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低溫地?zé)崮躉RC發(fā)電系統(tǒng)渦輪膨脹機(jī)流場(chǎng)模擬研究

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低溫地?zé)崮躉RC發(fā)電系統(tǒng)渦輪膨脹機(jī)流場(chǎng)模擬研究【摘要】:在全球化石能源緊缺、環(huán)境日益惡劣的大形勢(shì)下,新能源開(kāi)發(fā)、余熱利用成為解決當(dāng)下日趨惡劣的能源狀況的必要舉措。利用有機(jī)朗肯循環(huán)技

【摘要】:在全球化石能源緊缺、環(huán)境日益惡劣的大形勢(shì)下,新能源開(kāi)發(fā)、余熱利用成為解決當(dāng)下日趨惡劣的能源狀況的必要舉措。利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)(Organic Rankine Cycle,ORC)對(duì)地?zé)崮苓M(jìn)行高效利用,將極大地緩解當(dāng)下的能源緊張情況。向心式渦輪膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的核心部件,擁有良好的發(fā)展前景,對(duì)于中低溫?zé)嵩椿厥绽玫膱?chǎng)合,采用向心式渦輪膨脹機(jī)可實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率。本文利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)對(duì)95℃低溫地?zé)崮苓M(jìn)行機(jī)理分析,設(shè)計(jì)地?zé)崮躉RC發(fā)電系統(tǒng),對(duì)低溫地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析,并對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、過(guò)熱度及過(guò)冷度等主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果表明對(duì)于基本有機(jī)朗肯循環(huán),系統(tǒng)循環(huán)熱效率和膨脹機(jī)輸出功隨蒸發(fā)溫度的升高成遞增趨勢(shì),膨脹機(jī)進(jìn)出口溫差的增大可顯著提高系統(tǒng)的循環(huán)熱效率;過(guò)熱溫度對(duì)ORC系統(tǒng)的影響與普通朗肯循環(huán)的影響不同,它與有機(jī)工質(zhì)的熱物性和系統(tǒng)工況有關(guān)。隨著過(guò)熱溫度的增大,系統(tǒng)循環(huán)熱效率先增加后減小,出現(xiàn)最大循環(huán)熱效率及最優(yōu)過(guò)熱溫度。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)50kW渦輪膨脹機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,導(dǎo)葉和葉輪的三維設(shè)計(jì),利用Ansys軟件中CFX模塊對(duì)導(dǎo)葉及葉輪內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析,最后采用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,對(duì)渦輪膨脹機(jī)葉輪進(jìn)行優(yōu)化。模擬結(jié)果顯示在葉輪葉片前緣及尾緣存在沖擊損失及尾跡損失,在葉輪30%相對(duì)弦長(zhǎng)處存在過(guò)度膨脹,產(chǎn)生局部低壓區(qū),同時(shí)存在由輪轂至輪緣的二次流流動(dòng)。在合理的取值范圍內(nèi)采用較小的輪徑比可以減少葉輪流道流動(dòng)損失;在相對(duì)弦長(zhǎng)30%左右靠近輪緣區(qū)域,工質(zhì)流動(dòng)方向發(fā)生較大轉(zhuǎn)折,與輪緣壁面產(chǎn)生局部低能團(tuán),存在較大熵增區(qū);在葉輪出口尾緣處,由于尾跡損失存在低速流動(dòng)氣流,并且低速流體與主流體發(fā)生混摻效應(yīng),部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的熱能,造成損失的進(jìn)一步加大;輪緣與輪轂側(cè)由于附面層的存在,較中間區(qū)域熵增明顯;在取值范圍內(nèi)采用較大的子午面流道寬度,葉輪對(duì)出口氣流控制作用增大,有利于減少葉輪流道流動(dòng)損失,提高膨脹機(jī)效率。 【關(guān)鍵詞】:有機(jī)朗肯循環(huán) 低溫地?zé)崮?/strong> 渦輪膨脹機(jī) 流場(chǎng)分析
【學(xué)位授予單位】:青島科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2016
【分類號(hào)】:TM616
【目錄】:
  • 摘要3-4
  • ABSTRACT4-8
  • 符號(hào)說(shuō)明8-10
  • 1 緒論10-25
  • 1.1 研究背景10-13
  • 1.2 地?zé)崮躉RC發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
  • 1.3 地?zé)崮躉RC發(fā)電技術(shù)膨脹機(jī)研究進(jìn)展18-22
  • 1.4 渦輪膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究進(jìn)展22-24
  • 1.5 本文研究?jī)?nèi)容24-25
  • 2 地?zé)崮躉RC發(fā)電系統(tǒng)熱力循環(huán)理論分析25-44
  • 2.1 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)機(jī)理分析25-29
  • 2.1.1 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)組成25-26
  • 2.1.2 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)熱力分析26-29
  • 2.2 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇及系統(tǒng)參數(shù)確定29-34
  • 2.2.1 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)選擇29-31
  • 2.2.2 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)確定31-32
  • 2.2.3 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果32-34
  • 2.3 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)基本工況計(jì)算與分析34-43
  • 2.3.1 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)性能的影響34-35
  • 2.3.2 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)性能的影響35-37
  • 2.3.3 過(guò)熱溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)性能的影響37-41
  • 2.3.4 過(guò)冷溫度對(duì)系統(tǒng)循環(huán)性能的影響41-43
  • 2.4 本章小結(jié)43-44
  • 3 地?zé)崮躉RC發(fā)電系統(tǒng)渦輪膨脹機(jī)熱力學(xué)設(shè)計(jì)44-60
  • 3.1 渦輪膨脹機(jī)工作過(guò)程及原理44-46
  • 3.2 渦輪膨脹機(jī)一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)46-54
  • 3.2.1 渦輪膨脹機(jī)一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)初始參數(shù)47-48
  • 3.2.2 渦輪膨脹機(jī)一維氣動(dòng)設(shè)計(jì)可變參數(shù)48-52
  • 3.2.3 渦輪膨脹機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)初步計(jì)算結(jié)果52-54
  • 3.3 導(dǎo)葉及葉輪三維葉型設(shè)計(jì)54-59
  • 3.3.1 葉片參數(shù)化造型方法55-56
  • 3.3.2 導(dǎo)葉三維設(shè)計(jì)56-57
  • 3.3.3 葉輪三維設(shè)計(jì)57-59
  • 3.4 本章小結(jié)59-60
  • 4 渦輪膨脹機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬60-78
  • 4.1 控制方程與湍流模型60-63
  • 4.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證63-67
  • 4.3 CFX邊界條件及收斂性標(biāo)準(zhǔn)67-68
  • 4.4 渦輪膨脹機(jī)設(shè)計(jì)工況流場(chǎng)性能研究68-76
  • 4.4.1 渦輪膨脹機(jī)整級(jí)流場(chǎng)性能分析68-69
  • 4.4.2 渦輪膨脹機(jī)導(dǎo)葉性能分析69-72
  • 4.4.3 渦輪膨脹機(jī)葉輪性能分析72-76
  • 4.5 本章小結(jié)76-78
  • 5 渦輪膨脹機(jī)葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)78-91
  • 5.1 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法78-79
  • 5.2 葉輪葉型優(yōu)化設(shè)計(jì)方案79-81
  • 5.2.1 目標(biāo)函數(shù)79-80
  • 5.2.2 均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)80-81
  • 5.3 優(yōu)化結(jié)果分析81-89
  • 5.3.1 葉輪流道流動(dòng)損失分析82-86
  • 5.3.2 子午面流道寬度對(duì)葉輪流道流動(dòng)分析86-89
  • 5.4 本章小結(jié)89-91
  • 總結(jié)與展望91-93
  • 參考文獻(xiàn)93-98
  • 附錄98-102
  • 致謝102-103
  • 攻讀碩士學(xué)位期間所獲得的科研成果103-104


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