低品位熱能驅(qū)動的小型冷電聯(lián)供系統(tǒng)的性能研究.pdf

1、本文提出了一套利用低品位熱能驅(qū)動的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，是由有機朗肯循環(huán)(ORC)與氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附制冷系統(tǒng)組成，熱流體首先驅(qū)動 ORC發(fā)電系統(tǒng)，然后驅(qū)動兩級吸附式制冷機。該冷電聯(lián)供系統(tǒng)主要針對的對象是地?zé)嵋约肮S廢熱的利用，這兩種情況下熱流體往往是需要回流到地下或者直接排放到環(huán)境中，因而較高的排放溫度將影響到熱量的利用效率。該冷電聯(lián)供系統(tǒng)能有效地降低熱流體的排放溫度，從而實現(xiàn)熱量的梯級利用，提高了熱量的利用效率。該冷電聯(lián)供系統(tǒng)是以輸

2、出冷量為主，輸出電量為輔，輸出電量主要用于補給系統(tǒng)自身的耗電，目的是實現(xiàn)系統(tǒng)耗電的自給自足。具體研究內(nèi)容如下：
　　（1）首先構(gòu)建了低品位熱能驅(qū)動的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，由傳統(tǒng)小型有機朗肯循環(huán)與氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附式制冷系統(tǒng)組成。對于發(fā)電部分建立了傳統(tǒng)小型ORC系統(tǒng)的熱力學(xué)和傳熱模型，并搭建了壓縮空氣推動的渦旋式膨脹機旋轉(zhuǎn)做功的測試臺。測試結(jié)果表明，膨脹機進口壓力從0.5 MPa增加到1.0 MPa，膨脹機等熵效率在0.62-0.7

3、之間波動，發(fā)電量從70 W增加到300 W。依據(jù)實驗所得到的等熵效率建立了ORC系統(tǒng)模型，利用 MATLAB編程，模擬了在采用制冷劑工質(zhì)R245fa條件下的性能。模擬結(jié)果表明，熱源溫度為105℃時，蒸發(fā)壓力從0.5MPa增加到1MPa時，系統(tǒng)的能量效率和火用效率都隨著蒸發(fā)壓力的增加而增加，變化范圍分別是4.36％-6.57%、19.2%-28.8%；回?zé)崞髂軌蜉p微地提高系統(tǒng)的能量效率及火用效率。對于制冷部分，選擇氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸

4、附制冷系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)相匹配。依據(jù)先前實驗測試氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附制冷工質(zhì)對的吸附性能數(shù)據(jù)及建立的兩級吸附制冷機組的數(shù)學(xué)模型，模擬了不同熱源溫度對系統(tǒng)性能的影響。當(dāng)熱源溫度從70℃增加到90℃，蒸發(fā)溫度為5℃時，系統(tǒng)的COP基本維持在26%左右，系統(tǒng)火用效率從20.1%降低到了14.2%?；趯Πl(fā)電部分和制冷部分的分析，冷電聯(lián)供系統(tǒng)在實現(xiàn)冷電聯(lián)供的同時，可以有效地降低熱流體的排放溫度，提高整個系統(tǒng)的熱量火用效率。
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5、搭建了一臺小型有機朗肯循環(huán)的實驗系統(tǒng)，研究了熱源溫度在105℃時系統(tǒng)的性能，同時基于課題組先前搭建的氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附制冷系統(tǒng)，測試了蒸發(fā)溫度為-10℃，熱源溫度從75℃增加到90℃時系統(tǒng)的制冷量。實驗結(jié)果顯示：膨脹機進口壓力為0.61MPa時，系統(tǒng)的最大能量效率和最大火用效率分別是3.2%和16.9%，此時膨脹機的等熵效率為0.553，系統(tǒng)的最大輸出功為151W；實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回?zé)崞魈幱诠ぷ髂Ｊ?，膨脹機排氣在回?zé)崞髦邪l(fā)生了部

6、分冷凝，膨脹機出口壓力在短時間內(nèi)急劇增加，導(dǎo)致了性能的惡化，回?zé)崞鞑粌H不能夠提高系統(tǒng)的能量利用效率，反而惡化了系統(tǒng)的性能。對氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附冷凍機組的測試結(jié)果顯示：熱源溫度為90℃，蒸發(fā)溫度為-10℃時，系統(tǒng)的制冷量和COP分別是1.29kW與17.6%?；趯RC的實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)ORC系統(tǒng)中的工質(zhì)泵的效率比較低，系統(tǒng)工質(zhì)泵的耗電極大地抵消了系統(tǒng)自身的發(fā)電量，導(dǎo)致了ORC系統(tǒng)凈輸出電量比較小。本文研發(fā)小型ORC系統(tǒng)的目

7、的是為了補給冷電聯(lián)供系統(tǒng)自身的耗電，而實驗結(jié)果顯示小型ORC系統(tǒng)補給電量的較小。因此使用傳統(tǒng)小型ORC系統(tǒng)作為低品位驅(qū)動冷電聯(lián)供系統(tǒng)的發(fā)電部分是不理想的，于是提高ORC系統(tǒng)的凈發(fā)電量，對于該冷電聯(lián)供循環(huán)是十分關(guān)鍵。
　?。?）針對傳統(tǒng)小型ORC系統(tǒng)中工質(zhì)泵帶來的問題，提出了一套無泵ORC系統(tǒng)，相比與傳統(tǒng)ORC系統(tǒng)，減少了高壓工質(zhì)泵這一部件，系統(tǒng)更加簡單，成本更低，結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時本文建立了無泵ORC系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，詳細(xì)闡述了無

8、泵 ORC系統(tǒng)的工作過程，并進行了熱力學(xué)模擬仿真計算和實驗研究；新型無泵ORC系統(tǒng)是一種間歇的工作過程，分為預(yù)熱階段及膨脹機輸出功階段，系統(tǒng)只在第二個階段輸出功；理論計算得，當(dāng)熱源溫度是95℃，系統(tǒng)平均輸出功及能量效率分別是375W、5.87%；實驗結(jié)果顯示，熱源溫度為95℃時，系統(tǒng)最大輸出的軸功為361.0W，平均輸出功為155.8W。盡管無泵ORC系統(tǒng)中三個切換閥門也會消耗電量，降低系統(tǒng)凈輸出的電量，但是閥門耗電只發(fā)生在切換的時候，

9、切換時間非常短，實現(xiàn)了系統(tǒng)較大的凈輸出功，因此無泵ORC系統(tǒng)可以補給冷電聯(lián)供系統(tǒng)的耗電。
　　（4）基于小型無泵ORC系統(tǒng)的優(yōu)勢及可行性，重新建立了一套新型的利用低品位熱能驅(qū)動的冷電聯(lián)供系統(tǒng)，由無泵ORC系統(tǒng)和氯化鈣/氯化鋇-氨兩級吸附制冷機組成，熱流體首先驅(qū)動無泵ORC發(fā)電系統(tǒng)，然后驅(qū)動兩級吸附式制冷機；新型冷電聯(lián)供系統(tǒng)是以輸出冷量為主，輸出電量主要用于補給冷電聯(lián)供系統(tǒng)自身的耗電；熱源溫度從80℃增加到95℃，新型冷電聯(lián)供系統(tǒng)的