单螺杆膨胀机作为一种新型的小型动力机械,由于其自身技术优势,因此非常适用于中低温工业余热回收系统。目前,国际上缺乏对单螺杆膨胀机的设计理论与方法,同时单螺杆膨胀机的性能是影响余热回收系统循环效率的重要因素之一。本课题以单螺杆膨胀动力机用于中低温工业余热回收系统为背景,着眼于单螺杆膨胀机的设计理论,试图对如何提高单螺杆膨胀机性能进行研究。本文基于单螺杆膨胀机基本结构关系的计算研究,对单螺杆膨胀机的输出扭矩进行了理论计算;初步分析应用热学新理论——内能火积理论作为单螺杆膨胀机性能评价指标的可行性及普适性。主要研究内容如下:(1)对单螺杆膨胀机的基本结构进行分析,简单介绍了单螺杆膨胀机的基本结构参数及其计算方法,为后续研究提供了理论和实践的基础。应用解析法对单螺杆最大基元容积、压力进行计算。(2)应用MATLAB软件,用解析法计算并分别绘制反映基元容积、压力随螺杆转角变化关系的曲线。简要介绍单螺杆膨胀机的啮合副型线以及分析膨胀过程中将会产生的不可逆损失,为单螺杆膨胀机性能评价指标的研究作基础。(3)基于单螺杆膨胀机结构的特点,对单螺杆膨胀机螺杆输出扭矩进行分析。在单螺杆膨胀机的基元容积、压力等参数计算的基础上,用数学的方法计算出单螺杆膨胀机工作容积内输出扭矩随螺杆转角变化的关系。对于单一螺旋通道内的输出扭矩,在单螺杆膨胀机工作过程中,扭矩呈先上升后下降的趋势,且扭矩最小值为该通道进气开始时刻,扭矩最大值为膨胀开始的时刻,扭矩重新回到单螺杆膨胀机的螺杆输出扭矩,随着膨胀机工作过程呈周期性变化,周期为60°。最小值时为该通道进气结束时刻,即下一通道进气开始时刻。螺杆直径不同的单螺杆膨胀机输出扭矩随螺杆转角的变化关系曲线呈近似正弦函数变化。(4)首次将热学中新物理量内能火积理论应用于热功转换膨胀过程的分析。将单螺杆膨胀机膨胀过程进、出口内能火积差与传统的评价参数等熵效率进行对比,2个评价参数变化趋势具有良好的一致性,因此内能火积理论适用于分析评价单螺杆膨胀机膨胀过程的不可逆性。(5)通过探讨内能火积表达式的物理意义,可以看出在分析过程中,内能火积理论同时考察了工质的物性特征以及对不可逆过程的描述,使热力过程的评价更为深刻全面,并且这种评价方法对热功转换不可逆过程分析具有普适性,内能火积理论在分析热功转换过程方面具有很大的应用潜力。