利用低温余热的有机朗肯循环性能分析及其工质优选

摘要

我国工业能耗的60％-65％都转化为了载体不同、温度不同的余热，其中，中低温余热数量极其庞大。在中低温余热热电转换领域，使用低沸点有机工质的有机朗肯循环是高效回收中低温余热的理想途径，且其余热回收效率与循环参数及使用工质密切相关，因此，对利用低温余热的有机朗肯循环进行性能分析与工质优选具有重要的现实意义和广泛的应用前景。
　　本文通过优化有机朗肯循环换热器传热模型而构建了改进的有机朗肯循环模型，然后再结合Gnielinski单相流对流传热系数计算公式与基于两相流型的蒸发和冷凝对流传热系数计算式，提出了有机朗肯循环蒸发器和冷凝器换热面积的计算方法，最后通过对改进的有机朗肯循环各过程进行热力学分析，得到了该系统的性能参数计算式，且最终编制了改进的有机朗肯循环性能参数计算程序。
　　本文不仅分析了循环参数（蒸发温度、过热度和冷凝温度）和热源流体特性参数（热源流体进口温度、质量流量和比定压热容）对有机朗肯循环性能参数的影响，而且还在低温余热范围进行了有机朗肯循环工质的优选。研究结果表明:1）蒸发温度对有机干流体饱和循环、有机干流体过热循环和有机湿流体过热循环的部分性能参数的影响基本相同，且对于冷凝温度，该结论依然成立;2）过热度对使用干流体和湿流体的有机朗肯循环的大部分性能参数的影响基本相同;3）热源流体进口温度对有机干流体饱和循环、有机干流体过热循环和有机湿流体过热循环的性能参数的影响基本相同，且对于热源流体质量流量和比定压热容，该结论同样成立;4）蒸发温度、过热度、冷凝温度和热源流体进口温度均会对蒸发器中传热最小温差点的位置造成影响，且对于不同的有机工质其情况不同;5）有机朗肯循环的最大换热器单位面积净功率与有机流体的临界温度密切相关;6）在温度低于503.15K的低温余热范围内，以换热器单位面积净功率为优选目标参数，1-丁烯、庚烷、辛烷、R245fa和R245ca性能较优。