液氮发动机的热力循环设计

针对基于单级朗肯循环的液氮发动机效率低和主换热器外表面结霜的问题，设计了基于等熵膨胀的液氮-甲烷-乙烯-R134a四级朗肯循环液氮发动机动力系统新方案.计算结果表明，液氮在所设计的热力循环下的比输出功比采用单级朗肯循环提高了129%；即便充分考虑不可逆因素的影响，液氮的比输出功也远大于蓄电池的比输出功.由于新系统中最上一级热力循环的温度超过水的冰点，避免了主换热器的结霜问题，同时将太阳热能引入新系统，进一步提高了动力系统的效率.比较了基于新循环与基于二级布莱顿循环的液氮动力系统，指出在理想情况下两者的比输出功接近，但当考虑压降和温差等实际因素时，二级布莱顿循环的比输出功远小于所设计的多级多组分朗肯循环.     

有机朗肯循环系统回收发动机尾气余热的研究

根据柴油机排气余热的特点设计了有机朗肯循环余热回收系统。采用R245fa作为工质,根据工质在不同蒸发压力下的蒸发率结合发动机的试验数据分析了两相流对系统性能的影响。通过比较系统净输出功、有机朗肯循环效率及主要部件损的变化规律确定了系统的最佳工作方案。结果表明,系统在全排气质量流量范围内能平稳地工作,有机朗肯循环效率达到10.2%,减小了各主要部件的损,余热回收效果明显。     

液氮发动机循环可用能及效率分析

针对液氮发动机开始朗肯循环过程可用能损失较大的问题,提出分析方法,研究液氮发动机开式朗肯循环过程中可用能损失分布;研究并设计液氮二级再热系统,分析液氮发动机开式朗肯循环与内燃机混合加热循环的联合循环.结果表明,排气是可用能损失的主要环节之一,约占系统输入可用能的20%;且初始膨胀温度受环境温度限制是导致排气可用能损失的主要原因.再热系统可以消除环境温度因素对循环效率提高的限制;采用二级再热膨胀系统,选取合理的再热温度和二级膨胀压力可以得到更高的效率.采用液氮发动机开式朗肯循环与内燃机混合加热循环的联合循环,可以将无法直接做功的内燃机常压高温排气的温度转化为液氮发动机进气可用能,等质量工质的联合循环将整个系统的平均效率提高了8.06%.     

回收排气余热能的气动-内燃复合循环理论研究

为了提高内燃机能源利用率,提出一种回收排气余热能的气动-内燃复合循环方法,采用内燃机排气和压缩空气混合气作为气动循环工质,建立复合循环工作过程数学模型,分析其主要参数对循环性能的影响规律.研究结果表明：内燃机排气压力的增大、压缩空气占比的减小、气动发动机转速和行程/缸径比的减小均能提高内燃机排气利用率和复合循环效率.复合循环可通过调节气动循环转速或压缩空气占混合工质的比例来实现气动循环工质流量与混合工质流量的匹配.     

烟气余热有机朗肯循环工质的研究

通过热力学建模的方法对电厂烟气余热ORC循环工质进行研究,根据工质的筛选方法和REFPROP软件粗选出11种适合低温烟气余热发电的有机工质,通过热力学分析方法计算出ORC系统的循环热效率、泵功、净输出功、工质运行压力.结果表明,R601a是最适合低温烟气余热发电的工质,R245fa和R600次之.     

基于工质性质的理想制冷循环及其性能极值的探讨

建立了基于工质的理想制冷循环概念,提出了性能系数的计算方法,其特征是:换热过程等温,节流过程等熵,压缩过程由无穷多个等熵压缩过程组成,无限接近饱和压缩,并回收节流过程功和压缩过程工质过热产生的有用功.基于几种常用的氟利昂工质和自然工质,分析循环过程功的比例分配及冷量损失状况,对性能系数进行比较研究.     

一种新型机械过冷喷射制冷系统的理论研究

提出了一种新型机械过冷喷射制冷系统(NERS).该循环系统引入了一个辅助的液体-气体射流泵,通过消耗少量泵功,对冷凝器出来的液体进行过冷.与常规喷射制冷系统(CERS)相比,该系统可以有较大的过冷度.建立了新系统的数学模型,并针对环保制冷剂R600a和R152a两种工质进行了模拟计算.重点分析了发生器温度和机械过冷度对新循环性能的影响,并与常规喷射制冷循环进行了性能比较.计算结果表明,新循环能有效提高系统的性能系数(COP).对于制冷剂R600a和R152a,新循环COP比常规循环可分别提高约12%和11%.尽管新循环消耗的泵功稍有增加,但从火用的角度分析,新循环可以节约7%~8%的输入火用.对一定的制冷剂和工况,有相应的最佳机械过冷度存在.     

不可逆量子斯特林热泵循环性能分析与优化

建立了以一维无限深势阱中极端相对论粒子为工质的不可逆量子斯特林热泵循环模型。考虑高低温热源之间的热漏,导出了循环的性能系数与无量纲泵热率的表达式。分析了循环性能与各性能参数之间的关系。研究发现,热泵的性能系数与无量纲泵热率都随粒子在状态1进处于激收态上的占有几度单调递减,性能系数与无量纲泵热率都是势阱宽度比的凸单调函数。无量纲泵热率关于性能系数的关系曲线为回原点的扭叶型,并确定了该不可逆量子斯特林热泵的最优运行区间。     

脉冲爆震发动机热力学性能分析

为确定脉冲爆震发动机具有飞行优势的可工作条件,分析了一种吸气式脉冲爆震发动机工作形式,提出了相应的热力循环过程,通过引入代表参与爆震循环工质与流入发动机内的总工质比的循环系数概念,研究了理想情况下脉冲爆震发动机比Brayton循环更具有优势时循环系数的容许限.结果表明:相比冲压发动机,脉冲爆震发动机要在飞行范围0~5马赫具有优势,循环系数必须高于0.8,当这两种类型发动机燃烧汽油相同时,对循环系数的要求将高于0.9.     

耦合管道系统在热声发动机中的传输特性

为了优化热声发动机和脉管制冷机之间的匹配,在流体网络模型的基础上,结合线性热声理论,推导了三管道耦合系统的传输方程,利用DeltaE对耦合系统在不同直径和长度下的压比放大特性和入口所需声功进行了理论计算和对比.各管道采用合适的直径,在行波热声发动机上对管道耦合系统的压比放大特性进行了实验验证.采用RC负载法测量耦合系统末端的声功,研究了在末端不同阻抗下耦合系统的声功输出特性.理论预测和实验结果趋势一致.实验中采用高纯N2作为工质,当工作压力为2.20MPa时,在耦合系统末端获得了1.50的压比;在一定的输出阻抗下获得了105W的输出声功.     

单螺杆膨胀机双循环系统的应用——基于柴油机尾气余热利用的方案计算

为了提高柴油机燃料燃烧能量利用率,以某增压柴油机为例,设计了单螺杆膨胀机双循环系统来回收柴油机尾气余热能量。此系统由朗肯循环（水为工质）与有机朗肯循环（R245fa为工质）组成,由单螺杆膨胀机输出动力。建立双循环系统热力学模型,对其性能进行热力学分析计算,并确定合理的工作范围。可得出如下结论：随着柴油机尾气（水蒸发器出...     

Overall optimization of Rankine cycle system for waste heat recovery of heavy-duty vehicle diesel engines considering the cooling power consumption

The Rankine cycle system for waste heat recovery of heavy-duty vehicle diesel engines has been regarded as a promising technique to reduce fuel consumption. Its heat dissipation in the condensation process, however, should be taken away in time, which is an energy-consuming process. A fan-assisted auxiliary water-cooling system is employed in this paper. Results at 1300 r/min and 50% load indicate that the cooling pump and cooling fan together consume 7.66% of the recovered power. What’s worse for the heavy load, cooling accessories may deplete of all the recovered power of the Rankine cycle system. Afterwards, effects of the condensing pressure and water feeding temperature are investigated, based on which a cooling power consumption model is established. Finally, an overall efficiency optimization is conducted to balance the electric power generation and cooling power consumption, taking condensing pressure, pressure ratio and exhaust bypass valve as major variables. The research suggests that the priority is to increase condensing pressure and open exhaust bypass valve appropriately at high speed and heavy load to reduce the cooling power consumption, while at low speed and light load, a lower condensing pressure is favored and the exhaust bypass valve should be closed making the waste heat recovered as much as possible. Within the sub-critical region, a larger pressure ratio yields higher overall efficiency improvement at medium-low speed and load. But the effects taper off at high speed and heavy load. For a given vehicular heavy-duty diesel engine, the overall efficiency can be improved by 3.37% at 1300 r/min and 25% load using a Rankine cycle system to recover exhaust energy. The improvement becomes smaller as engine speed and load become higher.     

柴油机排气余热的有机朗肯循环发电系统

针对柴油机排气余热的特点设计了有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统.在该系统中,采用R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)作为循环工质,针对其不同蒸发温度以及冷凝温度,通过模拟计算研究了最终排气温度、系统净输出功率和朗肯循环实际效率的变化规律.研究结果表明,当蒸发温度低于367.46 K时应采用一级膨胀系统;当蒸发温度高于367.46 K低于404.6 K时应采用二级膨胀系统;冷凝温度恒定时,最终排气温度随蒸发温度的升高而降低,系统净输出功率和朗肯循环实际效率随蒸发温度的升高而升高;蒸发温度恒定时,最终排气温度随冷凝温度的降低而降低,系统净输出功率和朗肯循环实际效率随冷凝温度的降低而升高.     

Entransy dissipation/loss-based optimization of two-stage organic Rankine cycle (TSORC) with R245fa for geothermal power generation

Based on organic Rankine cycle (ORC), the two-stage evaporation strategy is adopted to replace the single-stage evaporation to improve the system performance. In order to evaluate the temperature matching of the two-stage evaporation, a theoretical optimization model was established to optimize the two stage organic Rankine cycle (TSORC) based on the entransy theory and thermodynamics, with the ratio of the entransy dissipation rate of the TSORC to that of the ORC as the objective function. This paper aims to illuminate the improving degree of the system performance of the TSORC. The results show that the TSORC enhances the average evaporating temperature, thereby reducing the entransy dissipation rate in the evaporator and the total entransy dissipation rate. The maximal net power output is proportional to the entransy loss rate and inversely proportional to the entransy dissipation rate. However, compared with the ORC, the TSORC can output more power but requires a higher total thermal conductance. Moreover, there exists an optimal intermediate geothermal water temperature (IGWT) to maximize the net power output of the TSORC. The TSORC can be considered in engineering applications.     

柴油机尾气余热回收系统的能分析和火用分析

采用R245fa作为循环工质,利用有机朗肯循环回收柴油机尾气余热,从而提高柴油机的燃油经济性。对不同蒸发压力下的朗肯循环热效率和发动机不同工况下余热回收系统的火用效率以及系统各组件的火用损失率进行了计算和分析。研究结果表明,蒸发压力越高则朗肯循环效率越高,工质和尾气之间传热的不可逆损失和蒸发器出口较高的尾气温度使得蒸发器的火用损失率最大,采用余热回收系统回收发动机尾气余热,系统输出净功最高可达18.7 kW。     

一种发电和CO2捕集相结合的LNG 冷能利用系统

温室效应的加剧使人们的碳捕集意识逐渐提高。针对碳捕集问题,将CO₂超临界朗肯循环和有机朗肯循环相结合,对原有燃气轮机废气发电系统进行改进,提出了一种废气发电与CO₂捕集相结合的LNG冷能梯级利用系统。利用Aspen Plus软件对系统进行热力学模拟计算,详细分析了蒸发压力和蒸发温度对系统热力学性能的影响。结果表明,提高CO₂超临界朗肯循环的蒸发压力和蒸发温度,对系统的净输出功和热效率有积极影响;有机朗肯循环的蒸发温度达到250 ℃后,其余热回收率达到最大值且不再随蒸发压力发生变化;系统净输出功可达251.6 kW,余热回收率为92.00%,㶲效率为57.00%;CO₂液化量达到883.6 kg/h时,可减少CO₂排放量763万t/a。研究成果对保护环境具有重大意义。     

液氮发动机试验及效率分析

为了解液氮储能气动发动机的工作特点，实现液氮可用能的高效利用，搭建了液氮动力系统试验台架，测试了发动机在进气压力为0.1～1 MPa和转速为300～1 500 r/min区间内的动力性能和经济性能.分析了试验结果所展现的液氮发动机的动力性能和经济性能随进气压力和转速的变化规律.试验发现,发动机的输出功率与进气压力成正比关系；气阻现象使得发动机效率不随系统压力的增加而增加.系统的不可逆损失归结为内部不可逆损失和外部不可逆损失两部分并建立了相应的数学模型，结合试验数据，计算了液氮的单位质量可用能在系统中的分配.结果说明漏气损失与系统输出具有相同的量级，应该杜绝系统的漏气；换热损失消耗了大部分的液氮可用能，构建高效的液氮动力系统，必须采用多级循环.     

工质种类对OTEC系统性能的影响

本文基于朗肯循环,结合闭式OTEC系统模型,分别以氨、R22和R134a为循环工质,在温海水及冷海水温度相同的前提下,以装机容量50 kW的OTEC电厂为研究对象,开展工质种类对OTEC系统性能影响的研究。结果表明,氨系统较其他两个系统所需工质流量小、换热面积小、厂自用电少、朗肯循环净效率及供电效率高;R22系统与R134a系统相比,R134a系统供电效率大,其环保性好,是R22较好的替代工质。