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有机朗肯循环封闭式膨胀机内置发电机冷却问题研究

有机朗肯循环封闭式膨胀机内置发电机冷却问题研究

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作者：余海彬北京工业大学

学位级别：硕士

有机朗肯循环技术是实现中低品位能源发电最有前途的技术路线之一。膨胀机是有机朗肯循环系统的关键设备,根据其密封方式可分为开启式、半封闭式和封闭式三种类型。相较于开启式而言,封闭式可以避免因安装轴封带来的工质泄漏、磨损、更... 详细信息

有机朗肯循环技术是实现中低品位能源发电最有前途的技术路线之一。膨胀机是有机朗肯循环系统的关键设备,根据其密封方式可分为开启式、半封闭式和封闭式三种类型。相较于开启式而言,封闭式可以避免因安装轴封带来的工质泄漏、磨损、更换等问题,保证膨胀机长期可靠运行,因此封闭式膨胀机成为有机朗肯循环发展的重要方向。同样由于密封性,也使得发电机在运行时难以引入额外的冷却介质,这使发电机发热量难以及时散出,将导致发电机内部温度升高,影响机组的安全运行。本文针对有机朗肯循环封闭式膨胀机内置发电机冷却问题开展了专门研究,主要内容及结论如下:通过把有机朗肯循环工质作为封闭式膨胀机内置发电机的冷却介质,本文引入了排气冷却、喷雾冷却、排气-喷雾冷却三种方案,并分别探讨了其结构、特点及适用性。排气冷方案结构最为简单,而对于喷雾冷却和排气-喷雾冷却方式需要增加管路并安装雾化喷嘴,但均为非运动部件,不会造成工质泄漏。采用排气冷却和喷雾冷却方案的有机朗肯循环机组还可利用回热进一步提高循环热效率。同时建立热力学模型来研究不同冷却方案对有机朗肯循环系统性能的影响。结果表明:以R245fa为工质时,附加的喷雾冷却、排气冷却、排气-喷雾冷却过程分别使循环热效率降幅达0.21%、0.40%和0.77%。其中排气-喷雾冷却方案中由排气阻力损失所引起的热效率降幅占比达到52%。在排气阻力损失大于2 k Pa时,喷雾冷却方案所造成的循环热效率降幅最小。此外,本文探讨了封闭式膨胀机的具体细化结构。借助于实验关联式分析了气体工质冷却发电机时的对流换热系数。本文将发电机各部件等效为柱状体结构,根据“T”型热阻模型,建立了发电机各部件间的传热模型。基于等效热路法,构建了耦合发电机内部导热、壳体表面自然对流散热和有机工质强制对流冷却在内的发电机冷却数学模型。同时对发电机进行电磁计算,得到各部件的损耗值,最终形成完整的等效热路模型方程组。通过对发电机损耗模型的求解,发现随着有机朗肯循环工况的变化定子铁芯损耗保持在额定功率的2.6%不变。而定、转子绕组损耗变化较为明显,以R245fa为工质,在蒸发温度为115℃时,定、转子绕组损耗以及定子铁芯损耗分别占总损耗的42.9%、35.2%和21.9%。本文选择排气冷却和排气-喷雾冷却两种不同方案,基于发电机冷却数学模型,研究了不同工况下发电机温度场的变化规律。结果表明,当有机朗肯循环系统蒸发温度升高时,由于受到膨胀机输出功和排气温度增加的双重影响,定子绕组温度快速升高,而冷凝温度改变对发电机温度影响较小。相对于排气冷方案,排气-喷雾冷却方案可以有效改善发电机的冷却条件。以R245fa为工质有机朗肯循环机组,在蒸发温度为115℃时,对于排气冷却方案的定子绕组最高温度可达142℃。而对于排气-喷雾冷却方案则为125℃。此外,通过提高等效槽绝缘层导热系数可以达到降低定子绕组温度的目的,而改变定子外围流道圆心角对绕组温度影响较小。

关键词：封闭式膨胀机发电机冷却循环热效率定子绕组最高温度

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