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摘 要

涡轮膨胀机系统是利用高压空气作为动力的系统，具有巨大的环保节能作用。现在的涡轮膨胀机的缺点是节流损失过大而导致平均利用率较低。但是此种装置还有很多的优点，例如其不仅可以节能环保，而且本身尺寸小、重量轻、寿命长、工作稳定等优点，克服了传统涡轮膨胀机存在的许多缺陷。在资源紧张的状况下，是很有研究意义的。

本文对涡轮膨胀气动机的进行了㶲分析，并做了热力学计算，分析能效影响因素，对核心部分进行初步设计。本文主要研究内容和结论如下：

(1)设计出气罐容积为200L，压力为300MPa，在膨胀机进出口压力分别为1.2MPa，0.2MPa。

(2)涡轮膨胀机系统中的损失包括：节流损失、尾气损失、泄漏及不可逆损失。合理选择压缩空气膨胀比，将会提高涡轮膨胀机的有效能。

(3)在系统热能损失中，节流损失占了约30%，而在常规气动系统中，这个数据是10%。所以降低节流损失，将有效的提高系统的输出有效功，这是提高涡轮膨胀机输出有效功的重要方向。

(4)在节流减压中，单位质量有效能损失与两端压力之比的对数成正比。适当的减压前后压力比，能提高输出有效功所占的比例。

关键词：涡轮膨胀机；气动动力系统；能效分析；有效功

Abstract

Turbo-expander system uses the high-pressure air as the power, which is very good green energy. The oversize throttle loss causing the low average utilization of the entire system is the principal disadvantage. However, this kind of system still has many advantages, for example, it is the green energy, not only this, the equipment has small size, light weight, long service life and stable running. Turbo-expander system overcome many shortcomings of the traditional turbo. It has the great significance because of the short of the energy.

In this paper, turbo expander pneumatic machines were exergy analyzed and calculated in the thermodynamic. In addition, this paper analyze the energy efficiency factor and design the core part of the system. The main work and conclusions are as follows:

(1)Design the cylinder volume is 200L, the pressure is 300Mpa, the pressure at the expander inlet is 1.2Mpa and at the expander outlet is 0.2Mpa.

(2)The loss of turbo-expander system include: throttling loss, exhaust loss and leakage loss. Choosing the reasonable expansion ratio of the compressed air can make turboexpander more effectively.

(3)The heat loss in the system, the throttling loss accounts for about 30%. But in the conventional pneumatic system, the proportion is 10%. Therefore, reducing the throttling loss will improve the effective power of the system effectively, which is the important direction to improve the effective work of the turbine expander.

(4)In the process of the throttle pressure, the exergy loss is proportional to the logarithm of the ratio of the pressure. The appropriate ratio of the pressure can improve the proportion of effective work.

Keyword: turbo-expander; pneumatic power system; energy utilization; effective work

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2气动动力系统的研究和发展 1

1.3蜗轮膨胀机技术的发展及研究现状 3

1.3.1涡轮技术简介 3

1.3.2.涡轮膨胀机的工作原理和优势 4

1.3.3.涡轮膨胀机的研究和发展 4

第二章 涡轮膨胀气动机系统数学建模 7

2.1引言 7

2.2热力学有效能分析方法 7

2.3系统具有的总㶲能 9

2.4压缩气体流进经减压阀时产生的㶲损 10

2.5换热器内气体换热过程㶲分析 12

2.6气动发动机能量特性分析 14

2.7涡轮膨胀气动机系统工作过程整体的能效分析 17

2.7.1高压气罐绝热放气 17

2.7.2 高压气罐等温放气 18

第三章 气动机系统的能效影响因素分析 21

3.1减压阀减压前后压力比的选定 21

3.2气动发动机膨胀比的选定 22

3.3涡轮膨胀气动机系统实际工作过程中能效分析 26

3.3.1高压气罐绝热放热 26

3.3.2 高压气罐等温放气 28

3.4本章小结 30

第四章 涡轮膨胀气动机系统的热力计算 32

4.1工作轮的作用、基本型式及发作用度 32

4.2 涡轮膨胀气动机设计计算得内容 33

4.3 热力计算与流道基本尺寸的确定 34

4.3.1已知条件 34

4.3.2估取及选用值 34

4.3.3喷嘴中的流动 35

4.3.4工作轮中的流动 36

4.3.5喷嘴与工作轮基本尺寸的确定 37

4.3.6考虑内部损失时工作轮出口实际状态的确定 38

4.3.7工作轮出口截面积尺寸及转速的确定 40

4.3.8工作轮形状的确定 40

4.4建模 40

第五章 结论和展望 42

5.1结论 42

5.2展望 42

参考文献 44

致 谢 47

第一章 绪论

1.1引言

中国经济的高速发展，工业设备和家用轿车在数量上的快速增长，使得无论在工业上，还是家庭中，对能源的需求越来越高^[1]。随着化石燃料的枯竭，全球能源价格的不断上涨，这种问题危机更加显现出来，并且分别在1973年、1979年、1990年、2005年出现了能源危机，另外环境问题的日益严峻，都使得节能减排受到了越来越多的关注。目前中国的能源消费总量已位居世界第二。但国内能源生产的增长速度赶不上能源消费，中国已成为能源进口大国^[2]。2008年我国石油对外依存度达到51%，预计2020年将达到60%。气候变化的实质问题是能源问题，节能减排已成为事关我国经济和社会生活的大事，另外中国的基本国情和发展阶段特征决定了生态环境脆弱，易受气候变化的负面影响，因此面临比发达国家更为严峻的挑战。中国提高能源利用效率任重道远^[3]。

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