電氣體發電中有熱添加的噴管流動及熱力循環分析

朱桂同,陳清華,劉娟芳,陳子云

(1.重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室, 400030, 重慶; 2.重慶大學動力工程學院, 400030, 重慶)

電氣體發電中有熱添加的噴管流動及熱力循環分析

朱桂同1,2,陳清華1,2,劉娟芳1,2,陳子云1,2

(1.重慶大學低品位能源利用技術及系統教育部重點實驗室, 400030, 重慶; 2.重慶大學動力工程學院, 400030, 重慶)

為了提高電氣體發電循環的熱效率,在有回熱的布雷頓循環基礎上,對噴管中膨脹的氣體進行加熱,使循環過程盡量接近Ericsson循環。用CFD數值模擬的方法研究了有熱添加的噴管流動,并分析了噴管加熱對循環熱效率的影響,提出了一種可以提高電氣體發電循環熱效率的方法。計算和分析結果表明:定熱流加熱條件下,延長噴管漸縮段和增大入口高度能有效提高噴管流體速度和溫度;受邊界層的限制,壁面加熱方式對主流區域影響不大,而內熱源加熱方式在主流區域效果明顯;將壁面和內熱源加熱方式結合能夠有效地將熱量添加到噴管氣流中,并能提高循環熱效率。

電氣體發電;熱添加噴管流動;Ericsson循環;CFD數值模擬;熱效率

電氣體發電器原理如圖1所示,其過程是利用流經拉瓦爾噴管的高速氣體運載離子或帶電微粒,克服電場力,電荷由低電位輸送到高電位,使流體動能轉化為電能。電氣體發電裝置無轉動部件,相比常規的透平-發電機熱力循環系統,結構緊湊、維護要求低,但目前其熱電轉化效率不高[1]。

圖1 電氣體發電原理圖

目前,國內外對于電氣體發電的研究主要有理論計算、數值模擬和實驗等。Marks闡述了電氣體發電的原理和裝置,對簡化的模型進行了分析計算,并且申請了專利[2-4]。Soltani等人對矩形通道中帶電微粒在低雷諾數的流動過程進行了直接數值模擬[5]。Varga等人利用商業CFD軟件對電氣體發電裝置中的兩相流流動進行了數值模擬[6]。Oliveira等人依據一維絕熱流動和電動流體力學方程,對電氣體發電裝置進行了研究,計算了不同工質在不同條件下,能量轉化通道的最大發電效率,用CFD模擬了絕熱條件下有湍流影響的噴管內的流動現象[1]。Eissa將電氣體發電與氣流引射式制冷系統結合起來,計算了不同工質不同工況下的制冷系數和電氣體發電效率,并且進行了相關實驗[7]。國內對于電氣體發電的研究并不多,上海鍋爐廠研究所的一份資料對電氣體發電的原理、存在的主要問題進行了闡述,并且總結了各國對于電氣體發電的研究狀況[8]。西安交通大學的陳聽寬等人對電氣體發電的基本原理,單極電荷的產生、輸送和收集以及電氣體發電的熱力循環進行了介紹[9]。目前,對于電氣體發電的研究主要集中在對電氣體發電通道熱電轉化過程的模擬計算,并將氣體在噴管中的膨脹過程按照絕熱過程處理。

電氣體發電的基本循環為布雷頓循環,其循環系統圖和T-s圖如圖2所示。無回熱循環為1-2-3-4-1,其中:過程1-2為絕熱壓縮;2-3為等壓加熱;3-4為氣體在電氣體發電器通道中絕熱膨脹并作功,氣體獲得動能,運載帶電粒子至能量轉化段,將動能轉化為電勢能;4-1為等壓冷卻。

(a)系統圖 (b)T-s圖

采用回熱可以提高布雷頓循環的熱效率。在有回熱的基礎上,采用分級壓縮、中間冷卻、分級膨脹、中間再熱可以進一步提高循環熱效率,如圖3所示。當分級壓縮和膨脹的級數無限多,循環就變為圖中的1-2′-3-4′-1包含等溫膨脹及等溫壓縮的Ericsson循環,具有與卡諾循環相同的熱效率。

圖3 分級壓縮中間冷卻、分級膨脹中間再熱系統T-s圖

實際上采用過多的分級壓縮和分級膨脹以及中間冷卻和中間再熱會增大循環過程氣體的流動阻力和不可逆損失,也使得設備龐雜而不現實。然而,可以考慮對噴管加熱,使氣體邊膨脹邊加熱,而在壓氣機壓縮時,可以對其邊壓縮邊冷卻,使循環盡量接近Ericsson循環。本文在有回熱的布雷頓循環基礎上,結合電氣體發電原理,提出對噴管中膨脹的氣體進行加熱,通過有熱添加的非絕熱膨脹過程,使有回熱的布雷頓循環接近Ericsson循環,達到提高循環熱效率的目的。圖4為本文提出的有熱添加的非絕熱膨脹電氣體發電器循環過程示意圖。圖中1-2為氣體在壓縮機中絕熱壓縮過程,3-4″為加熱條件下,氣體在電氣體發電器中膨脹作功過程(理想條件下為等溫過程3-4′,實際為多變過程3-4″)。4″-6為氣體在回熱器中放熱過程,2-5″為壓縮之后的氣體在回熱器中被加熱過程。5″-3為氣體在高溫熱源中定壓吸熱過程。與有回熱的未對噴管加熱的循環(1-2-5-3-4-6-1)相比,系統向冷源排放的熱量相同,都是q2=h6-h1,但循環凈功wnet增大(閉合曲線包圍面積增大),根據下式

(1)

wnet增大,q2不變,循環熱效率ηnet提高。

(a)系統圖 (b)T-s圖

本文采用的循環參數如下:電氣體發電器噴管入口壓力p3=709 275Pa,出口壓力p4=101 325Pa,入口溫度T3=991 K,循環最低溫度T1=300K,工質為氮氣。

1 噴管設計及方法驗證

1.1 噴管設計

噴管是電氣體發電器實現能量轉化的主要部件。為便于通過壁面對噴管進行加熱和集電極收集電荷,本文采用一種型線為兩段圓弧在喉部相切的扁平拉瓦爾噴管,噴管尺寸如圖5所示,噴管流道寬度為8 mm。

圖5 噴管型線及尺寸

1.2 數學模型

由于氣體在噴管中的速度可達數倍聲速,因此選用可壓縮模型。模擬中采用RNGκ-ε湍流模型進行噴管內流體流動的模擬,其湍動能與耗散率方程如下

(2)

(3)

1.3 模擬方法驗證

采用本文的模擬方法,對文獻[11]中的噴管進行了模擬。介質為空氣,進口壓力為2MPa,溫度為820K,模擬結果見圖6。

圖6 文獻[11]數據與本文模擬數據的對比

由于網格劃分有所不同,最后模擬的最大速度相對誤差為1.3%,說明模擬方法是正確的。對本文所設計的模型進行網格無關性驗證,結果表明,網格數大于30萬時,模擬結果不再受網格疏密程度的影響。

2 噴管壁面加熱

2.1 不同加熱功率下的噴管流動

分別采用60、100W/cm2的定熱流密度對噴管壁面進行加熱,出口速度和溫度見表1。由表1可以看出,相對于絕熱流動,熱流為60、100W/cm2時,噴管出口速度分別提高了2.10%和3.22%,出口溫度分別提高了10.70%和18.43%。速度和溫度雖有一定提高,但不是很明顯。為了進一步提高加熱效果,下面探索了幾種不同的加熱方式。

表1 不同熱流密度下的噴管出口參數

2.2 漸縮段長度對噴管流動的影響

在壁面加熱方式中,加熱功率等于熱流密度與加熱面積的乘積。提高熱流密度和增大加熱面積都可以增加加熱總量,但熱流密度受到壁面邊界層的限制,不能太大,因此當熱流密度不變時,通過增加換熱面積可以提高加熱功率。增加漸縮段長度使得漸縮段的換熱面積加大,從而提高了漸縮段的加熱量。圖7和圖8是漸縮段分別為72、122、172mm時,定熱流(60W/cm2)加熱條件下噴管內的流動模擬結果。從圖中可看出,相比絕熱,漸縮段延長時,管內流體速度和溫度都有所提高,且漸縮段越長流速越大。

圖7 定熱流加熱條件下不同漸縮段噴管的速度曲線

圖8 定熱流加熱條件下不同漸縮段噴管的溫度曲線

2.3 入口高度對噴管流動的影響

在漸縮段收斂角為30°～60°的范圍內,設計了3種入口高度不同的噴管。模擬了入口高度分別為50、70、90mm時,定熱流(60W/cm2)加熱條件下噴管內的流動,結果見表2。可以看出,加熱條件下,隨著入口面積增大,出口速度、溫度依次增大,速度和溫度提高幅度也逐漸增大。適當增加入口高度,有利于對氣體加熱。

表2 不同入口高度時的絕熱與加熱對比

2.4 優化后的噴管流動

通過上述結果可以看出,延長漸縮段、增大入口高度,并對噴管進行加熱可以提高噴管出口速度和溫度。考慮噴管的實際尺寸以及漸縮段收斂角的范圍,最終確定的噴管尺寸見圖9。

圖9 優化后的噴管尺寸

在壁面熱流密度為60W/cm2的條件下,優化后噴管出口速度為914.57 m/s,溫度為692.15K,速度和溫度分別提高了3.23%、13.7%,而未經優化的噴管,出口速度和溫度僅為904.11 m/s、674.36 K,提高幅度分別為2.10%、10.7%。可見,優化后的噴管更利于對噴管內的膨脹氣體加熱。

3 加熱方式優化

3.1 不同加熱方式的對比

在相同加熱功率7 216.2W條件下,對壁面加熱和內熱源加熱進行了對比。兩種加熱方式下噴管喉部和出口橫截面中心的速度與溫度分布見圖10和圖11。可以看出,壁面定熱流加熱條件下,壁面附近速度、溫度提高明顯,對主流區影響不大。內熱源加熱條件下,噴管主流區速度、溫度提高明顯。

圖10 噴管橫截面中心速度分布

圖11 噴管橫截面中心溫度分布

3.2 壁面內熱源綜合加熱

采用壁面和內熱源加熱相結合的方式,同時考慮不同位置加熱對流場的影響,如圖9所示,將噴管分為4部分,按照不同的比例進行加熱。加熱功率為7 216.2W時,各位置的加熱功率見表3。采用綜合加熱方式進行加熱時噴管出口參數見表4。可以看出,相同加熱功率條件下,與單一的整體加熱相比,綜合加熱方式能夠明顯提高噴管出口的速度。綜合加熱方式下噴管軸向參數及出口橫截面中心參數見圖12～15。可以看出,綜合加熱不僅在壁面附近能有效提高氣體的速度和溫度,在主流區域內速度和溫度提高效果也很明顯。

表3 綜合加熱方式下各位置的加熱功率

表4 綜合加熱方式下噴管的出口參數

圖12 綜合加熱方式下噴管的軸向速度

圖13 綜合加熱方式下噴管的軸向溫度

圖14 綜合加熱方式下出口橫截面中心線速度

圖15 綜合加熱方式下出口橫截面中心線溫度

4 電氣體發電熱力循環效率計算

實際循環T-s圖見圖16。無回熱實際過程為1-2′-3-4′-1。1-2′過程為壓氣機中不可逆絕熱壓縮過程,3-4′為電氣體發電器中不可逆絕熱膨脹過程。

圖16 實際循環T-s圖

設壓氣機絕熱效率為ηC,s,則實際壓氣機耗功

(4)

(5)

膨脹功等于噴管內氣體獲得的動能增量

(6)

實際循環凈功

(7)

循環中氣體實際吸熱量

(8)

因而,實際循環的熱效率為

(9)

有回熱的實際循環為1-2′-7′-3-4′-6-1,設回熱度為σ,若將氣體的比熱容近似為常數,則

T7′=σ(T4′-T2′)+T2′

(10)

有回熱時循環效率為

(11)

在回熱的基礎上對噴管加熱時,氣體在噴管的膨脹過程為3-4″,4″-6為膨脹后氣體在回熱器冷卻的過程,2′-7″為壓縮之后氣體在回熱器中被加熱的過程

T7″=σ(T4″-T2′)+T2′

(12)

對噴管的加熱功率為W,則總加熱量為

Q1=qm(h3-h7″)+W

(13)

膨脹功等于噴管內動能的增量

(14)

實際循環凈功

(15)

因此,循環熱效率為

(16)

取壓氣機效率ηC,s=0.89,回熱度σ=0.7,計算了無回熱、有回熱以及在有回熱的基礎上對噴管按照綜合加熱方式加熱,加熱功率分別為3608、7 216 W時循環的熱效率,見表5。從表中可以看出,加入回熱器可以提高循環效率。在有回熱器的基礎上對噴管中的氣體邊膨脹邊加熱,可以提高循環熱效率,并且增大加熱功率可使效率進一步提高。

表5 綜合加熱方式下循環的熱效率

5 結 論

(1)壁面加熱時,只增加熱流密度并不能有效提高速度和溫度。延長漸縮段和增大入口高度,噴管出口速度、溫度提高幅度增大。

(2)壁面加熱方式在噴管壁面附近速度和溫度提高較明顯,在主流區影響不大;內熱源加熱方式在主流區效果明顯;兩者結合加熱方式能夠有效提高壁面附近和主流區的速度和溫度。

(3)在回熱的基礎上對噴管進行加熱,可實現有熱添加的非絕熱膨脹,能夠有效地提高電氣體發電循環的熱效率。探索了一種可以有效提高電氣體發電循環熱效率的方法。

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[本刊相關文獻鏈接]

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(編輯 荊樹蓉)

AnalysisontheNozzleFlowwithHeatAdditionandItsThermalCycleEfficiencyinElectrogasdynamics

ZHU Guitong1,2,CHEN Qinghua1,2,LIU Juanfang1,2,CHEN Ziyun1,2

(1. Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2. College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

In order to improve the thermal efficiency, the gas flow in a nozzle of the regenerative Brayton cycle was heated in the expansion process of gas, which can make the electrogasdynamic cycle process approach an Ericsson cycle. The flat Laval nozzle for the electrogasdynamic(EGD) converter was designed and optimized. The nozzle flow with heat addition was investigated through CFD simulation. With a constant flux on the wall, the nozzle with a longer converging section and higher entrance can effectively increase the gas flow velocity and temperature. Heat addition through nozzle wall has little impact on gas velocity and temperature in the regions around the centerline due to the effect of boundary layer. Whereas the inner heat source based heating can significantly increase the gas velocity and temperature in nozzle’s central region. The combined heat addition mode of wall heating and inner heat source can effectively improve the thermal cycle efficiency.

electrogasdynamics; nozzle flow with heat addition; Ericsson cycle; CFD numerical simulation; cycle efficiency

2014-01-23。

朱桂同(1988—),男,碩士生;陳清華(通信作者),男,教授。

國家自然科學基金資助項目(NSFC51206196);重慶市自然科學基金資助項目(CSTC2011BB4074)。

時間:2014-06-13

10.7652/xjtuxb201409012

TK121

:A

:0253-987X(2014)09-0068-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140613.1457.001.html