中低温有机朗肯循环系统优化及实验研究

发布时间：2017-11-15 07:34

  本文关键词：中低温有机朗肯循环系统优化及实验研究

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【摘要】：利用中低温有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)发电技术将低品位热能转化为高品位的电能是目前研究的热点,也是未来低品位热能利用的发展趋势。本文将围绕中低温有机朗肯循环发电系统开展理论优化和实验研究。首先,本文建立了ORC系统和各部件的热力学计算模型,介绍了有机工质的干湿性、热物性、环保性和安全性等特性,归纳分析了ORC系统优化的评价指标和多目标综合评价方法。分析结果表明,工质的选择需要考虑的评价指标较多,且评价指标具有定性指标和定量指标相结合的特点。基于此,本文采用多级非结构性模糊综合评价的方法进行ORC工质的优选。以150℃中低温热源驱动的亚临界ORC系统为例,建立了ORC工质选择的多准则评价模型。借鉴模糊系统理论,确定各方案的隶属度和评价因素的权重,通过模糊变换得到候选工质的优先推荐序列。其中,排序前两位的工质是R123和R245fa。然后,本文选用R245fa为工质建立ORC系统蒸发器、冷凝器、工质泵、膨胀机等设备模型,采用多目标优化遗传算法,对ORC系统和换热设备展开同步优化研究。以板式换热器为例,选取蒸发器和冷凝器的板长、板宽、板间距等结构参数,以及ORC循环蒸发压力、冷凝压力、过热度等运行参数,共9个参数作为系统的优化变量。以系统热效率和比投资成本两个指标作为多目标优化的目标函数,在给定的变量取值范围内,计算得到了这两个目标下的Pareto最优解。通过分析最优解对应的优化变量的变化趋势发现,当换热器结构参数变化使得压降越小时,系统热效率增高,换热面积增加,比投资成本增大。最后,本文设计和搭建了ORC发电系统实验平台。通过正交实验的方法计算得到了系统关键参数的范围,并据此进行实验台设备选型和搭建。该实验台采用R245fa为循环工质,冷源采用冷水机组制备恒温冷却水,热源采用电加热高温导热油来模拟工业废热,导热油加热功率为63kW,可以进行150℃以下热源驱动的ORC系统性能和设备测试实验。完成实验台的搭建后,对系统进行了稳定工况下的调试实验,和变工质流量性能测试实验。系统初步实验表明系统可以获得稳定运行的工况。在稳定工况下,膨胀机输出功率达到了2KW,循环效率为12%左右。论文中理论优化的研究结论可以为中低温ORC系统的优化设计提供参考,所搭建的实验平台为后续课题研究提供条件。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM61

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