低品位熱源驅動的有機朗肯循環(huán)性能研究.pdf

1、目前,能源短缺和環(huán)境污染已經成為全球經濟社會發(fā)展的雙重壓力,迫切要求節(jié)約利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)利用新能源。從我國能源和環(huán)境所面臨的形勢看,更需要加強節(jié)能減排和開發(fā)利用清潔能源工作。我國具有豐富的低品位能源如中低溫余熱能、太陽能和地熱能等,利用有機朗肯循環(huán)(ORC)將這些低品位能源轉換為功,對提高我國的能源利用率和改善環(huán)境問題具有重要的意義。
　　現(xiàn)有針對ORC性能的研究,主要采用模擬計算的手段集中于熱力學性能方面,而采用理論研究其熱力

2、學性能和考慮系統(tǒng)經濟性的相對較少,能全面考慮引入ORC對環(huán)境的影響亦相對較少。針對工質篩選的研究,以追求熱力學性能為目標會得出相反的結論。本文對ORC進行了熱力學性能分析和優(yōu)化,給出了ORC凈功的理論公式、提出了ORC工質篩選的熱力學基本原則、進一步考慮了系統(tǒng)關鍵部件的經濟性和ORC余熱回收系統(tǒng)對環(huán)境的影響、搭建了小型ORC實驗臺,對膨脹機輸出特性進行了初步研究。研究的主要內容如下:
　　(1)針對亞臨界ORC,采用直接搜索的優(yōu)化

3、方法,分別以熱效率、凈輸出電功、?效率為優(yōu)化目標對蒸發(fā)溫度和冷凝溫度進行了優(yōu)化,并討論了最佳蒸發(fā)溫度OET和系統(tǒng)不可逆性分布的影響因素。結果表明:使用不同的優(yōu)化目標,采用濕工質,優(yōu)化出的結果相同或相近;采用干工質,優(yōu)化出的結果有明顯的差別。OET是否出現(xiàn)與熱源溫度、工質臨界溫度和蒸發(fā)器夾點溫差有關。熱源溫度、蒸發(fā)器夾點溫差、膨脹機效率和冷卻水溫升的變化將影響亞臨界ORC系統(tǒng)部件中的不可逆損失分布。針對超臨界ORC,研究了膨脹機進口參數(shù)對

4、凈功、熱效率、?效率、總傳熱能力和膨脹機尺寸等的影響,結果表明:采用單一的不同目標,對膨脹機進口參數(shù)的要求不盡相同,甚至相反。
　　(2)針對亞臨界ORC模擬計算發(fā)現(xiàn)的最大凈功處對應一個OET,從熱力學基本理論出發(fā),推導出理論凈功公式。利用該理論公式,獲得了求解OET的數(shù)學關系式和亞臨界ORC工質篩選的熱力學原則關系式,討論了兩類熱源條件下工質篩選的基本原則。結果表明,對多種工質,利用OET理論關系式求解出的OET平均相對偏差小于

5、1％。與已有文獻公式相比,平均精度可提高31%。理論和數(shù)值模擬兩方面都表明:對于耦合第一類低品位熱源的ORC,以凈功為目標,要求工質具有較高的液體比熱和較低的蒸發(fā)潛熱;對于耦合第二類熱源的ORC,期望采用具有較低液體比熱和較高蒸發(fā)潛熱的工質,使系統(tǒng)熱效率(凈功)較高。在ORC取得最大凈功條件下,從凈功、工作壓力、總傳熱能力和膨脹機尺寸四個方面綜合考慮,R114、R245fa、R123、R601a、R601、R141b和R113適宜作為第

6、一類熱源條件下亞臨界ORC的工質。針對理想超臨界ORC,建立了三種不同流型蒸發(fā)器的凈功模型,探究了循環(huán)參數(shù)變化對超臨界ORC凈功的影響。結果表明,增加蒸發(fā)器傳熱單元數(shù)、提高循環(huán)中高溫和低溫比、降低工質和熱源熱容率之比都可以提高超臨界ORC凈功。由于前兩種方法的有限性,后一種方法是提高凈功輸出的最好方法。在相同條件下,超臨界ORC采用逆流型蒸發(fā)器凈輸出功最大,叉流型次之,順流型最小。
　　(3)提出一個同時反映熱力學性能和經濟性能的

7、綜合性能指標,應用該指標與單一指標進行了對比,并對亞臨界和超臨界ORC系統(tǒng)進行了優(yōu)化。結果表明:亞臨界和超臨界循環(huán)膨脹機進口參數(shù)和冷凝溫度都存在優(yōu)化值;當固定蒸發(fā)器夾點溫差10K時,亞臨界和超臨界ORC冷凝器夾點溫差分別存在一個優(yōu)化的值;當固定蒸發(fā)器和冷凝器夾點溫差之和為10K時,超臨界ORC蒸發(fā)器和冷凝器夾點溫差存在優(yōu)化的分配。
　　(4)為了全面考慮ORC系統(tǒng)的環(huán)境影響,建立了余熱回收ORC系統(tǒng)的生命周期環(huán)境影響評價模型,比較

8、了篩選出的7種工質在全生命周期內的環(huán)境影響。結果表明:ORC余熱回收全生命周期中建設階段對GWP(全球變暖潛值)和EP(富營養(yǎng)化潛值)貢獻最大;GWP是最嚴重的環(huán)境影響,其次是HTP(人體毒性潛值);環(huán)境影響總負荷最小的是R113,最大的是R114;7種工質ORC余熱回收生命周期GWP、AP(酸化潛值)、EP、HTP、SWP(固體廢棄物潛值)和SAP(煙塵及灰塵潛值)值按照從小到大順序,分別是R113、R141b(R601)、R123、

9、R601a、R245fa、R114;溫室氣體中CO2、CH4和NOx可在生命周期較短時間內得到回饋,平均回饋時間在1~6年;而CO回饋時間較長,甚至難以回饋;總GWP可在5年內得到回饋。
　　(5)搭建了小型ORC實驗臺,進行了膨脹機輸出特性的初步實驗研究。實驗結果表明,隨著膨脹機進口溫度的增加,膨脹機輸出功近似線性增加;在保持膨脹機進口溫度平均65.6℃條件下,隨著蒸發(fā)壓力的變化,膨脹機輸出功具有一個最大值,對應著一個最佳蒸發(fā)壓