太阳能低温朗肯循环系统适用工质的理论和实验研究

摘要

太阳能低温朗肯循环的温度范围大致为环境温度到100℃左右，平板集热器和普通真空管集热器即可满足系统要求。因此，选取适用于太阳能低温热电循环温度范围的有机工质成为关键，本文以太阳能低温朗肯循环系统适用工质为切入点，开展了对太阳能低温朗肯循环系统的理论和实验研究。 在理论循环分析中，选取了R600，R134a，R245fa，R236fa四种具有代表性的纯工质作为太阳能低温朗肯循环的候选工质，在设定工况下，对四种候选工质的循环参数进行了计算，并从压力水平、做功能力、循环效率、热力学完善度、工质安全性和工质环境性能等方面进行了分析比较。结果显示，在冷凝和蒸发温度分别为25℃和80℃时，以R245fa为工质的太阳能低温朗肯循环总体压力水平较低，同时循环效率达到约13％。研究表明选取R245fa作为太阳能低温朗肯循环的工质是可行、合理的。 为了进一步拓宽太阳能低温朗肯循环适用工质的选择范围，本文提出了以R245fa/R152a为组元的按不同质量比例组成的Ca、Cb和Cc三种典型的非共沸混合工质，在设定工况下对其应用于太阳能低温朗肯循环的性能进行了理论研究。针对非共沸混合工质相变时存在温度滑移，在系统中引入了内部换热器(IHE)。分析结果表明：使用混合工质可拓展太阳能低温朗肯循环工质选择范围；非共沸混合等熵工质在设定工况下的循环效率并非最高，但具有最小的膨胀比；非共沸混合工质应用于太阳能低温朗肯循环系统时，同时引入内部换热器和适当的过热度将使循环效率得到明显提高。 对以R245fa为循环工质，采用8mm管板式集热器的太阳能低温朗肯循环系统进行了实验分析。 实验结果表明，与普通太阳能热利用系统集热器不同，太阳能低温朗肯循环系统的集热器效率在运行过程中会出现阶跃式突变；在保证工质完全相变的前提下，集热器效率变化的一般趋势是随太阳辐照度的增加而减小，在相同的太阳辐照度情况下，集热器效率随工质流量的增加而增大。 在变工况分析的基础上提出并拟合得到了太阳能低温朗肯循环系统集热器的“最佳效率曲线”。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1本课题研究背景

1.2太阳能热发电技术的主要类型及发展趋势

1.3太阳能低温朗肯循环发电技术的研究现状及存在问题

1.4本文的主要内容

第二章太阳能低温朗肯循环系统适用工质的理论研究

2.1太阳能低温朗肯循环系统概况

2.2循环工质的选择及其理论循环的计算

2.2.1太阳能低温朗肯循环的理想工质

2.2.2候选工质的提出

2.2.3设定理论循环的工况

2.2.4理论循环基本方程

2.3候选工质理论循环计算的结果及分析

2.4以R245fa为工质的朗肯循环参数

2.5本章小结

第三章非共沸工质用于太阳能低温朗肯循环的理论研究

3.1非共沸工质太阳能低温朗肯循环系统概况

3.2三种由工质定义的典型朗肯循环

3.3非共沸有机工质的提出及其理论循环计算

3.3.1非共沸有机工质的提出

3.3.2理论循环的工况

3.3.3非共沸工质理论循环计算的结果及分析

3.3.4朗肯循环中过热度的影响

3.4二元非共沸混合工质质量配比对循环的影响

3.4.1不同配比条件下的循环效率

3.4.2膨胀比与膨胀机入口体积流量

3.5本章小结

第四章太阳能低温朗肯循环系统的实验研究

4.1实验系统及数据采集工具

4.1.1实验系统说明

4.1.2参数测量和数据采集装置

4.2实验方案及实验步骤

4.3 8mm管板式集热器实验结果和分析

4.3.1实验结果及其分析

4.3.2太阳能集热器的效率

4.3.3太阳能低温朗肯循环的朗肯效率

4.3.4循环中的过热与过冷

4.4变工况下太阳能集热器的效率

4.5本章小结

第五章结论与建议

参考文献

附录变工况实验原始数据

发表论文和科研情况说明

致谢