HAT循环空气湿化过程研究

论文摘要

未来的先进动力循环中,湿空气透平(HAT)循环颇具发展前景。该循环优良的热力学性能得益于通过压缩空气湿化过程对系统低品位废热的回收利用。在过去的二十年里,人们主要研究了各种循环系统集成的可行性,并对相关关键技术,如加压空气湿化、湿空气燃烧和烟气水回收技术进行了有益探索。湿化器是HAT循环的关键部件,其性能优劣对系统总体性能至关重要,但是迄今为止,加压条件下湿化过程的实验数据和设计理论仍十分缺乏。针对这一现状,本文的主要目的是借助实验和数值分析方法,深化对HAT循环加压湿化过程传热传质和内部流动机理的认识,并探索将CFD技术与一维模型设计方法和系统综合优化相结合进行湿化器综合优化设计的可能性。 为实现上述研究目的,本文工作从以下几个方面展开: 第一,作为加压湿化过程热力学分析的基础,建立了湿化器节点和最小焓差推动力的解析分析方法,提出了湿化器性能评价指标,为HAT循环系统优化提供支持。 第二,利用建造的加压湿化器实验台,研究了湿化器内部传热、传质机理,进行了湿化器总体性能和内部流动实验研究,分析了喷嘴雾化特性对湿化过程加热、加湿性能的影响,得出了湿化器压力损失随空气速度和水气比的变化规律,并研究了操作压力对湿化器内部流动的影响。 第三,利用改进的一维模型和三维理论模型研究了湿化器内复杂的空气—水滴两相流动及传热传质过程,并将数值模型预报结果与实验数据进行了比较、分析。在一维模型基础上,分析了雾化水滴直径对湿化器稳态传热、传质性能的影响,并研究了湿化器各出口参数对进口水温和水流量扰动的动态响应特性。三维模型考虑了更为复杂的包含水滴碰撞与合并现象的雾化机理,水滴运动轨迹计算采用涉及湍流扩散影响的随机轨道模型,利用三维数值模拟分析了湿化器内各两相流动参数对湿化器性能的影响。 第四,在验证上述模型基础上,提出了湿化器综合优化设计方法构架,及湿化器

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 HAT循环研究历史与现状
• 1.2.1 HAT循环发展历程
• 1.2.2 HAT循环研究现状
• 1.3 空气加压湿化过程研究概况
• 1.3.1 加压湿化方法
• 1.3.2 湿空气物性研究概况
• 1.4 水回收和再利用技术研究概况
• 1.5 气体-液滴两相流CFD模拟现状
• 1.5.1 CFD技术发展简介
• 1.5.2 气体-液滴两相流动模拟研究进展
• 1.6 论文研究目的与主要工作
• 第二章 湿化过程热力学性能及评价
• 2.1 湿化过程热力学分析方法
• 2.1.1 流动方式选择
• 2.1.2 气液平衡线与操作线
• 2.1.3 最小焓差推动力的解析求解
• 2.2 湿化性能评价方法
• 2.2.1 熵产率
• 2.2.2 压力损失
• 2.2.3 效能
• 2.3 本章小结
• 第三章 加压湿化过程实验研究
• 3.1 加压湿化器实验装置
• 3.2 测量仪表
• 3.2.1 热力学参数测量
• 3.2.2 气流速度测量
• 3.2.3 仪器标定与校验
• 3.3 喷嘴喷雾特性
• 3.3.1 液滴尺寸分布和平均直径
• 3.3.2 液滴尺寸测量方法
• 3.3.3 实验仪器
• 3.4 空气加压湿化过程实验研究
• 3.4.1 实验工况选择
• 3.4.2 加压湿化器加热、加湿性能
• 3.4.3 湿化器总压损失实验研究
• 3.4.4 加压湿化器内部流动实验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 湿化过程数值模拟
• 4.1 加压湿化过程一维模型理论分析
• 4.1.1 一维传热传质模型
• 4.1.2 数值方法和边界条件
• 4.1.3 一维模型稳态计算结果和分析
• 4.1.4 湿化器动态特性分析
• 4.2 湿化器三维模型分析
• 4.2.1 湍流模型及其评价
• 4.2.2 加压湿化器三维气水两相流动数值模拟
• 4.2.3 算例说明
• 4.2.4 模拟结果和分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 湿化器综合优化设计方法
• 5.1 湿化器综合优化设计方法构架
• 5.2 操作参数确定
• 5.3 湿化器高度和直径的设计计算
• 5.3.1 水滴在气流中的运动
• 5.3.2 湿化器直径计算
• 5.3.3 湿化器高度计算
• 5.4 结构和流动参数优化
• 5.5 湿化器的工业放大
• 5.6 本章小结
• 第六章 烟气水回收技术分析
• 6.1 HAT循环系统水自平衡原则
• 6.2 水回收装置循环水冷却方式选择
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 主要符号说明
• 参考文献
• 附录一 湿空气热物性模型
• 附录二 一维模型算法程序框图
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢