低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究

发布时间：2017-05-01 16:14

  本文关键词：低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文提出了一套利用低品位热能驱动的冷电联供系统,是由有机朗肯循环(ORC)与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统组成,热流体首先驱动ORC发电系统,然后驱动两级吸附式制冷机。该冷电联供系统主要针对的对象是地热以及工厂废热的利用,这两种情况下热流体往往是需要回流到地下或者直接排放到环境中,因而较高的排放温度将影响到热量的利用效率。该冷电联供系统能有效地降低热流体的排放温度,从而实现热量的梯级利用,提高了热量的利用效率。该冷电联供系统是以输出冷量为主,输出电量为辅,输出电量主要用于补给系统自身的耗电,目的是实现系统耗电的自给自足。具体研究内容如下:(1)首先构建了低品位热能驱动的冷电联供系统,由传统小型有机朗肯循环与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷系统组成。对于发电部分建立了传统小型ORC系统的热力学和传热模型,并搭建了压缩空气推动的涡旋式膨胀机旋转做功的测试台。测试结果表明,膨胀机进口压力从0.5 MPa增加到1.0 MPa,膨胀机等熵效率在0.62-0.7之间波动,发电量从70 W增加到300 W。依据实验所得到的等熵效率建立了ORC系统模型,利用MATLAB编程,模拟了在采用制冷剂工质R245fa条件下的性能。模拟结果表明,热源温度为105℃时,蒸发压力从0.5MPa增加到1MPa时,系统的能量效率和火用效率都随着蒸发压力的增加而增加,变化范围分别是4.36%-6.57%、19.2%-28.8%;回热器能够轻微地提高系统的能量效率及火用效率。对于制冷部分,选择氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统与ORC系统相匹配。依据先前实验测试氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷工质对的吸附性能数据及建立的两级吸附制冷机组的数学模型,模拟了不同热源温度对系统性能的影响。当热源温度从70℃增加到90℃,蒸发温度为5℃时,系统的COP基本维持在26%左右,系统火用效率从20.1%降低到了14.2%。基于对发电部分和制冷部分的分析,冷电联供系统在实现冷电联供的同时,可以有效地降低热流体的排放温度,提高整个系统的热量火用效率。(2)搭建了一台小型有机朗肯循环的实验系统,研究了热源温度在105℃时系统的性能,同时基于课题组先前搭建的氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统,测试了蒸发温度为-10℃,热源温度从75℃增加到90℃时系统的制冷量。实验结果显示:膨胀机进口压力为0.61mpa时,系统的最大能量效率和最大火用效率分别是3.2%和16.9%,此时膨胀机的等熵效率为0.553,系统的最大输出功为151w;实验研究发现,当回热器处于工作模式,膨胀机排气在回热器中发生了部分冷凝,膨胀机出口压力在短时间内急剧增加,导致了性能的恶化,回热器不仅不能够提高系统的能量利用效率,反而恶化了系统的性能。对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附冷冻机组的测试结果显示:热源温度为90℃,蒸发温度为-10℃时,系统的制冷量和cop分别是1.29kw与17.6%。基于对orc的实验数据的分析,发现orc系统中的工质泵的效率比较低,系统工质泵的耗电极大地抵消了系统自身的发电量,导致了orc系统净输出电量比较小。本文研发小型orc系统的目的是为了补给冷电联供系统自身的耗电,而实验结果显示小型orc系统补给电量的较小。因此使用传统小型orc系统作为低品位驱动冷电联供系统的发电部分是不理想的,于是提高orc系统的净发电量,对于该冷电联供循环是十分关键。(3)针对传统小型orc系统中工质泵带来的问题,提出了一套无泵orc系统,相比与传统orc系统,减少了高压工质泵这一部件,系统更加简单,成本更低,结构更加紧凑。同时本文建立了无泵orc系统的热力学模型,详细阐述了无泵orc系统的工作过程,并进行了热力学模拟仿真计算和实验研究;新型无泵orc系统是一种间歇的工作过程,分为预热阶段及膨胀机输出功阶段,系统只在第二个阶段输出功;理论计算得,当热源温度是95℃,系统平均输出功及能量效率分别是375w、5.87%;实验结果显示,热源温度为95℃时,系统最大输出的轴功为361.0w,平均输出功为155.8w。尽管无泵orc系统中三个切换阀门也会消耗电量,降低系统净输出的电量,但是阀门耗电只发生在切换的时候,切换时间非常短,实现了系统较大的净输出功,因此无泵orc系统可以补给冷电联供系统的耗电。(4)基于小型无泵ORC系统的优势及可行性,重新建立了一套新型的利用低品位热能驱动的冷电联供系统,由无泵ORC系统和氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷机组成,热流体首先驱动无泵ORC发电系统,然后驱动两级吸附式制冷机;新型冷电联供系统是以输出冷量为主,输出电量主要用于补给冷电联供系统自身的耗电;热源温度从80℃增加到95℃,新型冷电联供系统的热量火用效率是两级吸附制冷机组的2倍,是无泵ORC系统的4倍。(5)对新型冷电联供系统进行了优化,将无泵ORC发电系统与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统集成在一起,实现整个冷电联供系统的小型化;系统运行由PLC控制系统完成,实现系统运行的自动化;使用时只需给系统通入热水和冷却水,系统便不断的输出冷量,电量主要用于补给系统自身的耗电。
【关键词】：冷电联供 有机朗肯循环 无泵有机朗肯循环 涡旋式膨胀机 两级吸附式制冷
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB657;TM61
【目录】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-12
• 符号说明12-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 课题背景及意义13-14
• 1.1.1 背景与意义13
• 1.1.2 应用效果初步分析13-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 有机朗肯循环14-16
• 1.2.2 吸附制冷技术16-17
• 1.2.3 冷电联供系统性能研究17-18
• 1.3 本文主要工作18-19
• 第二章 小型冷电联供系统的构建与性能分析19-35
• 2.1 小型冷电联供系统的构建19-20
• 2.2 小型有机朗肯循环系统的模拟20-30
• 2.2.1 涡旋式膨胀机的性能测试实验台21-25
• 2.2.2 涡旋膨胀机的数学模型25-26
• 2.2.3 蒸发器、冷凝器及回热器模型26-27
• 2.2.4 循环工质泵模型27
• 2.2.5 总的模型27-28
• 2.2.6 小型ORC系统的模拟仿真结果28-30
• 2.3 氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统的模拟30-33
• 2.4 小型冷电联供系统的理论性能分析33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 小型有机朗肯循环系统与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统的实验测试35-45
• 3.1 小型有机朗肯循环实验系统及实验结果35-40
• 3.1.1 小型有机朗肯循环的实验系统35-36
• 3.1.2 小型有机朗肯循环系统的实验结果36-40
• 3.2 氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷机组实验性能40-42
• 3.3 小型冷电联供系统的可行性42-43
• 3.4 本章小结43-45
• 第四章 新型利用低品位热能驱动的小型冷电联供系统45-55
• 4.1 小型无泵有机朗肯循环系统45-50
• 4.1.1 小型无泵有机朗肯循环系统的热力学模型46-47
• 4.1.2 小型无泵有机朗肯循环系统的模拟仿真结果47-48
• 4.1.3 小型无泵有机朗肯循环的实验系统48-50
• 4.2 新型冷电联供系统的构建50-51
• 4.3 小型冷电联供系统的性能研究51-53
• 4.4 新型冷电联供系统的性能优化53
• 4.5 本章小结53-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 主要结论55-56
• 5.2 研究展望56-57
• 参考文献57-63
• 附录63-69
• 致谢69-71
• 攻读学位期间发表的论文及获得的奖励71-73

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本文编号：339255