考虑环境影响的低温余热ORC系统优化研究

摘要

近年来，能源短缺和全球性环境问题日益突出，我国拥有丰富的低品位热能如工业余热、地热能、太阳能等，将低品位热能转化为电能是提高能源利用率、减少环境污染的有效措施。在诸多低品位热能开发利用的途径中，有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）由于设备简单、应用范围广泛等优点，日益获得人们越来越多的关注，成为了目前低品位热能开发利用研究的重点。
　　与常规的火电厂使用水为工质不同，应用于ORC系统的有机工质具有一定的GWP、ODP等环境潜值，都将对环境产生一定的影响，无论ORC设备密封做的有多好，使用的有机工质终将有部分会扩散到大气中，所以在其生产和运输过程中都可能对环境造成一定的污染，ORC系统运行过程中工质的泄漏必将加剧全球变暖、臭氧层的破坏，目前，对ORC系统的评价多集中在热效率、火用效率等热经济性指标方面，相关文献在选取工质时虽然考虑了环境的影响，但都是定性而未定量地对工质的环境影响进行分析计算，也未将ORC系统的热经济性和环境性能综合起来进行评价。本文在分析ORC系统的基本特性的基础上，采用火用代价对有机工质的环境影响进行量化，建立了考虑环境影响的ORC系统火用平衡模型，并对同时考虑ORC系统热经济性和工质的环境因素的综合评价指标进行研究。
　　本文的主要研究内容和成果如下：
　　①采用ORC系统的环境影响火用代价对工质的环境影响进行了定量分析，建立了考虑环境影响的ORC系统火用平衡模型。此火用平衡模型综合考虑了处理系统泄漏工质的环境影响引起的功率消耗，即从系统的净输出功率中扣除一部分功率用于处理ORC系统泄漏的工质对环境造成的影响。
　　②建立了ORC循环工质泄漏模型，采用火用参数量化工质的环境影响，对亚临界ORC系统和跨临界ORC系统环境影响火用代价进行研究。
　　③针对目前ORC系统研究未对有机工质的环境影响定量分析的现状，采用火用代价对有机工质的环境影响进行量化分析，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”，并给出了计算关系式。通过理论分析和实例研究验证了这个综合指标的合理性，并对比分析了工质环境影响火用代价对亚临界ORC系统和跨临界循环系统火用效率的影响。工质R123和R32的“综合环境影响火用效率”较高，分别是亚临界和跨临界循环中性能最优的工质
　　④为与综合考虑环境影响的ORC系统做对比分析，文章首先对未考虑工质泄漏影响的亚临界ORC系统和跨临界ORC系统的基本特性进行了研究。通过分析得到了系统热力学性能随膨胀机入口温度和冷凝温度变化的一般规律，并得到最佳的膨胀机入口温度、冷凝温度以及循环工质。未考虑工质环境影响时，亚临界循环所选工质中R141b和R11的系统热效率和火用效率较大，R142b的净输出功率最大，跨临界所选工质中R134a的系统净输出功率和火用效率最大。

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主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 低温余热发电技术的研究及应用现状

1.3 保护大气的国际行动

1.4 考虑环境影响的ORC系统性能研究

1.5 问题的提出

1.6 本文主要研究内容

2 有机朗肯循环的基本性能

2.1 亚临界ORC系统

2.2 跨临界ORC系统

2.3 本章小结

3 考虑环境影响的ORC系统及火用分析模型

3.1 ORC系统的环境影响火用代价

3.2 考虑环境影响的火用分析模型

3.3 传热模型

3.4 ORC工质泄漏模型

3.5 本章小结

4 考虑环境影响的ORC系统性能分析

4.1考虑环境影响的ORC系统

4.2 ORC系统的环境影响实例分析

4.3 亚临界与跨临界工质性能对比

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：