内置热泵的热电冷联产有机朗肯循环系统研究

摘要

对中低温热能的利用，有助于减少一次能源消耗，缓解气候变化和空气污染问题。本文对一种能够高效利用中低温热能的内置热泵的冷热电联供有机朗肯循环（Combined Cooling, Heating and Power-Organic Rankine Cycle，CCHP-ORC）系统展开了研究，除了对前人提出的系统进行参数影响分析和工质优选外，还提出了使用混合工质的改进系统，并对这种改进的混合工质系统进行了研究。
　　建立了一个理想的环境工况和系统模型：以温度为95℃，流量为40t/h的地热水为热源，在环境温度为-5℃时，系统将载热流体加热到45℃进行供热，在环境温度为35℃时，系统将载冷流体降温到0℃进行供冷。根据研究需要，计算该不同条件下的使用纯工质和混合工质的CCHP-ORC系统参数和发电效率、性能系数、火用效率、经济热效率和制冷热效率等性能指标。
　　在纯工质系统的研究中，从高温蒸发过热度的影响方面进行了分析，结果表明对于同一个性能指标，受高温蒸发过热度的影响变化趋势，在热电和冷电联供两种运行模式下相同，使用干工质和湿工质时相同。对12种纯工质进行优选，R245ca和R141b等工质净输出功和发电效率较高，R717在性能系数、经济热效率和制冷效率等方面表现出明显优势，R141b和R717等具有较高的火用效率。
　　对于本文提出的使用非共沸混合工质的内置热泵CCHP-ORC系统，首先分析了两种可能的系统形式的合理性，认为分离过程后液态工质经工质泵进入高温蒸发器、气态工质进入低温冷凝器的系统形式更为合理。然后计算在热电联供和冷热电联供两种模式下，不同引射系数时，该形式的混合工质系统（使用R245fa/R134a，75：25 wt％）和纯工质系统（分别使用R245fa和R134a）的性能指标。分析结果表明，混合工质系统能同时进行冷热电的联供，能量输出比纯工质系统更加灵活，并在不同的运行模式下都有比纯工质系统高的性能系数。另一项结论是，对于纯工质和混合工质系统，引射系数都是重要的调节参数，而引射系数的可调范围与系统做功能力有关，发电效率越高的系统，引射系数的最大值越大。
　　以引射系数和蒸发温度为双重变量，计算混合工质系统的各个参数和性能指标。通过分析得出：大多数性能指标都有一种主要影响参数；系统在制冷模式下具有更高的性能系数；效率并不代表实际的能量输出能力，单纯从效率的高低评价系统具有一定的局限性。
　　最后，对混合工质进行了优选，得出了一些结论：混合工质系统能够优选出同时具有较高动力输出和冷热输出性能的工质；优选结果在一定程度上表明了干、湿工质的混合物更适合该系统；混合工质中干工质浓度较低、湿工质浓度较高时，系统的能量输出量较高。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2热泵技术简介

1.3 冷热电联供介绍及研究现状

1.4 有机朗肯循环技术研究现状

1.5 冷热电联供有机朗肯循环系统研究现状

1.6 本文的主要工作及意义

第二章 CCHP-ORC系统能效分析和工质优选

2.1内置热泵的CCHP-ORC系统结构

2.2内置热泵的CCHP-ORC系统热力计算

2.3蒸发过热度对系统热力性能的影响

2.4内置热泵的CCHP-ORC系统工质优选

2.5 本章小结

第三章 使用非共沸混合工质的内置热泵CCHP-ORC系统

3.1 两种系统结构及分析和选择

3.2 混合工质CCHP-ORC系统热力计算

3.3两种系统能效指标对比

3.4本章小结

第四章 混合工质CCHP-ORC系统参数影响分析

4.1. CHP模式下的能效指标对比

4.2. CCHP模式下的能效指标对比

4.3 本章小结

第五章 混合工质CCHP-ORC系统工质优选

5.1 对工质种类的选择

5.2 混合工质浓度的影响

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

学术成果和参加科研情况说明

致谢