基于有机朗肯循环的水下动力系统研究

2022-01-15张佳楠党建军

水下无人系统学报 2021年6期

秦侃, 张佳楠, 罗凯, 党建军

基于有机朗肯循环的水下动力系统研究

秦侃, 张佳楠, 罗凯, 党建军

(西北工业大学航海学院, 陕西西安, 710072)

闭式蒸汽朗肯循环是无人水下航行器动力系统的发展方向之一, 但存在系统效率低的问题。文中提出了一种输出功率为10 kW的闭式有机朗肯循环。详细介绍了水下热动力系统的工作条件和相关尺寸限制参数。建立了系统热力学模型和涡轮机一维设计方法, 设计了在不同工况下的部分进气式小型轴流式涡轮机。利用建立的涡轮机和换热器模型, 以提高动力系统效率并满足在水下航行器中应用的尺寸限制为目标, 对多种有机工质循环系统的运行特性展开分析。计算结果表明, 采用跨临界循环的高温干工质可以大幅度提高系统效率。以环己烷和甲苯为例, 系统效率分别为24.38%和22.29%, 同时满足了尺寸限制条件, 与传统蒸汽朗肯循环相比, 系统效率提高了6.77%～8.86%。

无人水下航行器; 有机朗肯循环; 系统效率; 涡轮机

0 引言

随着“深远海”[1]战略的进一步深化, 对深远海域的探索迫在眉睫。水下航行器是探索海洋的重要装备, 而动力系统直接决定航行器的航程和航速。传统的水下开式循环动力系统受背压影响大, 限制了其在大航深工况下的应用。闭式循环动力系统是未来的发展方向之一, 其通常采用水作为工质。由于动力系统的功率要求小, 造成循环工质流量小, 使得涡轮机设计尺寸小, 不仅增加了涡轮机的加工难度, 也增大了各项气动损失, 导致涡轮机内效率较低, 这是系统循环效率整体偏低的主要原因。为提高小功率等级的涡轮机效率, Kiely[2]指出将部分进气度控制在25%～30%范围内, 既可以减小部分进气损失, 也可避免因喷嘴过多造成不必要的余隙损失, 并提出了一种适用于小功率(1～3 kW) UUV动力系统的微型涡轮机设计方案, 轮盘直径为1 inch, 转速为435×103r/min, 使得其速度比在0.34时, 部分进气度能够达到32%, 涡轮效率为63%。然而, 如此高的转速不仅对轴承的要求极为苛刻, 也会引起一系列摩擦损失的极大提升; 此外, 0.5 mm的涡轮喷嘴喉部直径也是目前加工工艺难以达到的水平。

有机工质相比水而言, 具有比焓小、潜热低等特点; 在同等功率等级下, 有机工质的流量更大, 涡轮机的尺寸也更大, 相比蒸汽涡轮机能显著降低加工难度; 同时能够降低涡轮机喷嘴出口处的工质速度, 有助于提高涡轮机速度比及涡轮效率; 有机工质的低潜热则有助于降低冷凝器的功率消耗, 提高系统效率。但有机工质在高温环境下的稳定性较差。随着太阳能、地热、余热回收和生物质能等清洁能源技术的进一步发展, 有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)以其工质种类多样化, 特别在上述能源系统中容易获得较高的循环效率而引起研究人员的关注。Dre- scher等[3]指出, 在循环高温较低的生物质能系统中, 采用ORC可以获得比水更好的循环效率, 且随着循环高温的提高, 效率还可以进一步上升; Moloney等[4]以中等温度的地热循环为背景, 分析了系统高温在170～240℃条件下, 循环高压对系统效率的影响, 并指出采用跨临界ORC容易获得更理想的系统效率; Yagli等[5]则从系统㶲效率的角度分别分析了系统高温、高压对系统效率的影响, 并得出提高涡轮机入口高温的跨临界朗肯循环有助于获得更大的净输出功、更高的热效率和㶲效率; Karellas等[6]以小功率ORC系统为研究背景, 进一步指出跨临界朗肯循环若附加回热器, 可以在一定程度上减轻系统效率对工质过热度的依赖, 同时提到在10 kW或以下的小功率动力系统更适合采用涡轮机, 因为流量更大, 泄漏更少, 有机工质可以获得比水更高的涡轮机效率。Lai等[7]研究了大量ORC在高温条件下的性能表现, 得出当给定的系统热源和冷源温度满足70%左右的卡诺效率时, 采用临界温度更高的有机工质——芳烃和硅氧烷(Aromates and Siloxanes)容易获得更好的系统效率。Dai等[8]通过大量关于氟代烃类(fluorohydrocarbon)的热分解实验, 发现过热环境会使有机工质析出固液残渣并破坏设备, 最后总结出高温下有机工质的热稳定温度是系统能够稳定运行并获得良好效率的关键前提。Vescovo等[9]以及Angelino等[10]则阐述了将高温有机工质用于动力循环的可能性, 并列举了大量包括甲苯(Toluene)、联苯(Diphenyl)、联苯-苯醚混合物(Diphenyl-Diphenyl oxide mixture)以及硅氧烷系列(Siloxane, D4, D5)等在内的能够在400℃以上保持性能稳定的高温有机工质。

尽管有机工质在高温条件下稳定性不如水, 在一定程度上限制了其应用范围, 但在小功率动力系统中, 有机工质流量相比水的提高, 有助于提高涡轮机效率; 同时, 在高温换热器中, 有机工质比水的过热度低也能降低系统中加热器的负荷; 临界温度相对较高的有机工质, 也可以承受更高的系统高温。因此, 以高温有机工质构成的跨临界朗肯循环, 更具备应用于热动力循环的潜力, 相对于传统的蒸汽朗肯循环, 跨临界ORC具有更高的循环效率。

文中首先分析了水下航行器的工作条件, 提出了系统构型以及可用工质; 介绍了系统热力学模型和关键部件模型, 最后以效率和尺寸为目标, 分析在水下航行器动力循环中使用高温有机工质的可行性。

1 系统构型与工质选取

水下航行器热动力系统使用的热源主要有OTTO-II、HAP三组元燃料和Li/SF6, 其燃烧温度至少在1100℃[11], 大大超出常见有机工质的热分解温度。因此, 在使用有机工质作为循环工质时, 需要在加热器和工质之间附加水套以避免工质与高温器件直接接触, 水套温度不能超过有机工质的温度上限; 循环的冷源为航行器外部海水, 温度约为15℃[12]。由于水下航行器的空间限制, 二级加热器不宜额外占用过多体积, 因此循环工质在二级加热器中的换热系数应该足够高。如果采用的是单相工质, 常规通道换热速率往往有限。由于工作温度在700～1100℃, 采用水工质则其工作压力可能会超过临界, 使得造价高昂; 如果采用相变工质, 虽然相变换热的换热系数较大, 但需要与空间尺寸限制进行研究。目前, 采用熔盐作为二级回路可能更为合适, 因为其导热性较好, 流速要求不高(功耗不高), 熔盐循环也广泛应用于太阳能系统和ORC的二级回路中[13]。

为保证循环冷却部分能够有足够的温差用以换热, 工质可在一定真空度下的冷凝器环境中, 对应饱和温度要略高于海水温度, 该饱和压力即为循环系统低压。应用于水下航行器的闭式循环构型如图1所示。