低温地热有机朗肯循环(ORC)工质选择

对低温(60～150℃)地热有机朗肯循环(ORC)系统,以净输出电功和系统能量损失作为评价指标,分析不同地热流体温度下有机工质R290,R134a,R600a,R600,R601a的做功能力,确定最佳循环工质.分析结果表明:对于湿流体工质,由于临界温度较低,当地热流体温度高于其临界温度20℃时,不存在最佳蒸发温度:对于60～80℃的地热流体,工质R601a的最大净输出电功最大;对于90～120℃的地热流体,工质R134a的最大净输出电功最大;对于125～150℃的地热流体,工质R290的净输出电功最大.这些结果为中低温地热利用提供设计依据.     

非共沸工质双压冷凝热泵热水器性能研究

提出一种双压冷凝梯级加热热泵热水器（DPS）系统新构型,采用碳氢非共沸工质作为制冷剂,可实现热水的连续梯级低损加热,采用黄金分割法对系统热力性能进行优化。结果表明,非共沸工质的DPS系统的热力学性能优于纯质的DPS系统和单级热泵系统,双压冷凝系统在最优中间水温时取得最大COP。名义工况下,采用R600/R601a(40/60)的DPS系统COP高达5.17,相对采用纯质的DPS系统和单级系统分别提高9.45%和14.25%。采用温度滑移合理的非共沸工质可显著减少损,改善冷凝器的热匹配特性,系统效率最高提升11.70%,名义工况下推荐R600/R601a(40/60)作为工质对。     

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。     

中高温热泵混合工质R13I1/R290/R600a替代R134a的理论研究

针对普通R134a热泵制取中高温热水过程中存在的冷凝压力过高、系统效率低、不环保及无法直接替代等问题,提出一种新型中高温热泵混合工质R13I1/R290/R600a。建立基于该工质的热力循环模型,计算该循环的热力特性。结合气象数据,对其进行多工况计算并与已有的工质R134a、MIX1和MIX2对比分析。研究结果表明该新型混合工质的循环性能与同模型常温热泵工况下R134a的循环性质大致相同,且其环境性能优良:ODP为零,GWP小于20,温度滑移小于4℃。单位容积制热量略低于R134a,分别比MIX1和MIX2平均高16.7%、1.3%;COP分别比R134a、MIX1和MIX2平均高9.2%、4.1%和0.7%。综合循环性能较对比工质更优越,适用于冷凝温度为70～90℃,循环温升低于75℃的热泵工况。     

EXPERIMENTAL RESEARCH ON TWO NATURAL WORKING FLUIDS OF MODERATELY HIGH TEMPERATURE HEAT PUMP

以筛选适合中高温热泵工况,环境性能优良的自然工质为目标,在理论循环分析基础上,采用指定工质侧参数的循环性能对比实验评价研究方法,在水-水蒸气压缩式热泵实验台上,对理论循环性能优良、样品可得的自然工质HC600(丁烷)、HC600a(异丁烷),在蒸发温度为30 ～ 50℃,冷凝温度为60 ～95℃范围进行实验研究.研究结果表明,两种自然工质中高温热泵循环性能优良,两者在较低温度工况循环性能差别不大,在较高温度工况HC600的循环性能优于HC600a,在蒸发温度为44℃,冷凝温度为90℃时,丁烷和异丁烷COP分别为3.84和3.33,但两种工质的可燃性应引起足够重视.     

地热驱动非共沸工质有机闪蒸循环的热性能分析

非共沸工质具有变温相变特性,可有效改善有机闪蒸循环系统与冷源温度匹配差的问题,进而提高系统的循环性能。文章构建了有机闪蒸循环系统模型,其中,循环工质为R245fa/R601a混合物,热源温度为150℃。文章以净输出功率作为目标函数对有机闪蒸循环系统进行优化,研究了R245fa/R601a混合物的组分变化对有机闪蒸循环系统的闪蒸压力、质量流量、净输出功率和热效率的影响,并比较了以非共沸工质与纯工质作为循环工质时,有机闪蒸循环系统的净输出功率。模拟结果表明:当R245fa/R601a混合物的摩尔组分为3∶7时,有机闪蒸循环系统的净输出功率最大,为25.21 kW,与纯工质R245fa和R601a作为循环工质的有机闪蒸循环系统相比,分别增大了4.39%和5.66%,但以非共沸工质作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率并不一定大于以纯工质作为循环工质;当R601a的摩尔组分为0～0.6时,以非共沸工质作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率大于以纯工质作为循环工质;当R601a的摩尔组分为0.7～1时,以R245fa作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率大于以非共沸工质作为循环工质。     

不同工况下非共沸混合工质有机朗肯循环系统性能研究

采用MATLAB软件模拟非共沸混合工质在不同冷热源条件下对有机朗肯循环(ORC)系统性能的影响。选取R245fa/R1234ze和R245fa/R600a作为混合工质,热源温度取120和200℃,分别在冷凝露点温度为40℃和冷却水温升为5,10,15℃的工况条件下,利用热力学第一定律和火积理论对系统性能进行分析。结果表明：热源温度为200℃时,R245fa, R1234ze和R600a系统净输出功率分别为89.83,61.87和77.74 kW,使用R245fa系统性能优于其混合工质;热源温度为120℃、固定冷凝露点温度时,混合工质R245fa/R600a(90%∶10%)净输出功率比R245fa和R600a分别提高了27.6%和27%,R245fa/R1234ze(60%∶40%)净输出功率比R245fa和R600a分别提高了26%和20.5%;火积耗散和单位面积做功量与净输出功率变化相反,提高冷却水温升时,增大了系统火积耗散,且流向环境中的火积耗散在总火积耗散中占比增大,导致系统的传热不可逆损失增加。     

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%。     

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     

混合工质组分对ORC系统性能影响实验研究

针对低品位热能的特点,利用搭建的有机物朗肯循环(ORC)系统实验装置,对采用不同组分混合工质R600a/R601a的ORC系统性能进行实验研究,获得系统和部件特性随组分的变化规律。实验结果表明:随着混合工质中的R600a组分的增大膨胀比减小,下降幅度为38.4%,涡旋膨胀机效率受R600a组分变化的影响较小,在60%附近上下波动;净发电功率、工质吸热量和蒸发过程温度滑移量都随着R600a组分的增大先增大后减小,在R600a组分为0.4处,混合工质具有最大的净发电功率、吸热量和温度滑移量,净输出功率比纯R601a高出25%。这说明非等温相变特性可以使混合工质的吸热过程更好地与热源流体的放热过程相匹配,从而提高热能利用率,增加发电功率。     

不同工质对太阳能有机朗肯循环系统性能的影响

循环工质的特性是影响有机朗肯循环系统性能的重要因素之一,在不同的蒸发温度条件下,选取R600、R600a、R245fa、R236fa、R236ea、R601、R601a、RC318及R227ea共9种有机工质,基于热力学第一定律和第二定律对其热力循环特性进行了计算分析,并对各有机工质的蒸发压力、热效率、功比和不可逆损失等进行了比较.结果表明：R245fa作为太阳能低温热发电朗肯循环系统的循环工质具有较高的热效率和效率,并且产生的系统总不可逆损失较小,是一种较理想的有机工质;其次,R236fa和R236ea作为系统循环工质也具有较为良好的性能.     

利用地热能的双压有机朗肯循环性能分析

根据地热利用系统回灌的要求,对热源在系统出口处的温度进行限制,研究了双压有机朗肯循环（DPORC）中的热量分配以及随运行时间的系统性能变化,针对5种不同的有机工质进行了计算分析。研究表明：系统热力学性能的最大值和有机工质流量的最小值在同样的k值（热源提供给高压循环的热量与热源为DPORC提供的热量比）处获得。而采用R600和R245fa系统的净输出功率较大;相比R601,采用R245fa可以将系统的净输出功率提高168.06 kW（5.55%）,热效率和效率分别可提高0.70%和2.86%。相比于单压有机朗肯循环（SPORC）,DPORC可以有效减小系统随运行时间净输出功率降低的幅度。经过40 a的运行,采用R601的系统净输出功率降低幅度最低（428.11 kW, 14.14%）,而采用R600系统的净输出功率降低幅度最大（526.75 kW, 16.55%）。     

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。     

低温余热有机朗肯循环发电系统工质选择

对有机朗肯循环系统工质的优化选择已逐渐从单一优化目标向多目标发展,但所选的优化目标及优化方法普遍存在主观性较强的问题.针对上述问题,从环保性、安全性等方面对工质进行初选,得到了R123、R245fa、R245ca和R601等9种工质,然后采用主成分分析法对工质的热效率、循环净功和不可逆损失等7个热力性能指标进行了分析计算,得到了两个较为客观的综合评价指标,并在不同蒸发温度下对工质的综合热力性能进行了分析.结果表明:R601做功能力较强,综合效率较高,是该循环系统较为理想的工质.     

Experimental investigation on the performance of ORC power system using zeotropic mixture R601a/R600a

An experimental study on the practical performance of organic Rankine cycle (ORC) system using zeotropic mixture is performed by using a small scale ORC power generation experimental setup. R601a/R600a is selected as the working fluid. The effects of mixture composition, heat source temperature, and working fluid flow rate on the performance of ORC system are investigated. The experimental results indicate that the net power output first increases and then decreases as the R600a concentration increases. The optimal mixture composition with the maximum net power output is 0.6/0.4 (mass fraction) at the heat source temperature of 115°C. The net power output of R601a/R600a (0.6/0.4) is higher than that of R601a by 25%, indicating that the performance of ORC system can be clearly improved by using the zeotropic mixture. For a fixed working fluid flow rate, both net power output and thermal efficiency first decrease slowly and then drop sharply with the decrease of the heat source temperature. The appropriate superheat degree of R601a/R600a is in the range of 15 to 20°C when the heat source temperature has a small variation. In addition, the optimal working fluid volume flow rates yielding the maximum net power output are obtained for different compositions of R601a/R600a. The experimental results in the study can be of great significance for the design and operation of ORC power system using zeotropic mixture. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Assessment of blends of CO2 with butane and isobutane as working fluids for heat pump applications

In the present study, blends R744/R600 and R744/R600a are being proposed as working fluids in heat pumps for medium and high temperature heating applications. COP based performances have been evaluated for zeotropic mixtures of both working fluid pairs for various compositions and compared against that of pure working fluids. Effect of internal heat exchanger on blend based system performance is also presented and finally heat transfer issues in evaporation and condensation are discussed. Results show that due to gliding temperature during evaporation and condensation, the zeotropic blends, instead of pure counterparts, can be employed very effectively in heat pumps for variable temperature or simultaneous cooling and heating applications (e.g., dairy plants) at conventional high side pressure. The blend R744/R600a can be the best alternative refrigerant to R114 for high temperature heating due to superior COP (more than twice) over R600 and R600a and eliminating the requirement of extremely high side pressure of R744 systems.     

低温地热发电有机朗肯循环的优化

采用(火用)分析方法及PR状态方程,建立了低温地热发电有机朗肯循环的工质优选及主要参数优化热力学方法.比较计算了以10种干流体有机工质为循环工质的低温地热发电有机朗肯循环的输出功率、(火用)效率及其余主要热力性能.结果表明,低温地热发电有机朗肯循环的性能极大地受工质的物性及蒸发温度的影响.总体来看,随着工质临界温度的升...     

Experimental comparison of R245fa and R245fa/R601a for organic Rankine cycle using scroll expander

An experimental test was conducted to compare R245fa with R245fa/R601a on the organic Rankine cycle performance. The major objective of this paper is to ascertain the highest thermal efficiency and the optimal dimensionless volume ratio using the two working fluids. The experimental system consists of an electrically heated boiler, a vapor generator, a scroll expander, a condenser, a working fluid pump, and so on. For the typical weather conditions of May in Tianjin, the experiment results show that the working fluid charge has an important influence on the organic Rankine cycle performances. The optimal isentropic efficiency of the scroll expander corresponds to the design expansion ratio. Underexpanded and overexpanded processes result in the decline of the isentropic efficiency of the scroll expander, with the former playing a major role. R245fa/R601a improves the heat transfer performance in the vapor generator because of the nonisothermal phase change. The highest thermal efficiency for R245fa and R245fa/R601a is 4.38% and 4.45%, thereby illustrating that R245fa/R601a precedes R245fa. The optimal dimensionless volume ratios for R245fa and R245fa/R601a are 0.38 and 0.41, respectively. The experimental test lays foundation of the 500‐kW geothermal plant for demonstration in the next step. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.