胡惠惠,歐陽新萍,侯慶亞,白樺

(上海理工大學 能源與動力工程學院,上海 200093)

我國工業(yè)能耗占總能耗的70%以上,在能量轉換過程中,有至少50%的能源轉化為低品位熱能,但目前工業(yè)余熱資源回收率僅為30%[1]。有機朗肯循環(huán)(Organic rankine cycle,ORC)是利用低沸點有機工質,將低品位熱能轉化為高品味電能的技術,為減少環(huán)境污染、發(fā)展新能源的轉換和利用提供了有效辦法[2-3]。低品位熱能除了工業(yè)余熱,還有地熱能、太陽能和生物質能等,我國儲量豐富。但目前有機朗肯循環(huán)在國內的發(fā)展由于膨脹機技術尚未成熟而受到了制約。膨脹機作為低溫技術領域冷量獲取和廢熱回收的能源裝備,是有機朗肯循環(huán)的關鍵部件,對循環(huán)系統(tǒng)性能有重要影響[4-5]。結構上,膨脹機可分為兩類:一類為向心透平式、軸流透平式等速度型膨脹機;另一類為渦旋式、活塞式、螺桿式、旋片式、三角轉子式、擺線式和羅茨式等容積型膨脹機。速度型膨脹機的工作原理是利用噴嘴和葉輪將高溫高壓氣體轉化成高速流體,再將高速流體的動能轉化為旋轉機械的軸功,常見于高轉速和大流量的場所。容積型膨脹機則是通過改變工質體積獲得膨脹比和焓降,將流體的壓力能和動能轉化為旋轉機械的軸功,實現(xiàn)能量轉化,常見于小流量、大膨脹比的場合[6]。利用ORC系統(tǒng)回收低品位熱能的功率輸出大概在1～50 kW的范圍內[7],一般采用容積型膨脹機。

目前國內外相關學者對基于ORC的容積型膨脹機已有一些研究。Zhao等[8]對近年來應用于低溫熱回收ORC系統(tǒng)的膨脹機裝置進行了總結。他們指出目前大多數(shù)的膨脹機效率都較低,直接影響了ORC系統(tǒng)的效率。造成效率低的原因主要與設計,制造,裝配等因素有關。Ali等[9]對旋葉式膨脹機進行了研究和改進,克服了普通旋轉葉片膨脹機的密封、潤滑等方面的局限性,并將其應用到了ORC循環(huán)系統(tǒng),但該膨脹機容積效率較低。劉廣彬等[10]采用R123為循環(huán)工質,建立了應用于低溫余熱回收系統(tǒng)中渦旋膨脹機工作過程的數(shù)學模型,分析了吸、排氣損失和泄漏、傳熱對其工作過程的影響。王圣冰等[11]提出了一種采用半封閉式膨脹機、發(fā)電機一體化設計的渦旋膨脹機組,建立了熱力學模型并進行數(shù)值模擬計算。Giuffrida等[12]設計了一種新型平衡滾動活塞膨脹機,概念上能夠比其他正排量膨脹機(如渦旋式或螺桿式機械)在更高的流體溫度下運行,并采用徑向平衡轉子,省去了進排氣控制機構。Dumnoe等[13]對活塞式、螺旋式、渦旋式和羅茨式膨脹機在進行實驗比較的基礎上,提出了一種適用于小型有ORC的膨脹機的選擇方法。但試驗臺在質量流量、壓降以及其他方面存在實驗限制,并沒能測出每臺膨脹機所能達到的最高效率。Clemente等[14]建立了往復式膨脹機的數(shù)值模型,證實了實現(xiàn)小規(guī)模能源回收和熱電聯(lián)產系統(tǒng)的可能性?？傮w而言,相關研究大多都還停留在理論和實驗階段。因此,開發(fā)用于ORC等小容量能量回收的容積膨脹機仍然是研究的方向。

本文設計了一種新型回轉式容積型膨脹機,利用球形滾珠的旋轉運動輸出膨脹功,適用于ORC等小容量能量回收裝置。

1 球形滾珠膨脹機的結構和工作原理

1.1 球形滾珠膨脹機的結構

此球形滾珠膨脹機主要是由同心的球殼與球體、兩個球形滾珠組成,其整體的三維結構如圖1所示。

圖1 膨脹機三維結構圖

球體的結構如圖2所示。球體表面上有兩條對稱的球體弧槽,以及與球體弧槽垂直相交的球體凸環(huán),在球體弧槽和球體凸環(huán)相交處分別有一個凸環(huán)缺口。滾珠在球體弧槽中往返運動時,可從凸環(huán)缺口處通過球體凸環(huán)。

圖2 球體結構圖

球殼的結構圖如圖3所示。球殼的內表面布置有一條360°的球殼環(huán)槽和一條與球體凸環(huán)配合的360°的球殼凹環(huán),球殼環(huán)槽與球殼凹環(huán)相交成45°。

圖3 球殼結構圖

膨脹機整體結構的剖面圖如圖4所示。球體凸環(huán)嵌入球殼凹環(huán)中,球體與球殼形成間隙配合,球體可沿相嵌的環(huán)道在球殼內回轉。兩個球形滾珠對稱地嵌在球體和球殼之間。滾珠體積一半在球殼環(huán)槽里,另一半在球體弧槽里。其中,球殼環(huán)槽是氣缸空間。球殼環(huán)槽和兩條球體弧槽45°交匯,滾珠即位于兩個交匯處。球殼環(huán)槽和球殼凹槽的相交位置稱為“球殼槽交匯處”。在每個球殼槽交匯處的兩側,均分別開設有排氣口和進氣口。在兩處“球殼槽交匯處”,球體凸環(huán)周期性的分隔球殼環(huán)槽,使得凸環(huán)和滾珠之間的球殼環(huán)槽為壓縮空間和膨脹空間,實現(xiàn)氣體吸入、壓縮和排氣效果。

圖4 膨脹機整體結構剖面圖

1.2 球形滾珠膨脹機的工作原理

氣體流動和膨脹推動球形滾珠轉子運動,球形滾珠轉子在球體弧槽和球殼環(huán)槽的共同約束下,帶動球體轉動。球形滾珠轉子在球殼環(huán)槽內作回轉運動,在球體弧槽內作往復運動。在氣缸中,球形滾珠轉子回轉運動的前方是排氣腔,它的后方空間是進氣腔或膨脹腔。球形滾珠轉子前方后方空間氣體力的壓差提供了其運動的動力。氣體進氣和膨脹過程中,推動球形滾珠運動,使其在球體弧槽和球殼環(huán)槽的共同約束下,帶動球體轉動,輸出機械功。在三維空間中,以球體球心為原點,沿著球體軸為x方向,z方向指向球體凸環(huán)。由于球殼環(huán)槽與球殼凹環(huán)成45°夾角,滾珠轉子運動軌跡成圓形,因此該圓所在平面與xz平面成45°夾角,其滾珠轉子的運動軌跡示意圖如圖5所示。由示意圖進一步可知,與兩條球體弧槽45°交匯的球殼環(huán)槽是氣缸空間。

圖5 滾珠轉子運動軌跡示意圖

其運行過程可進一步闡述如下。定義球形滾珠位于“球殼槽交匯處”的位置為初始相位,此時兩個球形滾珠對稱分布于兩道球體弧槽中間,也是位于進氣口和排氣口之間。設計滾珠沿著圖1所示的球殼環(huán)槽的左上方運動。依賴運動慣性,滾珠剛好完全通過進氣口后,球體凸環(huán)將球殼環(huán)槽隔斷,進氣閥打開,開始進氣,此時滾珠后方腔體內壓力略小于進氣壓力Ps0。進入一定量的氣體之后,進氣口關閉,進氣過程中腔體內的壓力為Ps0。氣體開始膨脹,推動滾珠沿著球殼環(huán)槽運動,同時帶動球體弧槽運動,即帶動球體轉動,通過球體軸輸出膨脹功。氣體進入滾珠的后方空間后,滾珠前方空間氣體已膨脹結束開始排氣,理論上腔體內的氣體的壓力等于排氣壓力Pdk(實際稍大于)。當滾珠運動至接近排氣口位置時,滾珠運動前方的氣體即將排放完畢,后方的氣體則即將膨脹結束。當滾珠行至排氣口位置時,滾珠后方氣體膨脹結束,達到排氣壓力。接著球形滾珠到達排氣口和進氣口之間,即到達另一個球殼槽交匯處,球體凸環(huán)缺口也到達該球殼槽交匯處,滾珠通過球體凸環(huán)缺口。在球形滾珠轉子通過球體凸環(huán)缺口時,球體轉過了180度。隨后球體凸環(huán)再次將該球殼槽交匯處隔斷,接著滾珠重復相同的運動過程回到初始相位。兩個球形滾珠帶動球體旋轉一圈,在其球殼環(huán)槽中,各產生2次進氣、膨脹、排氣過程。對于球形滾珠膨脹機整體而言,共產生4次進氣、膨脹、排氣過程。滾珠轉子移動后方容積、壓力隨球體轉過角度的變化曲線圖如圖6所示,其中實線代表壓力變化曲線,虛線代表容積變化曲線。

圖6 滾珠轉子移動后方空間容積、壓力變化圖

2 球形滾珠膨脹機主要部件設計

2.1 球體凸環(huán)設計

球體凸環(huán)在球殼槽交匯處將球殼環(huán)槽隔斷,球殼環(huán)槽被分成兩個工作腔體。球體凸環(huán)兩側既承受壓差,又受到球殼壁面的剪切力。因此,球體凸環(huán)要有適當?shù)暮穸?但又不能太厚,以免過多地占用氣缸容積。球體凸環(huán)的高度與球體凸環(huán)缺口的高度有關。球體缺口是為了讓球形滾珠轉子通往另一個工作腔體,開始下一個吸氣膨脹排氣過程。從減少泄漏量的角度考慮,凸環(huán)缺口設計為包裹式,即凸環(huán)缺口形狀設計為圓形,凸環(huán)總高度大于滾珠轉子通過的需要高度。

球體凸環(huán)的受力分析如圖7所示,氣體力F1和F2分別作用于球體凸環(huán)的兩側,F1是最大工作壓力,F2是排氣壓力。F1>F2,球體凸環(huán)所受的壓差F=F1-F2,該壓差作用于球體凸環(huán)與球殼環(huán)槽相交的的部分。球體凸環(huán)會受到球殼給它的一個反向作用力F3,F3=F。剪切力發(fā)生在球體凸環(huán)的受力部分和非受力部分之間。球體環(huán)槽與球體凸環(huán)之間的夾角是45°,因此,球體凸環(huán)所受的正向力與氣體力之間夾角也是45°。為了防止球體凸環(huán)不被切應力所剪斷,球體凸環(huán)所受的切應力應不大于其許用切應力。

圖7 球體受力示意圖

2.2 球殼凹環(huán)和球殼環(huán)槽的設計

膨脹機運行時,球體凸環(huán)嵌入球殼凹環(huán)中,兩者相配合,球殼保持靜止,球體在球殼中轉動。凹環(huán)槽深與凸環(huán)高度相同。凹環(huán)槽底與球殼外壁距離較小,球殼最薄處在凹環(huán)槽底。因此,需重點分析球殼凹環(huán)槽處,看其是否屈服。依據(jù)Lame解答[15],計算其應力大小,判斷凹環(huán)槽處能否屈服。

球殼環(huán)槽是膨脹機的氣缸空間,將球殼氣缸等效為外半徑為b,內半徑為a,并且受均布外壓力Po和均布內壓力Pi的圓環(huán)進行分析,如圖8所示。圓環(huán)壁厚等于球殼凹環(huán)槽處的壁厚。圓環(huán)所受的環(huán)向應力與徑向應力的大小都應小于材料的許用應力值。

圖8 球殼環(huán)槽受力圖

2.3 取消進氣閥的進氣控制結構

為了保證球形滾珠膨脹機能膨脹做功,在進入一定量的工質之后,進氣閥必須關閉。進氣閥是易損部件,取消進氣閥有利于減少流動損失,降低閥門振動噪聲,提高系統(tǒng)運行可靠性。本文給出的優(yōu)化結構如圖9所示,將球體上的矩形凸環(huán)的部分角度(φ)改為T形凸環(huán),如圖10所示。相應地,球殼凹槽也改為T形結構。這樣,當球體凸環(huán)的T形結構部分經過進氣口時,可擋住進氣口不進氣,非T形結構部分經過進氣口時,恢復進氣。改變球體凸環(huán)的T形結構的角度φ,即可調節(jié)進氣量、膨脹比。此結構可以省去進氣閥及其控制結構的設置,提高膨脹機運行的可靠性。

圖9 優(yōu)化進氣結構的膨脹機球體圖

圖10 優(yōu)化進氣結構的膨脹機球體三維圖

3 潤滑與泄漏分析

3.1 潤滑系統(tǒng)

球形滾珠膨脹機氣缸與滾珠轉子之間,球體軸與軸承之間有高速的相對運動,存在著阻礙它們相對運動的摩擦力。部件之間的摩擦會造成膨脹機部件的磨損,引起的幾何結構的變化會導致其喪失原本的設計功能,最終發(fā)生失效。并且部件之間的摩擦會產生過多的熱量從而降低膨脹機的使用壽命,甚至會燒壞相對運動部件之間的接觸表面。減小相對運動部件之間的摩擦可以通過潤滑的方式來實現(xiàn)。該球形滾珠膨脹機的潤滑分兩部分,即不與膨脹機工質接觸的外部潤滑(也稱循環(huán)潤滑)和與膨脹機工質接觸的內部潤滑。外部潤滑作用于膨脹機軸承和球體軸等運動部件;內部潤滑主要潤滑膨脹機氣缸及球形滾珠轉子膨脹容積部件。兩部分均采用壓力潤滑,由油泵提供驅動力。由于膨脹機的工作環(huán)境較為惡劣,進出口溫度均屬于高溫,且壓力較高,因此潤滑油選用N46～N48透平油(參考浙江開山螺桿膨脹機發(fā)電機組用油),油壓控制在0.1～0.2 MPa,平衡油壓在0.5～0.7 MPa,因進排氣壓差較小,可不設平衡油缸,回油溫度控制在60～70 ℃以下。設置冷卻系統(tǒng)對潤滑油進行冷卻。

3.2 余隙容積與泄漏損失

從膨脹機的結構可以看到,球體上兩條對稱的球體環(huán)槽用于約束滾珠轉子在球體上的往復運動,滾珠在球體環(huán)槽內運動至兩側時存在余隙容積,造成有害壓縮,因此在靠近球體環(huán)槽兩端3 mm位置開設矩形凹槽,使得未隨滾珠運轉進入膨脹腔體的氣體通過,減少余隙容積損失。泄漏損失主要存在于滾珠轉子與氣缸內壁的周向泄漏及相鄰腔體之間的回流泄漏。針對周向泄漏,建立泄漏模型計算臨界配合間隙值,在不影響運行的情況下,盡量減小泄漏間隙。在本球形滾珠壓縮機中,球體凸環(huán)固定在球體上,球體旋轉帶動球體凸環(huán)旋轉。當氣缸內滾珠轉子前方壓縮排氣快結束,球體凸環(huán)中圓形缺口剛開始抵達球殼槽交匯處,與其交匯時,正在進行壓縮排氣的壓縮腔內氣體會短時間與相鄰低壓腔室連通,導致氣體發(fā)生回流泄漏現(xiàn)象。針對回流間隙,位于球體凸環(huán)上的凸環(huán)缺口在原先半圓形截面的基礎上進一步研究,改進為與球形滾珠轉子運行軌跡相配合的型線,減少運行過程中的回流泄漏。

4 容積效率的計算

容積效率是指在吸氣過程由氣缸吸入的氣體的實際體積除以氣缸體積。 容積效率是表現(xiàn)氣缸空間利用率的指標,其值越大表示利用率越高。

容積系數(shù)表達式[16]為

(1)

式中:λv為容積系數(shù);c為相對余隙容積,本膨脹機余隙容積很小,取c=0.005[14];Δpd為排氣壓力,Pa;ε為膨脹比,設計為3.37;m為膨脹系數(shù),取1.05。

故容積效率為

ηv=λvλpλTλl=0.758

(2)

式中:ηv為容積效率;λv為容積系數(shù);λp為壓力系數(shù),取0.995[16];λT為溫度系數(shù),取0.794[16];λl為泄露系數(shù),取0.970[17]。

由文獻[18]可知，渦旋膨脹機的實測容積效率為0.6～0.7,由文獻[19]可知，單螺桿膨脹機的效率為0.4～0.7。經理論推算,本文設計的膨脹機的容積效率高于絕大多數(shù)傳統(tǒng)膨脹機的容積效率。

5 球型滾珠膨脹機的特點分析

球形滾珠膨脹機在運動過程中,球形滾珠和球體都是作旋轉運動,沒有傳統(tǒng)活塞膨脹機的往復慣性力,運動平衡性好,因而運轉效率高。與其它回轉型的膨脹機(如螺桿、渦旋等)相比,零件數(shù)少、結構簡單、加工方便,生產成本低。

從球形滾珠膨脹機的工作原理和結構來看,要增大或減小膨脹機容量(或氣體流量)只需增加或減小膨脹機的結構尺寸即可,不會帶來加工工藝問題或運行效率問題,因此,可適用的容量范圍廣。由于工作容積為球殼內部的部分空間,球體所占容積為非工作容積,因此,隨著結構尺寸的減小,球體所占容積相應減小,工作容積的占比相應提高。故對于小容量的氣體膨脹而言,該膨脹機更有優(yōu)勢。

對于ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)等小容量能量回收裝置,目前所供選擇的容積型膨脹機有限,且運行效率不高;球型滾珠膨脹機是一種新的選擇方案。球型滾珠膨脹機的研發(fā),豐富了容積型膨脹機的類型,為ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的推廣和高效運行起到了促進作用。

新型球形滾珠膨脹機組合了滾動轉子式膨脹機和往復式活塞膨脹機的部分特征及優(yōu)點,結構簡單、零件數(shù)少、制作方便、運動平衡性好。結構上,由于兩個球形滾珠對稱布置,沿球殼環(huán)槽做回轉運動,離心慣性力相互抵消,運動平穩(wěn),同時也沒有往復慣性力。所提出的一種進氣結構優(yōu)化方案,可取消進氣閥,減小了流動損失和閥門振動噪聲、提高可靠性。目前,適用于中低溫有機朗肯循環(huán)的小功率膨脹機較少,此球形滾珠膨脹機有望在有機朗肯循環(huán)中低溫地熱發(fā)電系統(tǒng)進行推廣和應用。

6 結論

1) 球形滾珠膨脹機工作原理和結構具有新穎性和可行性。

2) 球形滾珠膨脹機結構簡單、零件數(shù)少、制作方便、運動平衡性好,運轉效率高。

3) 進氣結構可設置或不設置進氣閥。對于不設進氣閥方案,可減小氣體流動損失和閥門振動噪聲、提高可靠性。

4) 球形滾珠膨脹機可適用的容量范圍廣,尤其對于小容量的氣體膨脹更有優(yōu)勢,因此可作為中低溫ORC的小功率膨脹機的選用,對ORC的中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的推廣和高效運行起到促進作用。