采用不同集热器的太阳能有机朗肯-闪蒸循环性能分析

针对太阳能有机朗肯-闪蒸循环（SBFC）,本文基于EES（engineering equation solver）软件建立数学模型,以R245fa为循环工质,在集热器出口热水温度介于353.15～373.15K范围内,对平板集热器（FPC）和真空管集热器（ETC）驱动的SBFC系统热力性能以及投资成本进行了对比分析。选用的性能指标参数包括净输出功、热效率、第二定律效率、不可逆损失以及比初始投资。结果表明,随着集热器出口热水温度的增大,SBFC系统的热力性能显著升高,且采用ETC的系统比FPC系统在热力性能上更具优势,该优势随着热水温度的升高而持续增大。研究同时表明,在SBFC的投资成本中,太阳能集热器投资占比最大,且采用ETC的系统比初始投资远大于采用FPC的系统;此外,集热器出口热水温度的升高有利于降低SBFC系统的比初始投资。     

低温余热有机朗肯循环热力性能分析

以热力学为基础,建立了有机朗肯循环数学模型,对以R1234yf、R1234ze E和R1234ze Z为工质的有机朗肯循环进行了对比分析,考察了蒸发温度对系统净输出功、循环工质流量、热效率以及第二定律效率的影响。     

中低温地热发电循环参数的优化

采用工程计算软件EES编制了计算程序,对循环主要状态点的热力参数和热力性能进行了理论计算,确定了最佳蒸发温度,分析了地热流体干度、地热流体初温、冷凝温度和工质对最佳蒸发温度和系统净输出电功的影响。在同种工质的情况下,地热流体干度、温度升高,最佳蒸发温度和系统净输出电功随之升高;冷凝温度升高,最佳蒸发温度升高,但系统净输出电功降低。对于不同工质,地热流体温度为80～120℃时,R601和R134a最佳蒸发温度和系统净输出电功基本相同;地热流体温度大于120℃时,R134a不存在最佳蒸发温度,系统净输出电功R134a高于R601。     

闪蒸-双工质联合发电系统热力性能比较

为了筛选出适宜于闪蒸-双工质联合发电系统的循环工质,建立了闪蒸-双工质联合发电系统的热力学模型。在这个计算模型中,采用热水温度范围为100~150℃,热水流量取为36t/h,冷却水进口温度设定为15℃。以单位热水净发电量、热效率、?效率和系统不可逆损失作为联合系统性能的评价指标,研究5种有机工质(R236fa、R600a、R600、R245fa、R601a)的运行参数,比较不同地热流体温度条件下这5种有机工质的做功能力,确立了联合发电系统的最佳循环工质。研究结果表明:联合系统的净发电量随着闪蒸温度的增加呈先增大后减小的趋势,每种工质都有一个最佳的闪蒸温度使得联合系统的单位热水净发电量达到最大;综合考虑这5种工质的环保性能和热力学性能,工质R245fa是综合性能最好的工质,可作为闪蒸-双工质联合发电系统的有机工质。     

基于内置换热器有机闪蒸循环的热性能研究

构建了内置换热器有机闪蒸循环（internal heat exchanger organic flash cycle, IHE-OFC）系统模型,采用100~200℃地热水作为热源,以R600a、R600、R601a、R601、R236ea、R227ea、R245fa、R123作为循环工质。研究了IHE-OFC系统的热性能,并以净输出功率为目标函数,对系统进行了优化。结果表明：当热源温度≤160℃时,R601 IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度≥190℃时,R601传统OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为170℃时,R601a IHE-OFC系统的净输出功率最大;当热源温度为180℃时,R601a传统OFC系统的净输出功率最大。此外,每一工质均存在一个特征温度,为工质的0.85P_cri所对应的温度与加热器夹点温差之和。且因工质特征温度的影响,IHE-OFC系统的最优闪蒸压力、IHE冷流体温升和系统效率随热源温度的升高而均呈先增大后不变的趋势。     

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.     

中低温热源近共沸工质有机朗肯循环热力性能分析

通过对比分析纯工质和近共沸工质有机朗肯循环(ORC)的热力性能,探讨了近共沸工质在有机朗肯循环中的适用性.以200℃烟气为热源,基于热力学理论,选用R601、R123及其混合物分别建立了有机朗肯循环热力模型.分析了不同热源工况下R601、R123和R601/R123循环的主要热力参数及热力性能.结果表明:质量配比分别为1:9、2:8、3:7时的R601/R123循环,其蒸发温度高于R123和R601循环;R601/R123循环的蒸发压力介于R123和R601循环之间;蒸发温度低于130℃时,R123循环的净功率最高,而蒸发温度高于130℃后,R601/R123循环的净功率高于R123循环,其中质量配比为2:8的R601/R123循环的净功率最高,比R123循环提高了约2.82％.因此,采用近共沸工质可以进一步提高有机朗肯循环的热力性能,扩大适用工质的选择范围.     

工质物性不确定度对ORC循环性能的影响

为了寻找最适宜的有机朗肯循环工质，建立了基本的亚临界有机朗肯循环热力学模型，使用拉丁超立方抽样方法确定了R1234yf、R1234ze(E)、RE143a、RE347mcc、R245fa、R1234ze(Z)、R1224yd(Z)、R365mfc、R1233zd(E)和R610等10种工质在有机朗肯循环中的最佳透平入口参数。在此基础上，基于PR状态方程和蒙特卡洛方法，研究了这10种工质的临界参数不确定度对有机朗肯循环净输出功率的影响。结果表明：R1234yf的净输出功率最大且不确定度较小，是理想的有机朗肯循环工质；R1233zd(E)的净输出功率最低，且功率不确定度最大。为有机朗肯循环工质筛选提供了新思路。     

闭式热源下混合工质与纯工质的ORC性能比较

为了全面比较有机朗肯循环(ORC)中混合工质与纯工质的性能优劣,在给定供热量及进出口温度的闭式热源条件下,建立了基本ORC和回热ORC的数值仿真模型,所用工质为R600a/R601a,所用冷源为一定流量范围的冷却水。在模拟中,以最大净输出功为目标,同步优化循环的蒸发及冷凝温度,得到了不同组分工质的性能参数。比较结果表明,混合工质的热力性能不一定优于纯工质。在闭式热源下,相变换热器中具有更好温度匹配的混合工质一般也具有更小的换热损失。针对回热ORC,回热器将影响工质在相变换热器中的温度分布,但对相变换热器中的损失影响较小。     

R32+R1234yf+R1234ze（E）混合制冷剂气液相平衡实验研究

基于液相循环法搭建的气液相平衡实验装置,在263.15~323.15 K温度范围内,实验测量了R32+R1234yf和R1234yf+R1234ze（E）二元混合物以及R32+R1234yf+R1234ze（E）三元混合物的气液相平衡数据,利用PRSV状态方程结合WS混合法则和NRTL活度系数模型进行关联拟合,获得二元混合工质的交互参数,并在其基础上预测了三元混合工质气液相平衡性质。计算结果与实验数据对比表明,二元体系R32+R1234yf和R1234yf+R1234ze（E）的压力平均绝对偏差分别为0.71%和0.20%,气相摩尔分数平均绝对偏差均约为0.0016,三元体系R32+R1234yf+R1234ze（E）的压力平均绝对偏差为0.82%,系统组分R32和R1234yf的气相摩尔分数平均绝对偏差均约为0.007。     

基于多目标函数的亚临界有机朗肯循环的参数优化和性能分析

以系统净输出功率W_net、热源流体进出口(火用)降DE_g、系统总不可逆损失I和系统总投资成本C₂₀₁₃构建多目标优化模型,采用线性加权评价函数法对该模型进行求解,以R600a、R245fa、R601a、Pentane 4种纯工质以及R600a/R601a、R245fa/R601a、R245fa/Pentane和R600a/R245fa 4种非共沸混合工质为例,对亚临界有机朗肯循环（ORC）的蒸发温度T_e和冷凝温度T_c进行优化。研究结果表明：采用单目标有时得不到最优值,而采用多目标均能得到最优值,且多目标优化可以较好地协调各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优,因此多目标优化比单目标优化更加合理;存在最优蒸发温度T_e,opt和最优冷凝温度T_c,opt使多目标函数F（X）最小,同时,T_e,opt、T_c,opt随工质不同而不同;在T_e,opt或T_c,opt下,对比纯工质和混合工质的不同单目标函数值和F（X）值时,混合工质并不总是优于纯工质。     

利用LNG冷能与工业余热的有机朗肯循环复合系统优化分析

对中低温余热（150℃）及LNG（-162℃）冷能联合利用,设计了一种复合式有机朗肯循环,对此复合循环系统进行了详细的热力分析及经济性分析,并与相对应的单独循环系统进行了比较。结果表明,该复合循环系统的净输出功比单独循环系统提高了41.55%,热效率和 效率也分别提高了18.09%和19%,单位功率所需换热面积也仅为单独循环系统的61.03%。对该复合循环系统各部件进行了可用能损失分析,同时考虑了LNG余压的利用,进一步提出了优化方案。     

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。     

非共沸混合工质ORC低温烟气余热利用分析与优化

以低温烟气余热的优化利用为目标,采用R245fa、R601a以及两者作为组分的9种不同质量配比的二元非共沸混合物共11种物质作为亚临界ORC工质,利用热力学以及热经济学分析循环性能,合理设计ORC系统并优化相关参数。研究表明,采用最大效率下的参数作为系统设计工况整个ORC系统热力性能较优。系统设计工况下,循环工质采用R245fa/R601a(0.6/0.4)相比其他纯工质与混合工质的热力学综合性能更优。热经济性分析中R245fa/R601a(0.9/0.1)热经济性最优,但R245fa/R601a(0.6/0.4)热经济性与R245fa/R601a(0.9/0.1)相差无几。考虑到R245fa/R601a(0.6/0.4)优良的热力学性能,故R245fa/R601a(0.6/0.4)依然是系统设计时综合考虑采用的循环工质。在混合工质中提高R245fa的质量比能降低APR与LEC,提高系统经济性。     

考虑环境影响的ORC系统综合评价指标及性能分析

为综合评价有机朗肯循环(ORC)系统的热经济和环保性能,采用(火用)参数量化工质的环境影响,提出了结合工质环境影响和循环热经济性能的综合评价指标"综合环境影响(火用)效率",在150℃的低温热源条件下,对考虑工质环境影响的亚临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环的系统性能进行了分析对比,结果表明,综合考虑循环热经济性能和工质环境影响因素时,R123和R32分别为亚临界有机朗肯循环系统和跨临界朗肯循环系统的最佳工质;跨临界ORC系统循环净输出功率要高于亚临界ORC系统,但是跨临界ORC系统较高的循环蒸发压力会引起工质泄漏量的增加,进而造成综合环境影响(火用)效率并不高,所以综合考虑环保和循环性能时,亚临界ORC系统是较好的选择.     

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。