有机朗肯循环系统小型涡轮数值模拟研究

摘要

能源是国民经济的命脉，能源与人类的生存环境和人民的生活有着密切的关系，在经济社会的可持续发展中有着举足轻重的作用。为了实现低碳能源和低碳经济的目标，必须大力发展可再生能源，开发利用新能源，其中太阳能利用是一个很重要的方面。太阳能热发电技术由于能实现大规模的太阳能利用，近几年得到了快速发展。有机朗肯循环是中低温热电转换中最具有前景的利用技术之一，与蒸汽朗肯循环相比较，在中低温热源利用中，有机朗肯循环能使膨胀机获得更高的效率，表现出了更好的热力学性能等优点。有机朗肯循环技术已经被成功的应用在工业废热回收利用、生物质能燃烧发电、地热能发电，太阳能热发电等，这项技术在高于100kW发电规模上已经达到了一个值得考虑的成熟度。太阳能集热正好能实现中低温热源的开发，与有机朗肯循环结合所组成的太阳能有机朗肯循环热发电技术是一种新型的能源利用技术。太阳能有机朗肯循环从十千瓦级到百千瓦级有很大的潜力来满足居民用户的热电需求。它在高倍聚光太阳能发电中有很大优势，更容易实现能量的收集和存储。
　　作为有机朗肯循环系统热功转换的一个核心部件，涡轮膨胀机在整个系统的性能中扮演者一个至关重要的角色，到目前为止，应用在有机朗肯循环系统中的膨胀机主要分为两大类:一类是速度型膨胀机，比如轴流式涡轮、径流式涡轮和径-轴流式涡轮，另一类是容积式膨胀机，比如涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、活塞式膨胀机和滑片式膨胀机。本文主要针对有机朗肯循环系统中的一个小型径-轴流式涡轮进行了实验和数值模拟研究，主要进行了如下三方面的研究:
　　(1)目前针对有机朗肯循环系统(ORC)小型涡轮在变工况下运行性能的研究很少，对运行性能随涡轮转速的变化机制缺乏了解。而在可再生能源及余热利用过程中，有机朗肯循环系统小型涡轮常处于变转速工况。把实验数据和设计数据相结合，针对采用R123为工质的小型径—轴流式高转速涡轮，采用CFX软件对涡轮叶轮三维流场进行了数值模拟。给出了热效率和叶轮等熵效率随转速的变化趋势，指出余速损失是低转速下热效率降低的主要原因。提出了修正后的涡轮能量公式，在低转速工况下对涡轮的做功性能分析时不能忽略涡轮进出口的动能变化，在计算涡轮出口的余速损失时，必须考虑工质流动速度的方向特性。
　　(2)目前针对有机朗肯循环系统小型涡轮在不同有机工质驱动时运行性能的研究很少，对不同有机工质在同一单级小型径—轴流式高转速涡轮做功时的性能缺乏了解。而在可再生能源及余热利用过程中，要根据热源温度为有机朗肯循环
　　系统小型涡轮选择一种合适的工质。本文首先把实验数据和设计数据相结合，采用CFX软件对涡轮叶轮三维流场进行了数值模拟，验证了该方法可以对涡轮性能进行预测，然后比较了R11、R123、R141b在不同热源温度下对该涡轮做功时的性能。
　　(3)有机朗肯循环的热效率极大程度的取决于涡轮的性能，涡轮的输出轴功不仅取决于进口温度、压力、转速、焓降等涡轮内部参数，也取决于涡轮的进口攻角。关于小型涡轮的性能在不同攻角下尤其是不同有机工质驱动时的理论和实验研究非常缺乏。本文首先选出了适合太阳能有机朗肯循环的三种不同的有机工质，然后呈现了大量的研究，关于应用在太阳能有机朗肯循环系统中的小型径-轴流式涡轮的性能，攻角从负35度到负75度，分别由工质R11、R123、R141b驱动时，建立和验证了一个流体动力学模型，模拟结果显示，当涡轮转速在60000rpm时，R11的最佳攻角是负78度，系统最高热效率是11.31％，R123的最佳攻角是负70度，系统最高热效率是10.93％，R141b的最佳攻角根据趋势判定也许小于是负79度，取得的系统最高热效率是9.14％，影响系统热效率的主要因素是△H和△Ek。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 有机朗肯循环低品质热发电

1．1．1 二元地热发电站

1．1．2 模块化的太阳能有机朗肯循环系统

1．1．3 太阳池发电站

1．2 太阳能ORC系统

1．3 全球太阳能PV发展现状和各国政策

1．4 新型太阳能利用技术

1．5 太阳能应用前景

1．6 本文的研究内容

第2章 有机朗肯循环系统膨胀机和实验装置

2．1 ORC系统膨胀机的分类和特点

2．2 ORC系统膨胀机的应用和研究现状

2．3 ORC实验台与运行原理

2．4 涡轮发电装置与设计参数

2．5 涡轮设计参数和工作原理

2．6 本章小结

第3章 膨胀机数值模拟

3．1 膨胀机数值模拟研究现状

3．2 本文涡轮采用的数值模拟方法

3．2．1 涡轮3D几何模型

3．2．2 叶轮网格的生成

3．2．3 模型和控制方程

3．2．4 边界条件和求解控制

3．3 工质的选择和分析比较

3．3．1 ORC系统工质选择研究现状

3．3．2 本实验台和模拟工质的选择和特性

3．4 本章小结

第4章 转速、工质、进口攻角对涡轮性能的影响

4．1 模拟结果和设计、运行工况对比

4．2 涡轮能量公式修正和性能参数计算公式

4．3 不同转速下的性能分析

4．3．1 模拟结果数据和分析

4．3．2 小结

4．4 三种工质对涡轮做功的比较

4．4．1 模拟结果数据和分析

4．4．2 小结

4．5 涡轮进口攻角的影响

4．5．1 攻角结构和研究现状

4．5．2 模拟结果数据和分析

4．5．3 小结

4．6 本章小结

第5章 全文工作总结和展望

5．1 论文的主要内容

5．2 后续工作展望

参考文献

附录

在读期间研究成果

致谢