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。     

低温余热驱动的ORC-VCR系统性能分析

建立低温余热驱动的有机朗肯循环耦合蒸汽压缩制冷循环系统(ORC-VCR)模型,为获取最高总系统制冷系数,在固定冷凝器露点温度及发生器和蒸发器泡点温度的条件下,对6种纯工质(R245fa,R227ea,R600,R600a,R1234yf,R134a)及2种非共沸混合工质(R227ea/R600a,R245fa/R600)的热力循环特性进行分析;同时分析了发生温度、冷凝温度及蒸发温度对子系统工质质量流量比及总系统制冷系数的影响。结果表明:在相同操作条件下,非共沸混合工质的总系统制冷系数优于纯工质。非共沸混合工质在某一组成下,滑移温度和总系统制冷系数均达到最高。在其他温度条件不变时,纯工质及非共沸混合工质的子系统工质质量流量比及总系统制冷系数均会随着发生温度及蒸发温度的升高而增大,随着冷凝温度的升高而减小。     

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。     

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。     

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。     

有机朗肯循环发电系统的多目标参数优化

建立以热回收率及单位输出功率所需换热面积为目标的多目标优化模型,利用模拟退火算法对循环采用R123、R236ea、R245fa、R227ea、R600等五种工质时的参数进行优化计算。结果表明:采用多目标优化模型可以协调各评价指标间的关系,更好地满足工程实际的需求;热源温度为140℃、循环采用R123时,最佳蒸发压力为0.69 MPa、冷凝压力为0.11 MPa,最佳蒸发压力随着冷凝压力的升高而增大;当管内流速超过0.5 m·s^-1时,流速对系统性能的影响较小。蒸发器内的最小传热温差为15℃。随着热源温度升高,循环的最佳蒸发压力增大。在分析的几种工质中,热源温度在100~220℃时,循环采用R123时性能最佳。     

用于CO2捕集废热回收的压缩式热泵工质研究

以R123、R141b、R600a、R718、R245fa等工质为研究对象,结合CO_2捕集废热回收过程特性,通过其基本物性数据初选了R123、R141b、R245fa三种工质;之后利用ASPEN PLUS软件进行了热泵模拟以及热泵循环压比、压缩机排气温度、单位质量制热量、压缩机做功量等的模拟计算。综合对比分析,选择R141b作为压缩式热泵的工质。     

用于能量回收的有机朗肯循环混合工质研究

近年来随着低温余热的利用越来越受到重视,将LNG冷能和低温余热联合应用的有机朗肯循环研究也受到了广泛的关注,其中循环工质的选择更是提高系统热力性能的关键。针对循环工质选择的问题,将R236ea、R245fa以及两者按不同质量分数配比得到的9种混合工质作为亚临界ORC工质,结合窄点分析方法计算了系统在2种最佳设计工况下的热力学性能及热经济性。结果表明:混合工质R236ea/R245fa(0.9/0.1)和R236ea/R245fa(0.8/0.2)分别是以最佳热和冷回收效率为设计工况标准时的最佳循环工质;2种工况下,混合工质的热经济性均优于纯工质;在混合工质中提高R236ea的比例可以有效降低换热面积,提高系统经济性。为日后将低温余热和LNG冷能联合应用的有机朗肯循环二元混合工质选择提供一定的参考。     

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.     

有机朗肯循环驱动反渗透海水淡化运行模式及工质选择

针对水资源短缺及能源浪费两大问题,对有机朗肯循环(ORC)耦合反渗透(RO)海水淡化的复合系统进行优化设计,利用膨胀机驱动高压泵,海水吸收冷凝器中有机工质的热量,进而提高海水淡化的回收率。并采用热力学分析方法分析了纯工质、混合工质组分比例、海水进水温度、进水流量变化对循环性能的影响。结果表明:在系统相同吸热量、工质和海水环境温度下,以R245fa为例,经过冷凝器预热后的淡水产量比不经过冷凝器预热的淡水产量提高80%以上;混合工质由于存在温度滑移,淡水产量均大于其相应的纯工质,其中R134a/R245fa(0.5/0.5)产水量最佳,在海水温度为12℃时比R245fa提高10.01%,在18℃时比R245fa提高25.04%;在系统运行方面,当高压泵进水温度小于40℃时,海水流量取决于高压泵的功率,当海水温度超过反渗透膜的工作温度时,需要打开系统的放水阀,通过原水泵增加冷凝器的海水流量,多余的水由放水阀排出,此时混合工质相对于纯工质的产水优势更为明显。     

船舶烟气余热驱动有机朗肯循环的系统性能分析

利用设计的有机朗肯循环系统回收船舶柴油机的排气能量,考虑冷却水循环,分析了蒸发温度、膨胀比对系统性能的影响。定义经济性函数为系统所需总换热面积和净输出功的比值,而综合评价函数为经济性目标函数和（火用）效率的加权和,以不同的优化目标函数,确定了适用于有机朗肯循环系统的最佳冷凝温度。研究结果表明,在一定膨胀比下,热效率随着蒸发温度的升高先增大再减小,存在最佳蒸发温度;优化目标函数不同,系统存在不同的最佳冷凝温度,以综合评价函数为优化目标,可确定较优的最佳冷凝温度;以R245fa为工质时,最佳蒸发温度为390K,最佳冷凝温度为316K,膨胀比为6.6,热效率可以达到12%;工质的选择对系统性能有很大影响,不同评价指标下系统的性能分析也不同。     

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%。     

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。     

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.     

基于分液冷凝的R245fa/pentane混合工质朗肯循环多目标优化

有机朗肯循环（ORC）是一种利用低温余热进行发电的热电转换技术。由于热源温位低,导致其效率不高,设备投资成本高。因此,本文从降低系统成本和提高其热力性能角度出发,把分液冷凝技术运用于双压蒸发的非共沸ORC系统,利用NSGA-Ⅱ多目标算法对基本ORC（BORC）,气液分离-双级蒸发ORC（DSORC）,串联双级蒸发ORC（STORC）和分液冷凝-双级蒸发ORC（TLORC）四种系统的净输出功和比成本（SIC）进行优化对比。优化结果表明：在BORC系统中,多维偏好线性规划法（LINMAP）优化得出的点表明非共沸工质的净输出功分别要比纯R245fa和纯pentane高5.6%和14.0%。在DSORC系统中,LINMAP点表明非共沸工质的净输出功要比R245fa和pentane分别高1.2%和6.3%;在所研究的四种系统中,Pareto Front表明TLORC系统SIC最低,比BORC系统低5.4%,同时净输出功比BORC系统高4.86%。     

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。