过热/过冷对内回热有机朗肯循环影响的热力学分析

发布时间：2021-08-30 05:14

　　内回热是简单有效提高有机朗肯循环（ORC）效率的基本方法。由于循环过程的改变,使循环的热力学规律发生了变化。以R245fa为工质,对回热器的回热过程和机理进行了深入分析,提出了基于对数传热温差的内回热器性能计算方法,并利用热力学分析方法,分析了过热温度、过冷温度对内回热有机朗肯循环（IHORC）性能的影响。研究结果发现,内回热减少了循环的蒸发负荷和冷凝负荷,提高了循环效率。随着过热温度的增加,循环效率和膨胀机输出功均几乎呈线性增加。根据循环过冷温度大小,过冷分为一般过冷和深度过冷两种情况:一般过冷时,随着过冷温度的增加,虽然回热器的换热量和换热效率逐渐升高,但是,循环效率逐渐降低,蒸发负荷、冷凝负荷逐渐增加;深度过冷时,循环效率、回热器换热量、回热器效率快速增加,蒸发负荷和冷凝负荷快速降低,回热器能量回收作用开始突显。一般过冷与深度过冷的临界点是回热器出口蒸气干度,当干度小于1时进入深度过冷状态。内回热过程的"回热量"受限于乏气工质的放热量,因此,内回热循环适用于蒸发冷凝温差大、过热和深度过冷工况。 

【文章来源】：化工进展. 2016,35(12)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

IHORC系统图

芎芊奖愕厍蠼夤ぶ试诨?热器出口的状态参数，但是由于没有考虑传热温差，不能满足所有的循环工况。因此，作者提出了一种根据回热器对数传热温差和能量守恒来计算工质在回热器出口状态参数的方法。回热器一般为逆流换热器，根据实验统计发现，高低温工质在回热器中的传热对数平均温差在9℃左右。因此，为方便计算，假定高低温工质在回热中的传热对数温差为9℃，如式(8)。2'4a2a4'm2'4a2a4'9lnTTTTTTTTT℃(8)由式(8)和式(5)联立，就能求得工质在回热器出口的状态参数。计算程序框图如图3所示。在迭代计算中，有两点要注意：一是首先要把T2'＝T4a虚根排除掉；二是在工质的两相区，不能通过温度和压力来求解其他状态参数（两相区温度、压力相等，与焓、熵等参数不能一一对应），可以借助焓值或者熵来计算。通过求得工质状态参数后，定义回热器的效率为实际换热量与最大可能换热量的比，如式(9)。4'4aIHIH_maxhhh(9)其中最大可能换热量hIH_max为前文所述的极限传热温差下高温工质的放热量（h2a–h2’’）和低温工质吸热量（h4’’–h4a）的较小值。图3回热器计算程序框图（5）蒸发器工质在蒸发器中等压吸热，吸热量如式(10)。Eva14'Qm(hh)(10)（6）循环性能指标循环热效率即第一定律效率如式(11)。tP2a14a3T_IHcycleEvaEvaWW(hh)(hh)QQ(11)热力计算主要计算循环中各个状态点参数和各个热力过程中能量及功量的交换量。2计算结果及分析循环工质物性采用REFPROP（NISTStandardReferenceDatabase23，V8.0）物性数据库中的数据。自编MATLAB程序，调用相应的热物性数据，对IHORC进行循环计算。IHORC热力计算的程序框图如图3所?

耍?蛘突?涑龉Φ谋浠?媛捎?基本ORC相同。由图6可以看出，IHORC循环输出净功、蒸发器吸热量、工质泵消耗功均随着蒸发温度的增加而增加，与基本ORC规律相同。而冷凝器换热量却随着蒸发温度的升高而降低，与基本ORC规律相反。这是由于，回热器降低了膨胀机乏气进入冷凝器的温度，减少了冷凝负荷。同时，蒸发器负荷增加率也没有基本ORC高。所以，在不同蒸发温度下，回热器的加入提高了循环性能，减少了蒸发负荷和冷凝负荷。图7为蒸发温度对回热器换热量和换热效率的影响。由图可以看出，随着蒸发温度的升高，回热图4IHORC热力计算程序框图图5蒸发温度对基本ORC和IHORC性能影响图6蒸发温度对基本ORC和IHORC能量交换的影响器的换热量和回热器效率先逐渐增加达到一个峰值后逐渐降低。主要由于当蒸发温度高到一定程度，R245fa的饱和气体线越陡，膨胀机出口乏气的放热能力受到限制。回热器峰值换热量约为15kW，回热器效率为68%左右。所以，蒸发温度对IHORC具有重要影响，适当提高蒸发温度无论对循环效率还是回热器效率都是有益的。2.2冷凝温度对IHORC的影响固定热源温度为423K，不同冷凝温度对IHORC性能的影响如图8、图9所示。由图8可以看出，随着冷凝温度的增加，循环效率和膨胀机输出功均降低。由图9可以看出，循环输出净功、蒸发器吸热量、冷凝器放热量、工质泵消耗功均随着冷凝温度的增加而降低，与基本ORC规律相同。但是回热器的增加，使循环的效率得到整体提升，而且蒸发负荷和冷凝负荷也有所降低。图10为冷凝温度对回热器换热量和换热效率的影响。由图可以看出，随着冷凝温度的升高，回热器的换热量和回热器效率逐渐降低，当冷凝温度从300K增加到340K时，回热器换热量从16kW降图7蒸发温度对回热器换热性能的影响


本文编号：3372138