地热能ORC膨胀机流场特性研究

摘要

随着化石能源的减少和需求的增加，开发地热能等可再生能源越来越受到人们的重视。我国地热能储量巨大，以中低温热源为主，这些低品位的热能很难推动水蒸汽朗肯循环发电。有机朗肯循环系统(ORC)可以利用低温地热能进行发电，在中低温热源场合被看作有效的发电方式。涡轮膨胀机具有转速高，单级膨胀比高、运行范围宽的特点，常被用作小功率有机朗肯循环系统的热功转换设备。
　　本文针对90℃的低温地热能，选择R245fa作为有机工质，对有机朗肯循环系统进行热力学分析，然后对其循环参数展开优化研究。结果表明，冷凝温度的增加使得系统的?效率和膨胀机输出功率减小，增大了冷凝器内的?损失，同时使系统的经济性能变弱，因此低的冷温度会提高系统的效率和经济性能。过冷温度的增加不会影响膨胀机的输出功率，但会降低系统的?效率，增加蒸发器的?损失。较高的热源温度可以减小蒸发器的换热面积，提高系统的经济性。
　　对200kW涡轮膨胀机进行一维热力设计，以及蜗壳、导叶和动叶的三维造型，然后通过Turbogrid进行网格划分，利用CFX进行数值模拟，最后对涡轮膨胀机进行了流场特性分析。结果表明，工质在蜗壳内分布均匀，没有出现明显的漩祸流动或者二次流，压力和温度在蜗壳内靠外侧较高，靠内侧出口处较低，呈层状分布。由于导叶结构在叶高方向不变，流场特性随着叶高方向的变化不大。在导叶内，前30％相对弦长处工质压力变化不大，在导叶尾缘出口处，由于气体在斜切部分膨胀，使得工质压力下降明显。动叶内的压力等值线在前缘附近比较稀疏，在尾缘附近比较密集，表明有机工质在动叶中的膨胀主要发生在后半段，动叶前缘处由于冲角的原因存在激波，在动叶尾缘处由于叶轮的弯曲，气体膨胀速度加快。叶顶间隙使流体在压力面和吸力面之间形成泄漏流动，对主流形成干扰，使得膨胀机的效率降低。由叶顶间隙引起的涡流随着叶顶间隙的增加而增大，并且涡流贯穿整个叶轮流场通道。对变工况的研究表明，在一定范围内，随着转速的增加膨胀机的效率先增大后减小，存在一个峰值，说明膨胀机在运转时如果转速超出额定转速，膨胀机的效率会下降，因此在实际运行时，应当防止膨胀机过度超速。

目录

符号说明

1 绪论

1.1研究背景

1.2 地热能发电技术国内外研究现状

1.3 有机朗肯循环发电技术研究进展

1.4 有机朗肯循环涡轮膨胀机研究进展

1.5 本文研究内容

2 地热能ORC系统热力学分析

2.1 地热能资源特点分析

2.2 地热能ORC系统原理分析

2.3 ORC系统有机工质的选取

2.4 ORC系统参数的确定

2.5 ORC系统的?分析

2.6 ORC系统的经济性分析

2.7 本章小结

3 地热能ORC系统涡轮膨胀机热力学分析与设计

3.1 涡轮膨胀机的原理与特点

3.2 涡轮膨胀机可变参数的确定

3.3 涡轮膨胀机热力设计

3.4 导叶和叶轮的三维造型

3.5 蜗壳的设计与造型

3.6 本章小结

4 涡轮膨胀机流场模拟研究

4.1 CFX和Turbogrid介绍

4.2 控制方程和湍流模型

4.3 网格划分

4.4 涡轮膨胀机设计工况流场特性分析

4.5 本章小结

5涡轮膨胀机变工况研究及参数分析

5.1 涡轮膨胀机变工况研究

5.2 涡轮膨胀机参数分析

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所获得的科研成果

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