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%。     

工质泵变运行工况对有机朗肯循环系统性能的影响

有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）系统凭借其优越的性能已被应用于众多领域。工质泵是为ORC系统提供所需压力和流量的主要部件，其性能直接影响了其他部件性能及系统整体性能。本文通过理论计算分析了不同热力参数对单位质量流量工质泵输入功率及泵功指数的影响情况。进而以R245fa作为工质在冷凝温度为303K的模拟ORC系统工作条件下展开实验研究，分析变运行工况下两种不同类型工质泵（多级离心泵、液压隔膜计量泵）的运行参数变化规律及相互影响因素。进而探究工质泵变运行参数对ORC系统性能的影响。实验结果表明：液压隔膜计量泵的流量较低且受出口压力的影响较小，其输入功率最高仅为360.34 W，相同工况下仅是多级离心泵输入功率的16.29%。两者的实际运行效率随运行工况的变化而改变，最高分别可达59.96%、55.26%。结合理论计算，使用这两个泵的ORC系统泵功指数均在0.03～0.48范围内变化，热效率最高分别可达11.66%、10.35%。液压隔膜计量泵更适合于所需流量较低的ORC系统。     

低温余热发电有机朗肯循环工质选择

为了筛选出适宜于363 K（90℃）左右余热驱动的有机朗肯循环发电系统的工质,文章提出十个优选工质的条件,并通过对十种低沸点有机工质的性能对比分析。结果表明,R141b最适宜作为此温度的余热回收工质,综合性能高于其他工质,文中通过计算证明,对于有机朗肯循环添加回热会大大提高系统效率。     

亚临界有机朗肯循环系统工质筛选及热经济性分析

针对开口热源与闭口热源两种热源类型,选取423.15和463.15 K两种热源温度,模拟分析采用非共沸混合工质亚临界有机朗肯循环（ORC）热力学及热经济性特性。四种热经济性指标［平均化发电成本（LEC）、单位净输出功换热器面积（APR）、单位时间成本（Z）以及净输出功指标（NPI）］结果具有一致性,具有相同的抛物线形变化趋势。随着选取工质临界温度的升高,各热经济性指标发生规律性变化,其中由热力学筛选准则筛选的工质具有较高热经济性能,表明热力学筛选准则在热经济性方面同样具有较高的适用性。     

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。     

有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择

目前对有机朗肯循环的研究主要集中在工质的热力学特性方面,但尚不全面,普遍使用的热力循环性能的评价方法（窄点分析法）也存在不同工质评价标准不一的问题。为解决这两个问题,本文从环保、安全和稳定性方面对工质进行预选,得到R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123和苯等14种有机工质,而后从热力学特性和经济性两方面对初选工质进行优选,通过Matlab和Refprop模拟优化得出适合此系统的最佳工质。其中,以单位功量UA和单位功量质量流量为性能指标,统一了工质评价标准。结果表明：大部分烷类工质的热效率和压比相对其他类工质较高,而所需质量流量远小于其他类工质,且烷类工质环己烷以其较高的热效率、较低的单位功量质量流量和UA等特性,被认为是低温余热回收系统中较理想的循环工质。     

硫酸生产余热的有机朗肯循环系统优化

由于目前有机朗肯循环的效率普遍较低,在基本循环的基础上增加回热器,使膨胀机出口的乏气与蒸发器入口的工质进行预热,可以回收部分乏气的热量,减少冷凝器负荷量。此外,还可提升进入蒸发器的工质温度,降低蒸发负荷量。加装回热器后,整个系统的绝对热效率和相对热效率均得到了显著的提高。     

低温余热驱动的无泵有机朗肯循环瞬时稳态发电性能

建立了一套低温热源驱动的小型无泵有机朗肯循环系统,研究无泵有机朗肯循环回收利用余热发电的性能。该系统中热水温度为75～95℃,冷却水温度为25℃,选择制冷剂R245fa作为系统工质,选择涡旋膨胀机将热能转换为机械能,并通过发电机进行发电。实验结果表明当热水进口温度为95℃时,最大瞬时发电功率为232 W,并可以在250 s的时间内保持稳定在230 W左右,总的发电持续时间为380 s。随着热源水温度下降,功率输出减小,但发电持续时间增加。系统稳定发电平均效率最大为3.92%,此时热源水温度为95℃,最低为3.02%,此时热源水温度为85℃。     

基于地热能的有机朗肯循环工质的选择

为了筛选出适合低温热源有机朗肯循环的工质,根据PR状态方程计算方法分析了9种有机工质的有机朗肯循环的热力特性,对蒸发压力、冷凝压力,输出功率和热效率等方面进行了比较。结果表明,1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷比其他工质具有更高的输出功率和火用效率,冷凝压力在大气压之上,既能更好的利用低温热源又对设备的承压没有太大的影响,是适合有机朗肯循环系统的工质。     

危废焚烧处理耦合有机朗肯循环系统工质筛选与热力学优化

危险废弃物焚烧处理产生的热量除了用于满足自身系统热量需求和损失外,其余大部分热量可以作为低温发电系统热源。利用该余热锅炉产生的饱和蒸汽作为潜热型热源驱动有机朗肯循环系统做功,并基于热力学和热经济学分析进行工质筛选。研究进一步对危废焚烧系统的基础流程进行优化,并分析了回热对ORC系统的热力学性能的影响。结果表明,工质Benzene表现最优,且危废系统优化后做功能力的提升,相较于基础结构增加了24.5%,回热后ORC系统净输出功提升了19.98%,热效率提升了35.57%,?效率提升了19.99%。     

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。     

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 m³·h^-1升至19 m³·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 m³·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。     

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.     

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。     

变工况下车用柴油机排气余热有机朗肯循环回收系

为回收车用柴油机的排气余热设计了一套带回热器有机朗肯循环系统,采用纯工质R245fa作为工作介质。通过实验研究了车用柴油机变工况下排气余热的变化规律,分析了不同工况下带回热器有机朗肯循环系统的运行性能,讨论了过热度对带回热器有机朗肯循环系统运行性能的影响。针对车用柴油机-有机朗肯循环联合系统提出了余热回收效率、发动机热效率提升率、单位工质输出能量密度3个评价指标。研究表明,带回热器有机朗肯循环系统的净输出功率、余热回收效率、发动机热效率提升率最大分别可以达到43.74 kW、14.93%、13.58%。     

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%。