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工程热物理所小型膨胀机研究取得新进展

2015.6.02

　　压缩空气储能系统因具有使用寿命长、储能效率较高、经济性能好、维护成本低、环境友好等特点，是目前储能技术的研发热点。其中小型压缩空气储能系统因其具有应用灵活、便捷等优点，被广泛用于分布式能源系统、备用电源、汽车动力或者低温制冷系统。

　　空气膨胀机作为小型压缩空气储能系统的关键部件，其性能对整个储能系统具有重要影响。近年来，国内外研究人员开展了多种压缩空气膨胀机的研究，包括叶片式、旋转式、三角转子、往复活塞式等各种形式，其中活塞式空气膨胀机与常见的活塞式内燃机工作相似，可以通过改造内燃机气缸得到，方便生产，因此得到广泛的关注与研究，但活塞式膨胀机存在效率低、进气泄露等问题。

　　近期，中国科学院工程热物理研究所储能研发中心科研人员研发了一种多级单阀结构的活塞式膨胀机（图1），该膨胀机的最高工作压力为7MPa，每级气缸的进气阀位于气缸顶部，排气孔位于活塞下止点位置，在一个工作循环中包括进气、膨胀、排气及压缩过程。相对于双阀结构，单阀结构的活塞式膨胀机具有结构简单、进气密封性好等优点。

　　研究人员对该单阀结构的活塞式膨胀机内部流场结构和气动性能进行了试验和数值模拟研究。数值计算结果显示该膨胀机在500rpm时，气体流量为112kg/h，气动效率为78%。同时分析得到了气缸内压力损失系数随曲轴转角的变化曲线，在进气阶段压力损失迅速上升，存在压力损失最大值；在排气初始阶段也存在一个局部压力损失尖峰，在局部形成较大的压力损失；压缩过程的压力损失较小，且小于膨胀过程的压力损失。初步试验结果与数值模拟结果吻合度较高，数据具有较高的可靠性。相关研究成果已发表在国际杂志Journal of Energy Institute上。