基于混合工质的低品位热能发电系统性能实验研究

摘要

有机工质朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电系统结构简单、效率较高、环境友好，成为利用低品位热能的最佳选择之一。目前相关研究主要针对纯工质，对二元非共沸混合工质的研究非常少。为探究混合工质应用于低品位热能发电系统的循环性能，本文针对混合工质发电系统进行了计算分析与实验研究：
　　（1）首先对混合工质组元进行筛选与组合，计算多种热源条件下基本循环与回热循环的系统性能，并对混合工质与纯工质的循环性能进行比较，发现对较大温度滑移的冷凝过程放热量进行充分回收后，混合工质的循环性能优于组元纯工质；
　　（2）搭建混合工质发电实验系统，采用质量比为1.0:0.0（R601a）、0.8:0.2（M1）、0.6:0.4（M2）和0.4:0.6（M3）的混合工质R601a/R600a进行发电实验，并说明混合工质的制备方法与实验操作流程；
　　（3）实验得出热源温度变化直接影响发电系统性能；系统性能参数随热源温度下降而下降，并存在转变点，转变点前后性能参数的变化率不同，混合工质转变点温度低于纯工质，对热源温度变化的适应性更强；热源温度较低时混合工质循环性能优于纯工质；同时不同热源温度下均存在最佳工质流量使得发电功率最大，工作蒸汽过热度可以表明热源温度与工质流量的匹配程度；
　　（4）冷凝温度较低时循环性能较好；温度滑移较大时混合工质循环性能较差；因冷凝相变过程平稳，混合工质发电系统运行过程比纯工质稳定，基本循环下混合工质循环性能稍弱于纯工质；
　　（5）实验还得出了发电系统最佳负载特性规律。不同热源温度与不同工质流量下均存在最佳负载电阻值使得发电系统性能最优，同时使得涡旋膨胀机工作在最佳状态，较高热源温度对应较大最佳负载；
　　（6）实验验证了混合工质R601a/R600a应用于低品位热能发电系统的可行性。三组混合工质中 M1循环性能最优，热源温度≤140℃时实验系统最大净发电功率与比发电功率分别为0.753kW与23.12kJ/kg，最高热效率与发电效率分别为4.58％和3.51%。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2有机工质发电技术研究现状

1.3有机混合工质发电技术研究方向

1.4本文研究内容与目标

第二章 有机混合工质发电循环性能计算

2.1有机混合工质发电循环工作原理与热力模型

2.2混合工质组元筛选与组合

2.3有机混合工质发电循环性能计算

2.4本章小结

第三章 混合工质发电系统实验装置

3.1发电系统实验装置及主要部件

3.2实验混合工质选择与制备

3.3发电实验操作流程

3.4本章小结

第四章 冷热源温度对发电系统影响实验分析

4.1实验系统性能评价与数据处理方法

4.2热源温度对发电系统影响实验分析

4.3冷凝温度对发电系统影响实验分析

4.4本章小结

第五章 发电系统最佳负载特性实验分析

5.1发电系统变负载发电实验

5.2永磁发电机负载变化运行特性

5.3负载电阻变化对涡旋膨胀机运行影响

5.4发电系统最佳负载特性分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果

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