二元非共沸混合工质低温余热发电ORC系统优化研究

摘要

温度在350℃以下的低温余热普遍存在于建材、冶金、化工和轻工等工业生产中，对其实现高效回收利用具有重要意义。将低温余热所具有的的热能转换为电能，是提高能源利用率和降低环境污染的有效途径。由于受温度水平的限制，低温余热发电系统的效率先天不足，只能从循环方式、工质优选、运行参数等方面尽可能优化以提高其经济性。
　　基于以上考虑，本文以低温烟气余热深度利用为目标，采用二元非共沸混合工质有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)，对变热源温度与定热源温度两种热源进行ORC系统热力学性能理论研究，同时针对定热源温度深入探讨了设计工况与非设计工况下热力学参数变化的影响。最后针对定热源温度进行系统热经济性的研究，将系统热经济性的影响因素、优化变量，以及循环在设计工况和非设计工况下系统热经济性进行对比研究。结果表明：
　　针对变热源温度ORC系统时，二元非共沸混合工质异丁烷/己烷(0.65/0.35)和异丁烷/己烷(0.6/0.4)在火用效率，净输出功率以及排烟温度等热力学性能方面有着突出的优势，相比纯工质更适合低温烟气余热的深度利用，能很好的替代原ORC系统中运行的纯工质。同时也指出蒸发器和冷凝器是系统可用能损失主要来源，在提高系统性能时要着重考虑换热器。
　　针对定热源温度ORC系统时，整个ORC系统热力学性能在最大系统火用效率下较优，将其作为系统设计工况。在原ORC系统中添加新纯工质而构成的二元非共沸混合工质中，采用R245fa/R601a(0.6/0.4)系统热力学综合性能提升更优。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)拥有优秀的热力学性能，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。同时在混合工质中提高R245fa的质量比能降低APR与LEC，提高系统投资收益率和净收益。

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主要符号表

1 绪 论

1.1低温余热发电技术的研究背景和意义

1.2低温余热发电技术的选择

1.3 ORC余热发电技术研究现状

1.4 ORC余热发电技术实际应用

1.5 ORC低温余热发电技术有待研究的问题

1.6本文主要研究内容

2 低温余热发电有机朗肯循环的原理和组成

2.1 有机朗肯循环的原理与组成

2.2 纯工质有机朗肯循环的类型

2.3 非共沸混合工质有机朗肯循环

2.4 低温余热发电ORC系统工质的筛选原则

2.5 工质数理模型和计算方法

3 二元非共沸混合工质ORC系统热力学性能理论研究

3.1 变热源温度二元非共沸混合工质ORC系统性能分析

3.2 定热源温度二元非共沸混合工质ORC系统性能分析

3.3 小结

4 二元非共沸混合工质ORC系统经济性优化研究

4.1 系统经济性优化目标函数的选取

4.2 目标函数优化计算对象的确定

4.3 优化结果分析与讨论

4.4 小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读学位期间发表的论文目录