电气体发电中有热添加的喷管流动及热力循环分析

作     者：朱桂同 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈清华

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：电气体发电 热添加喷管流动 Ericsson循环 CFD模拟 热效率 

摘      要：电气体发电作为一种直接发电方式，以气体作为发电工质，具有清洁、设备简化、结构紧凑、维护要求低等优点，在分布式能源系统中，具有巨大的发展潜力。为了提高电气体发电循环的热效率，本论文在有回热的条件下，通过对电气体发电器喷管中流动的气体进行加热，构建了一个新的热力学模型和热力循环，分析了喷管加热对喷管内流动以及循环热效率的影响。 首先，对电气体发电中扁平拉瓦尔喷管进行了设计，通过CFD数值模拟对比不同型线喷管内的流场及计算喷管速度系数和能量损失系数，选择最优型线喷管。然后，用CFD数值模拟的方法研究了有热添加的喷管流动。模拟了不同壁面加热功率、不同流道宽度、加入导流片、不同位置加热、延长渐扩段、延长渐缩段、不同入口高度条件下壁面加热喷管的流动，找到提高壁面加热效果的方法并对喷管进行优化。进一步将壁面加热和内热源两种加热方式喷管的流场和火用效率进行了对比，并且依据不同位置加热效果，将壁面加热和内热源加热方式结合起来，提出了一种综合加热方法。最后，分析了喷管不同加热功率对循环热效率的影响，提出了一种提高电气体发电循环热效率的方法。并分析了喷管加热条件下，不同喷管入口温度、不同最低循环温度、不同入口压力对循环热效率的影响。 研究结果表明，相对于直线喷管，型线为两段圆弧的喷管具有更好的流动特性;壁面加热方式中，喷管流道变窄管内流体速度提高，但同时增大了流动阻力;加入导流片、延长渐扩段，虽然加热功率有所增大，但会增大流体流动阻力;而延长喷管渐缩段和增大入口高度则能有效提高喷管流体速度和温度;受边界层的限制，壁面加热方式对主流区域影响不大，而内热源加热方式在主流区域效果明显;将壁面和内热源加热方式结合的综合加热方法能够有效地将热量添加到喷管气流中，并能提高循环热效率。喷管有热添加时，在不同喷管入口温度、不同最低循环温度、不同入口压力条件下，均能进一步提高循环热效率。