三壓力氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)的熱力性能研究.pdf

1、三壓力氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)是一種適用于中低溫余熱驅(qū)動(dòng)的發(fā)電循環(huán)，是在Kalina循環(huán)的基礎(chǔ)上提出的改進(jìn)方案，具有適合的余熱溫度范圍較寬、循環(huán)回?zé)崃鞒谈雍侠怼⑿瘦^高、可變濃度調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。本文采用理論分析與數(shù)值模擬研究相結(jié)合的方式，就三壓力氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)的熱力性能，從以下幾個(gè)方面開展了創(chuàng)新性研究:
　　對(duì)一種根據(jù)Kalina循環(huán)改進(jìn)的適用于中低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析計(jì)算。首先采用Schulz方程與PR方程

2、分區(qū)域進(jìn)行了氨水混合工質(zhì)熱狀態(tài)參數(shù)計(jì)算，并得到較高精度的計(jì)算結(jié)果。在氨水工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用熱效率、動(dòng)力回收效率以及火用效率為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別從熱力學(xué)第一定律以及熱力學(xué)第二定律的角度完成了對(duì)整個(gè)循環(huán)的熱力學(xué)分析，得到循環(huán)過程各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，分析了濃度、溫度、循環(huán)倍率等重要參數(shù)對(duì)循環(huán)熱力性能的影響，以尋求循環(huán)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最佳參數(shù)設(shè)置。在蒸發(fā)溫度300℃，冷卻水溫度25℃，循環(huán)倍率5.5的工況下，系統(tǒng)熱效率ηth、動(dòng)力回

3、收效率η0及火用效率ηex分別可達(dá)17.86％、15.87％和51.17％。通過對(duì)循環(huán)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)循環(huán)倍率對(duì)系統(tǒng)熱力性能的影響不大;氨水工質(zhì)的工作濃度對(duì)系統(tǒng)壓力影響較大，需要根據(jù)透平背壓為正壓或透平進(jìn)口壓力適當(dāng)?shù)臈l件進(jìn)行選擇;而氨水工質(zhì)的工作濃度和基本濃度存在最佳匹配對(duì)，基本濃度高于最佳值則循環(huán)效率降低，反之則回?zé)峤馕^程不能滿足要求。此外，與傳統(tǒng)純水工質(zhì)動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行對(duì)比，分析了氨水混合工質(zhì)作為動(dòng)力工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。通過用本文

4、所采用的計(jì)算模型對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的校核計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，計(jì)算模型與參考文獻(xiàn)所給出的各狀態(tài)參數(shù)值吻合良好，其循環(huán)熱效率指標(biāo)的相對(duì)誤差在6.06％左右，表明計(jì)算模型的方法可靠。
　　對(duì)氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了熱力學(xué)及傳熱分析，并提出相應(yīng)優(yōu)化的方向或途徑。根據(jù)熱力學(xué)第二定律火用分析原理對(duì)氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)循環(huán)最大的不可逆損失在于蒸發(fā)器。在熱源進(jìn)口溫度300℃，冷卻水溫度25℃的算例工況下蒸發(fā)器火用損失

5、份額可達(dá)39.44％，其中低于熱源排放溫度以下的火用損占蒸發(fā)器火用損的16.4％，而蒸發(fā)器火用效率為76.8％。對(duì)蒸發(fā)過程中的過冷、沸騰以及過熱三個(gè)換熱階段，將蒸發(fā)器分為三段虛擬的換熱器，內(nèi)部不可逆損失可根據(jù)溫度曲線分析。研究結(jié)果表明整個(gè)蒸發(fā)過程中過冷段開始點(diǎn)（即蒸發(fā)器進(jìn)口點(diǎn)）與過熱段開始點(diǎn)（即沸騰段結(jié)束點(diǎn)）熵增率最大。對(duì)冷凝吸收過程，由于其傳熱傳質(zhì)機(jī)理較為復(fù)雜，采用先混合后冷卻的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析。在相同冷熱源條件下對(duì)比并分析采用純水工

6、質(zhì)與氨水混合工質(zhì)的透平膨脹過程。
　　變濃度調(diào)節(jié)功率方式是氨水動(dòng)力循環(huán)所特有的一種調(diào)節(jié)方式，以工質(zhì)濃度的變化來實(shí)現(xiàn)相同熱源溫度下的進(jìn)汽壓力變化，可以在透平前節(jié)流閥全開時(shí)調(diào)整透平的質(zhì)量流量，從而可在避免節(jié)流損失的情況下實(shí)現(xiàn)透平的功率調(diào)節(jié)。通過建立過渡過程動(dòng)態(tài)模型分析循環(huán)各個(gè)回路濃度變化的非穩(wěn)態(tài)過程和調(diào)節(jié)所需時(shí)間。從滿負(fù)荷到60％滿負(fù)荷的變化工況下濃度變化過渡過程需要的時(shí)間約為63.4min。與通常采用的具有較大節(jié)流損失的透平進(jìn)口閥門

7、節(jié)流調(diào)節(jié)方案進(jìn)行對(duì)比分析，從透平流量100％變?yōu)樵瓉淼?0％的變工況下，變濃度調(diào)節(jié)方式較節(jié)流方式所得熱效率高28.41％。氨水變濃度調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)在于調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)有滯后性，因此實(shí)際應(yīng)用中可以采用氨水變濃度與節(jié)流調(diào)節(jié)方式相結(jié)合的手段進(jìn)行透平變工況調(diào)節(jié)。
　　參與完成了氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)的試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)搭建工作，試驗(yàn)系統(tǒng)以導(dǎo)熱油為熱源，冷卻水為冷源，膨脹裝置采用閥門加帶水冷套的節(jié)流器。試驗(yàn)測(cè)量?jī)x表可確保試驗(yàn)結(jié)果的不確定度相對(duì)誤差符合工程精度要

8、求范圍。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)提出了相關(guān)改進(jìn)分析和合理化建議。
　　在對(duì)氨水吸收式動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氨水吸收式動(dòng)力/供熱以及動(dòng)力/制冷聯(lián)合循環(huán)。通過熱水器的設(shè)置，采用分離器出口中壓稀溶液來加熱中壓吸收器口的冷卻水，從而獲得了溫度50.5℃左右的生活熱水。通過在中壓吸收器出口分流一部分工作溶液流經(jīng)由過冷器、節(jié)流閥以及蒸發(fā)器組成的制冷回路，返回低壓吸收器內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力/制冷聯(lián)合循環(huán)。在所研究工況下，其循環(huán)熱效率與火用效率分別可