有机朗肯循环系统集成及蒸发过程性能研究

摘要

太阳能、地热能、生物质能以及工业余热中都蕴含着大量的中低温热源，其数量大，但能量品位低，难以驱动水蒸汽朗肯循环进行发电循环。有机朗肯循环(ORC)由于其工质的蒸发温度可以和中低温热源达到较好匹配，被认为是中低温热能利用的有效方式。通过Matlab2011结合物性查询软件Refprop8.0编写程序，建立蒸发器温度分布模型和ORC热力计算模型，分析纯工质和混合工质在大范围热源、热沉组合情况下ORC系统特性，总结出ORC工质的选取规律;将ORC模型应用在地热和电厂烟气余热，分析总结各自热力循环特点;搭建换热实验台，对纯工质和混合工质在水平管中的沸腾换热进行了研究。
　　对超临界、亚临界工况下蒸发器中温度的分布建立模型，并提出匹配系数用以评估不同工质在蒸发器中与热源的匹配程度。以此为基础，建立ORC热力计算模型。分析了工质本身的特性对ORC性能的影响，包括工质属于纯工质或混合工质，工质/组分的临界温度、组分的构成配比、工质升温曲线与降温曲线的形状;介绍了一种选取与热沉匹配的混合工质的方法;计算了不同热源、热沉温度滑移情况下使用不同工质的ORC性能表现。研究结果表明:在高蒸发器热源侧入口温度和低蒸发器热源侧温度梯度时，纯工质比混合工质表现优异;反之，混合工质表现更加优异。在蒸发器热源侧温度梯度较小时，高临界温度的工质有较高的热效率;在蒸发器热源侧温度梯度较大时，低临界温度的工质有较高的热效率。
　　从应用于中低温地热能的ORC系统出发，针对不高于90℃温度范围的地热热源进行了ORC系统性能分析:在变热源出口温度时，纯工质超临界循环拥有更大的对外输出功，但在对大输出功工况附近稳定性很差，输出功随热源出口温度变化较大;混合工质循环的对外输出功次高，纯工质亚临界循环最低，但是这两者运行压力较低，安全性较高;所有工质都存在一个最低可利用温度，纯工质超临界循环的工质的此值较高，纯工质亚临界循环和混合工质循环的此值略低。
　　从应用于电厂烟气余热回收的ORC系统出发，针对利用一个220 MW电厂排烟余热的ORC系统性能分析。结果表明:以热效率为目标函数，匹配冷源的混合工质的性能最优，比匹配热源的混合工质的热效率高6.01％，比纯工质的热效率高8.81％;匹配热源的混合工质的过热度最小，纯工质的过热度最大;从减少系统总换热面积的角度考虑，匹配热源的混合工质表现最优;回热器与蒸发器的换热量之比随升温压力的变化有一最大值，所以在选取回热器时，要注意留有足够的容量裕度;进行了经济性分析，投资回收周期为4.5年。
　　介绍了水平管内流动沸腾实验台的搭建过程，完成了内径3mm不锈钢管在蒸发压力0.2-0.84 MPa范围内的流动沸腾实验。针对适用于ORC的一种纯工质(R245fa)和一种混合工质(R134a/R245fa，质量比0.82/0.18)，研究了质量流量、热流密度和蒸发压力对其流动沸腾的影响，进行了流动沸腾的可视化研究，拟合了适用于该混合工质的沸腾换热关联式。

目录

声明

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 中低品位热源利用情况

1．2．2 利用中低温热源的热力循环

1．2．3 不同热源下有机朗肯循环工质的选择

1．2．4 有机朗肯循环换热器的选择和夹点温差问题

1．2．5 有机朗肯循环的结构

1．2．6 有机朗肯循环膨胀机的研究

1．3 已有研究的不足

1．4 论文主要研究内容

第2章 有机朗肯循环物理数学模型

2．1 蒸发器模型

2．2 有机朗肯循环热力学模型

2．3 举例分析

2．4 本章结论

第3章 采用纯工质和混合工质循环的性能对比分析

3．1 有机朗肯循环工质选取背景

3．2 混合工质的组合方法

3．3 热源的影响

3．4 热沉的影响

3．5 本章结论

第4章 利用低温地热能的有机朗肯循环

4．1 低温地热能利用现状

4．2 循环工质的选取

4．3 计算结果讨论

4．3．1 热效率

4．3．2 输出功

4．3．3 最低可利用温度

4．4 本章结论

第5章 电站锅炉烟气余热回收

5．1 电厂烟气特点

5．2 循环工质的选取

5．3 计算结果讨论

5．3．1 热效率

5．3．2 汽轮机入口温度

5．3．3 过热度

5．3．4 质量流量

5．3．5 汽轮机入口体积流量

5．3．5 炯损分布

5．4 经济性分析

5．5 本章结论

第6章 有机工质流动沸腾换热实验研究

6．1 研究背景和意义

6．2 实验装置与数据处理

6．2．1 管内沸腾换热实验装置

6．2．2 数据处理和可靠性验证

6．3 结果和讨论

6．3．1 管内沸腾流型观察

6．3．2 管内沸腾换热系数

6．3．3 管内沸腾流动压降

6．3．4 实验关联式

6．4 本章结论

第7章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 研究意义及创新性工作

7．3 工作建议与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介