基于非共沸混合工质的新型冷电联合循环及组份分离特性研究

摘要

随着社会的发展，传统化石能源所带来的环境问题日益凸显。尽可能提高能源使用效率是解决该问题的重要方案之一，因此许多学者提出了冷电联合循环。这类联合循环不仅能够实现能源的梯级利用，提升能源的转换效率，而且可以充分利用工业余热，地热等低温热源(<200℃)。基于有机朗肯循环与喷射式制冷的冷电联合循环就是其中非常重要的一种，该循环不仅可以充分利用低温热源，而且结构简单，自耗能少。然而此类传统的喷射冷电联合循环若使用纯工质，蒸汽发生器和冷凝器中的换热过程会产生非常大的火用损。
　　有鉴于此，本文首先分析了该循环使用非共沸混合工质时的热力性能。研究了不同工质组份对循环的影响，评估了循环火用效率对关键热力参数的敏感性。结果表明，传统的喷射冷电联合循环（循环C）若使用非共沸混合工质，将比纯工质具有更高的火用效率。随着工质组份的变化，循环的热力性能也会随之变化。在组份 MFt=50％时，循环火用效率最大，热效率最小，制冷量最少，引射率最低，分别为9.77%，7.92%，43.11kW和0.063。但是，过小的引射率也会使得循环的工程实现难度增大。热力参数影响分析表明，蒸汽发生温度、冷凝温度和制冷蒸发温度都对循环的热力性能有着重要的影响，其中前者对于循环火用效率的影响更为显著。
　　在循环 C的基础上，提出了基于非共沸混合工质的有机朗肯循环与喷射式制冷循环相结合的新型冷电联合循环。该循环具有两种形式：循环A与循环B。膨胀机出口的混合气体被部分冷却为气液两相，在气液分离器中被分为组份不同的饱和汽与饱和液。在循环 A（循环 B)中，饱和液（汽）与饱和汽（液）分别进入发电循环和制冷循环。对比发现，循环B比循环C有着更大的制冷量，更高的火用效率和热效率。蒸汽发生温度，制冷蒸发温度，冷凝温度，膨胀比以及冷凝器出口干度都对循环性能有着重要的影响。
　　针对新型联合循环中的重要部件气液分离器，本文引入一种新型的T型分离机构，该机构可利用气液两相工质在其中气液分离不均的特性，实现气液分离，可对于非共沸混合工质进行组份分离。文中对气液两相的纯工质和混合工质在此T型管中的气液分离特性进行了实验研究。结果表明，并非所有的工质都可以在T型管中实现气液分离。R600a在T型管中几乎是等干度地分流至两个出口，R601的上下两个出口的工质干度有着微小的差别，而非共沸混合工质 M在分离器中的分离效果最为明显，在部分工况下，甚至可以实现完全的气液分离与组份分离，而提高冷却水入口的温度，会弱化两个出口的干度、组份的差异。
　　此外，本文对有机工质在T型管中的压降也进行了实验研究。结果表明，T型管中的压降会随着入口工质干度以及流量的增大而增大，会随着冷却水入口温度的增大而减小。最后，针对气液两相有机工质R600a以及R601在T型管中的压降，提出了一个新的压降模型，结果表明，模型的计算结果能够与实验结果较好地吻合。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 冷电联合循环研究现状

1.3 T型管研究现状

1.4 问题的提出及研究内容

第二章非共沸混合工质喷射式冷电联合循环热力学分析

2.1 循环介绍

2.2 热力学分析

2.3 工质筛选

2.4 假设及参数设定

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

第三章新型喷射式冷电联合循环热力学分析

3.1 新型喷射式冷电联合循环介绍

3.2 循环模型

3.3 热力学分析

3.4 假设及参数设定

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章气液两相有机工质在T型管中分离特性实验研究

4.1 实验台介绍

4 .2 实验台部件介绍

4 .3 主要测量仪器介绍

4.4 实验流程

4.5 实验数据处理

4.6 实验误差分析

4.7 实验结果与分析

4.8 本章小结

第五章气液两相有机工质在T型管中压降实验研究

5.1 R601的压降实验研究

5.2 R600a的压降实验研究

5.3 R600a/R601的压降实验研究

5.4 不同工质对比

5.5 本章小结

第六章气液两相有机工质在T型管中压降模型研究

6.1 模型提出

6.2 模型验证

6.3 本章小结

第七章结论、创新点与展望

7.1 结论

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢