有机朗肯循环系统集成及蒸发过程性能研究

发布时间：2017-10-04 11:26

  本文关键词：有机朗肯循环系统集成及蒸发过程性能研究

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【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Matlab 2011结合物性查询软件Refprop 8.0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3 mm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。
【关键词】：有机朗肯循环 余热利用 地热能 混合工质 流动沸腾
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 符号表9-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 研究背景15
• 1.2 国内外研究现状15-25
• 1.2.1 中低品位热源利用情况15-17
• 1.2.2 利用中低温热源的热力循环17-23
• 1.2.3 不同热源下有机朗肯循环工质的选择23-24
• 1.2.4 有机朗肯循环换热器的选择和夹点温差问题24
• 1.2.5 有机朗肯循环的结构24-25
• 1.2.6 有机朗肯循环膨胀机的研究25
• 1.3 已有研究的不足25-26
• 1.4 论文主要研究内容26-27
• 第2章 有机朗肯循环物理数学模型27-39
• 2.1 蒸发器模型27-30
• 2.2 有机朗肯循环热力学模型30-32
• 2.3 举例分析32-38
• 2.4 本章结论38-39
• 第3章 采用纯工质和混合工质循环的性能对比分析39-56
• 3.1 有机朗肯循环工质选取背景39
• 3.2 混合工质的组合方法39-41
• 3.3 热源的影响41-51
• 3.4 热沉的影响51-54
• 3.5 本章结论54-56
• 第4章 利用低温地热能的有机朗肯循环56-67
• 4.1 低温地热能利用现状56
• 4.2 循环工质的选取56-57
• 4.3 计算结果讨论57-65
• 4.3.1 热效率57-61
• 4.3.2 输出功61-63
• 4.3.3 最低可利用温度63-65
• 4.4 本章结论65-67
• 第5章 电站锅炉烟气余热回收67-77
• 5.1 电厂烟气特点67
• 5.2 循环工质的选取67-68
• 5.3 计算结果讨论68-75
• 5.3.1 热效率68-71
• 5.3.2 汽轮机入口温度71
• 5.3.3 过热度71-72
• 5.3.4 质量流量72
• 5.3.5 汽轮机入口体积流量72-74
• 5.3.6 ，
  
  本文编号：970391
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