不凝性气体对有机朗肯循环的热力学性能影响

摘要

不可再生能源长期的开采利用，使得能源匮乏问题日益严重。我国拥有大量的低品位能源，如太阳能、地热能、工业余热、汽车废热等。充分利用这些低品位能源，可以有效改善环境问题，提高能源利用率。有机朗肯循环（ORC）在利用低品位能源的热电转换方面具有广阔的应用前景，已经成为低品位能源利用的主要途径。
　　目前，国内外学者对ORC系统性能的分析和优化、有机工质的选取及新型ORC系统的设计等方面开展了较多的研究工作。但泄露、腐蚀等原因产生的不凝性气体对循环工质及整个有机朗肯循环系统的热力学性能影响的研究相对匮乏。因此，本文采用PR状态方程及vanderWaals混合法则，建立不凝性气体与有机工质混合物物理模型，分析不凝性气体对有机工质相变的影响，以及对有机朗肯循环的热力学性能影响。主要研究内容及结果如下：
　　（1）采用PR状态方程及vanderWaals混合法则对二元混合工质（R125/R134a、R245fa/R601a、R1234fy/R1234ze、R245fa/R601）进行气液平衡进行计算，获得相应的气液平衡相图。建立不凝性气体与工质混合物物理模型，构建气液平衡方程，分析不凝性气体对有机工质的相变影响。结果表明，不凝性气体在气相的分压会造成工质液相与工质气相压力不平衡，使工质发生不等温相变。
　　（2）针对亚临界ORC系统，采用PR状态方程及vanderWaals混合法则计算不凝性气体与有机工质混合物的热物性，分析不凝性气体含量对系统热力学性能的影响。结果表明，蒸发和冷凝阶段，不凝性气体会导致温度滑移的出现。不凝性气体会使工质在膨胀机出口温度下降，泵出口温度上升，导致泵功和膨胀机做功增加。在本文条件下氮气摩尔分数为0.2％左右时，净输出功出现一个极大值。氮气摩尔分数在0.3%以内，对净输出功起到正面作用。而氢气含量的增加对净输出功只起到负面作用。随着不凝性气体含量的增加，工质质量流量增大，循环热效率持续下降，蒸发器、泵和膨胀机?损增加，冷凝器?损减小，总?损增加。氢气的影响与氮气基本一致，但更为显著。

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1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外有机朗肯循环研究现状

1.3不凝性气体研究现状

1.4本文主要研究内容

2 不凝性气体对工质相变的影响

2.1引言

2.2混合工质热物性研究现状

2.3 PR状态方程及vdW混合法则

2.4计算条件及流程

2.5二元系统气液平衡

2.6不凝性气体对工质相变的影响

2.7本章小结

3 不凝性气体对ORC系统热力学性能的影响

3.1引言

3.2有机工质与不凝性气体混合热物性模型及计算

3.3亚临界ORC系统

3.4混合工质组分变化对ORC热力学性能的影响

3.5不凝性气体对ORC热力学性能的影响

3.6本章小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目