低品位熱源驅(qū)動(dòng)的有機(jī)朗肯循環(huán)性能研究.pdf

1、目前,能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的雙重壓力,迫切要求節(jié)約利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)利用新能源。從我國能源和環(huán)境所面臨的形勢看,更需要加強(qiáng)節(jié)能減排和開發(fā)利用清潔能源工作。我國具有豐富的低品位能源如中低溫余熱能、太陽能和地?zé)崮艿?利用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)將這些低品位能源轉(zhuǎn)換為功,對提高我國的能源利用率和改善環(huán)境問題具有重要的意義。
　　現(xiàn)有針對ORC性能的研究,主要采用模擬計(jì)算的手段集中于熱力學(xué)性能方面,而采用理論研究其熱力

2、學(xué)性能和考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的相對較少,能全面考慮引入ORC對環(huán)境的影響亦相對較少。針對工質(zhì)篩選的研究,以追求熱力學(xué)性能為目標(biāo)會(huì)得出相反的結(jié)論。本文對ORC進(jìn)行了熱力學(xué)性能分析和優(yōu)化,給出了ORC凈功的理論公式、提出了ORC工質(zhì)篩選的熱力學(xué)基本原則、進(jìn)一步考慮了系統(tǒng)關(guān)鍵部件的經(jīng)濟(jì)性和ORC余熱回收系統(tǒng)對環(huán)境的影響、搭建了小型ORC實(shí)驗(yàn)臺(tái),對膨脹機(jī)輸出特性進(jìn)行了初步研究。研究的主要內(nèi)容如下:
　　(1)針對亞臨界ORC,采用直接搜索的優(yōu)化

3、方法,分別以熱效率、凈輸出電功、?效率為優(yōu)化目標(biāo)對蒸發(fā)溫度和冷凝溫度進(jìn)行了優(yōu)化,并討論了最佳蒸發(fā)溫度OET和系統(tǒng)不可逆性分布的影響因素。結(jié)果表明:使用不同的優(yōu)化目標(biāo),采用濕工質(zhì),優(yōu)化出的結(jié)果相同或相近;采用干工質(zhì),優(yōu)化出的結(jié)果有明顯的差別。OET是否出現(xiàn)與熱源溫度、工質(zhì)臨界溫度和蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差有關(guān)。熱源溫度、蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差、膨脹機(jī)效率和冷卻水溫升的變化將影響亞臨界ORC系統(tǒng)部件中的不可逆損失分布。針對超臨界ORC,研究了膨脹機(jī)進(jìn)口參數(shù)對

4、凈功、熱效率、?效率、總傳熱能力和膨脹機(jī)尺寸等的影響,結(jié)果表明:采用單一的不同目標(biāo),對膨脹機(jī)進(jìn)口參數(shù)的要求不盡相同,甚至相反。
　　(2)針對亞臨界ORC模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)的最大凈功處對應(yīng)一個(gè)OET,從熱力學(xué)基本理論出發(fā),推導(dǎo)出理論凈功公式。利用該理論公式,獲得了求解OET的數(shù)學(xué)關(guān)系式和亞臨界ORC工質(zhì)篩選的熱力學(xué)原則關(guān)系式,討論了兩類熱源條件下工質(zhì)篩選的基本原則。結(jié)果表明,對多種工質(zhì),利用OET理論關(guān)系式求解出的OET平均相對偏差小于

5、1％。與已有文獻(xiàn)公式相比,平均精度可提高31%。理論和數(shù)值模擬兩方面都表明:對于耦合第一類低品位熱源的ORC,以凈功為目標(biāo),要求工質(zhì)具有較高的液體比熱和較低的蒸發(fā)潛熱;對于耦合第二類熱源的ORC,期望采用具有較低液體比熱和較高蒸發(fā)潛熱的工質(zhì),使系統(tǒng)熱效率(凈功)較高。在ORC取得最大凈功條件下,從凈功、工作壓力、總傳熱能力和膨脹機(jī)尺寸四個(gè)方面綜合考慮,R114、R245fa、R123、R601a、R601、R141b和R113適宜作為第

6、一類熱源條件下亞臨界ORC的工質(zhì)。針對理想超臨界ORC,建立了三種不同流型蒸發(fā)器的凈功模型,探究了循環(huán)參數(shù)變化對超臨界ORC凈功的影響。結(jié)果表明,增加蒸發(fā)器傳熱單元數(shù)、提高循環(huán)中高溫和低溫比、降低工質(zhì)和熱源熱容率之比都可以提高超臨界ORC凈功。由于前兩種方法的有限性,后一種方法是提高凈功輸出的最好方法。在相同條件下,超臨界ORC采用逆流型蒸發(fā)器凈輸出功最大,叉流型次之,順流型最小。
　　(3)提出一個(gè)同時(shí)反映熱力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性能的

7、綜合性能指標(biāo),應(yīng)用該指標(biāo)與單一指標(biāo)進(jìn)行了對比,并對亞臨界和超臨界ORC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明:亞臨界和超臨界循環(huán)膨脹機(jī)進(jìn)口參數(shù)和冷凝溫度都存在優(yōu)化值;當(dāng)固定蒸發(fā)器夾點(diǎn)溫差10K時(shí),亞臨界和超臨界ORC冷凝器夾點(diǎn)溫差分別存在一個(gè)優(yōu)化的值;當(dāng)固定蒸發(fā)器和冷凝器夾點(diǎn)溫差之和為10K時(shí),超臨界ORC蒸發(fā)器和冷凝器夾點(diǎn)溫差存在優(yōu)化的分配。
　　(4)為了全面考慮ORC系統(tǒng)的環(huán)境影響,建立了余熱回收ORC系統(tǒng)的生命周期環(huán)境影響評價(jià)模型,比較

8、了篩選出的7種工質(zhì)在全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響。結(jié)果表明:ORC余熱回收全生命周期中建設(shè)階段對GWP(全球變暖潛值)和EP(富營養(yǎng)化潛值)貢獻(xiàn)最大;GWP是最嚴(yán)重的環(huán)境影響,其次是HTP(人體毒性潛值);環(huán)境影響總負(fù)荷最小的是R113,最大的是R114;7種工質(zhì)ORC余熱回收生命周期GWP、AP(酸化潛值)、EP、HTP、SWP(固體廢棄物潛值)和SAP(煙塵及灰塵潛值)值按照從小到大順序,分別是R113、R141b(R601)、R123、

9、R601a、R245fa、R114;溫室氣體中CO2、CH4和NOx可在生命周期較短時(shí)間內(nèi)得到回饋,平均回饋時(shí)間在1~6年;而CO回饋時(shí)間較長,甚至難以回饋;總GWP可在5年內(nèi)得到回饋。
　　(5)搭建了小型ORC實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了膨脹機(jī)輸出特性的初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著膨脹機(jī)進(jìn)口溫度的增加,膨脹機(jī)輸出功近似線性增加;在保持膨脹機(jī)進(jìn)口溫度平均65.6℃條件下,隨著蒸發(fā)壓力的變化,膨脹機(jī)輸出功具有一個(gè)最大值,對應(yīng)著一個(gè)最佳蒸發(fā)壓