冷却水流量对ORC系统性能影响的实验研究

采用自主研发的单螺杆膨胀机作为机械动力,实验研究了冷却水流量对ORC余热发电测试系统及单螺杆膨胀机性能的影响。实验结果表明:当冷却水流量从8 m~3·h~(-1)升至19 m~3·h~(-1)时,单螺杆膨胀机输出功和轴效率分别从4.31 kW、36.38%增至5.15 kW、41.1%,分别增加了19.5%、13%。针对本实验系统,在考虑润滑油泵、工质泵、冷却水泵和冷却塔风扇等所有系统辅机功耗之后,当冷却水流量为12 m~3·h~(-1)时,系统净输出功和系统净效率达到最大值,分别为2.44 kW和2.47%。通过研究冷却水流量对ORC系统性能的影响,为ORC冷却系统的设计和优化系统性能提供重要的实验依据。     

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。     

有机朗肯循环膨胀机入口过热度实验

在给定热源条件下,探讨有机朗肯循环(ORC)膨胀机入口过热度对膨胀机性能和ORC系统性能的影响。建立了带前置泵的ORC实验系统,采用涡旋式膨胀机,R123为工质,在140℃热源下进行实验。通过改变膨胀机转矩调节系统蒸发压力,从而实现对膨胀机入口过热度的调节。实验获得最大膨胀机轴功和膨胀机实际运行效率分别为2.35kW和59.7%;ORC系统净输出功、热效率和(火用)效率分别为1.75kW、5.3%和21.8%。分析表明,随着膨胀机入口过热度递减,膨胀机机械效率递增,膨胀机等熵效率递减,膨胀机轴功和实际运行效率呈先增后减的变化趋势。膨胀机入口过热度为20℃左右时,有最大膨胀机轴功、最大系统净输出功、最高系统热效率和最高系统(火用)效率。此外,过热度影响系统的损失分布,随着膨胀机入口过热度减小,膨胀机(火用)损呈先增后减变化。     

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%。     

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。     

冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

利用搭建的ORC余热发电测试系统,实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明：当热源温度不变时,随着冷却水温度的升高,冷凝压力增加,蒸发压力稍有增加,冷凝器和蒸发器的负荷减小,膨胀机的压差和压比减小,系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内,当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时,输出电功从2.357 kW降至1.535 kW,热效率从7.25%降至5.76%,输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内,冷却水温度每升高1℃,系统输出电功降低0.0411 kW和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响,为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。     

基于粒子群算法的车用柴油机有机朗肯循环系统运行参数优化

为了有效回收柴油机排气余热能,通过实验研究了一台车用柴油机排气能量变化规律,进而设计有机朗肯循环(ORC)系统回收该柴油机的排气余热能,并基于粒子群算法,以净输出功率和(火用)效率为目标函数,选取蒸发压力、过热度和膨胀机膨胀比为优化变量,对ORC系统的运行参数进行了优化研究。优化结果表明,在柴油机不同运行工况条件下,存在最佳的蒸发压力、过热度和膨胀机膨胀比,从而使ORC系统的净输出功率和(火用)效率最优。根据运行参数优化结果,分析了ORC系统和车用柴油机-ORC联合系统(联合系统)的性能。研究结果表明,当柴油机转速为2200 r·min^-1,转矩为1215 N·m时,ORC系统的净输出功率可达30.61 kW,联合系统的有效输出功提升率(POIR)可达9.86%;当柴油机转速为1200 r·min^-1,转矩为1131 N·m时,联合系统的有效燃油消耗率(BSFC)为175.0 g·(kW·h)^-1。     

泵驱动回路热管能量回收装置性能的影响因素

提出一种泵驱动回路热管能量回收装置,用于回收公共建筑空调系统排风的能量,降低处理新风的能耗,并搭建实验平台,测试该装置在两种工况下的性能,分析工质质量流量、换热器换热面积和换热器迎面风速3种因素对装置换热量、温度效率和性能系数的影响,得出质量流量、换热面积和迎面风速的最优值。结果表明,夏季工况下,质量流量250 kg·h^-1,换热面积58.0 m²,迎面风速1.8 m·s^-1时,装置的换热量为4.09 kW,性能系数为9.26;冬季工况下,质量流量300 kg·h^-1,换热面积58.0 m²,迎面风速1.8 m·s^-1时,装置的换热量为6.63 kW,性能系数为14.20。     

冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

利用搭建的ORC余热发电测试系统,实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明:当热源温度不变时,随着冷却水温度的升高,冷凝压力增加,蒸发压力稍有增加,冷凝器和蒸发器的负荷减小,膨胀机的压差和压比减小,系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内,当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时,输出电功从2.357 k W降至1.535 k W,热效率从7.25%降至5.76%,输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内,冷却水温度每升高1℃,系统输出电功降低0.0411 k W和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响,为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。     

有机朗肯循环系统孤网运行的实验研究

针对孤网环境下有机郎肯(ORC)系统的实际应用,以R245fa为工质,采用单螺杆膨胀机与同步发电机同轴联动,设计集成了一台10k W级的小型ORC机组,并以10.5k W的卤素灯阵作为孤网负载,就地消耗机组输出的电能。实验中在115℃热源条件下通过调整负载容量改变ORC系统的运行工况,对不同负载与膨胀机转速下ORC系统性能进行实验研究。实验数据表明:单螺杆膨胀机的性能较为优良,其等熵效率最大值为84.1%,随负载及膨胀机转速的增加而减小。工质泵的实际运行效率为8.31%~19.10%,其等熵效率随负载及转速增大而变大,最大值为73.97%。工质泵的机械效率较低,仅为19.22%~36.82%,与负载及膨胀机转速之间没有明显关系,较低的机械效率是工质泵实际运行效率偏低的主要原因。机组电功随负载及膨胀机转速的增加而增大,最大发电量与发电效率分别为5.86k W与7.38%。     

一体化笼式生物脱氮反应器水力特性

水力特性是生物脱氮反应器高效稳定运行的基础,采用脉冲刺激响应技术研究了一体化笼式生物脱氮反应器的水力特性。试验结果表明:在水力停留时间为4 h,水力负荷为6.0 m³·m^-3·d^-1,表面流速0.145 m·h^-1的条件下,该反应器的流态趋于全混流。以多釜串联模型表征,供气量为1.714、3.214、6.429、8.571 m³·m^-3·h^-1时的串联釜数依次为1.55、1.56、1.54和1.55;以轴向扩散模型表征,对应的Peclet数分别为1.479、1.503、1.466和1.478;两个模型预测结果一致。反应器总死区的均值为41.63%,其中水力死区的均值为21.99%。在所试范围内,供气量对其水力特性的影响较小。     

工质流量对ORC低温余热发电系统性能的影响

搭建了以自行研发的向心透平为膨胀机的ORC低温余热发电系统实验平台,研究了R123质量流量对循环系统的性能影响。结果表明:液压隔膜泵的温升和熵增均较小,所消耗的功率随流量的增加而增加。工质在蒸发器内的压降明显大于冷凝器内的压降,均随流量的增加而增加;向心透平的等熵效率随质量流量的增加先增加后减小,存在最佳流量0.215 kg·s^-1使透平等熵效率达到最大值0.775;系统输出的电功率随流量的增加而增加,流量为0.283 kg·s^-1时输出系统最大功率为2.009 kW;蒸发器的(火用)损率占系统总(火用)损率的比重最大,冷凝器次之,向心透平第三,在本实验最佳质量流量下,三者的(火用)损率分别为62%、32%、6%。     

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.     

水力自驱旋转式能量回收装置的转速推导

为建立海水淡化水力自驱旋转式能量回收装置（HRERD,Hydro-Drive Rotary Energy Recovery Device）转子转速与系统流量间的关联关系,对特定几何规格的能量回收装置的转速变化规律进行了理论推导和实验验证。运用动量定理建立了转子受流体水力冲击而产生的动力矩与转子转速的关系式;以微元法为基础,运用牛顿黏性定律建立了转子周面和端面因流体黏性阻力而产生的阻力矩与转子转速的关系式;利用转子稳定时所受动力矩与阻力矩间的平衡关系,推导得到装置转速与系统流量间的理论公式。对装置在系统流量分别为4.4、5.0、6.0和7.1 m³·h^-1时的理论转速与实验转速比较分析表明,理论转速略高于实验转速,两者相对误差不超过12%,对误差形成的可能原因也进行了分析说明。     

干-湿冷却系统对空冷机组热经济性影响的分析

受环境温度影响, 空冷机组夏季工况的运行背压高, 严重限制了机组的带负荷能力, 并影响机组的热经济性和安全性。分析了一种干-湿混合冷却系统, 将汽轮机排汽分流出一部分通过循环水冷却, 以降低机组夏季工况背压。建立了干-湿混合冷却系统对机组热经济性影响的数学模型, 并以某330 MW直接空冷机组为例揭示了机组背压和净功率随主蒸汽流量、湿冷分流量以及环境温度的变化规律。结果表明:主蒸汽流量为1120 t·h^-1、湿冷分流量为175 t·h^-1时, 机组出力从326.266 MW达到330 MW满负荷运行, 提高了3.734 MW, 背压由46.8 kPa下降到31.9 kPa, 机组的热耗率降低了110.9 kJ·(kW·h)^-1, 发电标准煤耗率降低了4 g·(kW·h)^-1。     

文丘里型气液分布器的实验与数值研究

以一种文丘里型气液分布器为对象,在直径为28 cm的冷模装置中考察了其流体力学性能。气、液流量分别在5~25 m³·h^-1、0.2~0.6 m³·h^-1范围内,使用激光粒度仪测量了液滴Sauter平均粒径（D₃₂）,并测定了其分布均匀性和抗塔板倾斜性能。结果表明：文丘里结构加强了气液混合,与泡罩型分布器相比,此分布器具有更好的液滴破碎性能;气速增大会使出口液体从伞状流变为喷射流,但仍能在直径约为出口直径10倍的区域内均匀分布;在气、液相负荷分别为10~20 m³·h^-1、0.4~0.6 m³·h^-1时,液位在进液口和进气口之间,此时分布器具有优异的抗塔板倾斜性能。采用计算流体力学软件模拟了分布器内部气液流动过程,得到了相含率和速度矢量图,所得结果有利于分布器的分析与改进。