超燃冲压发动机用SCO_(2)闭式回热布雷顿循环的热电转换系统性能分析

针对高超声速飞行器的供电和热防护需求,本文提出了一种基于超临界二氧化碳(SCO_(2))闭式回热布雷顿循环(RCBC)的热电转换系统,建立了一个由超燃冲压发动机燃烧室、壁面冷却通道和SCO_(2),RCBC组成的耦合模型来评估系统性能。对比了燃烧室与冷却通道耦合和不耦合的差距;分析了冷却流体进人冷却通道时的进口参数对系统热防护以及供电的影响。结果表明,热电转换系统通过将部分热量转化为电能,在对发动机进行热防护的同时,可以为高超声速飞行器提供25.14kW的电能。

微型堆SCO_(2)布雷顿循环系统构型及参数优化

超临界二氧化碳(SCO_(2))布雷顿循环具有循环效率高、结构紧凑等优点,适合作为微型核反应堆的能量转换系统。本文以不同构型SCO_(2)布雷顿循环系统为研究对象,建立了设备模型及系统整体分析模型,进行了系统关键部件选型及热力设计,并开展了不同评价指标下系统不同构型参数优化,获得了不同优化目标下最佳构型及最优参数配置。结果表明:以发电效率最大作为优化目标,最优构型再压缩再热循环的发电效率最高达到47.5%;以功率密度最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率密度最高可达282.42 kW/m^(3);以功率质量比最大作为优化目标,最优构型再压缩循环的功率质量比最高可达98.81 kW/t。通过不同构型对比发现,再压缩构型具有较高的功率密度和功率质量比,能较好兼顾高效性和紧凑型,更适合作为可移动微型堆能量转换系统。

船用烟气余热S-CO_(2)布雷顿循环发电系统性能分析

开展船舶主机不同负荷工况下的S-CO_(2)布雷顿循环余热系统热力学特性和效能分析是其实现工程应用的必要环节。本文通过性能分析确定系统热力学参数对净输出功率和平准化能源成本的影响变化趋势,最佳运行参数范围以及系统关键热力学参数。通过主机典型负荷工况下的效能评估,分析集成S-CO_(2)再压缩布雷顿循环余热发电系统后的船舶节能减排效益。结果表明:主压缩机入口压力和压比对整个余热发电系统热力学性能和经济性影响最为显著,可调节这2个关键热力学参数以确保系统在船舶主机不同负荷下获得良好系统性能;集成该余热发电系统后,MAN8S90ME-C10.2型主机系统热效率最高可提高0.91%,燃油消耗量平均每年可减少51 t,NO_(2)和CO_(2)的排放量每年可分别减少2.28 t和760 t。

小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环冷端特性研究

氟盐冷却高温堆与SCO_(2)布雷顿循环耦合发电系统具有固有安全性高、效率高、可模块化建造等优点,但SCO_(2)布雷顿循环系统对于冷端参数十分敏感,严重影响循环系统性能。本文以小型氟盐冷却高温堆SCO_(2)布雷顿循环系统为对象,开展在SCO_(2)冷端扰动下系统的动态特性研究,并探究变负荷过程中冷端参数变化对系统性能的影响。结果表明:在降负荷过程中,主压缩机对入口温度和入口压力的敏感性逐渐增强;低负荷状态下,主压缩机入口温度扰动1℃,出口压力变化最高7 MPa,效率变化最高6.82%;主压缩机入口压力扰动0.1 MPa,出口压力变化最高6.33 MPa,效率变化最高6.23%。

超临界CO_(2)布雷顿循环余热回收系统性能分析与优化

为了经济高效地回收超临界CO_(2)布雷顿循环(SCBC)的余热,分别采用卡琳娜循环(KC)和有机朗肯循环(ORC)作为底循环,设计了SCBC/KC及SCBC/ORC这2种系统方案.对2种方案系统进行参数分析并利用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对联合循环系统进行多目标优化计算,将优化结果与SCBC系统性能进行比较,突出联合循环系统的性能优势.参数分析结果表明:2种联合循环系统热力性能均存在最佳压比;升高底循环膨胀比有助于提升系统热力性能;提高底循环涡轮机进口温度有助于改善系统[火用]经济性能.对比结果表明:优化后的SCBC/KC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高了9.27%和8.69%,[火用]经济成本仅升高了0.92%;SCBC/ORC系统热效率和?效率较优化前SCBC系统分别升高10.73%和10.08%,?经济成本升高了1.87%.通过比较分析可知,SCBC/KC系统更经济,而SCBC/ORC系统更节能.

离心式CO_(2)逆布雷顿制冷系统的[火用]分析研究

离心式逆布雷顿循环(CRBC)是一种利用离心力势能-压力能转换的制冷循环,工质在旋转管内的离心和向心流动实现高效压缩和膨胀过程,为提升气体制冷循环的效率提供了潜在可能性。以CO_(2)为制冷工质,水为冷却介质,建立了离心式逆布雷顿制冷系统的热力学模型,并进行[火用]分析,研究系统的[火用]效率及[火用]损分布情况,为系统的评估及改进提供理论依据。研究结果表明:在相同送风温度下,加热器进口温度存在优化可能,系统最大[火用]损率出现在离心等温压缩、绝热压缩和向心绝热膨胀流动过程,分别约为20%,空气冷却过程和离心绝热压缩流动过程的[火用]损率较小且与加热器进口温度呈相反的变化趋势。离心式逆布雷顿循环的[火用]效高达19.2%,远高于CO_(2)逆布雷顿循环的8.1%、开式空气逆布雷顿循环的4.9%和闭式空气逆布雷顿循环的2.3%。

超临界CO_(2)再热再压缩布雷顿循环火力发电系统[火用]分析

建立了超临界CO_(2)一次再热再压缩布雷顿循环火力发电系统模型,深入分析了各关键参数对系统性能的影响,研究了分流比对换热器夹点的影响规律,得到了对应的最佳分流比,同时分析了各部件火用损率的大小。结果表明:随着再热压力的升高,系统火用效率先上升后下降,存在最佳再热压力;对整个发电系统,锅炉是火用损最大的设备,而对热力循环,回热换热器是火用损影响最大的环节;由于分流的存在,系统火用效率受主压缩机出口压力和入口温度的影响并非单调变化;分流比的选取应综合考虑其对高温回热器和低温回热器回热度的影响,以使整体系统达到最优。

基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统

为了提高太阳能热发电系统的性能,建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临界CO2布雷顿(SCO2)循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型,分析了定日镜、腔式吸热器、再压缩式SCO2发电系统3个子系统的性能,并研究了太阳辐射强度和采用不同底循环的SCO2发电系统对整个电站性能的影响,最后对采用不同类型的蒸汽动力循环和SCO2循环为动力子系统的5种塔式太阳能集热发电系统进行了对比。结果显示:吸热器的能量损失率最小,但损失率最大;随着太阳辐射强度增大,吸热器和整个电站的热效率和效率均增大;采用有机朗肯循环和跨临CO2(TCO2)循环作为底循环对SCO2发电系统进行余热回收,可提高整个电站的热效率,并且SCO2-TCO2循环具有更高的热效率;相同条件下,不同的SCO2循环均比蒸汽动力循环具有更高的热效率和效率,其中基于SCO2-TCO2的塔式太阳能电站热效率最高。

航空发动机热防护超临界CO_(2)闭式循环方案设计

针对航空飞行器高速飞行时发动机热环境严峻、冷源有限的问题,提出了一种应用于航空发动机热防护、以超临界CO_(2)为工质的闭式布雷顿冷却循环方案。采用能量分析法构建布雷顿循环的数学模型,对比分析了简单循环、回热循环与间冷循环3种循环结构的优劣,比较了高温部件冷却通道的串并联结构对循环性能的影响。结果表明:回热循环能够提高系统热效率约4%,但热沉利用率降低50%;间冷循环能够降低系统热沉消耗8%,但会导致系统总质量增大;超临界CO_(2)简单循环是最符合发动机中间工质冷却循环工作需求的循环结构。对于简单循环而言,高温部件冷却通道并联结构的热效率比串联结构的高6%,但需要的碳氢燃料质量流量提高了2.7%,在碳氢燃料质量充足的条件下,并联结构的性能更优。

超临界CO_2部分冷却布雷顿循环分析

为了确定部分冷却布雷顿循环各设备节能潜力,得出应用于聚光太阳能技术(Concentrating Solar Power,CSP)的最优可能工作参数,为以后建设超临界CO_2(Supercritical Carbon Dioxide:S-CO_2)布雷顿循环太阳能热电站提供参考依据,使用EES(Engineering Equation Solver)对应用于CSP的具有一级再热的100 MW S-CO_2部分冷却布雷顿循环进行效率和损系数分析,主要分析在不同透平入口温度,再热压力以及循环压比比对循环效率的影响,同时分析各设备损系数的大小。得出冷凝器损最大,因此后续可通过增加底循环来利用冷凝器的。最大效率的最优工作参数为透平入口温度700℃,再热压力为9.5MPa,循环压比比为0.4,此时循环效率为33.73%,循环热效率为50.90%。

基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式电站热性能分析

超临界CO_2(S-CO_2)作为传热流体具有无毒、廉价、无上限温度限制等优点,近年来受到国内外学者青睐。使用S-CO_2作为传热和工作流体直接用于S-CO_2布雷顿循环发电,既能消除昂贵的中间换热器,减少使用硝酸熔盐带来繁重的防冻保护,降低电站初投资,又能提高电站效率。使用MATLAB编程软件建立塔式太阳能热发电系统的能量和火用分析模型,分析不同直接太阳辐射能(DNI)、吸热器出口温度、循环压比及部件效率等对电站性能的影响。并将其分析结果与常规再热蒸汽朗肯循环和熔盐为传热流体的S-CO_2布雷顿循环塔式电站进行对比。结果表明:电站效率主要受当地的DNI影响较大;为了获得更高效率,需要增加吸热器出口流体温度;在动力循环设备中,相比于压缩机,膨胀机效率对动力循环以及电站效率影响较大;使用S-CO_2作为传热和工作流体的塔式电站具有更高的电站效率,较常规再热蒸汽朗肯循环及熔盐为传热流体的布雷顿循环电站热效率分别高3.42%和1.04%。

基于超临界CO2布雷顿再压缩循环的塔式太阳能光热系统关键参数的研究

建立了超临界CO2再压缩布雷顿循环模型,对基于超临界CO2再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的吸热器效率、吸热面积、镜场面积、供能比率等参数和指标进行了研究。结果表明：布雷顿循环效率随着涡轮机入口温度的升高而提高;随着涡轮机入口温度的升高,吸热器效率降低,镜场效率提高,全厂效率呈现先上升再下降的趋势,在750℃左右达到最大;涡轮机入口温度从500到800℃,吸热器的吸热面积减小了21.7%,镜场面积也减小22.2%;基于超临界CO2循环的塔式太阳能光热系统在夏至日光热系统供能比率最高,能到达50%,在冬至日光热系统供能比率最低,只有27.4%,平均供能比率在39.7%左右;典型日的逐时吸热器和全厂效率是先升后降的曲线,夏至日白天的全厂平均效率略高于春分和秋分0.8个百分点;冬至日的效率低于春分和秋分5.5个百分点;4个典型日的平均效率在20.36%左右。

基于燃机余热和LNG冷能的sCO_(2)朗肯循环系统构建

构建了以燃气轮机烟气为热源、LNG气化热为冷源的超临界二氧化碳(sCO_(2))朗肯循环与天然气直接膨胀耦合的余热发电系统。针对300万t/a LNG气化站,开展了循环参数对热力学性能的敏感性分析以及优化计算。结果表明:该系统的总出力可达528.57 MW,可匹配约342 MW等级燃机,LNG贡献电能为0.095 7 MJ/kg,联合系统燃料热效率达到63.54%;相比传统的燃气蒸汽联合循环,系统净功提高3.5%,燃料热效率提升2.15个百分点。

基于SOFC-GT-SCO_(2)RBC的联合循环系统热力性能

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第3代燃料电池,具有低成本、全固态、高效率、高功率密度、燃料选择多样性和可分布式发电等优点,且可结合多种设备回收尾气中的高品位余热,大大提高能源利用效率。提出并研究了一种集固体氧化物燃料电池、燃气轮机(GT)和超临界二氧化碳再压缩式布雷顿循环(SCO_(2)RBC)为一体的联合循环系统。利用GT和SCO_(2)RBC充分回收SOFC尾气中未反应的燃料以及高温余热。通过建立该系统的数学模型,利用Matlab软件对该系统进行了热力学分析,并研究了SOFC工作温度、压力、燃料流量等参数变化对联合循环系统热力性能的影响。结果表明,SOFC工作在1073 K、0.5 MPa、燃料流量0.158 mol/s时,该联合循环系统内的SOFC、SOFC-GT及SCO_(2)RBC的发电效率分别达55.36%、70.95%和40.76%,总发电效率高达74.76%,SCO_(2)RBC底循环的引入可使系统净效率增加近4%;而参数分析则表明联合循环系统总发电效率随SOFC工作温度和工作压力的增加而增加,随燃料流量和燃料利用率的增加而降低。

太阳能热发电超临界CO2布雷顿循环性能理论研究

以超临界CO2布雷顿循环为研究对象,针对太阳热能,建立理论分析模型,研究循环性能受热源参数和运行参数的影响规律,考察的熔盐进口温度范围为350～600℃,吸热压力范围为10～50 MPa。结果表明：熔盐进口温度和吸热压力是影响循环性能的重要参数;循环热效率与熔盐进口温度存在正相关关系,且随着吸热压力的增大存在极大值。在熔盐进口温度为600℃,吸热压力为28 MPa时,循环热效率达到极大值0.352。

用于太阳能超临界CO_(2)布雷顿循环的流态化颗粒换热试验与模拟

搭建30 kW浅层多级流态化颗粒换热试验台,在约1.5倍临界流化速度、换热器采用直管管束逆流形式布置时颗粒侧换热系数可达590~860 W/(m^(2)·K)。采用双欧拉流体模型对流化床内水平埋管管束换热进行数值模拟,模拟结果与试验结果偏差在10%以内。利用析因设计与线性回归模型研究颗粒粒径、颗粒导热系数和流化气体速度对流态化换热效果的影响。发现颗粒粒径是换热系数的主要影响因素,流化气体速度是次要因素。对于100 MW级太阳能超临界CO_(2)布雷顿循环系统,流态化颗粒换热温度范围为650~900℃,换热器热效率约为98.7%,效率约为80.6%,效能约为61.9%,满足设计要求。

基于超临界CO2布雷顿循环的有机朗肯联合循环特性研究

使用ASPEN通用流程系统设计软件,在超临界CO2布雷顿循环(SCO2)和有机朗肯循环(ORC)的循环特性研究的基础上,进一步探究了SCO2-ORC联合循环的影响因素和影响结果。研究表明,联合循环中SCO2透平出口压力、ORC透平入口压力和压气机入口温度对循环系统的热效率均有着重要影响。对比不同工质可以发现,最大效率排序为R22>R32>R125>R134a>R115。此外,通过统计分析发现,在变ORC系统参数和变SCO2系统参数时,联合循环热效率与ORC功率占比分别表现出一次线性关系和二次抛物线关系。为进一步使用和推广SCO2-ORC太阳能光热发电技术提供了理论支持和设计基础。

超临界CO_2布雷顿循环的太阳能热发电系统分析

超临界CO_2(S-CO_2)循环系统在塔式太阳能热发电领域的应用潜力巨大。建立了基于闭式布雷顿循环的S-CO_2热发电系统模型,通过仿真计算比较了S-CO_2、空气、CO_2和He等4种工质在系统稳态运行时的工作性能,分析了各部分的损情况;研究了S-CO_2热发电系统随辐照强度变化的变工况特性。结果表明:S-CO_2系统热功性能好于另外3种工质;冷却器为系统损最大的部件;日间模式下,太阳辐照强度越高,系统热效率和输出净功率越大;系统的总效率在全年不同季节中相差不大;辐射强度突变时,系统热效率和效率表现出一定的滞后性。

基于S-CO2分流再热式布雷顿循环的塔式太阳能热发电系统研究

随着工业生产和社会经济的迅猛发展,电能的消耗量急速增加,与此同时化石能源却越来越少,塔式太阳能热发电的潜力逐渐显现。建立了以熔融盐为传热介质、超临界CO2分流再热式布雷顿循环为动力循环的塔式太阳能热发电系统模型。深入分析了分流系数及压比、回热度及压差和腔式太阳能集热器的温度对系统循环热效率的影响。结果表明:不同压比存在不同的最优分流系数,使S-CO2循环效率最大;随着回热度的提升,对系统性能的提升效果越来越明显;存在最优集热器温度,使整体太阳能热发电系统效率最大。

超临界CO_2布雷顿循环的应用分析

本文对超临界CO_2布雷顿循环进行了热力学分析,以该布雷顿循环为基础,分析了不同种类气体的循环热力学性能,重点讨论了超临界CO_2作为燃气轮机底循环工作流体的热力学性能。结果表明:相对于其他气体而言,超临界CO_2布雷顿循环虽然具有相对较差的热效率,但是可以通过回热和"分流"再压缩配置来弥补,因此作为整个燃气轮机的底循环的工作流体,超临界CO_2具有较高效率。