ORC與非恒溫?zé)嵩磽Q熱匹配對(duì)工質(zhì)篩選及系統(tǒng)性能的影響.pdf

1、有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)是回收低品位工業(yè)余熱促進(jìn)節(jié)能減排的重要技術(shù)手段，過(guò)去十年間大量學(xué)者對(duì)循環(huán)本身進(jìn)行研究，取得了豐富的成果。但是目前該技術(shù)尚未大范圍推廣，還有若干關(guān)鍵問(wèn)題比如如何減小ORC機(jī)組與熱源換熱中的不可逆損失、如何在考慮換熱匹配的影響下選擇合適的工質(zhì)、如何評(píng)價(jià)熱源對(duì)機(jī)組主要部件蒸發(fā)器及膨脹機(jī)之間(炯)損分布及匹配的影響等亟待解決。對(duì)于低溫非恒溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)，熱源條件及其與循環(huán)的相互作用顯然對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響。本文的目的

2、正是研究此類(lèi)熱源對(duì)工質(zhì)篩選及循環(huán)性能的影響。
　　非恒溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的ORC，蒸發(fā)器中的(炯)損情況對(duì)機(jī)組性能具有重要影響，但是目前換熱過(guò)程的匹配程度與不可逆損失之間還沒(méi)有明確的量化關(guān)系，因此本文嘗試建立兩者間的聯(lián)系，從而為通過(guò)控制換熱路徑實(shí)現(xiàn)控制不可逆損失提供理論基礎(chǔ)。有機(jī)工質(zhì)的定壓比熱容在臨界區(qū)發(fā)生突變，在質(zhì)量流量一定時(shí)，T-Q圖上的換熱過(guò)程線(xiàn)斜率在臨界區(qū)附近有明顯變化，這為利用變比熱控制換熱路徑提供了可能。本文第二章首先通過(guò)推導(dǎo)

3、換熱過(guò)程積分溫差及無(wú)量綱(炯)溫度的表達(dá)式建立了換熱路徑與換熱不可逆損失之間的聯(lián)系，證明了積分溫差與不可逆損失之間的擬線(xiàn)性關(guān)系，將對(duì)不可逆損失的衡量轉(zhuǎn)化為對(duì)積分溫差的衡量。之后提出利用工質(zhì)比熱變化改善換熱匹配的模型。對(duì)于固定兩側(cè)流體出入口溫度的換熱器，計(jì)算了流體變比熱對(duì)換熱積分溫差的影響，提出可使換熱過(guò)程不可逆損失最小的比熱組合，對(duì)于減小ORC機(jī)組與熱源換熱中的不可逆損失有一定指導(dǎo)意義。
　　目前對(duì)于亞臨界循環(huán)的最佳工質(zhì)尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)

4、論，對(duì)于熱源的影響及關(guān)鍵物性的影響討論不足。本文以增大輸出功及減小積分溫差為目標(biāo)，為亞臨界及跨臨界循環(huán)建立工質(zhì)篩選準(zhǔn)則。第二章數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)沒(méi)有采用實(shí)際的工質(zhì)物性及壓力等參數(shù)，而第三、四章根據(jù)熱力學(xué)定律建立模型，以REFPROP9.0數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)際物性為基礎(chǔ)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。首先研究有機(jī)工質(zhì)在100～300℃熱源條件下，亞臨界飽和蒸汽基本循環(huán)中的表現(xiàn)，以輸出功和換熱器面積為篩選指標(biāo)，同時(shí)考慮毒性、可燃性、環(huán)境影響等因素。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，臨界溫度Tc

5、低于熱源入口溫度Tgas,in的工質(zhì)，不同的Tc對(duì)輸出功影響明顯，Tc高于Tgas，in的工質(zhì)，不同的Tc對(duì)輸出功的影響不明顯。能夠提供最大輸出功的工質(zhì)，是T-S圖上包絡(luò)線(xiàn)與熱源線(xiàn)相切或接近相切的工質(zhì)，其臨界溫度低于熱源入口溫度15～25K。其它物性對(duì)循環(huán)熱效率的影響規(guī)律較分散，僅考慮輸出功時(shí)臨界溫度可以作為工質(zhì)篩選準(zhǔn)則。第四章利用約束熱源出入口溫度的熱力學(xué)模型，計(jì)算工質(zhì)在非恒溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)的跨臨界ORC中的表現(xiàn)，分析蒸發(fā)器內(nèi)窄點(diǎn)溫差及工質(zhì)

6、物性對(duì)循環(huán)性能的影響。結(jié)果表明，Tc低于煙氣出口溫度的工質(zhì)，及Tc高于0.88倍煙氣入口溫度的工質(zhì)，臨界溫度是循環(huán)效率的主要影響因素;Tc在上述范圍之間的工質(zhì)，干濕性對(duì)循環(huán)效率影響顯著，濕工質(zhì)效率明顯高于干工質(zhì)。所有循環(huán)中，該臨界溫度范圍內(nèi)的濕工質(zhì)熱效率最高。Tc高于0.88倍煙氣入口溫度的工質(zhì)，窄點(diǎn)溫差可能出現(xiàn)在蒸發(fā)過(guò)程中或蒸發(fā)器出口，從熱力性能角度看，窄點(diǎn)出現(xiàn)在蒸發(fā)過(guò)程中的循環(huán)明顯優(yōu)于窄點(diǎn)出現(xiàn)在蒸發(fā)器出口的循環(huán)。改變熱源入口及出口溫

7、度不會(huì)影響上述結(jié)論。
　　以上二至四章主要關(guān)注了熱源對(duì)蒸發(fā)器的影響，沒(méi)有考慮蒸發(fā)器與膨脹機(jī)之間的聯(lián)系。熱源影響蒸發(fā)器內(nèi)的燥損，而蒸發(fā)器與膨脹機(jī)間又存在(炯)損匹配問(wèn)題。近期有文獻(xiàn)報(bào)道顯示積分溫差會(huì)影響膨脹機(jī)效率，并由此影響機(jī)組整體效率。為了反映熱源對(duì)蒸發(fā)器及膨脹機(jī)之間(炯)損分布及匹配的影響，提出了將膨脹機(jī)效率假設(shè)為無(wú)量綱積分溫差的函數(shù)的熱力學(xué)模型，用數(shù)值模擬的方式復(fù)現(xiàn)以R123為工質(zhì)采用渦旋膨脹機(jī)的ORC實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在給定蒸發(fā)器面