有机朗肯循环涡旋膨胀机及发电系统的模拟与应用研究

发布时间：2019-09-02 11:24

【摘要】：有机朗肯循环(ORC)是低品位热能转换利用的关键技术,而膨胀机是ORC系统的核心部件。为了研究涡旋膨胀机的容积效率和等熵效率的影响因素,并进一步探究膨胀机的性能对ORC系统性能的影响,本文针对涡旋膨胀机展开了理论及应用研究。主要研究工作：对涡旋膨胀机进行理论研究,分析造成膨胀机做功损失的内、外不可逆因素。分析容积效率、等熵效率的影响因素与计算方法。以额定进气量28.6m3/h,内置容积比2.85的涡旋膨胀机为基础,采用VB程序建立涡旋膨胀机及ORC系统主要设备模型,利用实验结果对膨胀机模型进行验证及误差分析。模拟不同冷凝温度下,分别使用干工质R245fa和R124的两种ORC系统性能随膨胀机膨胀比的变化情况。设计搭建发电量6kW的ORC发电测试台。主要研究结果与创新：(1)以某型号涡旋膨胀机参数为基础,对建立的膨胀机半经验模型进行了实验验证,经误差分析得到：工质出口温度的绝对误差低于3K,相对误差小于1%；质量流量的绝对误差小于0.004kg/s,最大相对误差为小于1%；电功率的绝对误差低于81W,相对误差小于5%。对本文搭建的ORC发电测试台进行误差分析,结果显示测试台电效率最大不确定度小于5%。各项指标满足精度要求。(2)针对本文研究的特定涡旋膨胀机,拟合出了涡旋膨胀机容积效率和等熵效率的多项式表达式。容积效率与等熵效率可由转速、膨胀比和工质进气压力决定的三元二次多项式计算得出。(3)ORC系统的模拟结果显示,在一定的冷热源温度下,系统的性能随膨胀机膨胀比有规律地变化。对于采用R245fa的ORC系统,冷凝温度45℃,膨胀比为8时,系统的单位质量热源流体净输出功达到最大值2.13kW/(kg/s)；冷凝温度45℃,膨胀比为4.3时,系统的循环效率达到最大值6.89%；冷凝温度25℃,膨胀比为3.1时,系统的(?)效率达到最大值45.9%。对于采用R124的ORC系统,冷凝温度35℃,膨胀比为5.6时,系统的单位质量热源流体净输出功达到最大值2.55kW/(kg/s)；冷凝温度25℃,膨胀比为4.1时,系统的循环效率达到最大值7.36%；冷凝温度25℃,膨胀比为2.6时,系统的(?)效率达到最大值47.35%。在不同冷凝温度下,两种不同干工质系统的单位质量热源流体净输出功随着膨胀比的增大而增大,两工质系统的循环效率和(?)效率均随着膨胀比的增加而先增大后减小。(4)模拟结果表明,过热度对R245fa系统效率的影响很小,但对R124系统的影响较大。在相同的冷热源温度下,过热度越大,循环效率和(?)效率越高,且随着膨胀比的增加,过热度对R124系统性能的改善作用增大。本文的研究结果对进一步开展ORC热机系统的理论研究和应用研究有指导意义。
【图文】：

进气腔,膨胀机,紧密接触,腔体

图２－１锅旋膨胀机腔体图逡逑（ａ）进气腔；（ｂ）第一膨胀腔；（Ｃ）第二膨胀腔：（ｄ）第Ｈ膨胀腔；（ｅ）排气胺逡逑如图２－１所示，两个相同祸旋参数的祸旋体重叠放置，将其中的一个祸旋体（动祸逡逑旋盘，如圈中蓝色部分所示）旋转１８０°，巧平移一个间转半径的距离，即可与静n&旋盘逡逑（如图中黑色部分所示）相切紧密接触。此时可形成多个月牙形空间。祸旋膨胀机的逡逑运行过程可划分为Ｈ个连续的阶段，即进气阶段，膨胀阶段和排气阶段，？；个阶段分别逡逑发生在进气腔（见图２－ｌａ）、膨胀腔（见图２－化、固２－ｌｃ和图２－ｌｄ）和排气腔（见图逡逑２－ｌｅ）。在本义提出的内、外不可逆巧素中，内不可逆Ｗ素巧；个Ｘ作阶段均有涉及，而逡逑外不可逆因素主要包含在排气阶段，，即图２－ｌｅ所对应的排气腔中。逡逑８逡逑

均匀分布,轴向间隙,泄漏模型

轴向间隙的不均匀性导致轴向间隙的分析十分困难。本文假定轴向间隙在祸旋盘逡逑中均匀分布且固定不变，Ｗ对其进行研究。逡逑膨胀机轴向间隙几何模型及受力分析如图２－２所示。逡逑静祸旋盘一ｊ逡逑＾逦一径向泄漏方向逡逑低压腔Ｉ逦Ｉ高压腔逡逑轴向间隙ＣｍＪ—若逡逑动满旋盘逡逑图２－２轴向间隙泄漏模型逡逑图中，为轴向间隙值，ｍ。如前文所述，流经轴向间隙的流体为油气混合物，其逡逑粘性是不可忽略的因素。故轴向间隙的径向泄漏为粘性流体在压差作用下的流动。对微逡逑元体进行受力分析Ｐ５１，如图２－３所示：逡逑＼＾＾／ｊ＼＾ｐ－Ｋｄｐ／ｄｒ）ｄｒ逡逑图２－３径向泄漏流体受力分析逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK115

【参考文献】