秦 侃, 張佳楠, 羅 凱, 黨建軍

基于有機朗肯循環(huán)的水下動力系統(tǒng)研究

秦 侃, 張佳楠, 羅 凱, 黨建軍

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

閉式蒸汽朗肯循環(huán)是無人水下航行器動力系統(tǒng)的發(fā)展方向之一, 但存在系統(tǒng)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(huán)。詳細介紹了水下熱動力系統(tǒng)的工作條件和相關(guān)尺寸限制參數(shù)。建立了系統(tǒng)熱力學(xué)模型和渦輪機一維設(shè)計方法, 設(shè)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(tǒng)效率并滿足在水下航行器中應(yīng)用的尺寸限制為目標(biāo), 對多種有機工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的運行特性展開分析。計算結(jié)果表明, 采用跨臨界循環(huán)的高溫干工質(zhì)可以大幅度提高系統(tǒng)效率。以環(huán)己烷和甲苯為例, 系統(tǒng)效率分別為24.38%和22.29%, 同時滿足了尺寸限制條件, 與傳統(tǒng)蒸汽朗肯循環(huán)相比, 系統(tǒng)效率提高了6.77%～8.86%。

無人水下航行器; 有機朗肯循環(huán); 系統(tǒng)效率; 渦輪機

0 引言

隨著“深遠?！盵1]戰(zhàn)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(tǒng)直接決定航行器的航程和航速。傳統(tǒng)的水下開式循環(huán)動力系統(tǒng)受背壓影響大, 限制了其在大航深工況下的應(yīng)用。閉式循環(huán)動力系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向之一, 其通常采用水作為工質(zhì)。由于動力系統(tǒng)的功率要求小, 造成循環(huán)工質(zhì)流量小, 使得渦輪機設(shè)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(dǎo)致渦輪機內(nèi)效率較低, 這是系統(tǒng)循環(huán)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(nèi), 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(tǒng)的微型渦輪機設(shè)計方案, 輪盤直徑為1 inch, 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)速度, 有助于提高渦輪機速度比及渦輪效率; 有機工質(zhì)的低潛熱則有助于降低冷凝器的功率消耗, 提高系統(tǒng)效率。但有機工質(zhì)在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性較差。隨著太陽能、地?zé)帷⒂酂峄厥蘸蜕镔|(zhì)能等清潔能源技術(shù)的進一步發(fā)展, 有機朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle, ORC)以其工質(zhì)種類多樣化, 特別在上述能源系統(tǒng)中容易獲得較高的循環(huán)效率而引起研究人員的關(guān)注。Dre- scher等[3]指出, 在循環(huán)高溫較低的生物質(zhì)能系統(tǒng)中, 采用ORC可以獲得比水更好的循環(huán)效率, 且隨著循環(huán)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?zé)嵫h(huán)為背景, 分析了系統(tǒng)高溫在170～240℃條件下, 循環(huán)高壓對系統(tǒng)效率的影響, 并指出采用跨臨界ORC容易獲得更理想的系統(tǒng)效率; Yagli等[5]則從系統(tǒng)?效率的角度分別分析了系統(tǒng)高溫、高壓對系統(tǒng)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(huán)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(tǒng)為研究背景, 進一步指出跨臨界朗肯循環(huán)若附加回?zé)崞? 可以在一定程度上減輕系統(tǒng)效率對工質(zhì)過熱度的依賴, 同時提到在10 kW或以下的小功率動力系統(tǒng)更適合采用渦輪機, 因為流量更大, 泄漏更少, 有機工質(zhì)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(xiàn), 得出當(dāng)給定的系統(tǒng)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(zhì)——芳烴和硅氧烷(Aromates and Siloxanes)容易獲得更好的系統(tǒng)效率。Dai等[8]通過大量關(guān)于氟代烴類(fluorohydrocarbon)的熱分解實驗, 發(fā)現(xiàn)過熱環(huán)境會使有機工質(zhì)析出固液殘渣并破壞設(shè)備, 最后總結(jié)出高溫下有機工質(zhì)的熱穩(wěn)定溫度是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行并獲得良好效率的關(guān)鍵前提。Vescovo等[9]以及Angelino等[10]則闡述了將高溫有機工質(zhì)用于動力循環(huán)的可能性, 并列舉了大量包括甲苯(Toluene)、聯(lián)苯(Diphenyl)、聯(lián)苯-苯醚混合物(Diphenyl-Diphenyl oxide mixture)以及硅氧烷系列(Siloxane, D4, D5)等在內(nèi)的能夠在400℃以上保持性能穩(wěn)定的高溫有機工質(zhì)。

盡管有機工質(zhì)在高溫條件下穩(wěn)定性不如水, 在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍, 但在小功率動力系統(tǒng)中, 有機工質(zhì)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(zhì)比水的過熱度低也能降低系統(tǒng)中加熱器的負荷; 臨界溫度相對較高的有機工質(zhì), 也可以承受更高的系統(tǒng)高溫。因此, 以高溫有機工質(zhì)構(gòu)成的跨臨界朗肯循環(huán), 更具備應(yīng)用于熱動力循環(huán)的潛力, 相對于傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán), 跨臨界ORC具有更高的循環(huán)效率。

文中首先分析了水下航行器的工作條件, 提出了系統(tǒng)構(gòu)型以及可用工質(zhì); 介紹了系統(tǒng)熱力學(xué)模型和關(guān)鍵部件模型, 最后以效率和尺寸為目標(biāo), 分析在水下航行器動力循環(huán)中使用高溫有機工質(zhì)的可行性。

1 系統(tǒng)構(gòu)型與工質(zhì)選取

水下航行器熱動力系統(tǒng)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(zhì)的熱分解溫度。因此, 在使用有機工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)時, 需要在加熱器和工質(zhì)之間附加水套以避免工質(zhì)與高溫器件直接接觸, 水套溫度不能超過有機工質(zhì)的溫度上限; 循環(huán)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(huán)工質(zhì)在二級加熱器中的換熱系數(shù)應(yīng)該足夠高。如果采用的是單相工質(zhì), 常規(guī)通道換熱速率往往有限。由于工作溫度在700～1100℃, 采用水工質(zhì)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(zhì), 雖然相變換熱的換熱系數(shù)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(dǎo)熱性較好, 流速要求不高(功耗不高), 熔鹽循環(huán)也廣泛應(yīng)用于太陽能系統(tǒng)和ORC的二級回路中[13]。

為保證循環(huán)冷卻部分能夠有足夠的溫差用以換熱, 工質(zhì)可在一定真空度下的冷凝器環(huán)境中, 對應(yīng)飽和溫度要略高于海水溫度, 該飽和壓力即為循環(huán)系統(tǒng)低壓。應(yīng)用于水下航行器的閉式循環(huán)構(gòu)型如圖1所示。

圖1 水下熱動力系統(tǒng)閉式循環(huán)構(gòu)型

圖2 各種有機工質(zhì)及水的T-S圖

表1 各種有機工質(zhì)及水的基本參數(shù)