船用柴油机烟气余热ORC系统的热力性能分析

对采用不同换热器配置的有机朗肯循环(ORC)系统进行了分析,理论分析结果表明:在柴油机烟气余热ORC系统所有部件之中,蒸发器的损失最大;通过增加预热器或回热器能进一步提高热源的利用率,但同时系统的损失和成本增加。为此对影响ORC系统性能的关键因素进行优化设计:使蒸发器过热度和冷凝器的过冷度取1~2℃;并尽可能提高膨胀机的膨胀比和内效率。试验结果表明:ORC试验系统理论热效率5.7%,实际热效率5.3%,引起偏差的主要原因是膨胀机实际容积效率低于理论值,实际机械消耗大于理论值,且系统混入的不凝气也对系统造成影响。新开发的低温烟气余热ORC系统的设计方法,实现了对烟气余热ORC系统的优化配置,为船舶柴油机烟气余热利用提供了一种切实可行的解决方案。     

ORC系统热力性能计算程序开发

在有机朗肯循环(ORC)系统设计理论基础上,结合Matlab 2010a平台及REFPROP(工质物性)8.0数据库,编写了低品位余热发电ORC系统热力性能的计算程序。参照实例的设计参数,运用该程序进行了ORC系统的设计,并将程序运算结果与实际运行参数进行了对比。结果表明,该程序具有工质筛选、系统循环热力计算以及设备初步选型等应用功能,且运算结果准确。     

低温地热双循环式发电系统横管喷淋降膜蒸发器传热性能实验研究

以R245fa为工质,搭建有机朗肯循环（ORC）发电系统横管喷淋降膜蒸发器传热测试平台,研究有机工质喷淋密度,地热水初温及流率等因素对管外换热系数的影响。实验结果表明：随着有机工质喷淋密度、地热水初温、地热水流率的增大,传热系数均先增大后减小。最后,根据实验结果,对现有横管喷淋降膜蒸发器的管外传热系数经验公式的参数进行修正。     

内燃机烟气余热ORC系统热力学特性分析

本研究分析了ORC对内燃机烟气余热回收的节能潜力及关键参数影响规律。该研究采用理论模拟方法,基于某内燃机实际特性曲线,分析了负荷变化,对ICE-ORC联合循环系统整体输出功率及热效率的影响。模拟结果显示额定工况条件下,该系统方案的整体热效率较独立ICE系统提高3.3%,内燃机低负荷条件下可能出现露点温度的情况,存在腐蚀设备的隐患。上述研究表明,采用ORC对内燃机烟气余热能够进行有效回收,且节能潜力随着内燃机负载的增加而提高。     

300kW功率等级ORC发电机组试验系统搭建与性能测试

为了检验长动集团自主设计生产的CT300型ORC原理样机的工作性能,为机组设计工作和后续优化提供数据支撑,借助汽轮机空负荷试验平台搭建了300 kW功率等级ORC发电机组运行试验系统,并开展了相关运行试验。通过运行试验验证了各部件及发电机组的运行特性。结果表明,所搭建的运行试验系统运行正常,可满足ORC机组在各个工况下运行时的外部条件要求,ORC机组稳定发电功率为313.8 kW,发电效率为10.1%,实现了试验系统的设计目标。运行试验中涡轮转速出现了周期性震荡,原因是热源不稳定和泵后手动阀无法精确调节所共同导致的,通过稳定热源和更换调节性能更高的调节阀可以解决该问题。     

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。     

基于BP神经网络ORC系统仿真及变工况运行预测

有机朗肯循环(ORC)系统实验是验证或获得系统性能的有效手段,为了在实验工况有限的前提下获得ORC系统最优运行工况,本文在ORC系统变工况实验研究的基础上,提出了基于BP神经网络的ORC系统性能预测方法并建立了仿真模型。预测结果表明：该模型验证最大误差为3.30%,能够预测出ORC热力性能更优的运行工况,其系统净输出功最大值1.47 kW时的运行质量流量为0.15 kg/s,热效率最大值3.71%时的运行质量流量为0.134 kg/s。     

直接接触式换热技术的研究进展

综述了直接接触式换热中单个液滴蒸发换热的理论与试验研究进展情况,以及在直接接触式换热器的整体换热研究进展状况。     

基于热源耦合ORC ANN模型的循环性能预测及工质优选

基于已建立的有机朗肯循环(ORC) 人工神经网络(ANN)模型,将其与热源进行耦合,从而在不同烟气工况下对ORC进行循环性能预测及工质优选。为了分析与热源耦合的ORC ANN模型精度,基于初选的10种工质,比较了该模型与REFPROP软件对基本ORC和回热ORC的计算结果,比较结果表明：该ORC ANN模型对大部分循环参数的平均相对偏差都小于5%。在此基础上,针对不同烟气热源温度（523.15,488.15和453.15 K）,以最大净输出功为目标,分别优化循环的蒸发温度,优化结果显示：3种热源温度对应的最佳工质分别为R1336mzz(Z),R600a和R236fa。     

电石炉烟气余热回收双回路ORC系统性能分析

有机朗肯循环(ORC)系统在回收余热方面具有较大优势.本文采用双回路有机朗肯循环(DORC)系统回收电石炉烟气余热.对比了不同工质组合、不同循环结构下,高温循环的蒸发温度与冷凝温度对系统输出功率、效率和发电成本的影响.结果表明:与基础DORC相比,回热式DORC系统性能更佳,其中以甲醇与R123工质组合的系统净功率与效率最大,水作为高温循环工质在无回热的基础DORC系统中经济性优势明显.恒定热源条件下增大高温循环蒸发温度,对所有工质组合下同性能均有明显改善,增大高温循环冷凝温度则降低系统性能.     

降膜直接接触余热回收性能研究

提出一种降膜直接接触式烟气余热回收方案。在喷淋区布置多块竖直降膜板,低温喷淋水在上方喷下来,在降膜板上形成液膜,在重力的作用下向下流动。饱和湿空气向上流动,与液膜直接接触,实现热质交换。采用数值模拟的方法研究喷淋水的流量、湿空气的流速、湿空气的温度和降膜板的高度等对余热回收效果的影响。结果表明:增加喷淋水流量和降膜板高度或降低湿空气流速和进口温度有利于提高换热效率和冷凝率。搭建了降膜直接接触余热回收实验台,并与空喷淋塔进行了比较。在实验范围内,与空喷淋塔相比,降膜直接接触余热回收使换热效率提高20. 0%～23. 2%,模拟与实验数据的最大误差为3. 1%,证明模拟结果可靠。     

热源自调节有机朗肯循环发电系统热力性能分析

为提高基本ORC(有机朗肯循环)系统换热器内冷热流体换热温差匹配程度,提升系统热力性能,提出一种ORC-R(热源自调节有机朗肯循环发电)系统,基于热力学第一定律和第二定律,建立了系统的数学模型并编制计算机程序进行分析,研究表明:当热源与有机工质换热温差不匹配时,采用热源自调节方式可有效提升基本ORC系统热力性能;热源自调节系数不同,ORC-R系统热力性能提升程度不同,存在随热源温度不同而有所变化的极限调节值;同时,ORC-R系统较基本ORC系统达到性能最优值时的蒸发温度降低,ORC-R系统净输出功、火用效率随热源自调节系数增加呈现先增加后减小的变化规律,可找到热源自调节系数的最佳值使ORC-R系统热力性能达到最优;热源温度Tg=373、383、393和403 K时,ORC-R系统净输出功Wnet较基本ORC系统分别增加35.52%、42.75%、51.15%和57.63%;ORC-R系统火用效率ηex分别为基本ORC系统的0.879 9倍、1.174 9倍、1.485 8倍和1.807 8倍。     

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%。     

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。     

有机工质低温余热发电系统多目标优化设计

针对现有有机朗肯循环单目标优化设计的局限性,从热力性、经济性等多方面对有机工质低温余热发电系统进行多目标优化设计.以系统效率最大和总投资费用最小为目标函数,选取透平进口温度、透平进口压力、余热锅炉节点温差、接近点温差和冷凝器端差等5个关键热力参数作为决策变量,利用非支配解排序遗传算法(NSGA-II)分别对采用R123、R245fa和异丁烷的有机工质余热发电系统进行多目标优化,获得不同工质的多目标优化的最优解集(Pareto最优前沿),并采用理想点辅助法从最优解集中选择出最优解及相应的系统最佳热力参数组合.结果表明:在给定余热条件下,从热力性能和经济性两方面考虑,R245fa是最优的有机工质,从多目标优化的最优解集中选择出的最佳效率为10.37%,最小总投资费用为455.84万元.     

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。     

Design study of configurations on system COP for a combined ORC (organic Rankine cycle) and VCC (vapor compression cycle)

The study introduced a novel thermally activated cooling concept - a combined cycle couples an ORC (organic Rankine cycle) and a VCC (vapor compression cycle). A brief comparison with other thermally activated cooling technologies was conducted. The cycle can use renewable energy sources such as solar, geothermal and waste heat, to generate cooling and power if needed. A systematic design study was conducted to investigate effects of various cycle configurations on overall cycle COP. With both subcooling and cooling recuperation in the vapor compression cycle, the overall cycle COP reaches 0.66 at extreme military conditions with outdoor temperature of 48.9 °C. A parametric trade-off study was conducted afterwards in terms of performance and weight, in order to find the most critical design parameters for the cycle configuration with both subcooling and cooling recuperation. Five most important design parameters were selected, including expander isentropic efficiency, condensing and evaporating temperatures, pump/boiling pressure and recuperator effectiveness. At the end, two additional cycle concepts with either potentially higher COP or practical advantages were proposed. It includes adding a secondary heat recuperator in the ORC side and using different working fluids in the power and cooling cycles, or so-called dual-fluid system.     

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。