發(fā)布時間：2020-05-26 22:05

【摘要】：在超臨界壓縮空氣儲能(SC-CAES)、LNG液化和空氣分離等系統(tǒng)中,高壓低溫流體經(jīng)過節(jié)流閥降壓過程常伴有能量損失和氣體析出,造成了能量的浪費(fèi)。液體膨脹機(jī)是一種可將高壓流體或者超臨界流體降壓至低壓的能量回收裝置,替換節(jié)流閥后可回收工質(zhì)和能量,提高系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)性。液體膨脹機(jī)定制性較強(qiáng),同時存在性能實(shí)驗(yàn)成本較高,低溫空化伴有顯著的熱效應(yīng)等難題。目前,國內(nèi)外對液體膨脹機(jī)的研究較少,而研高發(fā)性能液體膨脹機(jī)對提高SC-CAES系統(tǒng)效率具有重要意義,因此,有必要開展液體膨脹機(jī)研究工作。本文介紹了液體膨脹機(jī)的原理和研究進(jìn)展,對葉輪式液體膨脹機(jī)的設(shè)計和實(shí)驗(yàn)開展了多個方面的研究工作,主要研究內(nèi)容如下:1.開展液體膨脹機(jī)設(shè)計和�；椒ㄑ芯俊７治隽艘后w膨脹機(jī)流動過程,建立了液體膨脹機(jī)設(shè)計模型,得到了設(shè)計參數(shù)對液體膨脹機(jī)的影響規(guī)律。根據(jù)SC-CAES系統(tǒng)要求,完成了液體膨脹機(jī)設(shè)計。然后,為簡化實(shí)驗(yàn)條件,提出液體膨脹機(jī)�；椒�,并得到了液體膨脹機(jī)模化模型。最后,利用數(shù)值方法得到了設(shè)計和模化液體膨脹機(jī)的性能,通過與設(shè)計值的比較,驗(yàn)證了設(shè)計方法和�；椒ǖ目煽啃浴�2.開展液體膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計完成液體膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)方案,利用數(shù)值分析方法設(shè)計確定了實(shí)驗(yàn)平臺各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù),并據(jù)此方案和參數(shù)搭建了液體膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺。根據(jù)液體膨脹機(jī)設(shè)計結(jié)果完成設(shè)備加工,并利用實(shí)驗(yàn)平臺得到了該液體膨脹機(jī)的全工況性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在額定工況下,效率為75.2%,輸出功率為30.4kW。3.開展液體膨脹機(jī)內(nèi)部流動研究。對液體膨脹機(jī)三種數(shù)值方案進(jìn)行了數(shù)值計算,其中包括:僅包含單通道導(dǎo)葉和動葉的CASE1;包含全通道導(dǎo)葉、動葉和蝸殼的CASE2;在CASE2基礎(chǔ)上計及輪背流道,以及輪蓋與蝸殼之間泄露通道的CASE3。計算了三種方案下各流道的流動損失,分析了蝸殼、導(dǎo)葉和動葉內(nèi)的流動不均勻性。對比了變轉(zhuǎn)速運(yùn)行下額定工況與50%額定轉(zhuǎn)速且?50%額定流量下各流道損失,以及動葉定常和非定常流動。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果,開展了六種液體膨脹機(jī)改進(jìn)方案的全工況實(shí)驗(yàn)工作。結(jié)果表明:通過優(yōu)化所有改進(jìn)方案的膨脹機(jī)性能均得到了提升,額定工況下改進(jìn)型液體膨脹機(jī)最高效率可達(dá) 81.3%,功率為 31.9 kW。4.開展液體膨脹機(jī)低溫空化研究。對空化模型進(jìn)行分析,得到低溫空化模型,并通過與低溫水翼實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較驗(yàn)證了數(shù)值計算方法的可靠性。對液體膨脹機(jī)不同入口溫度、出口壓力等工況進(jìn)行了計算分析,得到液體膨脹機(jī)低溫空化性能。本文開展了詳細(xì)的液體膨脹機(jī)設(shè)計、實(shí)驗(yàn)、內(nèi)部流動和空化性能研究,所得結(jié)論對SC-CAES系統(tǒng)液體膨脹機(jī)研發(fā)和運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義,對LNG液化、空分等系統(tǒng)液體膨脹機(jī)研究也具有一定參考價值。
【圖文】：

而且需要配套燃?xì)廨啓C(jī)電站。逡逑為了克服傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)缺點(diǎn)，中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出了逡逑超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，如圖１．１所示。在儲能時，電動機(jī)帶動壓縮機(jī)將常溫逡逑常壓空氣壓縮至超臨界狀態(tài)，利用蓄冷／換熱器將超臨界空氣液化存儲至低溫儲逡逑罐；在釋能時，將液態(tài)空氣經(jīng)蓄冷／換熱器后進(jìn)入膨脹機(jī)，推動葉輪做功發(fā)電［３］。逡逑超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)具有效率高，結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，并且不需要特殊的地理逡逑條件，即可用于削峰填谷，也可用于平緩新能源發(fā)電的電能波動。逡逑：０逡逑膨脹機(jī)２邐Ｋ脹機(jī)１邐Ｓ冷／換熱器逡逑ａ？邐４．邐Ｔ逡逑ｉ邐４邐８邋＿逡逑１熱／換熱器邐＾邐１＿＿逡逑３邐１邐低溫儲罐逡逑低■丨電動機(jī)喊逡逑壓氣機(jī)ｒ邐ｅ氣機(jī)２逡逑０邋０逡逑大氣邐大氣邐污染物逡逑圖１．１超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)示意圖ｍ逡逑郭歡等Ｗ對多種超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)進(jìn)行了計算，對采用節(jié)流閥液化的逡逑超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)（Ｖ－ＳＣ－ＣＡＥＳ）和采用液體膨脹機(jī)液化的超臨界壓縮空逡逑氣儲能系統(tǒng)（ＬＥ－ＳＣ－ＣＡＥＳ）進(jìn)行比較，如圖１．２所示。液體膨脹機(jī)是將高壓液逡逑１逡逑

液體膨脹機(jī)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究逡逑體或者超臨界流體膨脹到低壓液態(tài)或者氣液兩相狀態(tài)，回收液體并對外做功的裝逡逑置。在空分液化及石油化工等領(lǐng)域中，液體膨脹機(jī)可取代節(jié)流閥，，提高液化率和逡逑系統(tǒng)效率。在地?zé)嵯到y(tǒng)中，液體膨脹機(jī)可回收全部熱水和低品質(zhì)蒸汽的能量，提逡逑高能源利用率。在跨臨界Ｃ０２循環(huán)制冷系統(tǒng)中，液體膨脹機(jī)取代節(jié)流閥，提高逡逑制冷量和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。采用液體膨脹機(jī)液化的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的用意是逡逑將圖１．１中蓄冷換熱器和低溫儲罐的節(jié)流閥替換成液體膨脹機(jī)，回收低溫液體的逡逑能量，減少氣體析出。經(jīng)過計算，ＬＥ－ＳＣ－ＣＡＥＳ可提供系統(tǒng)效率約１０個百分點(diǎn)逡逑左右［６］，如圖１．３所示。逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB653

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本文編號：2682472