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超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环参数分析

黄雯旭  
【摘要】:超临界二氧化碳布雷顿再压缩循环具有工质清洁,效率高,能量密度大,设备体积小等优点,在核反应堆、燃煤联合循环等许多领域都有着广泛的应用前景,是近几年研究的热门课题。在各种改进的超临界二氧化碳布雷顿循环中,超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环被认为是一种能够有效解决回热器夹点问题的高效率循环。本文主要针对现有参数分析中缺乏全局参数对于循环的综合影响的问题,从全局优化的观点对再压缩循环系统进行了总体优化,并在全局优化的基础上对再压缩循环中换热系统中的超临界二氧化碳在不同流道内换热参数进行了研究。首先,本文对超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环进行了基于Spearman等级相关系数方法的循环参数敏感性分析。分析结果表明循环中的最大压力和透平膨胀机效率的相关系数绝对值最高,是高敏感性的影响参数,对效率的影响程度较大。而其他参数的敏感性相对较低,相关系数均在0.3以下,由大到小依次为再压缩压缩机效率,分流比,主压缩机效率和总压力损失。该分析结果为确定提高超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环效率所需优先采用的方法奠定了理论基础。为了克服现有循环参数优化局限于参数关系而缺乏对整体参数之间的互相影响分析的问题,本文提出了基于全局优化的再压缩布雷顿循环的优化方法。优化结果显示,任一超临界二氧化碳再压缩循环系统都存在最佳的循环最大压力和循环分流比,使得循环的整体效率达到最大值;利用该优化方法,可以得出不同工况条件下,最佳循环运行工况下的再压缩循环参数组合。为了避免参数优化过程中的繁琐计算,本文在全局优化结果的基础上,根据参数特性,将其分为设计参数和非设计参数,通过对优化数据的分析处理,得出了最佳循环效率、最佳无量纲压比、最佳分流比的优化准则数,从而为工程实践最佳循环工况下的参数计算提供了理论基础。最后,本文针对超临界二氧化碳的特殊换热性能也做出了研究,对普通的圆管流道基础上改变其进出口的比例形成的变流道圆管和普通圆管中超临界二氧化碳的流动传热性能进行了计算分析。在不同的工况下,本文对普通流道和变流道下超临界二氧化碳的流动传热进行了模拟分析,结果表明,当重力方向与流动方向相反时,普通流道和变流道的压力损失较大,而重力方向与流动方向相同时,普通流道和变流道的压力损失较小,重力方向改变会引起出口平均温度的细微变化。在相同的运行条件下下,变流道圆管的出口温度要高于普通圆管流道,压力损失比普通圆管流道更小,具有更加好的传热性能,将变流道应用于超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环中,相较于普通流道带来的出口温度提升,对于提高循环效率是有益的。


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