣孔的位置如圖1所示，動渦旋齒在公轉(zhuǎn)平動過程中，齒頭始終沒有對進氣孔有遮蔽。靜渦旋齒和動渦旋齒以相位差180°、固定偏心距的方式嚙合，通過進氣口進入的具有一定壓力和溫度的氣體在動、靜渦旋齒組成的月牙形間隙內(nèi)膨脹，推動動渦旋齒做公轉(zhuǎn)平動，動渦旋齒通過偏心軸傳遞這種運動，實現(xiàn)功率的輸出。這樣進氣口不受動渦旋齒遮蔽，降低了進氣阻力，同時設(shè)計進、出氣口對稱分布，降低了排氣對動渦旋齒的摩擦阻力。對渦旋齒端型線進行直接截斷修正，與傳統(tǒng)方式相比，將起始膨脹角向后推移，增加了第一膨脹腔容積[13]。

圖1 動、靜渦旋齒的齒頭及進氣孔位置

對于渦旋齒采用的是對稱圓弧修正的方法，對渦旋齒進行了修正。修正前為對稱圓弧加直線修正，通過專用設(shè)備銑削，將其銑削成型為對稱圓弧。渦旋型線修正前后實物如圖2所示，其中圖2(a)為修正前渦旋壓縮機型線，圖2(b)為修正后對稱圓弧型線。修正前后型線參數(shù)如表1所示。

圖2 渦旋型線修正前后實物圖

表1 型線修正前后參數(shù)

2 實驗方案設(shè)計

實驗測試系統(tǒng)如圖3所示，由穩(wěn)定的氣源系統(tǒng)、減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器、溫度傳感器、渦旋膨脹機、交流發(fā)電機、電功率測試儀表、負載電阻等組成。渦旋膨脹機與交流發(fā)電機通過鋁合金梅花聯(lián)軸器相連，組成實驗系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換組件。

圖3 渦旋膨脹機性能實驗原理圖

實驗過程中，要求氣體壓力穩(wěn)定，同時要有足夠的儲量供測試使用。本實驗所采用的穩(wěn)定供氣系統(tǒng)由30m3液氮儲罐、氣體自增壓系統(tǒng)、汽化器、壓力調(diào)節(jié)閥、流量控制閥組成。在自增壓系統(tǒng)的作用下，液氮不斷地進入汽化器汽化為2.5MPa的氮氣，通過壓力調(diào)節(jié)閥減壓進入管路供膨脹機性能實驗使用。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

本實驗選取渦旋膨脹機帶動的交流發(fā)電機的輸出功率為目標函數(shù)，研究進氣壓力、流量、負載等參數(shù)對膨脹機性能的影響。

輸出軸功是該實驗的目標函數(shù)，而機械損失主要包括動、靜渦旋齒之間的摩擦及軸承損失兩部分，看成為機械損失，可用扭矩損失計算，其表達式為式(1)[14]。

為了分析渦旋膨脹機的性能，假設(shè)渦旋膨脹機內(nèi)為可逆絕熱過程，即等熵。對其等熵效率進行了實驗分析，可用式(2)進行計算[15]。

式中，h2、h2s的值由渦旋膨脹機出口壓力確定，調(diào)用NIST軟件查詢得到。

3.1 進氣壓力對渦旋膨脹機性能的影響

通過調(diào)節(jié)減壓閥及穩(wěn)壓閥使得膨脹機進氣壓力在0.3～1.6MPa進行變化，在實驗中首先調(diào)節(jié)進氣壓力至0.3MPa，進氣流量調(diào)節(jié)為350mL/min，待發(fā)電機運行平穩(wěn)后，接通484?的負載電阻，記錄膨脹機轉(zhuǎn)速及此時的發(fā)電機輸出功率，壓力增加幅度為0.1MPa，逐漸升壓至1.6MPa，測得在484?的負載電阻下渦旋膨脹機的輸出電功率。按上述壓力調(diào)節(jié)方式，依次改變負載電阻值為194?、97?、64?、49?，測量在不同阻值下膨脹機的輸出電功率，測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 膨脹機轉(zhuǎn)速-進氣壓力變化曲線

由圖4可以看出，隨著進氣壓力的不斷升高，膨脹機轉(zhuǎn)速逐漸增加，當負載阻值為484?時，膨脹機最大轉(zhuǎn)速為3567r/min；當負載阻值為49?時，膨脹機最小轉(zhuǎn)速為839r/min。改進前渦旋膨脹機的額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，實驗中最大轉(zhuǎn)速3265r/min。由于對膨脹機的改進，使得齒頭始終沒有遮擋進氣孔，降低了進氣阻力損失，使得最大轉(zhuǎn)速得到提高。還可以看出，膨脹機在低壓低轉(zhuǎn)速下仍能較平穩(wěn)運行。

圖5為不同負載軸功率在不同進氣壓力下的變化趨勢圖。從圖5中可以看出，隨著壓力的增加，不同負載條件下，渦旋膨脹機的輸出功率呈現(xiàn)增加的趨勢。負載阻值為49?時，膨脹機存在最大輸出功率為1.325kW，而改進前在此工況下的最大輸出功率為1.176kW。比較各負載下的輸出功率，發(fā)現(xiàn)在不同負載不同壓力下，輸出功率的增加存在一個轉(zhuǎn)折點，在轉(zhuǎn)折點之前功率增加較快，轉(zhuǎn)折點之后功率增長幅度減小，且不同負載轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在0.5～0.7MPa之間。這是因為幾何結(jié)構(gòu)固定的膨脹機其膨脹比已確定，在膨脹過程中，由于背壓為環(huán)境壓力，其膨脹終了壓力低于或高于背壓，造成過膨脹或欠膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，從而影響了輸出功率的增加幅度[16]。

圖5 膨脹機軸功-進氣壓力變化曲線

圖6 外等熵效率-進氣壓力變化曲線

通過實驗還發(fā)現(xiàn)，改進后渦旋膨脹機的最大外等熵效率為53%，比改進前提高了約6.2%。在不同功率負載條件下，外等熵效率呈現(xiàn)拋物線變化，如圖6所示。在測試的幾種負載條件下，膨脹機效率最大值均出現(xiàn)在0.5～0.7MPa之間。當壓力小于最大效率壓力值時，其外等熵效率增加較快，而當進氣壓力大于最大效率壓力時，外等熵效率開始減小。當壓力增加到1.6MPa時，其外等熵效率只有18%～23%。通過分析膨脹機的效率變化曲線發(fā)現(xiàn)，其外等熵效率最大值時對應(yīng)的壓力區(qū)間與前述輸出功率增長率轉(zhuǎn)折點對應(yīng)區(qū)間基本重合，這是由于在此壓力區(qū)間內(nèi)，膨脹機的入口壓力與背壓比接近膨脹機的固有膨脹比，使膨脹機的外部不可逆損失減小[17]。

雖然在一定范圍內(nèi)增大進氣壓力值可以增加膨脹機的輸出功率，但是當進氣壓力大于最大效率壓力區(qū)間值時，其效率會減小，而且由于進氣壓力的增大，還會增大動、靜渦旋齒間的軸向間隙，軸向力傳遞到止推軸承上，造成摩擦阻力增大，降低膨脹機的效率[18]。當進氣壓力增大到2.3MPa時，動渦旋齒背部端面出現(xiàn)了明顯的拉絲狀摩擦痕跡，如圖7所示。

圖7 動渦旋齒背部摩擦痕跡圖

3.2 進氣流量對渦旋膨脹機性能的影響

進氣流量對渦旋膨脹機性能影響較大，進氣量過小，會出現(xiàn)過膨脹現(xiàn)象，甚至會發(fā)生出氣口氣體倒吸現(xiàn)象，倒吸現(xiàn)象會消耗部分功率；如進氣流量過大，將會出現(xiàn)欠膨脹現(xiàn)象，氣體的能量不能得到充分利用[19]。在實驗時測試流量最小值設(shè)定為12m3/h，通過流量控制閥設(shè)定進氣流量值分別為18m3/h、24m3/h、30m3/h、36m3/h、42m3/h。

圖8反應(yīng)了隨著進氣流量的增加膨脹機轉(zhuǎn)速的變化情況。在不同阻值負載的作用下，膨脹機轉(zhuǎn)速隨進氣流量的增加而增大。當流量小于45m3/h時，較大的負載作用下的膨脹機轉(zhuǎn)速反而略微高一些。當流量大于45m3/h時，不同負載作用下的膨脹機最高轉(zhuǎn)速趨于一致。

圖8 膨脹機轉(zhuǎn)速-進氣流量變化曲線

當改變膨脹機的進氣流量時，其輸出軸功率也會變化，如圖9所示。不同負載作用下膨脹機的輸出功率隨著進氣量的增加而增大，最大輸出功率為1.387kW。而相同負載、進氣流量的工況下，改進前膨脹機的最大輸出功率僅為1.264kW。當進氣量達到48m3/h時，軸功率增加趨勢變緩。這種現(xiàn)象表明雖然增加進氣量可以增加膨脹機的輸出功率，但當進氣量達到一定值時，功率基本不再增加，因為過大的進氣量使得膨脹機內(nèi)發(fā)生欠膨脹現(xiàn)象，反而會消耗軸功[15]。

圖9 進氣流量-輸出功率曲線圖

圖10 進氣流量-外等熵效率變化曲線

圖10為進氣流量與膨脹機的外等熵效率變化關(guān)系曲線圖。從圖10中可以看出，隨著進氣流量的增加膨脹機的外等熵效率先增加后減小。不同負載作用下的膨脹機外等熵效率最大值在50%附近。結(jié)合圖9與圖10發(fā)現(xiàn)，當流量值為40m3/h時，該流量值靠近膨脹機最大功率流量區(qū)間與最佳外等熵效率流量區(qū)間，膨脹機既可以獲得較大的功率輸出又有較高的外等熵效率。

3.3 轉(zhuǎn)速對渦旋膨脹機性能的影響

膨脹機如轉(zhuǎn)速過高，會增加膨脹機進、排氣口的流動損失，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，會加劇內(nèi)部件的機械磨損，影響膨脹腔內(nèi)氣體的泄漏，進而影響其性能[19]。在實驗中，采用阻值連續(xù)可調(diào)的負載電阻，在給定的進氣壓力下，通過連續(xù)調(diào)節(jié)負載阻值的方法改變轉(zhuǎn)速，測試輸出功率及外等熵效率。

圖11為在不同進口壓力下，改變膨脹機的轉(zhuǎn)速時其輸出功率的變化曲線圖。由圖11可以看出，膨脹機存在一個最優(yōu)轉(zhuǎn)速，使得其輸出功率最大。當轉(zhuǎn)速大于最優(yōu)轉(zhuǎn)速時輸出功率減小。這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，會增大進氣過程中的節(jié)流及流動阻力損失，同時膨脹機的潤滑條件變差，摩擦功耗增大。對比不同進氣壓力下輸出功率變化曲線發(fā)現(xiàn)，進氣壓力不同時其最優(yōu)轉(zhuǎn)速也不同，且最優(yōu)轉(zhuǎn)速隨著進氣壓力的增大而增大。

膨脹機轉(zhuǎn)速改變時，不同進氣壓力所對應(yīng)的膨脹機外等熵效率變化曲線如圖12所示。當進氣壓力不變時，轉(zhuǎn)速對膨脹機的外等熵效率影響較小，當轉(zhuǎn)速變化時，外等熵效率雖然有一定幅度的波動，但基本上在該進氣壓力下的平均等熵效率值附近波動。當進氣壓力為0.6MPa時，外等熵效率基本維持在45%左右，進氣壓力為1.0MPa時，外等熵效率在38%左右；進氣壓力為1.4MPa時，外等熵效率均值為20%。由圖12可以看出，當進氣壓力較大時其外等熵效率較低，這是因為相同轉(zhuǎn)速情況下，較低的進口壓力使得膨脹過程中的泄漏量較小[20]。

圖11 膨脹機轉(zhuǎn)速-功率曲線圖

圖12 膨脹機轉(zhuǎn)速-外等熵效率圖

4 結(jié)論

本文首先對渦旋膨脹機動渦旋齒的齒頭、型線與進氣孔等進行了改進，研究了工作參數(shù)對改進后渦旋膨脹機性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)膨脹機最大外等熵效率為53%，與改進前相比提高約6.2%；隨著進氣壓力的增大，膨脹機的轉(zhuǎn)速、輸出功增大，且與負載成正比，且存在一個最佳壓力值，使得膨脹機的外等熵效率最大。

當進氣流量增加時，膨脹機轉(zhuǎn)速升高，但增幅逐漸變??；與此同時，膨脹機的輸出功率也逐漸增大，但當流量大于45m3/h時，膨脹機的功率增加幅度變緩；膨脹機的外等熵效率變化曲線呈拋物線變化，且不同的負載對應(yīng)著不同的最佳流量值，使得膨脹機的外等熵效率最大。

研究表明不同負載作用下的膨脹機有著不同的最佳轉(zhuǎn)速值，使得其輸出功最大，且進氣壓力越大，其最佳轉(zhuǎn)速值也越大，但是轉(zhuǎn)速的改變對膨脹機的外等熵效率影響較小。在進氣壓力值不變的情況下，不同轉(zhuǎn)速的膨脹機外等熵效率值僅在小范圍內(nèi)波動。

符號說明

h —— 焓，kJ/(kg·K)

L —— 流量，m3/h

M —— 扭矩，N·M

N —— 功率，W

n —— 轉(zhuǎn)速，r/min

P —— 壓力，MPa

s —— 熵，kJ/K

η —— 效率，%

下角標

exp——膨脹機

in——渦旋膨脹機輸入

loss——渦旋膨脹機內(nèi)部損失

1——工質(zhì)在膨脹機入口熱力學狀態(tài)點

2——工質(zhì)在膨脹機出口熱力學狀態(tài)點

s——等熵膨脹過程

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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。

上海市動力工程多相流動與傳熱實驗室開放基金項目（13DZ2260900）。

李壘（1985—），男，博士研究生，主要研究方向為新能源節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。E-mail：a7082928@126.com。聯(lián)系人：陶樂仁，博士生導師，教授，主要研究方向為傳熱傳質(zhì)強化、新能源應(yīng)用。E-mail：cry0307@usst.edu.cn。