窄点温差及工质物性对跨临界有机朗肯循环性能的影响

利用约束热源入口及出口温度的热力学模型,将循环热效率及净输出功统一为一个参数,计算41种工质在473.15K废热烟气驱动的跨临界有机朗肯循环中的热力学表现,分析蒸发器内窄点温差及工质物性对循环性能的影响.结果表明,临界温度低于烟气出口温度的工质,及高于0.88倍烟气入口温度的工质,临界温度是循环效率的主要影响因素;临界温度在上述范围之间的工质,干湿性对循环效率影响显著,湿工质效率明显高于干工质.所有循环中,该临界温度范围内的湿工质热效率最高.临界温度高于0.88倍烟气入口温度的工质,窄点温差可能出现在蒸发过程中或蒸发器出口,从热力性能角度看,窄点出现在蒸发过程中的循环明显优于窄点出现在蒸发器出口的循环.改变热源入口及出口温度不会影响上述结论.     

有机朗肯循环中的工质热源转折温度及其特征

有机朗肯循环中存在有极值功循环与无极值功循环,即存在一种净功的转折线与所对应的工质热源转折温度,它对工质的选择与循环性能评价具有指标性的作用。基于梯形循环及其理论模型,本文建立工质饱和线形状(饱和液线斜率、饱和气线斜率及其斜率比与临界温度)及物性为自变量的数学关系,并提出和定义线性饱和线工质模型,建立循环性能与工质物性之间的数学关系。分别推导出有机朗肯循环中工质热源转折温度的经验公式,以及梯形循环下线性饱和线工质的热源转折温度理论公式及其修正。研究热源转折温度及其对应的优化工况的特征与一般性规律,得到21种工质热源转折温度的有机朗肯循环数值计算与经验公式之间的偏差小于1.97%。线性饱和线工质模型下,工质的热源转折温度为临界温度和蒸发器窄点温差之和;热源转折温度所对应的最高优化工况(最高优化蒸发温度与最大净功极值)随斜率比单调增加,至干工质时,最高优化工况接近工质的临界点。     

蒸发温度对低温工业余热有机朗肯循环发电系统影响

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)发电技术是一项将低品位热能有效转换为电能的热回收技术,本文以热力学第一定律为基础,研究蒸发温度对有机朗肯循环系统循环热效率、热回收效率等热力性能的影响。研究发现:系统热效率和热回收效率随蒸发温度的提高而增加,且增加速率越来越小;在考虑有机朗肯循环系统热效率及热回收效率的前提下,提高蒸发温度对有助于提高系统热效率,最佳蒸发温度确定还需要考虑热源温度、工质的临界温度、系统耐压程度和工质泵耗功。     

共冷凝器双循环有机朗肯发电系统㶲分析

有机朗肯循环（ORC）发电是将中低温热源转化为高品位电能的有效途径之一。本文针对热源温度为100~150℃的亚临界饱和有机朗肯循环系统,选用4种有机工质,首先分析热源温度和工质对单级/双循环发电系统?效率和加热器?效率的变化规律,进而对双循环系统窄点温差对系统和加热器?效率的影响进行分析。主要结论包括：在相同热源温度下,R245fa为工质时,双循环系统及加热器的?效率相对于单循环系统的?效率大幅提升,在热源温度为130℃时,系统?效率提高了14.45%。随着窄点温差的增大,系统和加热器?效率减少;不同热源温度下窄点温差增大时,系统和加热器?效率的减小量接近相等,当窄点温差增加2℃,系统?效率平均减少1.9%左右。分析双循环系统采用4种有机工质时系统和加热器?效率,发现?效率都随热源温度增加而增大;当热源温度为100℃和150℃时,工质R245fa相对于R601的系统?效率相差为0.89%和3.54%;对应加热器的?效率相差为0.49%和4.82%。     

双压膨胀有机朗肯循环中低温余热发电系统的热力性能

基于热力学第一定律与第二定律分析法,结合动量定理与质量守恒定律构建一种双压膨胀有机朗肯循环（ORC）中低温余热发电系统热力性能的预测模型,研究热源温度、蒸发温度、夹点温差、闪蒸压力、循环倍率、喷射压缩器引射流体在混合室进口的马赫数、工质泵、向心透平及螺杆膨胀机的等熵效率对系统的净输出功率、热效率、余热利用率及(火用)效率等热力性能的影响。结果表明,系统的净输出功率与(火用)效率随着热源温度、蒸发温度、循环倍率及透平等熵效率的增大而升高,但随着夹点温差、闪蒸压力的增大而降低;系统的热效率随着蒸发温度、闪蒸压力及透平等熵效率的增大而升高;系统的余热利用率随着热源温度、循环倍率的增大而升高,但随着蒸发温度、夹点温差、闪蒸压力的增大而降低。当循环倍率k=2时系统的净输出功率、(火用)效率及余热利用率分别比常规单级ORC系统绝对提高了230.9kW、10.1%和17.9%。     

动态透平效率对有机朗肯循环系统性能的影响

向心透平效率随运行参数的变化及工质种类的不同有较大差别,引入向心透平一维分析模型来计算透平效率,分析蒸发温度与冷凝温度对透平效率的影响,比较固定透平效率与动态透平效率有机朗肯循环(ORC)系统的热力性能与经济性能。采用非支配解排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化ORC系统筛选出最优工质,确定最佳蒸发温度与冷凝温度。同时比较了不同热源温度下固定透平效率和动态透平效率ORC系统的最佳运行参数,分析了透平效率随热源温度的变化。结果表明:透平效率随蒸发温度的降低或者冷凝温度的升高而增大,采用动态透平效率后,系统净输出功随蒸发温度升高而增加趋势减缓,工质排序也发生了变化;对于固定透平效率与动态透平效率ORC系统,经多目标筛选后所确定的最优工质及最佳蒸发温度和冷凝温度均有一定差异,表明若采用固定透平效率会对工质筛选及参数优化造成一定误差;随着热源温度的升高,固定透平效率与动态透平效率ORC系统之间最佳蒸发温度与净输出功差异逐渐增大,说明热源温度越高,采用固定透平效率引起的误差越大。     

双级串联有机朗肯循环发电系统性能

为充分研究双级串联有机朗肯循环发电系统的性能,以150℃的低温余热为热源,液化天然气(LNG)为冷源,(火用)效率最大为评价指标,对不同影响因素下双级串联有机朗肯循环系统进行了工质选择与参数优化.选用7种工质,采用粒子群算法,对系统的蒸发温度、膨胀机入口温度、冷凝温度和LNG蒸发压力进行了优化,对一定过热度及中间换热温...     

动态透平效率对有机朗肯循环系统性能的影响

向心透平效率随运行参数的变化及工质种类的不同有较大差别，引入向心透平一维分析模型来计算透平效率，分析蒸发温度与冷凝温度对透平效率的影响，比较固定透平效率与动态透平效率有机朗肯循环（ORC）系统的热力性能与经济性能。采用非支配解排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）优化ORC系统筛选出最优工质，确定最佳蒸发温度与冷凝温度。同时比较了不同热源温度下固定透平效率和动态透平效率ORC系统的最佳运行参数，分析了透平效率随热源温度的变化。结果表明：透平效率随蒸发温度的降低或者冷凝温度的升高而增大，采用动态透平效率后，系统净输出功随蒸发温度升高而增加趋势减缓，工质排序也发生了变化；对于固定透平效率与动态透平效率ORC系统，经多目标筛选后所确定的最优工质及最佳蒸发温度和冷凝温度均有一定差异，表明若采用固定透平效率会对工质筛选及参数优化造成一定误差；随着热源温度的升高，固定透平效率与动态透平效率ORC系统之间最佳蒸发温度与净输出功差异逐渐增大，说明热源温度越高，采用固定透平效率引起的误差越大。     

冷凝条件对基于混合工质的内燃机余热有机朗肯循环热力性能的影响

利用建立的内燃机余热有机朗肯循环模型,选取R245fa分别与环己烷、环戊烷组成非共沸混合工质,对3种冷凝条件下的有机朗肯循环进行热力学分析,研究了冷凝条件对非共沸混合工质有机朗肯循环性能的影响规律,提出了确定混合工质冷凝温度的方法。结果表明：冷凝条件是影响系统性能的重要因素,在定泡点冷凝温度工况下,纯工质的热力性能优于混合工质的热力性能;在定露点冷凝温度工况下,配比合适的混合工质的热力性能优于纯工质的热力性能。混合工质的冷凝温度应根据冷却介质进出口温度、混合工质的温度滑移和传热窄点温差进行优化;当冷却介质的温升小于混合工质的最大温度滑移时,随着R245质量分数的增加,系统输出净功出现两个极大值,但输出净功最大值出现在热力性能较优工质所占比例大的质量分数点;当冷却介质温升大于混合工质的最大温度滑移时,输出净功最大值出现在温度滑移最大的混合工质质量分数点。     

调节传热窄点以提升有机朗肯循环性能的分析

依据热源温度与工质临界温度之间的关系,有机朗肯循环（ORC）的循环性能呈现有极值的优化工况或单调递增两种现象,并且后者优于前者。引起这种差异的主要原因是加热过程中传热窄点位置的不同,导致循环的加热量不同。由此,本文提出调节ORC中加热过程的传热窄点位置,以提高循环的加热量和净输出功。并构建一种喷射式有机朗肯循环（EORC）,研究证明如何实现加热过程的传热窄点位置调节以提高循环性能。此调节还增强了传热的匹配性,或降低了传热的不可逆性。结果表明：热源水温度100~160℃范围内,采用R245fa,EORC的最大净输出功比ORC提高了34.99%~22.57%。EORC中,热源水温度120℃下,混合工质R134a/R245fa（0.7∶0.3）的最大净输出功比纯工质R245fa和R134a分别提高了7.12%和9.45%。     

有机朗肯循环系统中工质泵的运行性能

为研究车用有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）余热回收系统中工质泵的性能及选型,在模拟车用ORC余热回收系统的工作环境下,设计并搭建了以R123作为工质的多级离心泵性能测试实验系统。通过控制多级离心泵转速（870~2900 r·min^-1）、调节工质流量（0.20~5.00 m³·h^-1）,得到了多级离心泵特性曲线。通过分析变工况时多级离心泵关键参数间相互作用关系,及其对车用ORC余热回收系统性能的影响情况,验证了多级离心泵应用于车用ORC余热回收系统的可行性,并确定了其最佳工况点参数。研究结果表明：变工况时,多级离心泵总效率为15.00%~65.70%。车用ORC余热回收系统的蒸发压力、热效率均随着多级离心泵转速的增加而增加。在高转速区,工质流量对系统蒸发压力和多级离心泵输入功率（多级离心泵消耗的电功率）的影响明显增大。随着系统蒸发温度的升高,工质泵实际输入功率占膨胀机输出功率的比例（back work ratio,BWR）最高可达0.45。当多级离心泵转速为2900 r·min^-1时,车用ORC余热回收系统热效率最高可达10.50%。     

燃气热泵制冷性能试验及余热利用分析

为进一步提高能源利用率和提升低品位余热的品质，实现能量梯级利用，针对燃气机热泵系统开展了制冷性能实验及余热驱动的有机朗肯循环理论仿真研究。结果表明：燃气机热泵系统制冷量、发动机余热以及发动机一次能耗均随燃气发动机转速升高而增大；性能系数（COP）及一次能源利用率（PER）随蒸发器进水温度的升高而增大，但随发动机转速升高而降低。COP和PER分别高于6.0和1.1。在蒸发温度60~86℃范围内，以R245fa作为有机工质的有机朗肯循环热力学第一定律热力效率为7.39%~10.95%，热力学第二定律（火用）效率为42.65%~52.25%。     

内回热器对低温有机朗肯循环热力性能的影响及工质选择

目前对有机朗肯循环(ORC)有无内回热器的对比研究主要集中在循环热力性能随初参数变化的对比,但很少考虑吸热量对两个系统热力性能的影响。本文以烟气余热为热源,构建无回热和带有内回热的ORC系统,选用10种干工质,通过热源参数变化引起工质吸热量的变化,分析工质分别在两种系统中的初温、净功量、热耗率及(火用)损的变化规律,得出了较优工质和各工质对内回热器的匹配性。结果表明:当热源温度为150℃、排烟温度在70~90℃间引起的工质吸热量变化时,在窄点温差为10℃下,带有内回热器的ORC系统更适用于吸热量较低的区间;当吸热量较高时,内回热器对系统热力性能提升的能力降低,甚至低于无回热的ORC系统;经综合比较,工质R236ea和R600a最优,工质R245fa和R600为较适合工质;以R123为工质的带有内回热器和无回热的ORC系统热力性能差异较小,热耗率最大差值仅为约600kJ/kg,净功量最大差值也仅为约2kW,因此,R123对内回热器的热匹配性相对较差。     

非共沸工质换热匹配特性影响热泵性能的高级分析

针对非共沸工质非线性复杂相变传热过程,基于高级分析方法,推导出表征热泵系统性能的评估指标模型——温度匹配度（TMD）,探讨了非共沸工质与换热流体之间的换热匹配特性,实验验证了模型的准确性与适用性。选用了三组不同温度滑移程度的非共沸工质（M1、M2、M3）为对象,探究了TMD与换热夹点、系统COP、效率η以及换热器实际损占比ε之间的关系。结果表明：TMD越小,换热流体间的温度匹配越好,系统COP、效率越大,换热器实际损占比越小,反之亦然;且当TMD最小时换热器内夹点总是出现在饱和气态点处。     

太阳能有机朗肯循环系统的实验特性

为研究中低温太阳能驱动的有机朗肯循环系统的性能,设计并建造了太阳能驱动的有机朗肯循环实验台.实验中以R245fa为有机朗肯循环工质,以WD350导热油为槽式集热器循环工质,对太阳能有机朗肯循环系统进行了实验研究.实验结果表明,当太阳直射辐射强度在400 W·m^-2左右时,集热器出口导热油温度可达 140℃.当集热器出口导热油温度在 110℃附近时,集热器集热效率可达60%左右.在该热源条件下,动力循环部分从基本循环模式切换到回热循环模式时,测算效率从9.3%提升到10.8%,实测循环效率从1.57%提升到1.67%,提升了6.07%.实测循环系统 效率在10%左右,回热模式下略高于基本循环模式.实验中还考察了不同工质流量下的有机朗肯循环性能,在工质流量为 6.88 kg·min^-1时,得到的最大实测平均功率为386.27 W.一定热源温度下,随着工质流量的增加,膨胀机进口压力增加,循环输出功也增加;在一定的工质流量下,随着热源温度的升高,膨胀机进口的温度提高,进口压力也升高,循环输出功也增加.     

涡轮增压柴油机余热利用的有机郎肯循环烃类高温工质热力学分析

通过能量分析和㶲分析,对涡轮增压柴油机的不同余热源进行优选;在此基础上,对余热利用的有机朗肯循环进行了热力学分析,选取了10种烷烃类高温工质,通过建立能量平衡方程和㶲分析方程,研究了蒸发压力对不同烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率、系统㶲损和膨胀机体积流量比（VFR）的影响规律。结果表明：废气再循环余热为最佳热源;所有工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着蒸发压力的增加而增加,㶲损随着蒸发压力的增加减少;相同蒸发压力下,直链烷烃类工质的热效率、单位质量烟气净功、㶲效率和VFR随着工质临界温度的增加而增加,㶲损随着工质临界温度的增加而减少;在保证VFR≤50的工况下,环戊烷具有最高的热效率和㶲效率。     

循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析

基于实验室3 kW有机朗肯循环（ORC）低温余热发电试验装置,参考石化行业能耗设计标准将循环水作为耗能工质,采用总能系统方法进行能耗分析,对比了不同热源温度下不同分析边界的系统及主要设备的热力学性能。结果显示：发电机输出功、膨胀机输出功、ORC子系统净输出功、ORC子系统热效率和?效率均随着热源温度和循环水流量的增加而增加;不同热源温度下,最大系统净输出功与最大系统?效率出现的工况一致。本试验在热源温度为120℃时取得最大系统净输出功0.731 kW和最大系统?效率11.81%,此时对应循环水流量为1.629 t·h^-1。该研究为ORC余热发电系统性能与能耗分析提供了参考。     

变透平效率有机朗肯循环工质筛选及多目标优化

针对523.15 K的中高温余热烟气热源,选取戊烷、己烷、庚烷、环己烷、MM（六甲基二硅氧烷）、苯和甲苯为候选工质,引入一维向心透平效率预测模型取代固定透平效率,以（火用）效率和系统净功为目标函数,基于NSGA-Ⅱ算法对ORC系统进行多目标求解,采用理想点辅助法对各工质Pareto前沿进行决策寻优。得出以下结论：工质的透平效率与透平等熵膨胀比（VFR）存在较强的相关性,透平效率曲线与VFR曲线的变化趋势相反;在给定热源条件下,苯是最优工质,甲苯和环己烷是次优工质;当蒸发温度超过400 K时,（火用）效率下降趋势加快,当蒸发温度超过410 K时,系统净功上升趋势放缓;定透平效率寻优会对最佳参数与最优工质筛选结果造成一定影响,与实际存在偏差;变透平效率寻优可以减少误差,更接近工程实际。