Experimental study of the influence on the performance of the single screw expander with different m

Development of Energy Science November 2014, Volume 2, Issue 4, PP.34-38

Experimental Study of the Influence on the Performance of the Single Screw Expander with Different Medium Humidity Chaofeng Ren, Jingfu Wang#, Yanqing Xue, Xinxin Zhang Bejing University of Technology, Beijing 100124, China #

Email: jfwang@bjut.edu.cn

Abstract A single screw expander was developed for low-temperature waste heat power generation system. The advantages of single screw expander are low speed, big expansion ratio and high volumetric efficiency, etc. Moreover, it allow wet vapor into the expander because of its adaptive of full flow expansion. In the paper, the influence of medium humidity on the performance of single screw expander was detailed experimented with compressed air mixing water vapor. It is formed that the appropriate increase of medium humidity can effectively improve the power and efficiency of single screw expander.

Keywords: Single Screw Expander; Performance Test; Moisture Content

膨胀介质湿度对单螺杆膨胀机性能影响的 实验研究* 任超峰 1,2，王景甫 1，薛艳青 1，张新欣 1 1.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124 2.北京工业大学 传热强化与工程节能教育部重点实验室，北京 100124 摘

要：研究开发了一种用于中低温余热发电的小型动力装置—单螺杆膨胀机。单螺杆膨胀机具有转速低、膨胀比大、

容积效率高等特点。特别是适合全流膨胀，允许水蒸气进入膨胀机。本文以压缩空气添加水蒸气为为膨胀机介质，对膨 胀介质湿度下单螺杆膨胀机性能的影响进行了详细的实验研究。研究结果表明：在膨胀介质中适当的湿度增加能够有效 提高单螺杆膨胀机的功率和效率。 关键词：单螺杆膨胀机; 性能测试 ; 含湿量

引言 随着人口的增长和近年来工业的发展，人类对能源的需求与日俱增。一些发达国家能源利用率都占 50%以上，美国的能源利用率已超过 60%，而我国的能源利用率要低于发达国家水平约为 33%，比发达国 家约低 10%[1-2]，而影响我国能源利用率的因素之一是工业余热利用率低。余热利用是我国《节能中长期发 展专项规划》中的十大重点工程之一[3]。特别一些领域里的余热资源没有得到合理的利用以及小规模低温发 电动力设备技术效率底下等因素导致了能源的浪费。因此提高能源利用率尤其是提高低温余热发电系统能 源利用率就显得尤为重要了。所以开发适用于低温余热发电的新一代小型高效动力设备成为了重要的研究 方向，而发展单螺杆膨胀机技术正是解决这一问题的关键[4-6]。 单螺杆膨胀动力机是 20 世纪 70 年代末发展起来的新型余热发电装置。它是通过两个形似蜗轮截面的星 *

国家重点基础研究发展计划（973 计划）资助（2013CB228306） - 34 http://www.ivypub.com/des

轮与螺杆相啮合，并与壳体形成密闭容器来实现膨胀，螺杆通常有 6 个螺槽，星轮对称啮合，各自实现膨胀 过程。单螺杆膨胀机是一种新型的容积式膨胀机，适用的功率范围在 1kW～1000kW 范围内，可克服传统蒸 汽轮机和燃气轮机不能做小的缺陷。另外容积式膨胀的特点使它适合多种工质，可以为高压气体、过热蒸 汽、饱和蒸汽、汽液两相或热液，这不仅大大拓宽了能够回收发电的低温热源的温度范围，也特别适合各 种气体压力能的回收 [1,7] 。因此单螺杆膨胀机具有非常好的发展潜力，有望在该领域内扮演关键角色。然 而，国内外对单螺杆膨胀机的相关研究还没有完全成熟，因此仍有必要对单螺杆膨胀机展开进一步研究。 北京工业大学王伟等用压缩湿空气和干空气对单螺杆膨胀机进行了性能测试。北京工业大学张勇[8]针对 中低温地热发电系统，应用压缩空气和水蒸气对单螺杆膨胀机做了相关的实验研究。北京工业大学何为针 对单螺杆膨胀机作为气动发动机，利用空压机和高压气瓶进行了实验研究，研究表明实验室自制单螺杆膨 胀 机 样 机 最 大 输 出 功 率 为 22.4kW ， 可 实 现 最 大 温 降 74.21℃ ， 最 高 总 效 率 55.9% ， 最 低 气 耗 率 59.46kg/(kW·h)，体现了较好的动力性能、制冷性能和经济性能，工作效率也基本达到各类发动机效率的标 准 [9] 。1989 年胡亮光等进行了全流膨胀螺杆机发电实验，在干度 0.1 时效率最佳，螺杆膨胀机效率达到 38%[10-11]。 介于湿度对于膨胀机的影响还没有做出系统的研究，本文主要以压缩空气为介质，加入部分水蒸汽， 调节水蒸气的含量以改变压缩空气的含湿量，测试含湿量对单螺杆膨胀机性能的影响。

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单螺杆膨胀机实验流程和实验内容

1.1 实验流程 本实验的系统流程图见图 1，实验台的核心设备是单螺杆膨胀动力机，该膨胀机为容积式膨胀机，与透 平的显著差别在于单螺杆膨胀动力机注重压力参数，而透平注重速度参数。单螺杆膨胀机在一定转速下， 出口流量恒定，本选题的设计流量均由膨胀机出口流量在膨胀比为 6 的条件下反向推导得出。根据制造者提 供，10kW 膨胀机额定出口流量为 1.1 m3/min。

1-空气压缩机 2-除湿器 3-储气罐 4-空气加热器 5-蒸汽发生器 6-单螺杆膨胀机组 7-气液分离器 A-流量计 B-压力表 C-热电阻 D-流量计 E-压力表 F-热电阻 G-压力表 H-热电阻 I-压力表 J-热电阻

图 1 单螺杆膨胀机测试系统流程图

空气由压缩机加压和除湿器进入储气罐，储气罐可以保证流出空气压力的相对稳定。从储气罐里流出 的高压气体经过空气加热器的加热流经流量计、压力表、热电阻（可以计算出空气的质量流量）与来自蒸 汽发生器的水蒸气（也经过流量计、压力表、热电阻）混合，最终进入单螺杆膨胀机组，膨胀后的气体分 离器排到外界。

1.2 实验内容 本次实验是为了改变压缩空气的含湿量，分析随着压缩空气含湿量的变化，膨胀机的性能的变 化情 - 35 http://www.ivypub.com/des

况。因此需要记录压缩空气和水蒸气的质量流量，以及膨胀机进出口的温降和压降。空气的压力设置为 0.55MPa，并通过除湿、加热使其温度达到 140℃左右。由于蒸汽发生器的额定压力为 5 个大气压，所以此 次设定水蒸气加热后的压力约为 0.45MPa。调节阀门控制其流量，并由安捷伦数据采集仪记录下每秒的变化 数据。两种气体混合以后采集记录下他们的压力、温度。然后将所有的安捷伦数据采集仪收集的数据汇总 以后进行分析处理。

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数据分析

2.1 扭矩和功率

(b) 功率随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

（a） 扭矩随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

图 2 不同转速下单螺杆膨胀机的扭矩和功率随水蒸汽的含量的变化曲线

如图 a 所示扭矩随水蒸气的加入呈增加趋势，在刚加入水蒸气的时候出现了减小趋势，幅度比较小，随 后呈递增趋势增加，且趋向于平稳状态。 如图 b 所示功率随水蒸气的加入呈增加趋势，随着水蒸气的加入，功率单螺杆膨胀机的转速有了明显的 增加。水蒸气具有润滑效果，可减少了膨胀机的摩擦阻力，提高了膨胀机的功率。 由两幅图相比较可以看出在相同的水蒸气含量的情况下，不同转速之间功率和扭矩呈相反的状态，功 率随转速的增加而增大，扭矩随转速的增加而减小。而含湿量不同的情况下，随着含湿量的增加功率和扭 矩都有一定的增加。

2.2 膨胀比和空气流量

（c） 膨胀比随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

（d） 空气流量随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

图 3 不同转速下单螺杆膨胀机的膨胀比和空气流量随水蒸汽的含量的变化曲线 - 36 http://www.ivypub.com/des

由图 c 可知，单螺杆膨胀机的膨胀比随着含湿量的增加呈增加趋势，并且随着水蒸气的加入趋向于平稳 状态。 由图 d 可知，空气流量随含湿量的增加呈减小趋势。其变化范围在 1-2.5m3/h,变化不大，并且变化趋势 与膨胀比的变化趋势相反。 两幅图相比较可知，当水蒸气进入管道以后，随着水蒸气的加入和管道直径的变化，两种气体混合以 后一部分水蒸气变成液态，导致膨胀机进气口面积减小，空气的流量减小，从而致了膨胀比的增加。而在 相同的含湿量的情况下，转速越高液滴含量越小，空气的流量越大，大量的气体做功导致入口压力下降， 压降减小。

2.3 温降和总效率

（e） 温降随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

（f） 总效率随水蒸汽的含量的增加的变化曲线

图 4 不同转速下单螺杆膨胀机的温降和总效率随水蒸汽的含量的变化曲线

总效率的计算公式：



pe  ps

pe k 1   k   p k out   mgas Rg Tin 1     pin   k 1  

式中 Pe——膨胀机实际计算总效率，kW； mgas ——空气质量流量，kg/s；

Rg ——空气气体常数，J/(kg·K)，取 287 J/(kg·K)； Tin ——膨胀机进口温度，K； pin ——膨胀机进口压力，MPa； pout ——膨胀机出口压力，MPa；

由图 e 可知，温降随水蒸气的加入呈递减趋势，且趋向于平稳。水的比热容比较大，液化时吸收大量的 热，导致混合的温度减小，膨胀机的进口温度约为 110℃左右，并且呈减小趋势。而出口温度随水蒸气的增 加呈增加趋势，所以温降呈减小趋势。在同样含湿量的情况下，转速越快流量越大，在膨胀机内的液滴也 就越多导致温降降低。 由图 f 可知，总效率的变化曲线呈递增趋势，且变化趋势跟功率的变化趋势很相似。 两幅图相比较分析其原因在于总效率主要取决于进口的温度、功率和空气流量的变化，功率随水蒸气 的加入呈增加趋势，而空气的流量和温降随水蒸气的加入呈减小趋势因此导致了总效率呈增加趋势。

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结论 - 37 http://www.ivypub.com/des

在以压缩空气为主要介质的单螺杆膨胀机中加入少量的水对于单螺杆膨胀机功率和总效率都有一定的 增加作用，且总效率提高了 2.34%。由于水的比热容比较大，导致温降减小。同时水的加入对于单螺杆膨胀 机有一定的腐蚀作用，不利于单螺杆膨胀机的长期运行。

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【作者简介】 1

任超峰（1989-），男，汉，硕士研究

2

王景甫（1963-），男，汉，博士，教授，主要从事可再生

生，主要针对单螺杆膨胀机性能测试的

能源利用技术研究。Email: jfwang@bjut.edu.cn

研究。Email: 916210633qq.com

3

薛艳青（1987-），女，汉，硕士，科研助理，主要从事可

再生能源利用技术研究。Email: xyq1123@bjut.edu.cn 4

张新欣（1981-），男，汉，博士，讲师，主要从事可再生

能源利用技术研究。Email: xinxinzhang@bjut.edu.cn

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