ORC系统蒸发器换热特性及过热度对系统稳定性影响研究

摘要

蒸发器作为ORC系统主要部件之一，深入研究蒸发器的换热特性，对于部件的体积、工质充灌量，乃至投资等均是重要的环节。因此理解蒸发器内有机工质的两相换热机理对于设计、优化ORC系统、建设高效ORC电站并推广ORC技术具有重要的现实意义。 本文研究内容主要包括两个方面：蒸发器换热特性和过热度对于系统稳定运行的影响。换热特性方面，换热准则方程是蒸发器设计的基础，反应了蒸发器内流体换热的实质，本文基于归纳和分析现有换热准则方程的物理意义及应用条件，发现普遍存在管外流动沸腾换热准则方程未进行无量纲化、计算结构复杂，表达物理意义不直观等问题。本文根据实验数据，通过采用无量纲分析的方法，获得了能够反映流动沸腾换热实质的换热准则方程。在蒸发器出口过热度对系统影响方面，创新地提出了蒸发器出口夹液影响系统稳定运行的概念；利用热力学分析方法，分析了夹液和所对应过热度对系统稳定运行的影响，并得出瞬态变化参数之间的函数关系。根据获得的换热准则方程，对现有ORC系统进行了改进和可视化实验构建。通过系统运行现象的观察，验证了低过热度条件下蒸发器出口夹液的热力学分析结果，并推荐了板式蒸发器安全运行的过热度范围。 针对文献中论述的多个换热准则方程和应用条件，重点分析了准则方程变量之间的关系、影响流动沸腾换热的主要因素，以及在相同换热器几何特征、流体运行工况条件下，针对同一种工质不同换热准则方程计算不同，主要是由于每一个准则的获得都是针对特定的工质和工况。并且目前没有针对ORC系统使用工质的准则方程，也没有有关Turbo-EHP强化管管外流动沸腾的换热准则方程。 进一步凝练适用性较强的换热准则方程，自主搭建了有机工质管外流动沸腾换热实验台，针对 R245fa、R601a对平滑管、波节管和 Turbo-EHP强化管外流动沸腾换热开展了实验研究。研究内容包括：平均干度和热流密度对换热系数的影响。结果表明：沸腾初始阶段气相的产生有利于强化换热，当加热面出现干点，气相的产生开始抑制换热；热流密度的增加有利于提高工质换热系数；三种管的对比结果显示Turbo-EHP管换热性能最优，平滑管较差。 基于对实验数据的分析，将与换热过程相关的变量进行无量纲化，采用回归分析的数学方法，提出和分析8种无量纲参数。为了充分考虑相变产生的气态工质对于换热效果的影响，采用等效雷诺数 Reeq和等效沸腾数 Boeq代替单相换热过程中的Re和Bo，提出了适用于R245fa和R601a的换热准则方程。平滑管和Turbo-EHP管换热准则方程的平均标准方差分别为7.69%和7.04%。 分析板式蒸发器内有机工质饱和流动沸腾换热特点，重点研究了出口干度、过热度和热流密度与换热系数的关系。开展了工质在预热器内的单相换热性能实验，根据单相换热结果，确定蒸发器内的有效蒸发面积。结果表明：换热系数随热流密度的增加而增加；相同热流密度条件下，蒸发器出口过热度的提高会减小工质换热系数。当过热度较低时，减小趋势较为明显，随着过热度的提高，减小趋势趋于平缓；最终获得了适用于R245fa在板式蒸发器内的饱和流动沸腾换热准则方程。 管壳式蒸发器和板式蒸发器的对比实验表明：管壳式蒸发器由于蒸发空间大，基本没有夹液，增加过热度会增加对能源的消耗，降低系统效率；板式蒸发器由于结构特征产生夹液，影响系统稳定运行。利用热力学分析方法，分析了蒸发器出口过热度和夹液对于ORC系统稳定性的影响，得到了少量夹液量和过热度之间的相关性。针对于板式蒸发器，通过可视化方法，对夹液现象及夹液和稳定运行过热度之间的相关性进行了验证。基于实验中的现象，建议板式蒸发器出口保持4~5℃的过热度，以防止夹液影响系统稳定运行。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 本课题研究背景

1.2 中低温有机朗肯循环系统的研究现状及发展趋势

1.3 蒸发器内有机工质流动沸腾换热特性研究现状

1.4 本文主要研究内容

第二章 沸腾换热准则方程分析

2.1 池沸腾

2.2 管内/外流动沸腾换热

2.3 板式蒸发器内的流动沸腾换热

2.4 本章小结

第三章 有机工质管外流动沸腾换热与准则方程

3.1 管外流动沸腾换热

3.2 管外流动沸腾换热实验系统

3.3 有机工质管外流动沸腾换热结果讨论

3.4 有机工质管外流动沸腾压降结果讨论

3.5 本章小结

第四章 板式蒸发器流动沸腾换热与准则方程

4.1 板式蒸发器内流动换热过程分析

4.2 板式蒸发器内流动沸腾换热实验系统

4.3 板式蒸发器内流动沸腾换热结果讨论

4.4 本章小结

第五章 蒸发器过热度对系统稳定性影响分析

5.1 过热度对系统影响的热力学分析

5.2 实验系统设计

5.3 过热度对系统稳定性影响结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 本文工作总结

6.2 本文的创新点

6.3 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢