内燃机余热驱动的储热式有机朗肯循环试验研究

为了提高尾气余热利用率并削弱热源波动对有机朗肯循环的影响,提出了一种集成相变储热换热器的有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统,利用相变材料削弱尾气余热波动并储存热量。搭建了内燃机尾气余热直接驱动的储热式有机朗肯循环试验台架,开展了内燃机稳态工况和阶跃变工况下储热式有机朗肯循环的热力学性能和动态性能试验研究。结果表明,内燃机稳态工况下尾气平均温度和平均流量为342℃和0.142kg/s,蒸发压力为0.75MPa条件下储热式ORC系统平均输出功率约3.43kW,平均热效率可达到12.7%,平均尾气余热回收率可达40.1%。内燃机阶跃工况下,工质出口温度、蒸发压力和过热度均呈现快速下降的趋势。试验结果还表明储热式ORC具备完全抵御发动机工况小幅波动的能力。在发动机工况阶跃变化比例过大时,储热换热器可以实现对尾气的补热,从而延长储热式ORC的安全工作时间。     

基于定热源的两种有机朗肯循环系统的经济性分析

为了分析热源条件约束下两种有机朗肯循环系统的热力性能和经济性的差异,文章根据热力学理论,选取3种工质分别建立无内回热式有机朗肯循环系统和内回热式有机朗肯循环系统的热力模型和经济性模型。通过计算比较了两种系统的热力性能和经济性,并分析了排烟温度对系统经济性的影响。分析结果表明:当采用相同工质的两种系统的净功率相等时,所对应的排烟温度为等效排烟温度;当排烟温度高于等效排烟温度时,IORC系统的净功率高于ORC系统;当工质相同时,IORC系统的投资成本高于ORC系统,IORC系统的净功率高于ORC系统,且二者的差值较小,导致IORC系统的电力生产成本较高,经济性较低;排烟温度不受约束时,采用R123的ORC系统经济性最佳;当排烟温度不高于75℃时,采用R245fa的ORC系统经济性最佳。     

1000t/d石灰窑余热发电系统分析及优化

针对1000t/d石灰窑生产线余热发电系统进行建模分析及优化。计算结果表明:采用传统朗肯循环发电系统,实际发电功率低于900k W,进汽轮机蒸汽最佳压力范围为0.35~0.5MPa,最佳温度范围为190~220℃;采用双工质有机朗肯循环发电系统发电功率大幅度提高,以R123作为有机工质为例,进汽轮机蒸汽最佳压力3.0MPa、蒸汽温度173.3℃,理论最大输出功率1391k W。同时对有机朗肯循环系统中广泛采用的有机工质ORC循环系统进行了对比分析,为活性石灰低温余热的高效利用提供了理论基础。     

钢铁企业中低温烟气发电系统的比较和优化

为高效利用钢铁厂200～450℃烟气余热,利用EES软件模拟计算了水蒸气朗肯循环(SRC)4种有机朗肯循环(ORC)和水蒸气-有机物联合双循环(S-ORC)的热效率、火用效率和单位质量工质的发电能力。通过比较各发电系统的性能,探讨了低温发电系统的优化措施。为进一步利用ORC系统透平机乏汽余热,针对300℃以上的热源设计了梯级有机朗肯循环(CORC)。综合考虑各发电系统的性能,得出:对于200～300℃的烟气,可采用以R141b为工质的ORC发电系统;对于300～450℃的烟气,可采用CORC发电系统。由于S-ORC的热效率、火用效率、发电功率比传统SRC的高,且能有效减小工质在冷凝器的负压,对于450℃以上的热源,可用S-ORC代替传统的SRC。     

基于Matlab/Simulink的有机朗肯循环发电系统建模与仿真

以某型微燃机排出的尾气作为热源,根据热源特性和热力学基本原理,选择了环戊烷(Cyclopentane)作为循环工质,建立了整个有机朗肯循环发电系统的热力学模型,并通过M atlab/Simulink软件平台分别建立系统各部件的仿真模块,实现了有机朗肯循环发电系统的动态仿真。仿真结果表明:输入热源温度在100~300℃内,选用环戊烷作为循环工质是合理的,窄点温度及排气温度均在合理的范围内,与实际工况要求吻合;而热源温度高于300℃时,环戊烷工质则不能适应,需要对输入热源降温处理;当热源温度低于100℃时,ORC发电系统已无法正常输出有效功,系统无法正常循环运行。文中仿真分析可以为ORC系统的优化设计及实验研究提供参考。     

重型卡车朗肯−朗肯制冷系统热力学研究

本文针对重型卡车发动机冷却液余热工况,采用R245fa作为循环工质建立了朗肯−朗肯制冷系统,剖析了此系统的基本原理和结构特点,根据系统分析建立了数学模型,模拟分析了发生温度、冷凝温度、蒸发温度对系统性能的影响。结果表明：在发生温度85℃、冷凝温度50℃、蒸发温度5℃时,系统COP（coefficient of performance）达到0.254,虽然此系统的效率要低于相同工况下的吸收制冷循环,但是朗肯−朗肯制冷系统相对于吸收制冷系统具有尺寸小、易于控制和快速响应等优点,利用朗肯−朗肯循环回收重型卡车发动机冷却液余热进行制冷是可行的。     

有机朗肯循环回收直接空冷机组排气余热系统的热力性能研究

空冷机组汽机排汽热损失巨大,而有机朗肯循环是利用中低温热源的重要技术之一。提出采用有机朗肯循环回收空冷机组汽轮机排汽余热的技术方案,建立空冷机组和有机朗肯循环的物理模型,编制有机朗肯循环回收空冷机组汽轮机排汽余热技术的模拟程序,并将模拟计算结果与厂家提供的某型号有机朗肯循环机组的性能数据进行对比。以内蒙古锡林郭勒盟某典型600 MW机组为对象,探究汽机乏汽温度、环境温度、ORC机组过热度等关键参数变化对系统热力性能的影响规律。结果表明,ORC机组净出功和ORC机组热效率随着汽机乏汽温度的升高而增大,而随着环境温度和ORC机组过热度的增大而减小。     

中低温热水发电系统循环参数和工质的选择

针对热源为80～150℃热水的有机朗肯循环（ORC）发电系统,以发电功率和效率为评价指标,分别分析了以R134a、R123和R245fa三种工质为循环介质时的系统,确定了最佳循环参数和工质。一般来说,最佳蒸发温度对应着最大的输出电功,且随着热流体温度的升高而升高;当热源温度大于120℃时,R134a的系统不存在最佳蒸发温度,此时输出电功随着蒸发温度的升高而增大。对于80～135℃的热水,工质R245fa的发电功率最大;当热水温度超过135℃时,工质R134a的发电功率最大。工质R245fa的发电效率始终是最大的。     

柴油机废热驱动有机朗肯循环的理论和试验

对柴油机废热驱动有机朗肯循环(ORC)发电系统的4种方案进行了理论分析;并以200,kW柴油发电机废热回收为对象,设计一台以R245fa为循环工质的废热驱动ORC发电系统样机.在柴油发电机输出功率为180,kW时,分别以"发动机冷却液"和"发动机冷却液和尾气"为热源,测试ORC系统的循环性能.结果表明:单独依靠发动机冷却液驱动ORC系统时,节温器开闭导致系统无法稳定工作.当强制开启节温器、R245fa流量从0.32,kg/s增大到0.41,kg/s时,冷却液出水温度迅速下降,而系统净发电量单调递增至3.1,kW;净效率曲线呈先增后减的变化趋势,并在0.35,kg/s时达到3.8%的最大值.当发动机冷却液和尾气共同驱动ORC系统时,系统净发电量可达9.9,kW,净效率为6.3%.     

ORC发电系统变热源温度实验研究

为研究有机朗肯循环(ORC)热源温度变化引起的循环热效率、(火用)效率、发电效率等性能的变化情况,搭建以R245fa为循环工质的ORC发电系统实验平台。实验结果表明:热源温度的提高使循环蒸发压力、冷凝压力升高,膨胀机入口温度、压力升高,膨胀比增大,等熵效率提升,膨胀做功能力增强,系统循环热效率、(火用)效率、发电效率均增大;在冷源温度为12℃,工质流量保持恒定的情况下,热源温度从87.5℃上升至108.1℃时,循环热效率由4.1%提升到7.1%,系统(火用)效率由17.2%提升到30.0%,系统发电效率由4.1%提升到7.3%。     

R1234yf有机朗肯循环系统热力学性能研究

为提高有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）在中低温地热发电领域的效率,本文以R1234yf为工质,依据热力学第一定律与第二定律分析了系统单位质量热水净发电功率和系统?效率,并与目前应用广泛的R245fa工质进行了性能对比。研究结果表明,存在最佳蒸发温度和最佳冷凝温度,使得ORC发电系统单位质量热水净发电功率、?效率最大。对于热源温度为110℃ ~ 150℃的ORC发电系统,R1234yf对应的最大系统单位质量热水净发电功率和最大?效率均大于R245fa     

船舶动力余热透平发电一体机性能研究

为进一步提高有机朗肯循环(ORC)发电系统的密封性、可靠性及发电效率等性能,开展透平发电一体机性能实验研究。研究对象为350 kW等级ORC发电装置,循环介质为R134a,船舶余热热源温度为60～90℃,冷源温度为9±1℃。利用试验测试及理论分析等方法,对透平发电机功率、效率以及冷却方式开展研究。结果表明：在热负荷达到4 023 kW时,发电上网功率平均值为315 kW,透平轴功平均值为341.6 kW,系统稳定时,透平等熵效率达到79.22%;发电机效率达到92.55%,系统效率达到7.85%,相对于参考文献中几种常用的透平发电机技术方案,磁悬浮高速径流透平一体发电机具有较高的热功转换效率及发电效率,额定发电功率下用于冷却电机的工质流量仅为0.124 5 kg/s。     

光强度变化对有机物发电系统性能影响实验研究

针对120℃以下低温太阳能光热发电中存在光照强度会随时间变化的问题,在搭建的太阳能光热和有机物朗肯循环(ORC)发电实验台上,研究集热器性能随光照强度的变化规律,分析光照强度变化对ORC发电系统性能的影响。实验结果表明:整个系统光电转换效率可达2.2%,热电效率可达4.5%,热电效率和发电功率受光照强度降低影响较大;当光照强度小幅降低时,集热器有效吸热量降低,导热液温度降低,ORC热电效率与发电功率降低且幅度较大,膨胀机转速、膨胀比虽降低但幅度较小;当光照强度大幅降低时,系统性能降低剧烈,需通过减少工质流量,才可使系统继续稳定工作。     

燃煤电厂烟气低温余热回收利用研究

基于燃煤电厂烟气低温余热资源,采用ORC(有机朗肯循环)设计发电系统,选择3种有机工质(R245fa、R600a和R601a),分析了该系统的热力学性能及技术经济性,并计算了该系统的节能减排效益。结果表明:工质的临界温度越低,系统的净输出功率越大;在计算排烟温度范围内(60~110℃),系统净输出功率先增大后减小,而发电效率随排烟温度升高而增大;采用ORC发电技术回收低温余热,节能减排效果显著。研究结果对ORC发电技术的工程应用具有一定的指导意义。     

超临界二氧化碳布雷顿/有机朗肯循环联合系统的热力学特性

针对再压缩式超临界二氧化碳布雷顿发电循环(S-CO_2),将有机朗肯循环(ORC)作为底循环用于回收系统余热,建立了S-CO_2/ORC联合循环。采用Aspen Plus建立分析模型,根据顶循环余热温度范围和安全环保要求,选取R245fa作为ORC系统工质,分析透平进口温度、透平进口压力及分流比对循环效率的影响,并通过分析耗能设备的功率变化找到影响系统效率变化的因素。结果表明:通过顶循环低温余热的回收利用,系统热效率提高4%以上;增大透平进口温度可提高顶循环的热效率,但对底循环热效率的影响较小;随着顶循环透平进口压力的增大,顶循环热效率增加而底循环热效率下降;在透平入口温度680℃、入口压力280 MPa的条件下,存在最优的再压缩循环分流比0.66使得联合循环热效率最高;使用ORC底循环回收顶循环余热,最高可以将系统热效率从50.3%提高到53.7%,联合系统可以获得6.7%的效率提升。     

基于超临界CO_2布雷顿循环的有机朗肯联合循环特性研究

使用ASPEN通用流程系统设计软件,在超临界CO_2布雷顿循环(SCO_2)和有机朗肯循环(ORC)的循环特性研究的基础上,进一步探究了SCO_2-ORC联合循环的影响因素和影响结果。研究表明,联合循环中SCO_2透平出口压力、ORC透平入口压力和压气机入口温度对循环系统的热效率均有着重要影响。对比不同工质可以发现,最大效率排序为R22R32R125R134aR115。此外,通过统计分析发现,在变ORC系统参数和变SCO_2系统参数时,联合循环热效率与ORC功率占比分别表现出一次线性关系和二次抛物线关系。为进一步使用和推广SCO_2-ORC太阳能光热发电技术提供了理论支持和设计基础。     

非共沸工质与纯工质在ORC系统中的特性比较研究

工质的特性是影响ORC(有机朗肯循环)系统性能的重要因素之一。建立了65~100℃低温地热水有机朗肯循环发电系统数学模型,将R245fa分别与R601a和R227ea以不同比例混合作为ORC系统的工质,比较了非共沸混合物和纯物质两类工质对ORC系统循环净功、热效率和火用效率的影响。研究结果表明:无论是纯工质还是非共沸工质,系统的循环净功、热效率和火用效率都随着热源温度的升高而增大。工质在相变过程中是否存在温度滑移,是影响ORC系统性能的重要因素之一。在65~100℃的热源条件下,综合考虑3个评价指标,当R245fa配比为0.1~0.7时,R245fa/R601a混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.012~2.48 k W、0.005%~1.15%和0.08%~10.7%;当R245fa配比为0.5~0.9时,R245fa/R227ea混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.049~4.25 k W、0.057%~1.75%和0.21%~16.1%。     

不同工质对内置换热器有机朗肯循环系统热性能的影响

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)可实现中低温热能的有效利用,但其热利用效率仍可进一步提高,而内置换热器的使用可有效提高循环的热利用效率。因此,文章构建了内置换热器ORC系统的热力学模型。研究了当蒸发温度变化时,R600,R601a,R236ea,R245fa,R245ca,R123,R600a,R114和R142b对内置换热器ORC系统性能的影响,并比较了内置换热器ORC系统与传统ORC系统的净输出功率和热效率。结果表明:在最优蒸发温度下,采用R236ea的内置换热器ORC系统净输出功率大于其余工质,为32.40 kW,其比第二最大净输出功率R600a系统相对增大1.16%;采用R601a的内置换热器ORC系统的热效率最大。内置换热器ORC系统的最大净输出功率及热效率均较传统ORC系统显著增大。     

结合ORC和VCR的中温余热回收系统性能分析

为了利用丰富的中低温余热进行制冷,本文提出了一种结合ORC(有机朗肯循环)和VCR(蒸汽压缩制冷循环)的制冷系统,并对新系统进行了热力学分析和火用损失分析。此外,对比分析了Cyclohexane、D4、n-octane及R141b四种工质的热力学性能与ORC蒸发温度、制冷剂蒸发温度及透平效率等参数对系统制冷性能的影响。结果表明:以Cyclohexane为ORC工质时,系统总制冷COP(性能系数)最高为1.262;ORC蒸发温度对制冷工质与有机工质的质量流量比有显著的影响;制冷剂蒸发温度对系统的制冷COP有显著的影响;制冷剂冷凝温度对系统制冷COP的影响比ORC冷凝温度大;ORC蒸发器、VCR冷凝器以及ORC冷凝器的火用损失占系统总火用损失的57.28%。     

1MW有机朗肯循环系统及轴流透平设计

基于自行开发的有机朗肯循环(ORC)系统热力计算软件设计了1 MW ORC系统.考虑到有机朗肯循环系统的特点,介绍了适合于该系统工况参数的有机工质轴流透平的设计过程.随后分析比较了应用于ORC系统的向心透平、螺杆膨胀机及轴流透平的不同特点,总结了轴流透平应用于该功率等级ORC系统的主要优点.最后,针对ORC系统设计了采用R123为工质的1 MW轴流透平,在CFD数值模拟的基础上进行了通流的优化和通流结构设计.