一种耦合跨临界与亚临界有机朗肯循环系统性能分析

摘要

在能源消耗日益严重的今天，回收余热资源成为了缓解能源危机的一个有效途径。有机朗肯循环（organic Rankinecycle，ORC）技术能将低品位余热转化为高品位的电能输出，其结构简单、灵活性高、运行费用低、余热回收率高，近年来，ORC技术已成为余热回收利用领域研究的热点。
　　为了提高回收烟气余热的ORC系统效率，本文构建了一种耦合跨临界与亚临界ORC系统。基于热力学基本定律和热经济学理论，对耦合ORC系统进行了详细的性能分析，同时，对比了耦合ORC系统与单级跨临界ORC系统的性能，并探讨了工质临界温度及工质组合对耦合ORC系统性能的影响。研究结果表明：
　　①随着烟气进口温度的增加，耦合ORC系统热力学性能及热经济性能均得到改善；随着烟气出口温度的增加，耦合ORC系统净输出功率减少，而热效率则增加，其?效率先略微减少、后增加，发电成本、动态投资回收年限及静态投资回收年限先略微增加、后减小；随着余热换热器出口烟气温度的增加，耦合ORC系统的热力学性能下降，而热经济性能得到提高。
　　②一级膨胀机进口压力的升高会使耦合ORC系统净输出功率、热效率及?效率均升高，而热经济性下降，即系统的发电成本、动态投资回收年限及静态投资回收年限均增加。
　　③随着中间换热器节点温差的增加，耦合ORC系统净输出功率、热效率及?效率均降低，而系统发电成本及投资回收年限先快速减少、后略微增加。中间换热器节点温差存在临界值，当节点温差小于该临界值时，耦合ORC系统的热力学性能优于单级跨临界ORC系统，临界值变化范围为（0~20）℃。此外，存在最佳中间换热器节点温差使得系统热经济性能最好，该最佳值变化范围为（7~9）℃。
　　④在计算范围内，工质临界温度大于150℃时，耦合ORC系统性能较好，同时，耦合ORC系统中工质为等熵工质时的系统性能优于为干工质时系统性能，即等熵工质对系统性能的提高有积极作用。工质组合为R123/R141b时，耦合ORC系统具有最优热力学性能，工质组合为R123/n-hexane时，耦合ORC系统具有最优热经济性能。
　　⑤在耦合ORC系统中，?损失主要分布在余热换热器、中间换热器及预热器中，其次为冷凝器与膨胀机，工质泵的?损失最少，且各部件的?损失随运行条件的变化而变化。

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主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.2 有机朗肯循环研究现状

1.3 主要研究内容

2 耦合ORC系统热力学性能分析

2.1 耦合ORC系统热力学模型

2.2 热力学性能分析结果与讨论

2.3 ?分析结果与讨论

2.4 小结

3 耦合ORC系统热经济性能分析

3.1 耦合ORC系统热经济模型

3.2 热经济性分析结果与讨论

3.3 小结

4 循环工质组合对耦合ORC系统性能的影响

4.1 循环工质的选择

4.2 循环工质对耦合系统热力学性能的影响

4.3 循环工质对耦合系统热经济性的影响

4.4 小结

5 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间获奖