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节流阀与膨胀机在空分设备中分别起什么作用？
核心提示：答：膨胀机是做外功的膨胀，温降效果比节流不做外功膨胀时要大得多。因此，利用膨胀机制冷，无疑地要比利用节流效应制冷效果要好&答：膨胀机是做外功的膨胀，温降效果比节流不做外功膨胀时要大得多。因此，利用膨胀机制冷，无疑地要比利用节流效应制冷效果要好得多。但是，膨胀机的温降效果是温度越高，效果越大；而节流温降效果是温度越低，效果越大。因此，在低温下二者的区别减小。而且，节流阀的结构要比膨胀机简单得多。同时，对液体膨胀来说，采用膨胀机很困难。在空分设备中使用的膨胀机，机内不允许有液体出现，以免产生液体冲击，损坏膨胀机叶片。而液体节流的能量损失小，效果较好。空分塔内的最低温度（一193℃）靠液体节流很容易达到。由此可见，膨胀机与节流阀是各有利弊，即使对大型全低压空分设备来说，也不是单独采用膨胀机，而与节流阀配合起来使用。节流循环低温制冷机
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一、单级封闭式节流制冷机
& & 节流制冷机是利用焦耳一汤姆逊(Joule - Thomson)，简写为J-T)效应来产生低温。一种简单的封闭式节流制冷机是林德一汉普森制冷机，其循环系统图和T-s图见图8-3-1。系统由压缩机、回热换热器、节流阀、蒸发器及连接管道组成。制冷工质在压缩机中由低压P，压缩到高压P2，然后在回热换热器中冷却至状态3，再经节流降温降压至状态4，然后进入蒸发器，吸收被冷却物体的热量Q。后返回。 蒸发器温度可用节流阀控制蒸发压力来调节。
二、预冷型节流制冷机
& & 为取得更低的温度，可采用具有附加冷却系统的节流制冷机，即预冷型节流制冷机。典型的预冷型节流制冷机系统及其T一s图如图8一3-2所示。 更低的温度可用多级节流制冷机来实现。单级系统通常用来制取温度高于77K的低温;二级压缩系统用于获得20-35K的低温;三级系统用于获得低于20K直至液氮温度或稍低于液氮温度的低温。目前，节流制冷机在提高效率和可靠性方面有了重大进展。节流制冷机的优点是没有运动部件，冷端没有压力波动，振动非常小。
三、布雷顿制冷机
& & 为了用近似等熵膨胀代替节流阀的等烩膨胀过程及回收膨胀功，常用膨胀机代替节流阀的布雷顿制冷机。多数布雷顿制冷机均采用高效的透平膨胀机和气体轴承，具有高的可靠性和低的振动。技术关键是制造高效小型透平膨胀机和紧凑的换热器。美国的Los Alamos国
家实验室研制成微型单级布雷顿制冷机，在65 K时有5W的制冷量，它的制造成本高，目前只限于空间应用。美国C reare实验室为NASA开发的一种布雷顿制冷机，制冷温度为70K，制冷量为5W.
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膨胀制冷轻烃回收工艺技术
【摘要】：以 ＢＷＲＳ状态方程作为工艺计算的模型，开发了轻烃回收的工艺计算程序。从轻烃回收的工艺流程设计实例出发，对膨胀制冷工艺流程进行了研究。在工艺流程中，将制冷分离和液烃分馏统一设计和分析，选取合适的膨胀比，并充分利用膨胀制冷量，从而降低了制冷温度，提高了丙烷收率。通过优选工艺参数和对比工艺流程，确定了合理逆升压式的透平膨胀机制冷工艺。流程中膨胀机出口压力为 ０．７ＭＰａ，脱乙烷塔的压力为 １． ３ＭＰａ，丙烷收率达 ７５． １１％。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TE93【正文快照】：
随着膨胀机制冷技术的发展，进人８０年代以后，我国各油气田轻烃回收装置开始采用膨胀制冷回收工艺，并取得良好的经济效益。根据制冷元件的不同，膨胀制冷可分为节流制冷、膨胀机制冷和热分离机制冷，而节流制冷很少单独在轻烃回收中使用。膨胀制冷所需的冷量是由原料气通
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京公网安备75号跨临界CO2制冷系统采用透平膨胀机的可行性分析
23:59:16& 来源：&
　　摘 要: 对CO2制冷系统中应用膨胀机的研究现状进行了回顾，在此基础上对跨临界CO2制冷循环中采用透平膨胀机的可行性进行了分析。研究表明透平膨胀机完全适用于家用及商用的跨临界CO2制冷/热泵系统，并通过计算实例给出了采用不同方案和效率的透平膨胀机替代节流阀对CO2制冷系统性能的提升效果。
　　1 引 言
　　现代社会中广泛使用的制冷空调和热泵系统，由于本身耗能和传统制冷剂(CFCs) 对环境的破坏，开展系统的节能和制冷剂的替代研究已成为工程热物理学科的前沿课题。自然工质CO2以其环境友好性、安全性和良好的热物理性质，被认为是最具潜力的替代工质[1]，并且得到了普遍的关注。CO2制冷循环目前面临的最大挑战是循环效率较低，而CO2制冷循环跨临界运行导致的巨大节流损失是其效率低的主要原因。通常可通过两级压缩，回冷技术以及用其它膨胀设备代替节流阀等措施来提高CO2循环的制冷效率。其中，采用膨胀机替代节流阀并回收膨胀功是提高CO2制冷效率最根本、最有潜力的措施。因此，高效膨胀机的研制对提高CO2制冷系统的效率有重要意义。
　　2 跨临界CO2制冷系统膨胀机的研究现状
　　对CO2跨临界循环来说，由于其循环压力高，虽然膨胀比小(2-4) ，但是膨胀功大( 占压缩功的25% &30% ) ，采用膨胀机替代节流阀后其循环效率提高的幅度远高于常规工质。然而，国际上对于跨临界CO2循环的研究工作主要集中在热力学分析和CO2压缩机上，有关CO2膨胀机的研究相比之下比较匮乏。
　　目前，国内外对跨临界CO2制冷系统用膨胀机的研究主要集中在理论分析和实验室阶段，些关键的问题还急待解决[2]。在容积式膨胀机方面，自1994年德国Dresden大学的Quack和Kraus[3]研制自由活塞式膨胀机替代节流阀以来，国内外一些研究机构分别开展了各类容积式膨胀机的研究。美国的Purdue 大学的J.S. Baek 对活塞式膨胀机在跨临界CO2循环的应用进行了实验和理论研究[4]。日本的几个公司如 Denso、Panasonic、Hitachi 和 Mitsubishi都对CO2涡旋式膨胀机进行了研究，Panasonic 所研制的涡旋膨胀机效率已近70%; 另外，美国 Maryland大学的Huff 在2003年将涡旋式压缩机改造成膨胀机并进行了实验测试[5]。伦敦 CITY 大学进行了CO2双螺杆压缩-膨胀机的理论研究[6]。日本的Dakin 通过改变进气方式使CO2螺杆式膨胀机的效率提高到43% &55%[2]。英国MIEE DRIVER 科技公司提出了铰接叶片式CO2压缩-膨胀机[7]。在中国国内，天津大学的马一太教授研制出了CO2滚动转子式膨胀机，并对活塞式膨胀机中CO2膨胀过程的亚稳态特性进行了分析[8-9]; 西安交通大学的邢子文、彭学院教授分别开发出了CO2自由活塞和滑片式膨胀机[10-12]。从以上文献可以看出，CO2膨胀机的类型已涵盖了活塞式、涡旋式、螺杆式、转子式等，然而对于工作过程最接近绝热等熵膨胀过程的透平膨胀机，国内外的研究工作基本空白。
　　3 跨临界CO2制冷循环采用透平膨胀机的技术可行性
　　透平膨胀机具有效率高、零部件少、维护方便、无泄漏、可靠性高等诸多优点，若能保障其效率和运转稳定性，则是制冷蒸汽压缩式循环中替代节流机构的最佳选择。自从1898年英国人 Releigh 勋爵提出采用透平膨胀机来获得低温的设想，到1970年两相透平膨胀机的出现，直至今日大型增压透平膨胀机的出现，透平膨胀机一直广泛应用于低温系统(120K温区以下) 的气体液化装置和逆布雷顿循环中，而在制冷领域的应用鲜见报道。其主要原因如下:
　　(1) 对R12、R134a 等传统工质的亚临界循环而言，由于其较大的膨胀比和较低的膨胀功回收比例，采用膨胀机既不经济，也很不容易实现;
　　(2) 透平膨胀机转速过高，技术难度较大，如制冷量为3kW的情况下CO2透平膨胀机的设计转速将达到35万转/分钟;
　　(3) 大带液率两相( 跨临界区膨胀到两相区)透平膨胀机的内部机理和设计理论尚不成熟。1999年美国UIUC大学ACRC研究中心[13]对在以CO2为工质的汽车空调中使用透平膨胀机的可行性进行了分析。2006年挪威科技大学NTNR 实验室[14]对CO2径流冲动式透平膨胀机进行了实验研究。
　　对于CO2制冷用反动式透平膨胀机，还没有相关文献报道。跨临界CO2制冷用透平膨胀机的研究文献虽然很少，CO2在透平膨胀机中的膨胀过程也与其它制冷低温工质的膨胀不尽相同，但是透平膨胀机领域内各项技术的发展以及其它制冷低温工质用两相透平膨胀机的成功研发可为研制CO2用透平膨胀机提供技术支持与经验参考。近几年，透平膨胀机在材料、制造、设计、装配、轴承方面都有较大的发展。特别是新型轴承，如气体轴承、磁悬浮轴承的技术进步，大大提高了透平膨胀机的转速与可靠性，如西安交通大学已成功研制了转速高达 0万转/分钟的气体轴承微透平[15]。这些技术的发展减低了研发CO2用透平膨胀机的难度，同时扩充了透平膨胀机适用的制冷量范围。另外，其它制冷低温工质用两相透平膨胀机的成功研发可为CO2用透平膨胀机的理论研究和技术实现提供参考经验。如Brasz 测试了制冷工质为 R134a的两相透平膨胀机性能[16]; Soo-yong cho[17]对空调用两相透平膨胀机代替节流阀的性能特点进行了研究，所用工质也是 R134a。既然可以研制出 R134a 用两相透平膨胀机来实现由过冷液到两相区的膨胀过程，那么研制CO2用两相透平膨胀机来实现过冷液到两相区的膨胀也是可行的。另外，对于由透平膨胀机来实现CO2由超临界状态膨胀进入过冷液体区的过程，由于超临界CO2的密度与液体接近，且具有良好的流动性，超临界CO2到过冷液的相变并不明显，其膨胀过程应该更容易实现。从理论上讲，以透平膨胀机现有的技术水平，参考其它工质用两相透平膨胀机的研发经验，研制CO2制冷用透平膨胀机应该是可行的。
　　4 采用透平膨胀机替代节流阀后对CO2制冷系统性能的提升
　　以文献[18]的跨临界CO2制冷空调系统为分析对象，该空调系统由4kW的半封闭式单级蒸汽压缩机、同轴逆流气体冷却器、膨胀阀系统( 两个膨胀阀串联) 、储液器和蒸发器组成。其中采用两个膨胀阀的目的是为了控制气体冷却器出口压力和蒸发过程，储液器放置在两个膨胀阀之间以调节制冷剂流量。膨胀机替代节流阀后，理想CO2制冷循环的流程图和p-h图如图1所示。为了得出采用不同方案和效率的透平膨胀机代替节流阀对制冷系统性能的影响，除膨胀机出口状态点4的参数值需根据膨胀机效率进行计算外，文中的其它参数皆根据上述文献的一组实验值进行取值，即制冷量Q0=5.3 kW，p3= p2=9.7MPa，t3= 40.2 ℃ ，t1= t4=-10 ℃ 。
　　表1分别列出了采用不同等熵效率的透平膨胀机不回收膨胀功和膨胀机回收膨胀机的输出功用来增压以抵消部分压缩机的功耗( 增压效率为50%) 时对系统性能的提升。从表中可以看出，采用透平膨胀机替代节流机构之后，CO2制冷系统的性能系数得到了大幅的提高。若膨胀机等熵效率60%，在不回收膨胀功时制冷系统的性能系数可提高10% 以上。若膨胀机效60%，膨胀机回收功增压效率50%，系统性能系数可提高近30%，节能效果非常明显。
　　5 结 论
　　随着天然工质CO2替代氟利昂制冷剂工作的进展，跨临界CO2循环制冷和热泵循环采用膨胀机替代节流机构的需求越来越迫切。分析表明: 采用透平膨胀机替代节流机构之后，系统的制冷量和性能系数可得到大幅的提高，节能效果非常明显: 如采用 60%绝热效率的膨胀机替代节流阀，可以使系统COP 提高10%&30%; 以透平膨胀机目前的技术水平，参考其它制冷低温工质用两相透平膨胀机的研发经验，研制跨临界CO2制冷系统用两相透平膨胀机是可行的。
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　　收稿日期:;修订日期:
　　基金项目:国家自然科学基金资助项目(),高等学校博士学科点专项科研基金项目(06) 。
　　作者简介:马娟丽,女,29 岁,博士研究生。
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透平膨胀机内制冷工质跨音速流动瞬态界面形成机理及相态分离特性研究
学科分类制冷 ( E060105 )
负责人侯予
单位名称西安交通大学
制冷系统；透平膨胀机；节流机构；相态变化；非平衡热力学
分析透平膨胀机内制冷工质高速流动过程混合流相态变化与能量迁移规律的非平衡热力学问题，掌握尺度效应、三元流动和工质特性对高速透平膨胀机性能的影响；通过研究制冷工质，特别是天然工质CO2在跨临界两相透平膨胀机内的非稳态降压（过热）闪蒸过程，描述静态及旋转流道内跨音速流动机理、相变瞬态界面的形成过程和相态分离特性；获得两相透平膨胀机热力性能、气动性能的描述与动态仿真方法；对跨临界两相低温透平膨胀机中的制冷工质降压（过热）闪蒸、汽蚀、流动损失组成、流道叶型选择以及跨临界流体/气泡相界面的形成与分离及非均匀多相流运动规律与影响因素等方面进行系统的理论分析、数值模拟和实验研究；掌握两相透平膨胀机能量动态分布规律和气体动力学特性，构建大带液率跨临界两相透平膨胀机的基础设计理论，探索透平膨胀机替代制冷/热泵系统节流机构的关键技术，为非平衡热力学可压缩两相流动的基础研究和制冷空调领域的节能与环保做出贡献。
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高速透平膨胀机临界转速的计算与分析
陈双涛, 侯予, 陈汝刚, 赵红利
节流机构起着膨胀降压、降温和制冷剂流量调节的作用，是制冷空调系统的冷量来源，但常用的膨胀阀和毛细管等节流机构不可避免地会造成制冷系统的节流损失。采用膨胀装置替代节流机构可实现近等熵膨胀，有利于提高制冷系统的效率。透平膨胀机具有效率高、零部件少、维护方便、无泄漏、可靠性高等诸多优点，若能保障其效率和运转稳定性，则是替代节流机构的最佳选择。为解决两相透平膨胀机替代制冷系统节流机构的关键问题，本项目在自然科学基金的资助下，首先进行了文献收集、方案论证，对不同膨胀方式替代节流阀提升系统COP的特性进行了探讨；开展了跨临界透平膨胀机替代节流机构的制冷/热泵循环理论分析及制冷工质过热闪发过程的机理研究；进一步分析了透平膨胀机内制冷工质高速流动过程混合流相态变化、气动特性与能量迁移规律的热力学问题，着重探索了尺度效应、三元流动和工质特性对高速透平膨胀机性能的影响；并通过研究制冷工质，特别是天然工质CO2在跨临界两相透平膨胀机内的非稳态降压过程，描述了静态及旋转流道内跨音速流动机理、相变瞬态界面的形成和相态分离特性；以及高速两相流动流型与气液比例、相态分布特征，获得了各种因素对膨胀过程和膨胀后状态的影响。对跨临界两相低温透平膨胀机中的制冷工质降压膨胀、汽蚀、流动损失组成、流道叶型选择以及跨临界流体/气泡相界面的形成与分离及非均匀多相流运动规律与影响因素等方面进行了系统的理论分析与数值模拟，掌握了两相透平膨胀机能量转换与热工参数动态分布规律。另外，还完成了高速透平机械轴承－转子系统气动性能及稳定性的研究工作，设计了一台CO2跨临界两相透平膨胀机，开展了高速两相透平膨胀机机械性能和系统匹配研究以及透平膨胀机替代节流机构的初步实验。最终通过理论分析结果和实验数据的对比，验证了本项目所建立数学模型的可靠性和技术方案的可行性。并针对高速透平内部的复杂工质流动以及由于工况变化与启停等各种原因造成的非稳定工况，基于改进一元流动及三元流动分布参数动态传输模型，解决了高速透平各通流单元的数学建模问题并进行了耦合分析，求解了高速透平性能预测和动态设计与仿真正反两方面命题，进行了两相透平膨胀机替代节流机构及能量回收的稳态与非稳态性能预测与动态仿真。最终构建了大带液率跨临界两相透平膨胀机的基础设计理论，探索了透平膨胀机替代节流机构的关键技术,为跨临界两相透平膨胀机的进一步研究和应用打下了良好的基础。
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