CO2跨临界膨胀机的开发与实验研究

作为自然工质，CO2制冷系统越来越受到关注，然而目前CO2跨临界循环研究面临的最大问题是如何提高系统效率，使之能与普通工质循环竞争。为降低CO2跨临界循环的节流损失，开发膨胀机代替节流阀是研究的重要方向。文中给出开发CO2滚动活塞膨胀机的依据，以及在设计过程中需解决的吸气控制系统、泄漏和摩擦等问题采取的措施，同时建立CO2跨临界循环系统带膨胀机系统的实验装置，并对CO2滚动活塞膨胀机进行实验研究，发现膨胀机的输出功与负载有关，同时得出膨胀机的最高效率可达到32％以上，进一步的改进工作仍在进行。     

CO2滚动活塞膨胀机的设计与性能测试

通过对CO2跨临界循环的运行工况分析,确定滚动活塞式膨胀机的设计参数.指出控制泄漏损失和摩擦损失是提高膨胀机效率的关键.采用将发电机与膨胀机同轴联接,测量发电机电功率的办法来测量膨胀机的回收功率.经过CO2跨临界循环水-水热泵膨胀机回收功率测试实验台的运行实验,测定了CO2滚动活塞式膨胀机的性能,并进行了分析,提出了下一步改进的设想.     

二氧化碳跨临界循环系统用新型膨胀机的研发

由于传统的人工合成制冷剂对环境的不良影响,环保的自然工质CO2重新兴起。提高CO2跨临界循环系统的效率成为CO2制冷技术发展的一个研究重点。采用膨胀机可以提高CO2跨临界循环系统的效率,使其接近普通制冷系统的效率。在原有单缸滚动活塞膨胀机的基础上,设计并加工了新型双缸膨胀机样机,对其设计过程、运动原理等进行了介绍,并利用CO2跨临界水-水热泵系统对样机进行了性能测试,测试结果显示,在试验工况下,膨胀机的转速为780～1100r/min,其等熵效率的为28%～33%。     

CO2跨临界循环带膨胀压缩机系统热力学分析

膨胀压缩机是一种膨胀功回收装置，膨胀机的膨胀功全部用于提供给辅助压缩机作为输入功，以驱动压缩机完成压缩过程。膨胀压缩机在系统中可以与主压缩机串联和并联，由于布置形式不同，则压缩机的流量和压比改变，导致系统循环性能系数也发生变化。本文利用简单的压缩机模型，对CO2跨临界循环带膨胀压缩机的两种不同布置系统形式进行了分析，并在理想等熵情况和考虑压缩机和膨胀机效率情况下进行了对比，得出串联模式系统的中间压力不能达到系统最优中间压力，串联模式系统COP总是高于并联模式系统。     

深冷文献消息(国内部分)

20 0 0 6 10 1　涡旋式膨胀机热力过程分析与实验研究沈永年　《低温工程》　 2 0 0 0　№ 4　 2 3～ 2 8从涡旋式膨胀机的几何结构关系出发 ,对其热力过程进行理论分析 ,导出涡旋式膨胀机的的最小膨胀比 ,理论行程膨胀比和理论等熵效率等理论性能参数 ,并进行了初步的实验验证     

小型制冷装置二氧化碳膨胀机的研究

随着自然工质CO2研究的进一步发展，为了提高系统的COP，采用膨胀机取代节流阀的方法越来越受到人们的重视。首先介绍了采用膨胀的CO2跨临界循环的系统流程，选取典型工况分别对活塞式、螺杆式、转子式和涡旋式膨胀机进行了热力计算，并结合CO2超临界膨胀过程的特点和生产工艺，初步确定了各种型式膨胀机的结构尺寸。通过对比分析各种膨胀机的功率匹配特性，确定了不同应用场合膨胀机的选型原则和技术可行性。在此基础上，重点分析和讨论了适用于小型制冷装置的二氧化碳涡旋式膨胀机。通过初步的结构设计，提出了影响膨胀机性能的关键几何参数，并进行了理想涡旋膨胀机的热力分析，旨在为研究和设计CO2膨胀机样机提供理论依据和设计经验。     

二氧化碳膨胀机研究新进展

在综述国内外CO2膨胀机的研究现状，分析现有膨胀机技术特点的基础上，提出了CO2膨胀机研究中存在的问题。指出在CO2膨胀机的研究中，应该充分考虑CO2跨临界循环膨胀做功的特点，尽量减少其摩擦、泄漏及余隙容积损失，设计更为合理的进出口控制，促使CO2膨胀机的效率得到进一步提高。     

涡旋式膨胀机热力过程分析与实验研究

从涡旋式膨胀机的几何结构关系出发,对其热过程进行理论分析,导出涡旋式膨胀机的最小膨胀比、理论行程膨胀比和理论等熵效率等理论性能参数,并进行了初步的实验验证。指出造成涡旋式膨胀机实际过程中等熵效率偏低的主要原因是涡圈间隙内的泄漏损失以及其它不可逆水力损失。     

适用于变工况的组合式CO_2球形膨胀压缩机研究

介绍新型的适用于变工况的组合式CO2球形膨胀压缩机的结构特点,并将其与往复式、涡旋式、滚动转子式膨胀压缩机进行对比分析,论述这种CO2球形膨胀压缩机效率高的特点。     

新型CO2超音速两相膨胀制冷循环的理论研究

本文提出了以Laval喷管为核心部件的超音速两相膨胀机的概念,构建了以天然制冷剂CO2为工质的超音速两相膨胀制冷循环模型并对其进行理想循环热力学分析和模拟计算研究。结果表明：超音速两相膨胀机入口压力、入口温度和旋流分离段出口压力均对系统制冷性能有影响;在空调温区工况,CO2超音速两相膨胀制冷循环COP为6.69,是现有制冷性能相对最优的CO2跨临界制冷循环COP的1.63倍,且大幅降低系统压力;气液分离时液相速度损失对系统制冷性能有影响,系统COP由9.56减至6.01,相对卡诺效率由0.95减至0.60,但仍然保持在较高水平。通过初步的热力学分析和模拟计算研究表明,新型CO2超音速两相膨胀制冷循环具有较好的原理可行性和发展前景。     

Experimental study of cryogenic liquid turbine expander with closed-loop liquefied nitrogen system

A cryogenic liquid turbine expander is developed as a replacement for traditional Joule–Thomson valves used in the cryogenic systems for the purpose of energy saving. An experimental study was conducted to evaluate the performance of the turbine expander and is the subject of this paper. The test rig comprises a closed-loop liquefied nitrogen system, cryogenic liquid turbine expander unit, and its auxiliary and measuring systems. The test operating parameters of the turbine expander are determined on the basis of flow similarity rules. Pre-cooling of the liquid nitrogen system is first performed, and then the tests are conducted at different flow rates and speed ratios. The turbine expander flow rate, inlet and outlet pressure and temperature, rotational speed and shaft torque were measured. Experimental results and their uncertainties were analyzed and discussed. The following are demonstrated: (1) For both test cases, turbine expander peak isentropic efficiency is respectively 78.8% and 68.4% obtained at 89.6% and 92% of the design flow rate. The large uncertainties in isentropic efficiency are caused by the large enthalpy variations subjected to small measurement uncertainties in temperature and pressure. (2) Total efficiency and hydraulic efficiency of the turbine expander are obtained. They are essentially the same, since both include flow-related effects and also bearing losses. Comparisons of total efficiency and hydraulic efficiency were used to justify measurement uncertainties of different quantities, since the former involves the measured mass flow rate and enthalpy drop (being dependant on inlet and outlet temperature and pressure), while the latter involves the actual shaft power, volume flow rate, and inlet and outlet pressure. (3) Losses in flow passages and the shaft-bearing system have been inferred based on the measured turbine expander total efficiency, isentropic efficiency, and mechanical efficiency, which are respectively 57.6–74.8%, 62.1–78.8% and 89.5–96.4%. Uncertainty analysis is conducted for experimental isentropic efficiency, hydraulic efficiency, and total efficiency. The hydraulic efficiency seems to be the best measure for assessing the performance of cryogenic liquid turbine expander. (4) Isentropic efficiency versus speed ratio is obtained from the experimental data. The experimental isentropic efficiency increases with the speed ratio, and it reaches 78.8% at the largest experimental speed ratio. A higher efficiency would be achieved if the speed ratio could reach a larger value. This provides some guidance for an optimal operation of the turbine expander in the future.     

全封闭式涡旋膨胀机在车用有机朗肯循环中的特性研究

本文针对中低温余热特性搭建了2kW目标发电量的小型有机朗肯循环发电系统。实验研究了全封闭式涡旋膨胀机在有机朗肯循环系统中的参数特性。通过改变膨胀机进出口的状态,研究了运行压比和转速对于膨胀机单体及系统性能的影响。性能参数主要包括等熵效率、容积系数、循环热效率及循环净功。结果表明:膨胀机运行压比是影响系统性能的重要参数,循环净功随压比的增大而增加,循环热效率及膨胀机的等熵效率随压比变化均存在最优值;考虑内泄漏及摩擦损失等影响,最优运行压比一般应略大于膨胀机设计比;提高膨胀机转速能有效减少内泄漏损失。     

Improved rotary vane expander for trans-critical CO2 cycle by introducing high-pressure gas into the vane slots

The loss of contact between the vane tip and cylinder wall was proven to cause a serious leakage and inefficient operation of the rotary vane expander, which was developed to replace the throttling valve in the trans-critical CO₂ refrigeration system. An improved structure was suggested by introducing high-pressure gas into the vane slots. This paper presents the experimental investigation of the improved prototype expander. By comparing the improved prototype with the original, focusing on the expander performance and the p-θ diagram as well as the vane movement, the effects of introducing high-pressure gas into the slots on the thermodynamic processes and performance were analyzed. The results showed that, by introducing the high-pressure gas into the vane slots, the volumetric efficiency was increased from 17% to 35%, and the isentropic efficiency improved from 15% to 45%, resulting in a maximum COP improvement of 27.2% compared to the throttling cycle under the same working conditions.     

探测低空大气温度分布的转动拉曼激光雷达

提出了一种新的探测对流层低层大气温度的转动拉曼激光雷达方法,通过测量N2和O2的后向散射的纯转动拉曼谱的强度,计算它们的比值来确定大气温度的垂直分布,并对其性能进行了数值模拟。转动拉曼激光雷达的光源是一个调Q的Nd:YAG激光器,经扩束器后输出能量200mJ;采用双光栅单色仪提取所需要的氮气和氧气的转动拉曼谱;接收机采用光电倍增管和双通道光子计数器,量子效率是10%(48000个脉冲累加)。夜晚它对近地面10.2km高度内的探测信噪比在10:1以上,白天它对近地面3.6km高度内的探测信噪比在10:1以上,计算的温度与模拟用的温度真值阔线相差约0.3K。     

二氧化碳往复式膨胀机的效率分析

本文在对CO2往复式膨胀机的损失进行分析的基础上,根据热力学方程建立了简单的效率分析方程.在进行计算的基础上,具体分析了泄漏损失、余隙容积损失、摩擦损失、进出口阀节流损失等各种不可逆损失随进出口压力比的变化趋势,结果表明泄漏损失和摩擦损失在总损失中所占的份额较大,而且随进出口压比的变化趋势相反.文中还提出了减少各种不可逆损失,提高膨胀机效率的一些具体措施.     

蒸气压缩式制冷系统中能量回收旋叶膨胀机的几何理论研究

用膨胀机代替节流阀,回收利用膨胀功,是提高制冷空调系统能效比的有效途径.在传统旋叶式膨胀机的基础上,开发了一种可用于R410A制冷空调系统、具有高膨胀比的新型两级旋叶式膨胀机.介绍了该膨胀机的设计方法,给出了标准空调工况下的计算结果,详细讨论了两级旋叶式膨胀机的工作过程,并对两级膨胀机与传统旋叶式膨胀机的区别进行了论述,最后分析了滑片倾角对工作腔基元容积的影响,结果显示,滑片倾角对工作腔基元容积的影响很小,在膨胀机的设计过程中忽略滑片倾角的影响是合理可行的.     

基于火积耗散热阻的Collins氦液化循环的优化分析

在固定换热器有效度的前提下,针对氦液化循环中的透平流量进行优化分析,结果发现,对于Collins循环而言,当每一级透平的流量相等且透平总流量为压缩机流量的80%时,所获得的液化率最大。由换热器热容比出发,引进了基于火积耗散热阻的概念,从换热器热容比引起热阻改变,从而影响换热状况的角度探究了这一结论的根本机理。所用的分析方法可用于其它流程的分析。