CFD analysis of flashing flow in two-phase geothermal turbine design
CFD analysis of flashing flow in two-phase geothermal turbine design
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两相地热涡轮机设计中闪蒸流的 CFD 分析
DOI：
10.1093/jcde/qwaa020
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发表时间：
2020
影响因子：
4.9
通讯作者：
He L
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
He L
东非裂谷国家的一座热电厂正在研究利用地热水进行能源和淡水的联合发电，该热电厂可以在500千帕以上的压力和150°C以上的温度下使用。本文介绍了该全流量热电厂用于发电的两相涡轮机的计算流体动力学(CFD)模型和分析。闪急沸腾采用双流体多相模型，在CFD求解器中采用热、质量和动量传递的相变准则。首先对收敛-扩张喷管内的闪蒸流动进行了验证。然后将该静止喷嘴模型推广到弯曲旋转喷嘴反应透平上，并根据已有的实验数据对流量和功率的结果进行了评估，在给水压力为400kPa时，过冷度为117℃，背压很低，为6kPa.通过该涡轮的流量预测偏差在8%以内。在4000rpm以下的速度下，热力能被高估了30%-50%，而在4623rpm的设计速度下，偏差不到5%。研究发现，转子扭矩和功率估算依赖于CFD模型中规定的气泡尺寸、气泡数密度和换热参数。透平出口处的蒸汽干度接近等熵膨胀蒸汽质量。在所分析的速度范围内，等熵效率为7.5-17%。
A thermal power plant for the East African Rift countries is under study for combined energy and freshwater generation using geothermal water, available at above 500 kPa pressure and temperature exceeding 150°C. This article presents the computational fluid dynamics (CFD) model and analysis of the two-phase turbine used for power generation in this total flow thermal plant. Flash boiling was implemented using a two-fluid multiphase model with the thermal phase-change criteria for heat, mass, and momentum transfer in the CFD solver ANSYS CFX. Initially, flashing flow in a converging–diverging nozzle was validated. This stationary nozzle model was then extended to a curved rotating nozzle reaction turbine and the results of flow and power were evaluated against available test data at 400 kPa feed water pressure under subcooled condition of 117°C and a very low backpressure of 6 kPa. Flow through this turbine was predicted within 8% deviation. An overestimate in thermodynamic power by 30–50% was predicted at speeds below 4000 rpm, while at the design speed of 4623 rpm the deviation was less than 5%. Rotor torque and hence power estimate was found to be dependent on the bubble size, bubble number density, and heat transfer parameters prescribed in the CFD model. The vapour dryness fraction at turbine exit was close to an isentropic expansion vapour quality. The isentropic efficiency was 7.5–17% for the analysed speed range.
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