低品位熱能有機物朗肯動力循環(huán)機理研究和實驗驗證.pdf

1、有機物朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)系統(tǒng)可回收利用如工業(yè)廢熱、太陽能熱、地熱、生物質熱等各種類型的中低品位熱能用于發(fā)電,同時具有效率高、結構簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點,因此能在節(jié)能減排中起到重要的作用。本文對低品位熱能利用有機物朗肯循環(huán)系統(tǒng)及其關鍵設備進行了理論分析,并且研制了1kW低品位熱能利用有機物朗肯循環(huán)實驗裝置,最大輸出電功率達到1.1kW。本文的主要研究內容如下:
　　 1完成了有機物朗肯循環(huán)

2、系統(tǒng)熱力模型的分析和計算。給出了用于有機物朗肯循環(huán)的有機物工質的干濕性等各種性質,比較了有機物工質與水工質在回收低品位熱能上的區(qū)別,認為有機物工質具有工質干性、工作壓力合適、焓降低等優(yōu)點。其次,研究了不同工作參數下有機物朗肯循環(huán)的熱力性能,認為過熱溫度對提高有機物朗肯循環(huán)第一定律效率影響不大,而蒸發(fā)壓力的影響較大。然后,本文對比研究了再熱、回熱以及抽氣回熱對有機物朗肯循環(huán)的影響,認為再熱可以提高低品位熱能利用有機物朗肯循環(huán)系統(tǒng)凈輸出比功

3、。
　　 2分析研究了低品位熱能利用ORC系統(tǒng)不可逆損失最大的設備-蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性。蒸發(fā)器包括預熱、沸騰及過熱三個過程,本文以單級逆流型蒸發(fā)器為例,采用研究蒸發(fā)器的溫度分布、熵以及火用效率的方法,給出了蒸發(fā)器的性能分析。結果認為,蒸發(fā)器不可逆損失包括內部不可逆損失和外部不可逆損失兩部分。蒸發(fā)壓力的增加會使得內部不可逆損失減小,而外部不可逆損失增加,從而使得蒸發(fā)器的熵增隨蒸發(fā)壓力的變化存在最小值,而理論分析指出此熵增最小值

4、同時也是蒸發(fā)器火用效率的最大值。對蒸發(fā)器的動態(tài)研究,首先建立了蒸發(fā)器的偏微分方程組,對此偏微分方程空間方向采用差分人工離散,而時間方向利用MATLAB Simulink的S函數進行求解,最終得到了蒸發(fā)器動態(tài)變化規(guī)律。對渦旋式膨脹機進行了理論研究與分析。根據渦旋式膨脹機的理論分析和幾何建模,給出了該種膨脹機膨脹比的計算方法,各狀態(tài)參數在膨脹過程中的變化情況,以及各種不可逆損失對膨脹機的影響。
　　 3提出以熱回收效率而不是循環(huán)效率

5、來評價低品位熱能利用有機物朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能。由于熱源流體與有機物工質存在換熱不充分的現象,熱源流體在離開系統(tǒng)排入環(huán)境時仍有一定做功能力,因此采用熱回收效率能更準確反應低品位熱能利用ORC系統(tǒng)的性能。本文給出了理想的低品位熱能利用動力循環(huán)系統(tǒng)所能達到的最大熱回收效率,同時,還證明了熱回收效率分析與熵增分析具有某種意義上的等價性。然后,本文給出了低品位熱能回收ORC系統(tǒng)的熱回收效率隨工作參數的變化情況,發(fā)現熱回收效率隨著蒸發(fā)壓力的變化存在

6、最大值,同時在此蒸發(fā)壓力下熵增最小。然后,本文以有機物朗肯循環(huán)回收熔融碳酸鹽燃料電池-燃氣輪機尾氣排熱為例說明了ORC系統(tǒng)在回收低品位熱能方面的作用,發(fā)現ORC系統(tǒng)能提高復合循環(huán)系統(tǒng)效率3.8個百分點。
　　 4在國內首次研制成功了1 kW級低品位熱能利用有機物朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置,并對有機物朗肯循環(huán)系統(tǒng)進行了實驗研究。系統(tǒng)以異丁烷為工質,以80℃-100℃的熱水模擬為熱源,采用渦旋式膨脹機,發(fā)電功率達到1.1kW,最大第一

7、定律效率達到2.9％。實驗裝置的建立為以后大功率有機物朗肯循環(huán)的規(guī)?；玫於肆己玫幕A。
　　 5分析了蒸發(fā)器和膨脹機的實驗數據結果。蒸發(fā)器的實驗數據結果分析表明,蒸發(fā)器的火用效率受蒸發(fā)壓力影響較大。而膨脹機的實驗結果表明,膨脹機的轉速受其入口體積流量影響較大,實驗中膨脹機最高轉速4828rpm,最高效率0.501。由于實驗設備的限制,實驗系統(tǒng)的效率低于理論結果,但是系統(tǒng)的實驗結果與理論分析其變化趨勢基本相符。