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液体膨胀机实验与数值研究

李弘扬  
【摘要】:在超临界压缩空气储能(SC-CAES)、LNG液化和空气分离等系统中,高压低温流体经过节流阀降压过程常伴有能量损失和气体析出,造成了能量的浪费。液体膨胀机是一种可将高压流体或者超临界流体降压至低压的能量回收装置,替换节流阀后可回收工质和能量,提高系统效率和经济性。液体膨胀机定制性较强,同时存在性能实验成本较高,低温空化伴有显著的热效应等难题。目前,国内外对液体膨胀机的研究较少,而研高发性能液体膨胀机对提高SC-CAES系统效率具有重要意义,因此,有必要开展液体膨胀机研究工作。本文介绍了液体膨胀机的原理和研究进展,对叶轮式液体膨胀机的设计和实验开展了多个方面的研究工作,主要研究内容如下:1.开展液体膨胀机设计和模化方法研究。分析了液体膨胀机流动过程,建立了液体膨胀机设计模型,得到了设计参数对液体膨胀机的影响规律。根据SC-CAES系统要求,完成了液体膨胀机设计。然后,为简化实验条件,提出液体膨胀机模化方法,并得到了液体膨胀机模化模型。最后,利用数值方法得到了设计和模化液体膨胀机的性能,通过与设计值的比较,验证了设计方法和模化方法的可靠性。2.开展液体膨胀机实验研究。设计完成液体膨胀机实验方案,利用数值分析方法设计确定了实验平台各设备的运行参数,并据此方案和参数搭建了液体膨胀机实验平台。根据液体膨胀机设计结果完成设备加工,并利用实验平台得到了该液体膨胀机的全工况性能实验结果。实验结果显示:在额定工况下,效率为75.2%,输出功率为30.4kW。3.开展液体膨胀机内部流动研究。对液体膨胀机三种数值方案进行了数值计算,其中包括:仅包含单通道导叶和动叶的CASE1;包含全通道导叶、动叶和蜗壳的CASE2;在CASE2基础上计及轮背流道,以及轮盖与蜗壳之间泄露通道的CASE3。计算了三种方案下各流道的流动损失,分析了蜗壳、导叶和动叶内的流动不均匀性。对比了变转速运行下额定工况与50%额定转速且?50%额定流量下各流道损失,以及动叶定常和非定常流动。根据数值计算结果,开展了六种液体膨胀机改进方案的全工况实验工作。结果表明:通过优化所有改进方案的膨胀机性能均得到了提升,额定工况下改进型液体膨胀机最高效率可达 81.3%,功率为 31.9 kW。4.开展液体膨胀机低温空化研究。对空化模型进行分析,得到低温空化模型,并通过与低温水翼实验结果比较验证了数值计算方法的可靠性。对液体膨胀机不同入口温度、出口压力等工况进行了计算分析,得到液体膨胀机低温空化性能。本文开展了详细的液体膨胀机设计、实验、内部流动和空化性能研究,所得结论对SC-CAES系统液体膨胀机研发和运行具有重要指导意义,对LNG液化、空分等系统液体膨胀机研究也具有一定参考价值。


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