本文關(guān)鍵詞：有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪數(shù)值模擬研究

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【摘要】：能源是國民經(jīng)濟的命脈,能源與人類的生存環(huán)境和人民的生活有著密切的關(guān)系,在經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展中有著舉足輕重的作用。為了實現(xiàn)低碳能源和低碳經(jīng)濟的目標(biāo),必須大力發(fā)展可再生能源,開發(fā)利用新能源,其中太陽能利用是一個很重要的方面。太陽能熱發(fā)電技術(shù)由于能實現(xiàn)大規(guī)模的太陽能利用,近幾年得到了快速發(fā)展。有機朗肯循環(huán)是中低溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換中最具有前景的利用技術(shù)之一,與蒸汽朗肯循環(huán)相比較,在中低溫?zé)嵩蠢弥?有機朗肯循環(huán)能使膨脹機獲得更高的效率,表現(xiàn)出了更好的熱力學(xué)性能等優(yōu)點。有機朗肯循環(huán)技術(shù)已經(jīng)被成功的應(yīng)用在工業(yè)廢熱回收利用、生物質(zhì)能燃燒發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電,太陽能熱發(fā)電等,這項技術(shù)在高于100kW發(fā)電規(guī)模上已經(jīng)達到了一個值得考慮的成熟度。太陽能集熱正好能實現(xiàn)中低溫?zé)嵩吹拈_發(fā),與有機朗肯循環(huán)結(jié)合所組成的太陽能有機朗肯循環(huán)熱發(fā)電技術(shù)是一種新型的能源利用技術(shù)。太陽能有機朗肯循環(huán)從十千瓦級到百千瓦級有很大的潛力來滿足居民用戶的熱電需求。它在高倍聚光太陽能發(fā)電中有很大優(yōu)勢,更容易實現(xiàn)能量的收集和存儲。 作為有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱功轉(zhuǎn)換的一個核心部件,渦輪膨脹機在整個系統(tǒng)的性能中扮演者一個至關(guān)重要的角色,到目前為止,應(yīng)用在有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的膨脹機主要分為兩大類：一類是速度型膨脹機,比如軸流式渦輪、徑流式渦輪和徑-軸流式渦輪,另一類是容積式膨脹機,比如渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、活塞式膨脹機和滑片式膨脹機。本文主要針對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的一個小型徑-軸流式渦輪進行了實驗和數(shù)值模擬研究,主要進行了如下三方面的研究： (1)目前針對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)(ORC)小型渦輪在變工況下運行性能的研究很少,對運行性能隨渦輪轉(zhuǎn)速的變化機制缺乏了解。而在可再生能源及余熱利用過程中,有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪常處于變轉(zhuǎn)速工況。把實驗數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)相結(jié)合,針對采用R123為工質(zhì)的小型徑一軸流式高轉(zhuǎn)速渦輪,采用CFX軟件對渦輪葉輪三維流場進行了數(shù)值模擬。給出了熱效率和葉輪等熵效率隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢,指出余速損失是低轉(zhuǎn)速下熱效率降低的主要原因。提出了修正后的渦輪能量公式,在低轉(zhuǎn)速工況下對渦輪的做功性能分析時不能忽略渦輪進出口的動能變化,在計算渦輪出口的余速損失時,必須考慮工質(zhì)流動速度的方向特性。 (2)目前針對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)小型渦輪在不同有機工質(zhì)驅(qū)動時運行性能的研究很少,對不同有機工質(zhì)在同一單級小型徑—軸流式高轉(zhuǎn)速渦輪做功時的性能缺乏了解。而在可再生能源及余熱利用過程中,要根據(jù)熱源溫度為有機朗肯循環(huán) 系統(tǒng)小型渦輪選擇一種合適的工質(zhì)。本文首先把實驗數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)相結(jié)合,采用CFX軟件對渦輪葉輪三維流場進行了數(shù)值模擬,驗證了該方法可以對渦輪性能進行預(yù)測,然后比較了R11、R123、 R141b在不同熱源溫度下對該渦輪做功時的性能。 (3)有機朗肯循環(huán)的熱效率極大程度的取決于渦輪的性能,渦輪的輸出軸功不僅取決于進口溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、焓降等渦輪內(nèi)部參數(shù),也取決于渦輪的進口攻角。關(guān)于小型渦輪的性能在不同攻角下尤其是不同有機工質(zhì)驅(qū)動時的理論和實驗研究非常缺乏。本文首先選出了適合太陽能有機朗肯循環(huán)的三種不同的有機工質(zhì),然后呈現(xiàn)了大量的研究,關(guān)于應(yīng)用在太陽能有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的小型徑-軸流式渦輪的性能,攻角從負(fù)35度到負(fù)75度,分別由工質(zhì)R11、R123、 R141b驅(qū)動時,建立和驗證了一個流體動力學(xué)模型,模擬結(jié)果顯示,當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速在60000rpm時,R11的最佳攻角是負(fù)78度,系統(tǒng)最高熱效率是11.31%,R123的最佳攻角是負(fù)70度,系統(tǒng)最高熱效率是10.93%,R141b的最佳攻角根據(jù)趨勢判定也許小于是負(fù)79度,取得的系統(tǒng)最高熱效率是9.14%,影響系統(tǒng)熱效率的主要因素是△H和AEk。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM615

【參考文獻】

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1 夏立軍;裴剛;李晶;胡名科;季杰;;ORC系統(tǒng)小型渦輪不同轉(zhuǎn)速下的性能分析[J];化工學(xué)報;2014年11期

2 Hoshio Tsujita;Atsumasa Yamamoto;;Influences of Incidence Angle on 2D-Flow and Secondary Flow Structure in Ultra-Highly Loaded Turbine Cascade[J];Journal of Thermal Science;2014年01期

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本文編號：1237745