单螺杆膨胀机全流膨胀过程机理分析与研究

单螺杆膨胀机是一种新型膨胀动力设备，兼具速度型和容积型膨胀机的特点，具有非常好的发展潜力。然而目前缺乏相关基础研究工作。单螺杆膨胀机的工作过程十分复杂，由工质/润滑油组成的多相多组分流体在复杂的三维流道内相互作用、相互影响，通过全流膨胀过程实现热功转换。为提高单螺杆膨胀机热力完善度，需要开展单螺杆膨胀机全流膨胀过程的作用机理研究，展开在单螺杆膨胀机复杂流道内多元多相流体的流动、传热和能量转换机理的研究，分析影响效率的主要因素，结合有机朗肯循环全工况性能测试的实验研究，找到优化单螺杆膨胀机结构及运行方式的方法，为单螺杆膨胀机的实用化提供研发基础和技术支撑，为我国节能减排事业贡献力量。

本课题针对单螺杆膨胀机的基本原理和实际工作过程展开初步的理论分析和实验研究，获得影响单螺杆膨胀机性能的主要影响因素，主要研究工作如下：对单螺杆的几何结构进行了解析法计算分析，比较了不同公式的计算精度，并获得了容积随转角变化的规律；对单螺杆膨胀机实际工作过程进行了热力学分析。通过减小配合间隙可减小泄漏量，但会增加机械摩擦，因此二者之间存在优化关系。通过分析还发现，泄漏对于单螺杆膨胀机性能的影响非常大，但由于螺杆槽道为三维扭转空间，泄漏的工质仍有部分做功能力，只是做功形式由体积功变为流动功；对单螺杆膨胀机的一些工艺问题进行了总结和分析，提出了确保单螺杆膨胀机性能的几个关键工艺问题。提出了基于单螺杆膨胀机的气体动力制冷循环的热力学模型，并分析了各种因素对循环热力性能的影响。结果表明，增加回热器会恶化系统性能，但可以有效降低膨胀机出口温度，实际系统中，回热温度的选择需要综合考虑系统性能和其它降温方法的结合并进行优化设计；提出了基于单螺杆膨胀机的有机朗肯循环低温热能发电系统的热力学模型，并分析了各种因素对循环热力性能的影响。结果表明，在有机朗肯循环热源侧换热过程中，不能忽略有机工质定压比热随温度的变化情况。比较了典型的六种工质（湿工质、等熵工质和干工质各两种），在相同蒸发温度和冷凝温度条件下，R245fa具有最佳的综合性能，其次是R600和R600a，但如果在相同蒸发温度和膨胀比条件下，R600具有最佳的综合性能，其次是R600a，而R245fa的效果最差，这说明膨胀机性能对工质的选择具有决定性影响。开展了配合间隙对膨胀机性能影响的实验研究。结果表明，通过合理的间隙控制可显著提高膨胀机的性能，测试的自制膨胀机最大轴效率达到58.5%，最大容积效率达到66%，最小耗气率约为60kg/kWh。结果还表明，即使在较低的容积效率时，仍可能产生较高的功率输出和较大的温降，这与前期的理论分析一致。带湿膨胀会提高其工作性能，验证了“全流膨胀”现象，但这种提高的有效性随着膨胀机性能的提高而减弱；开展了了基于单螺杆膨胀机的有机朗肯循环系统的初步实验研究，膨胀机最大输出功率约为1.7kW，轴效率约为70%左右，循环最大热效率约为5.6%。本项目共发表论文8篇，其中SCI收录2篇，EI收录2篇，在国际学术会议上做分组报告1篇，全国学术会议上做分组报告2篇。