一种适用于有机朗肯循环的球形滚珠膨胀机

胡惠惠,欧阳新萍,侯庆亚,白桦

(上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 200093)

我国工业能耗占总能耗的70%以上,在能量转换过程中,有至少50%的能源转化为低品位热能,但目前工业余热资源回收率仅为30%[1]。有机朗肯循环(Organic rankine cycle,ORC)是利用低沸点有机工质,将低品位热能转化为高品味电能的技术,为减少环境污染、发展新能源的转换和利用提供了有效办法[2-3]。低品位热能除了工业余热,还有地热能、太阳能和生物质能等,我国储量丰富。但目前有机朗肯循环在国内的发展由于膨胀机技术尚未成熟而受到了制约。膨胀机作为低温技术领域冷量获取和废热回收的能源装备,是有机朗肯循环的关键部件,对循环系统性能有重要影响[4-5]。结构上,膨胀机可分为两类:一类为向心透平式、轴流透平式等速度型膨胀机;另一类为涡旋式、活塞式、螺杆式、旋片式、三角转子式、摆线式和罗茨式等容积型膨胀机。速度型膨胀机的工作原理是利用喷嘴和叶轮将高温高压气体转化成高速流体,再将高速流体的动能转化为旋转机械的轴功,常见于高转速和大流量的场所。容积型膨胀机则是通过改变工质体积获得膨胀比和焓降,将流体的压力能和动能转化为旋转机械的轴功,实现能量转化,常见于小流量、大膨胀比的场合[6]。利用ORC系统回收低品位热能的功率输出大概在1～50 kW的范围内[7],一般采用容积型膨胀机。

目前国内外相关学者对基于ORC的容积型膨胀机已有一些研究。Zhao等[8]对近年来应用于低温热回收ORC系统的膨胀机装置进行了总结。他们指出目前大多数的膨胀机效率都较低,直接影响了ORC系统的效率。造成效率低的原因主要与设计,制造,装配等因素有关。Ali等[9]对旋叶式膨胀机进行了研究和改进,克服了普通旋转叶片膨胀机的密封、润滑等方面的局限性,并将其应用到了ORC循环系统,但该膨胀机容积效率较低。刘广彬等[10]采用R123为循环工质,建立了应用于低温余热回收系统中涡旋膨胀机工作过程的数学模型,分析了吸、排气损失和泄漏、传热对其工作过程的影响。王圣冰等[11]提出了一种采用半封闭式膨胀机、发电机一体化设计的涡旋膨胀机组,建立了热力学模型并进行数值模拟计算。Giuffrida等[12]设计了一种新型平衡滚动活塞膨胀机,概念上能够比其他正排量膨胀机(如涡旋式或螺杆式机械)在更高的流体温度下运行,并采用径向平衡转子,省去了进排气控制机构。Dumnoe等[13]对活塞式、螺旋式、涡旋式和罗茨式膨胀机在进行实验比较的基础上,提出了一种适用于小型有ORC的膨胀机的选择方法。但试验台在质量流量、压降以及其他方面存在实验限制,并没能测出每台膨胀机所能达到的最高效率。Clemente等[14]建立了往复式膨胀机的数值模型,证实了实现小规模能源回收和热电联产系统的可能性。总体而言,相关研究大多都还停留在理论和实验阶段。因此,开发用于ORC等小容量能量回收的容积膨胀机仍然是研究的方向。

本文设计了一种新型回转式容积型膨胀机,利用球形滚珠的旋转运动输出膨胀功,适用于ORC等小容量能量回收装置。

1 球形滚珠膨胀机的结构和工作原理

1.1 球形滚珠膨胀机的结构

此球形滚珠膨胀机主要是由同心的球壳与球体、两个球形滚珠组成,其整体的三维结构如图1所示。

图1 膨胀机三维结构图

球体的结构如图2所示。球体表面上有两条对称的球体弧槽,以及与球体弧槽垂直相交的球体凸环,在球体弧槽和球体凸环相交处分别有一个凸环缺口。滚珠在球体弧槽中往返运动时,可从凸环缺口处通过球体凸环。

图2 球体结构图

球壳的结构图如图3所示。球壳的内表面布置有一条360°的球壳环槽和一条与球体凸环配合的360°的球壳凹环,球壳环槽与球壳凹环相交成45°。

图3 球壳结构图

膨胀机整体结构的剖面图如图4所示。球体凸环嵌入球壳凹环中,球体与球壳形成间隙配合,球体可沿相嵌的环道在球壳内回转。两个球形滚珠对称地嵌在球体和球壳之间。滚珠体积一半在球壳环槽里,另一半在球体弧槽里。其中,球壳环槽是气缸空间。球壳环槽和两条球体弧槽45°交汇,滚珠即位于两个交汇处。球壳环槽和球壳凹槽的相交位置称为“球壳槽交汇处”。在每个球壳槽交汇处的两侧,均分别开设有排气口和进气口。在两处“球壳槽交汇处”,球体凸环周期性的分隔球壳环槽,使得凸环和滚珠之间的球壳环槽为压缩空间和膨胀空间,实现气体吸入、压缩和排气效果。

图4 膨胀机整体结构剖面图

1.2 球形滚珠膨胀机的工作原理

气体流动和膨胀推动球形滚珠转子运动,球形滚珠转子在球体弧槽和球壳环槽的共同约束下,带动球体转动。球形滚珠转子在球壳环槽内作回转运动,在球体弧槽内作往复运动。在气缸中,球形滚珠转子回转运动的前方是排气腔,它的后方空间是进气腔或膨胀腔。球形滚珠转子前方后方空间气体力的压差提供了其运动的动力。气体进气和膨胀过程中,推动球形滚珠运动,使其在球体弧槽和球壳环槽的共同约束下,带动球体转动,输出机械功。在三维空间中,以球体球心为原点,沿着球体轴为x方向,z方向指向球体凸环。由于球壳环槽与球壳凹环成45°夹角,滚珠转子运动轨迹成圆形,因此该圆所在平面与xz平面成45°夹角,其滚珠转子的运动轨迹示意图如图5所示。由示意图进一步可知,与两条球体弧槽45°交汇的球壳环槽是气缸空间。

图5 滚珠转子运动轨迹示意图

其运行过程可进一步阐述如下。定义球形滚珠位于“球壳槽交汇处”的位置为初始相位,此时两个球形滚珠对称分布于两道球体弧槽中间,也是位于进气口和排气口之间。设计滚珠沿着图1所示的球壳环槽的左上方运动。依赖运动惯性,滚珠刚好完全通过进气口后,球体凸环将球壳环槽隔断,进气阀打开,开始进气,此时滚珠后方腔体内压力略小于进气压力Ps0。进入一定量的气体之后,进气口关闭,进气过程中腔体内的压力为Ps0。气体开始膨胀,推动滚珠沿着球壳环槽运动,同时带动球体弧槽运动,即带动球体转动,通过球体轴输出膨胀功。气体进入滚珠的后方空间后,滚珠前方空间气体已膨胀结束开始排气,理论上腔体内的气体的压力等于排气压力Pdk(实际稍大于)。当滚珠运动至接近排气口位置时,滚珠运动前方的气体即将排放完毕,后方的气体则即将膨胀结束。当滚珠行至排气口位置时,滚珠后方气体膨胀结束,达到排气压力。接着球形滚珠到达排气口和进气口之间,即到达另一个球壳槽交汇处,球体凸环缺口也到达该球壳槽交汇处,滚珠通过球体凸环缺口。在球形滚珠转子通过球体凸环缺口时,球体转过了180度。随后球体凸环再次将该球壳槽交汇处隔断,接着滚珠重复相同的运动过程回到初始相位。两个球形滚珠带动球体旋转一圈,在其球壳环槽中,各产生2次进气、膨胀、排气过程。对于球形滚珠膨胀机整体而言,共产生4次进气、膨胀、排气过程。滚珠转子移动后方容积、压力随球体转过角度的变化曲线图如图6所示,其中实线代表压力变化曲线,虚线代表容积变化曲线。

图6 滚珠转子移动后方空间容积、压力变化图

2 球形滚珠膨胀机主要部件设计

2.1 球体凸环设计

球体凸环在球壳槽交汇处将球壳环槽隔断,球壳环槽被分成两个工作腔体。球体凸环两侧既承受压差,又受到球壳壁面的剪切力。因此,球体凸环要有适当的厚度,但又不能太厚,以免过多地占用气缸容积。球体凸环的高度与球体凸环缺口的高度有关。球体缺口是为了让球形滚珠转子通往另一个工作腔体,开始下一个吸气膨胀排气过程。从减少泄漏量的角度考虑,凸环缺口设计为包裹式,即凸环缺口形状设计为圆形,凸环总高度大于滚珠转子通过的需要高度。

球体凸环的受力分析如图7所示,气体力F1和F2分别作用于球体凸环的两侧,F1是最大工作压力,F2是排气压力。F1>F2,球体凸环所受的压差F=F1-F2,该压差作用于球体凸环与球壳环槽相交的的部分。球体凸环会受到球壳给它的一个反向作用力F3,F3=F。剪切力发生在球体凸环的受力部分和非受力部分之间。球体环槽与球体凸环之间的夹角是45°,因此,球体凸环所受的正向力与气体力之间夹角也是45°。为了防止球体凸环不被切应力所剪断,球体凸环所受的切应力应不大于其许用切应力。

图7 球体受力示意图

2.2 球壳凹环和球壳环槽的设计

膨胀机运行时,球体凸环嵌入球壳凹环中,两者相配合,球壳保持静止,球体在球壳中转动。凹环槽深与凸环高度相同。凹环槽底与球壳外壁距离较小,球壳最薄处在凹环槽底。因此,需重点分析球壳凹环槽处,看其是否屈服。依据Lame解答[15],计算其应力大小,判断凹环槽处能否屈服。

球壳环槽是膨胀机的气缸空间,将球壳气缸等效为外半径为b,内半径为a,并且受均布外压力Po和均布内压力Pi的圆环进行分析,如图8所示。圆环壁厚等于球壳凹环槽处的壁厚。圆环所受的环向应力与径向应力的大小都应小于材料的许用应力值。

图8 球壳环槽受力图

2.3 取消进气阀的进气控制结构

为了保证球形滚珠膨胀机能膨胀做功,在进入一定量的工质之后,进气阀必须关闭。进气阀是易损部件,取消进气阀有利于减少流动损失,降低阀门振动噪声,提高系统运行可靠性。本文给出的优化结构如图9所示,将球体上的矩形凸环的部分角度(φ)改为T形凸环,如图10所示。相应地,球壳凹槽也改为T形结构。这样,当球体凸环的T形结构部分经过进气口时,可挡住进气口不进气,非T形结构部分经过进气口时,恢复进气。改变球体凸环的T形结构的角度φ,即可调节进气量、膨胀比。此结构可以省去进气阀及其控制结构的设置,提高膨胀机运行的可靠性。

图9 优化进气结构的膨胀机球体图

图10 优化进气结构的膨胀机球体三维图

3 润滑与泄漏分析

3.1 润滑系统

球形滚珠膨胀机气缸与滚珠转子之间,球体轴与轴承之间有高速的相对运动,存在着阻碍它们相对运动的摩擦力。部件之间的摩擦会造成膨胀机部件的磨损,引起的几何结构的变化会导致其丧失原本的设计功能,最终发生失效。并且部件之间的摩擦会产生过多的热量从而降低膨胀机的使用寿命,甚至会烧坏相对运动部件之间的接触表面。减小相对运动部件之间的摩擦可以通过润滑的方式来实现。该球形滚珠膨胀机的润滑分两部分,即不与膨胀机工质接触的外部润滑(也称循环润滑)和与膨胀机工质接触的内部润滑。外部润滑作用于膨胀机轴承和球体轴等运动部件;内部润滑主要润滑膨胀机气缸及球形滚珠转子膨胀容积部件。两部分均采用压力润滑,由油泵提供驱动力。由于膨胀机的工作环境较为恶劣,进出口温度均属于高温,且压力较高,因此润滑油选用N46～N48透平油(参考浙江开山螺杆膨胀机发电机组用油),油压控制在0.1～0.2 MPa,平衡油压在0.5～0.7 MPa,因进排气压差较小,可不设平衡油缸,回油温度控制在60～70 ℃以下。设置冷却系统对润滑油进行冷却。

3.2 余隙容积与泄漏损失

从膨胀机的结构可以看到,球体上两条对称的球体环槽用于约束滚珠转子在球体上的往复运动,滚珠在球体环槽内运动至两侧时存在余隙容积,造成有害压缩,因此在靠近球体环槽两端3 mm位置开设矩形凹槽,使得未随滚珠运转进入膨胀腔体的气体通过,减少余隙容积损失。泄漏损失主要存在于滚珠转子与气缸内壁的周向泄漏及相邻腔体之间的回流泄漏。针对周向泄漏,建立泄漏模型计算临界配合间隙值,在不影响运行的情况下,尽量减小泄漏间隙。在本球形滚珠压缩机中,球体凸环固定在球体上,球体旋转带动球体凸环旋转。当气缸内滚珠转子前方压缩排气快结束,球体凸环中圆形缺口刚开始抵达球壳槽交汇处,与其交汇时,正在进行压缩排气的压缩腔内气体会短时间与相邻低压腔室连通,导致气体发生回流泄漏现象。针对回流间隙,位于球体凸环上的凸环缺口在原先半圆形截面的基础上进一步研究,改进为与球形滚珠转子运行轨迹相配合的型线,减少运行过程中的回流泄漏。

4 容积效率的计算

容积效率是指在吸气过程由气缸吸入的气体的实际体积除以气缸体积。 容积效率是表现气缸空间利用率的指标,其值越大表示利用率越高。

容积系数表达式[16]为

(1)

式中:λv为容积系数;c为相对余隙容积,本膨胀机余隙容积很小,取c=0.005[14];Δpd为排气压力,Pa;ε为膨胀比,设计为3.37;m为膨胀系数,取1.05。

故容积效率为

ηv=λvλpλTλl=0.758

(2)

式中:ηv为容积效率;λv为容积系数;λp为压力系数,取0.995[16];λT为温度系数,取0.794[16];λl为泄露系数,取0.970[17]。

由文献[18]可知，涡旋膨胀机的实测容积效率为0.6～0.7,由文献[19]可知，单螺杆膨胀机的效率为0.4～0.7。经理论推算,本文设计的膨胀机的容积效率高于绝大多数传统膨胀机的容积效率。

5 球型滚珠膨胀机的特点分析

球形滚珠膨胀机在运动过程中,球形滚珠和球体都是作旋转运动,没有传统活塞膨胀机的往复惯性力,运动平衡性好,因而运转效率高。与其它回转型的膨胀机(如螺杆、涡旋等)相比,零件数少、结构简单、加工方便,生产成本低。

从球形滚珠膨胀机的工作原理和结构来看,要增大或减小膨胀机容量(或气体流量)只需增加或减小膨胀机的结构尺寸即可,不会带来加工工艺问题或运行效率问题,因此,可适用的容量范围广。由于工作容积为球壳内部的部分空间,球体所占容积为非工作容积,因此,随着结构尺寸的减小,球体所占容积相应减小,工作容积的占比相应提高。故对于小容量的气体膨胀而言,该膨胀机更有优势。

对于ORC的中低温余热发电系统等小容量能量回收装置,目前所供选择的容积型膨胀机有限,且运行效率不高;球型滚珠膨胀机是一种新的选择方案。球型滚珠膨胀机的研发,丰富了容积型膨胀机的类型,为ORC的中低温余热发电系统的推广和高效运行起到了促进作用。

新型球形滚珠膨胀机组合了滚动转子式膨胀机和往复式活塞膨胀机的部分特征及优点,结构简单、零件数少、制作方便、运动平衡性好。结构上,由于两个球形滚珠对称布置,沿球壳环槽做回转运动,离心惯性力相互抵消,运动平稳,同时也没有往复惯性力。所提出的一种进气结构优化方案,可取消进气阀,减小了流动损失和阀门振动噪声、提高可靠性。目前,适用于中低温有机朗肯循环的小功率膨胀机较少,此球形滚珠膨胀机有望在有机朗肯循环中低温地热发电系统进行推广和应用。

6 结论

1) 球形滚珠膨胀机工作原理和结构具有新颖性和可行性。

2) 球形滚珠膨胀机结构简单、零件数少、制作方便、运动平衡性好,运转效率高。

3) 进气结构可设置或不设置进气阀。对于不设进气阀方案,可减小气体流动损失和阀门振动噪声、提高可靠性。

4) 球形滚珠膨胀机可适用的容量范围广,尤其对于小容量的气体膨胀更有优势,因此可作为中低温ORC的小功率膨胀机的选用,对ORC的中低温余热发电系统的推广和高效运行起到促进作用。