有機朗肯循環(huán)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)實驗研究及動態(tài)特性仿真.pdf

1、分類號UDC博士學(xué)位論文密級有機朗肯循環(huán)低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電系統(tǒng)實驗研究及動態(tài)特性仿真ExperimentalStudyandDynamicPerformanceSimulationforLowtemperatureWasteHeatGenerationSystemBasedonOrganicRankineCycle作者姓名：王志奇學(xué)科專業(yè)：動力工程及工程熱物理學(xué)院(系、所)：能源科學(xué)與工程學(xué)院指導(dǎo)教師：周乃君教授、博導(dǎo)答辯委員會主席：中南

2、大學(xué)2012年6月中南大學(xué)博士學(xué)位論文摘要摘要我國工業(yè)余熱特別是低溫?zé)煔庥酂豳Y源豐富，節(jié)能潛力巨大。由于缺乏有效的技術(shù)手段，低溫?zé)煔庥酂釠]有得到充分利用，使得我國的能源利用率偏低。有機朗肯循環(huán)(OrganicRankineCycle，簡稱ORC)具有蒸發(fā)壓力和冷凝壓力較低、循環(huán)熱效率高及設(shè)備相對簡單等優(yōu)點，是一種有效的低品位余熱發(fā)電技術(shù)。圍繞該技術(shù)開展相關(guān)的研究工作，對提高我國能源利用率，改善我國低溫余熱資源利用技術(shù)缺乏的現(xiàn)狀具有重要的

3、意義。本文在廣泛查閱相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，建立了ORC系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用模擬退火算法對系統(tǒng)參數(shù)進行了優(yōu)化計算，為系統(tǒng)選取了合適的工質(zhì)；搭建低溫?zé)煔庥酂岚l(fā)電實驗裝置，對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)性能進行了實驗研究；建立了ORC系統(tǒng)的動態(tài)過程數(shù)學(xué)模型，對熱源溫度、工質(zhì)泵頻率發(fā)生階躍變化時系統(tǒng)的動態(tài)特性進行了仿真分析。本文完成的主要工作與相關(guān)結(jié)論如下：1)有機朗肯循環(huán)的參數(shù)優(yōu)化及工質(zhì)選擇。在對有機朗肯循環(huán)進行熱力分析的基礎(chǔ)上，以單位輸出功率所需

4、換熱面積及系統(tǒng)熱回收率為目標(biāo)函數(shù)，建立ORC系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型；以蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)器及冷凝器管內(nèi)的介質(zhì)流速為設(shè)計變量，采用模擬退火優(yōu)化算法，利用Matlab軟件編寫計算程序?qū)ρh(huán)參數(shù)進行了優(yōu)化計算；在最優(yōu)工況下，分析熱源溫度、蒸發(fā)器的最小傳熱溫差、蒸發(fā)器面積富裕度以及工質(zhì)物性參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；建立系統(tǒng)的經(jīng)濟分析模型，對比分析了最佳條件下系統(tǒng)的經(jīng)濟性。2)優(yōu)化結(jié)果分析。結(jié)果表明：隨著工質(zhì)沸點的升高，循環(huán)的最佳蒸發(fā)壓力逐漸減小

5、；系統(tǒng)的最佳蒸發(fā)壓力隨著熱源溫度升高而增大，當(dāng)蒸發(fā)壓力接近工質(zhì)的臨界壓力時，熱回收率最大；當(dāng)熱源溫度低于180。C時，在研究的工質(zhì)中R123的綜合目標(biāo)函數(shù)值最小，發(fā)電成本最低，為最佳工質(zhì)。熱源溫度高于180。C時，循環(huán)采用R141b更加適合；蒸發(fā)器內(nèi)最小傳熱溫差為15℃時，系統(tǒng)的綜合性能更高；隨著蒸發(fā)器面積富裕度的升高，單位輸出功率所需換熱面積線性增加，而熱回收率變化很小。熱源溫度較低時，系統(tǒng)的發(fā)電成本與投資回收期隨熱源溫度的升高而迅速