低温地热能ORC发电系统涡轮膨胀机流场模拟研究

【摘要】：在全球化石能源紧缺、环境日益恶劣的大形势下,新能源开发、余热利用成为解决当下日趋恶劣的能源状况的必要举措。利用有机朗肯循环技术(Organic Rankine Cycle,ORC)对地热能进行高效利用,将极大地缓解当下的能源紧张情况。向心式涡轮膨胀机作为有机朗肯循环系统的核心部件,拥有良好的发展前景,对于中低温热源回收利用的场合,采用向心式涡轮膨胀机可实现较高的转换效率。本文利用有机朗肯循环技术对95℃低温地热能进行机理分析,设计地热能ORC发电系统,对低温地热能有机朗肯循环发电系统进行热力学分析,并对系统蒸发温度、过热度及过冷度等主要参数进行优化分析。结果表明对于基本有机朗肯循环,系统循环热效率和膨胀机输出功随蒸发温度的升高成递增趋势,膨胀机进出口温差的增大可显著提高系统的循环热效率;过热温度对ORC系统的影响与普通朗肯循环的影响不同,它与有机工质的热物性和系统工况有关。随着过热温度的增大,系统循环热效率先增加后减小,出现最大循环热效率及最优过热温度。根据系统参数对50kW涡轮膨胀机进行热力学计算,导叶和叶轮的三维设计,利用Ansys软件中CFX模块对导叶及叶轮内部流场进行分析,最后采用均匀设计试验方法,对涡轮膨胀机叶轮进行优化。模拟结果显示在叶轮叶片前缘及尾缘存在冲击损失及尾迹损失,在叶轮30%相对弦长处存在过度膨胀,产生局部低压区,同时存在由轮毂至轮缘的二次流流动。在合理的取值范围内采用较小的轮径比可以减少叶轮流道流动损失;在相对弦长30%左右靠近轮缘区域,工质流动方向发生较大转折,与轮缘壁面产生局部低能团,存在较大熵增区;在叶轮出口尾缘处,由于尾迹损失存在低速流动气流,并且低速流体与主流体发生混掺效应,部分机械能转化为工质的热能,造成损失的进一步加大;轮缘与轮毂侧由于附面层的存在,较中间区域熵增明显;在取值范围内采用较大的子午面流道宽度,叶轮对出口气流控制作用增大,有利于减少叶轮流道流动损失,提高膨胀机效率。 【关键词】：有机朗肯循环 低温地热能 涡轮膨胀机 流场分析
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM616
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 符号说明8-10
• 1 绪论10-25
• 1.1 研究背景10-13
• 1.2 地热能ORC发电技术国内外研究现状13-18
• 1.3 地热能ORC发电技术膨胀机研究进展18-22
• 1.4 涡轮膨胀机内部流动及结构优化研究进展22-24
• 1.5 本文研究内容24-25
• 2 地热能ORC发电系统热力循环理论分析25-44
• 2.1 地热能有机朗肯循环机理分析25-29
• 2.1.1 地热能有机朗肯循环系统组成25-26
• 2.1.2 地热能有机朗肯循环热力分析26-29
• 2.2 地热能有机朗肯循环工质选择及系统参数确定29-34
• 2.2.1 地热能有机朗肯循环系统工质选择29-31
• 2.2.2 地热能有机朗肯循环系统参数确定31-32
• 2.2.3 地热能有机朗肯循环系统参数计算结果32-34
• 2.3 地热能有机朗肯循环基本工况计算与分析34-43
• 2.3.1 蒸发温度对系统循环性能的影响34-35
• 2.3.2 冷凝温度对系统循环性能的影响35-37
• 2.3.3 过热温度对系统循环性能的影响37-41
• 2.3.4 过冷温度对系统循环性能的影响41-43
• 2.4 本章小结43-44
• 3 地热能ORC发电系统涡轮膨胀机热力学设计44-60
• 3.1 涡轮膨胀机工作过程及原理44-46
• 3.2 涡轮膨胀机一维气动设计46-54
• 3.2.1 涡轮膨胀机一维气动设计初始参数47-48
• 3.2.2 涡轮膨胀机一维气动设计可变参数48-52
• 3.2.3 涡轮膨胀机气动设计初步计算结果52-54
• 3.3 导叶及叶轮三维叶型设计54-59
• 3.3.1 叶片参数化造型方法55-56
• 3.3.2 导叶三维设计56-57
• 3.3.3 叶轮三维设计57-59
• 3.4 本章小结59-60
• 4 涡轮膨胀机流场数值模拟60-78
• 4.1 控制方程与湍流模型60-63
• 4.2 网格划分及网格无关性验证63-67
• 4.3 CFX边界条件及收敛性标准67-68
• 4.4 涡轮膨胀机设计工况流场性能研究68-76
• 4.4.1 涡轮膨胀机整级流场性能分析68-69
• 4.4.2 涡轮膨胀机导叶性能分析69-72
• 4.4.3 涡轮膨胀机叶轮性能分析72-76
• 4.5 本章小结76-78
• 5 涡轮膨胀机叶轮优化设计78-91
• 5.1 均匀设计试验方法78-79
• 5.2 叶轮叶型优化设计方案79-81
• 5.2.1 目标函数79-80
• 5.2.2 均匀设计试验80-81
• 5.3 优化结果分析81-89
• 5.3.1 叶轮流道流动损失分析82-86
• 5.3.2 子午面流道宽度对叶轮流道流动分析86-89
• 5.4 本章小结89-91
• 总结与展望91-93
• 参考文献93-98
• 附录98-102
• 致谢102-103
• 攻读硕士学位期间所获得的科研成果103-104

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