气体跨边界回环流转体系用空压机制造探讨

　　1新型双缸滚动活塞膨胀机的设计

　　1.1设计思路及定义

　　天津大学热能研究所对二氧化碳作为制冷剂的研究已有十二年的时间，于2001年开发出**台滚动活塞式膨胀机，随后不断地进行改进，效率也不断地提高。出于加工简单、安全和易于控制等原因，滚动活塞式膨胀机采用凸轮阀杆结构控制进气，该机械控制进气结构存在摩擦损失、节流损失以及噪声等问题，因此，自2006年开始了新型双缸滚动活塞膨胀机的研究，在设计过程中主要考虑了以下因素：

　　1）已经成功研发的三代膨胀机皆为滚动活塞式，为新型CO 2膨胀机的研发积累了一定的经验。

　　膨胀机应该和二氧化碳压缩机相匹配，同时，鉴于滚动活塞式的特点以及实验室的加工条件，该新型膨胀机仍采用滚动活塞形式。

　　2）膨胀机回收的有用功可以带动发电机发电，也可以和压缩机同轴相连将膨胀功传输给压缩机。

　　3）上下气缸的滑板存在一定的夹角。上气缸排气口与下气缸进气口之间通过连通孔相连，连通管道尽可能短以减少余隙容积。

　　4）上气缸与进气管相连，进气温度高；下气缸与排气管相连，排气温度低，上下气缸之间安装中间隔板，以减小上下气缸间的传热损失，隔板厚度需要优化，既要保证隔板的隔热效果又要减少连通管道的长度以减少余隙容积。

　　5）不需要单独进气控制装置，膨胀空间的形成不需要凸轮阀杆结构。随着转子旋转，一级转子、二级转子和两气缸滑板在两气缸之间形成密闭的膨胀空间，高压二氧化碳在密闭空间中膨胀降压。

　　6）上气缸与进气管相连，二氧化碳始终是流动的，因此，不存在凸轮阀杆在控制进气过程中开启和关闭造成管道中二氧化碳的停顿与畅通，降低压力脉动。

　　双缸滚动活塞膨胀机不需要单独的吸气控制装置，采用两套气缸，其中一级气缸始终与吸气管相连，二级气缸始终与排气管相连，其结构如所示。需要说明的是，双缸的含义并不是两个独立的膨胀过程，以滚动转子为对象，可称为双转子滚动活塞式膨胀机；因为原则上还是单级膨胀，存在是两个膨胀腔，上下气缸都参与膨胀，因此，准确的名称为双缸单级滚动活塞式膨胀机。

　　1.2气缸间连通的设计

　　双缸滚动活塞膨胀机主要由**级膨胀机、第二级膨胀机和中间隔板组成。**级膨胀机和第二级膨胀机的滑板相对位置如所示。为使双缸膨胀机的上下活塞及滑板构成膨胀腔，二级膨胀机的进气孔（6）与一级膨胀机的排气孔（5）的相对位置很关键。为减小连通孔所造成的余隙容积，连通孔的设计要点是：1）连通孔的孔径合理；2）孔的长度尽可能短。

　　1.3运动原理

　　双缸滚动活塞膨胀机相当于采用了两套膨胀机系统，因此，需要考虑两套膨胀机系统的运动规律，比单级滚动活塞膨胀机更加复杂。其运动形式需要详细说明以助理解，其运动形式分解如所示，以一级气缸为参考对象，随着活塞转过进气口，开始吸气，吸气一周再次转过吸气口时吸气结束，接着开始膨胀过程，当二级活塞转过排气口时完成膨胀过程。

　　2双缸滚动活塞膨胀机的实验结果及分析

　　2.1实验系统

　　加工完成的双缸滚动活塞膨胀机样机由三部分组成，膨胀机的上端与电动发电机连接，膨胀机的下端与底座连接，中间部分为双缸膨胀机。利用CO2跨临界水-水热泵实验系统对双缸滚动活塞膨胀机进行试验，CO2跨临界循环水-水热泵系统主要由CO2跨临界热泵系统、冷冻水和冷却水系统、膨胀机测试系统以及数据测量、采集和控制系统组成。

　　2.2实验结果及分析

　　利用CO2跨临界水-水热泵实验系统对双缸单级滚动活塞膨胀机进行了实验，实验工况及双缸滚动活塞膨胀机的效率如所示。

　　实验结果表明，新型双缸滚动活塞膨胀机样机的研发初步成功，在实验工况下，膨胀机的转速为7801100r/min.双缸滚动活塞膨胀机效率的主要范围为28%33%.在实验中，双缸滚动活塞膨胀机运转平稳，噪声很小。这是由于省去了专门的进气控制装置，因此像单级滚动活塞膨胀机的凸轮与阀杆间的撞击产生的噪声等不存在了。但是膨胀机的效率尚低于设计期望值，膨胀机入口压力低于临界压力，既有加工条件的因素也有设计的因素，概括起来，可能存在以下原因：1）双缸滚动活塞膨胀机旋转过程中，存在两套膨胀机的运动，由于加工精度等原因，使膨胀机中的总泄漏损失和总摩擦损失等不可逆损失增大。

　　2）膨胀机内部活塞与端面的间隙可能较大，使膨胀机内部高低压工作腔之间的泄漏增大，循环高压没有达到超临界，膨胀机的效率也会受到影响。

　　3结论

　　在原有单缸膨胀机的基础上开展了新型的双缸膨胀机的研究，介绍了新型二氧化碳膨胀机的设计思路、运动原理，研制了新型二氧化碳膨胀机样机，并利用CO2跨临界循环水-水热泵系统进行了性能测试，得出了初步的测试结果，主要结论如下：1）新型二氧化碳膨胀机采用双缸滚动活塞形式，通过上下滑板和上下活塞形成密闭的膨胀空间，在结构上采用两套膨胀机系统，取消了进气控制装置。

　　2）初步的测试结果表明，样机初步研制成功，膨胀机的转速为7801100r/min.双缸滚动活塞膨胀机效率的主要范围为28%33%.

　　随着泄漏等问题的分析和相关改进工作的进行，双缸滚动活塞膨胀机效率将进一步提高。

　　致谢：本文部分工作得到中国科学院低温工程学重点实验室开放课题资助。