具有熱添加的電氣體發(fā)電過程流動(dòng)特性及熱動(dòng)力循環(huán)分析.pdf

1、電氣體發(fā)電作為一種熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式，因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、維修要求低和熱源適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而極具發(fā)展?jié)摿?，最有希望成為新一代高效低碳環(huán)保的發(fā)電方式之一。但是，電氣體發(fā)電過程不僅存在流場(chǎng)、荷電粒子場(chǎng)和靜電場(chǎng)的耦合，同時(shí)還存在氣體宏觀流動(dòng)和荷電粒子輸運(yùn)的相互作用，是典型的多場(chǎng)耦合的氣固兩相復(fù)雜流動(dòng)過程。全面系統(tǒng)地分析發(fā)電過程兩相流動(dòng)特性、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律及其影響因素，為提高電氣體發(fā)電能量轉(zhuǎn)化效率和廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)

2、。目前，電氣體發(fā)電研究還處于基礎(chǔ)理論研究和模型試驗(yàn)階段，還有很多復(fù)雜物理現(xiàn)象和技術(shù)問題需要研究解決。為深入理解電氣體發(fā)電器內(nèi)部各種物理過程及現(xiàn)象，提高發(fā)電循環(huán)效率，本文理論分析了電氣體發(fā)電Brayton循環(huán)，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件數(shù)值模擬了具有熱添加的電氣體發(fā)電通道內(nèi)多場(chǎng)耦合的氣固兩相流動(dòng)，構(gòu)建和分析了有熱添加和回?zé)岬男滦碗姎怏w發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)，探索了具有熱添加的電氣體發(fā)電過程氣固兩相流動(dòng)和傳熱特性，論證了熱添加引起的非絕熱膨脹流動(dòng)對(duì)于提高電

3、氣體發(fā)電效率的可行性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①基于熱力學(xué)理論，對(duì)電氣體發(fā)電Brayton循環(huán)熱力過程進(jìn)行了理論分析，理論上論證了對(duì)發(fā)電通道內(nèi)流動(dòng)過程進(jìn)行熱添加能夠提高循環(huán)熱效率。建立電氣體發(fā)電循環(huán)理論計(jì)算公式，分析了工作氣體參數(shù)和循環(huán)系統(tǒng)各部件的性能對(duì)循環(huán)熱效率的影響。結(jié)果表明，回?zé)崞鞯男阅軐?duì)整個(gè)循環(huán)過程性能影響很大，增壓比較小時(shí)，回?zé)嵝Ч^好的循環(huán)熱效率較高。當(dāng)增壓比大于最大輸出凈功量所對(duì)應(yīng)的增壓比值時(shí)，回?zé)嵝Ч^好的循環(huán)熱

4、效率反而小。增加電氣體發(fā)電器的電轉(zhuǎn)換效率或者降低增壓比可以有效的增加循環(huán)能量效率。相比壓縮機(jī)，電氣體發(fā)電器的性能對(duì)循環(huán)性能的影響更大。提高回?zé)崞餍阅芸梢钥s小電氣體發(fā)電器與壓縮機(jī)性能對(duì)循環(huán)熱效率的影響差別。②針對(duì)電氣體發(fā)電能量轉(zhuǎn)換通道內(nèi)流場(chǎng)、荷電粒子場(chǎng)和靜電場(chǎng)耦合作用下的氣固兩相復(fù)雜流動(dòng)特性，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT，模擬研究了荷電粒子傳輸特性和流體宏觀性能參數(shù)的變化，對(duì)比分析了發(fā)電能量轉(zhuǎn)換過程中的絕熱流動(dòng)和由熱添加引起的非絕熱

5、流動(dòng)之間的差異，分析討論了不同熱添加方式和不同區(qū)域進(jìn)行熱添加對(duì)氣體和荷電粒子運(yùn)動(dòng)的影響。模擬結(jié)果表明發(fā)電能量轉(zhuǎn)換通道內(nèi)出現(xiàn)激波對(duì)氣體加速和荷電粒子速度影響很大。由熱添加加入的熱量轉(zhuǎn)換成氣體的內(nèi)能和氣體的動(dòng)能，從而增加粒子的速度，輸出更多的電能。增加荷電粒子流量一方面會(huì)增加電荷密度，另一方面會(huì)降低荷電粒子速度，對(duì)于給定邊界條件的電氣體發(fā)電能量轉(zhuǎn)換器，輸出電流存在一個(gè)最大值。相比對(duì)整個(gè)流道加熱，漸縮段加熱使得更多的熱量轉(zhuǎn)換成了氣體的動(dòng)能，從

6、而提高了荷電粒子的速度。對(duì)于壁面熱傳導(dǎo)的熱添加方法，增加了壁面附近的氣體速度和氣體溫度，熱量很難傳遞到主流區(qū)。對(duì)于內(nèi)熱源加熱的熱添加方法，增加了整個(gè)流道區(qū)域的氣體速度和氣體溫度，從而增加了荷電粒子的速度。③采用雙流體模型對(duì)電發(fā)通道內(nèi)多場(chǎng)耦合的氣固兩相流動(dòng)物理過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究了不同的荷電粒子參數(shù)和熱添加對(duì)兩相流動(dòng)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加荷電粒子體積分?jǐn)?shù)時(shí)，更多的氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換成了荷電粒子動(dòng)能，從而輸出更多的電能。氣固兩相音速明顯要低于單

7、相氣體音速，兩相音速隨著荷電粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。此外，荷電粒子體積分?jǐn)?shù)對(duì)發(fā)電通道內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度影響很大，體積分?jǐn)?shù)大小受到發(fā)電通道電擊穿強(qiáng)度的限制。減小荷電粒子直徑和增加荷電粒子進(jìn)口溫度可以增加輸出電流。對(duì)電氣體發(fā)電能量轉(zhuǎn)換通道內(nèi)進(jìn)行熱添加增加了整個(gè)流道區(qū)域的氣體速度和氣體溫度，從而增加了荷電粒子的速度，增加輸出電能。對(duì)荷電粒子進(jìn)口溫度較高的電氣體發(fā)電通道內(nèi)進(jìn)行熱添加，氣體內(nèi)能和輸出電流增加效果更明顯。④構(gòu)建了有熱添加和回?zé)岬男滦碗姎?/p>