干冷CO2基混合工质超临界布雷顿循环性能研究

作     者：刘昕昕 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐震

授予年度：2020年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：干式冷却 再压缩布雷顿循环 混合工质 全工况分析 PCHE数值模拟 

摘      要：超临界二氧化碳布雷顿循环因其热效率高和结构紧凑而著称,在太阳能光热发电领域具备巨大的应用潜力。而太阳能资源通常分布在干旱、缺水地区,干式冷却是光热发电系统最实际的选择,但其热电转换效率受环境温度影响显著,两者呈负相关关系。针对这一问题,使用高临界温度的CO2基混合工质有望成为基于超临界二氧化碳布雷顿循环的光热发电系统的可行解决方案之一。为此,本文以额定输出功率50MW的干式冷却超临界再压缩布雷顿循环为对象研究了混合工质对循环全工况热力学特性及回热器换热特性的影响。首先,使用Matlab软件建立了 C02基混合工质超临界布雷顿循环的设计工况模型和混合工质热物性计算模型。以提高CO2临界温度为标准,并考虑热稳定性、腐蚀性和环境安全性因素,筛选出环己烷、丁烷、异丁烷、丙烷和硫化氢五种适用的气体添加物,研究得到了各CO2基混合工质的最优操作参数,包括主压缩机入口压力、分流系数及高、低温回热器的热导分配比。在此基础上,进一步开展了对主压缩机入口温度与压力、透平初温及高、低温回热器总热导等参数的灵敏度分析。研究表明,五种CO2基混合工质均可明显改善循环热效率,其中又以CO2-硫化氢的性能最佳。提高透平入口温度及主压缩机出口压力可以提高循环的热效率,其中前者更有效,而后者达到30MPa以上时对循环热效率的影响可以忽略。其次,基于设计工况的工作,建立了 CO2-硫化氢混合工质超临界布雷顿循环的非设计工况模型,研究了循环性能随分流系数、主轴转速、主压缩机出口压力、主压缩机入口温度及透平入口温度的变化规律。结果表明,主压缩机入口温度偏离设计工况时,入口温度降低会导致更高的循环热效率,入口温度升高使得循环净输出功降低,且其降低幅度高于入口温度降低的情况。额定负载下,当主压缩机入口温度升高时,循环热效率呈下降趋势,且部分负载工况相较于设计工况的循环热效率大幅降低;而当透平入口温度升高时,循环热效率随之提高,部分负载同样导致循环热效率的大幅降低。最后,使用Fluent 16.0软件建立了印刷电路板式换热器(PCHE)的双通道三维模型,在高、低温两种温度工况下对通道内CO2-硫化氢混合工质的流动与传热特性进行数值模拟。结果表明,低温工况下,冷流凭借更高的导热系数,其对流换热系数远高于热流,而随着质量通量的增加,流体的换热能力得到大幅度提升,但同时会造成更高的压降,尤其是对于高质量通量下,压降将具有更大的提升幅度。利用数值模拟结果,使用origin软件拟合出直通道对流换热与阻力的准则关联式,两拟合关联式预测结果与本文数值模拟结果的偏差分别在3.5%与3%以内。