基于有機朗肯循環的水下動力系統研究

秦 侃, 張佳楠, 羅 凱, 黨建軍

基于有機朗肯循環的水下動力系統研究

秦 侃, 張佳楠, 羅 凱, 黨建軍

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

閉式蒸汽朗肯循環是無人水下航行器動力系統的發展方向之一, 但存在系統效率低的問題。文中提出了一種輸出功率為10 kW的閉式有機朗肯循環。詳細介紹了水下熱動力系統的工作條件和相關尺寸限制參數。建立了系統熱力學模型和渦輪機一維設計方法, 設計了在不同工況下的部分進氣式小型軸流式渦輪機。利用建立的渦輪機和換熱器模型, 以提高動力系統效率并滿足在水下航行器中應用的尺寸限制為目標, 對多種有機工質循環系統的運行特性展開分析。計算結果表明, 采用跨臨界循環的高溫干工質可以大幅度提高系統效率。以環己烷和甲苯為例, 系統效率分別為24.38%和22.29%, 同時滿足了尺寸限制條件, 與傳統蒸汽朗肯循環相比, 系統效率提高了6.77%～8.86%。

無人水下航行器; 有機朗肯循環; 系統效率; 渦輪機

0 引言

隨著“深遠海”[1]戰略的進一步深化, 對深遠海域的探索迫在眉睫。水下航行器是探索海洋的重要裝備, 而動力系統直接決定航行器的航程和航速。傳統的水下開式循環動力系統受背壓影響大, 限制了其在大航深工況下的應用。閉式循環動力系統是未來的發展方向之一, 其通常采用水作為工質。由于動力系統的功率要求小, 造成循環工質流量小, 使得渦輪機設計尺寸小, 不僅增加了渦輪機的加工難度, 也增大了各項氣動損失, 導致渦輪機內效率較低, 這是系統循環效率整體偏低的主要原因。為提高小功率等級的渦輪機效率, Kiely[2]指出將部分進氣度控制在25%～30%范圍內, 既可以減小部分進氣損失, 也可避免因噴嘴過多造成不必要的余隙損失, 并提出了一種適用于小功率(1～3 kW) UUV動力系統的微型渦輪機設計方案, 輪盤直徑為1 inch, 轉速為435×103r/min, 使得其速度比在0.34時, 部分進氣度能夠達到32%, 渦輪效率為63%。然而, 如此高的轉速不僅對軸承的要求極為苛刻, 也會引起一系列摩擦損失的極大提升; 此外, 0.5 mm的渦輪噴嘴喉部直徑也是目前加工工藝難以達到的水平。

有機工質相比水而言, 具有比焓小、潛熱低等特點; 在同等功率等級下, 有機工質的流量更大, 渦輪機的尺寸也更大, 相比蒸汽渦輪機能顯著降低加工難度; 同時能夠降低渦輪機噴嘴出口處的工質速度, 有助于提高渦輪機速度比及渦輪效率; 有機工質的低潛熱則有助于降低冷凝器的功率消耗, 提高系統效率。但有機工質在高溫環境下的穩定性較差。隨著太陽能、地熱、余熱回收和生物質能等清潔能源技術的進一步發展, 有機朗肯循環(organic Rankine cycle, ORC)以其工質種類多樣化, 特別在上述能源系統中容易獲得較高的循環效率而引起研究人員的關注。Dre- scher等[3]指出, 在循環高溫較低的生物質能系統中, 采用ORC可以獲得比水更好的循環效率, 且隨著循環高溫的提高, 效率還可以進一步上升; Moloney等[4]以中等溫度的地熱循環為背景, 分析了系統高溫在170～240℃條件下, 循環高壓對系統效率的影響, 并指出采用跨臨界ORC容易獲得更理想的系統效率; Yagli等[5]則從系統?效率的角度分別分析了系統高溫、高壓對系統效率的影響, 并得出提高渦輪機入口高溫的跨臨界朗肯循環有助于獲得更大的凈輸出功、更高的熱效率和?效率; Karellas等[6]以小功率ORC系統為研究背景, 進一步指出跨臨界朗肯循環若附加回熱器, 可以在一定程度上減輕系統效率對工質過熱度的依賴, 同時提到在10 kW或以下的小功率動力系統更適合采用渦輪機, 因為流量更大, 泄漏更少, 有機工質可以獲得比水更高的渦輪機效率。Lai等[7]研究了大量ORC在高溫條件下的性能表現, 得出當給定的系統熱源和冷源溫度滿足70%左右的卡諾效率時, 采用臨界溫度更高的有機工質——芳烴和硅氧烷(Aromates and Siloxanes)容易獲得更好的系統效率。Dai等[8]通過大量關于氟代烴類(fluorohydrocarbon)的熱分解實驗, 發現過熱環境會使有機工質析出固液殘渣并破壞設備, 最后總結出高溫下有機工質的熱穩定溫度是系統能夠穩定運行并獲得良好效率的關鍵前提。Vescovo等[9]以及Angelino等[10]則闡述了將高溫有機工質用于動力循環的可能性, 并列舉了大量包括甲苯(Toluene)、聯苯(Diphenyl)、聯苯-苯醚混合物(Diphenyl-Diphenyl oxide mixture)以及硅氧烷系列(Siloxane, D4, D5)等在內的能夠在400℃以上保持性能穩定的高溫有機工質。

盡管有機工質在高溫條件下穩定性不如水, 在一定程度上限制了其應用范圍, 但在小功率動力系統中, 有機工質流量相比水的提高, 有助于提高渦輪機效率; 同時, 在高溫換熱器中, 有機工質比水的過熱度低也能降低系統中加熱器的負荷; 臨界溫度相對較高的有機工質, 也可以承受更高的系統高溫。因此, 以高溫有機工質構成的跨臨界朗肯循環, 更具備應用于熱動力循環的潛力, 相對于傳統的蒸汽朗肯循環, 跨臨界ORC具有更高的循環效率。

文中首先分析了水下航行器的工作條件, 提出了系統構型以及可用工質; 介紹了系統熱力學模型和關鍵部件模型, 最后以效率和尺寸為目標, 分析在水下航行器動力循環中使用高溫有機工質的可行性。

1 系統構型與工質選取

水下航行器熱動力系統使用的熱源主要有OTTO-II、HAP三組元燃料和Li/SF6, 其燃燒溫度至少在1100℃[11], 大大超出常見有機工質的熱分解溫度。因此, 在使用有機工質作為循環工質時, 需要在加熱器和工質之間附加水套以避免工質與高溫器件直接接觸, 水套溫度不能超過有機工質的溫度上限; 循環的冷源為航行器外部海水, 溫度約為15℃[12]。由于水下航行器的空間限制, 二級加熱器不宜額外占用過多體積, 因此循環工質在二級加熱器中的換熱系數應該足夠高。如果采用的是單相工質, 常規通道換熱速率往往有限。由于工作溫度在700～1100℃, 采用水工質則其工作壓力可能會超過臨界, 使得造價高昂; 如果采用相變工質, 雖然相變換熱的換熱系數較大, 但需要與空間尺寸限制進行研究。目前, 采用熔鹽作為二級回路可能更為合適, 因為其導熱性較好, 流速要求不高(功耗不高), 熔鹽循環也廣泛應用于太陽能系統和ORC的二級回路中[13]。

為保證循環冷卻部分能夠有足夠的溫差用以換熱, 工質可在一定真空度下的冷凝器環境中, 對應飽和溫度要略高于海水溫度, 該飽和壓力即為循環系統低壓。應用于水下航行器的閉式循環構型如圖1所示。

圖1 水下熱動力系統閉式循環構型

圖2 各種有機工質及水的T-S圖

表1 各種有機工質及水的基本參數