低温热能有机物朗肯循环发电系统的最佳负载特性实验研究

针对低温热能的回收利用,搭建了采用涡旋膨胀机的有机物朗肯循环发电实验系统,以异丁烷为工质,研究了热源温度和负载对小型有机物朗肯循环发电系统性能的影响.结果表明:在不同的热源温度和工质流量条件下,都存在一个最佳负载电阻,使得系统具有最大的发电功率、比发电功率和发电效率;在设计发电系统时,应为涡旋膨胀机匹配合适的永磁发电机和负载电阻,以使系统发挥最优性能;当热源温度不超过120℃时,系统的最大发电功率为1.05kW,最高发电效率为4.51%,膨胀机的最大转速和膨胀比分别可达2 922r/min和3.03.     

小型低温余热发电系统膨胀机输出特性试验研究

依据有机朗肯循环原理,采用R123作为循环工质、涡旋膨胀机作为能量回收机械,建立了小型低温余热发电试验系统,分析了相同热源入口温度和流量、不同工质流量的两种工况下膨胀机转速对系统性能的影响.结果表明:涡旋膨胀机的吸气压力和吸气温度随转速的增加而降低,排气压力和排气温度随转速的增加而增加;系统发电功率和系统热电效率随着转速的增加而降低;涡旋膨胀机的容积效率随着转速的增加而增加.两种工况下系统最大发电功率分别为0.66 kW和0.62kW,最大系统热电效率均为2.1%,容积效率变化范围分别为38.5%～56.5%和39.7%～60.0%.     

低温烟气余热发电实验系统设计及性能

采用R123为工质,以热风炉产生的烟气模拟工业炉排放的烟气作为实验热源,通过设计和搭建基于有机朗肯循环的余热发电系统实验台,研究膨胀机输出功率、系统热效率以及效率随系统状态参数的变化规律。实验结果表明:膨胀机输出功率随蒸发压力和热源温度的升高而增大,实验条件下的最大输出功率为645 W。系统热效率随工质蒸发压力的升高而增大,最大热效率为8.5%。系统效率随蒸发压力和热源温度的升高而增大,实验条件下的最大效率为3.5%。工质过热度的提高不利于提升系统的综合性能。     

回热式有机朗肯循环系统热力性能

膨胀机和工质泵作为有机朗肯循环系统的重要动力部件,在不同的热源温度下,合适的膨胀机及工质泵转速能够有效提高有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)系统的热效率.基于回热式ORC系统的热力学分析,选用1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa)为工质研究了膨胀机转速、工质泵转速以及热源温度对系统...     

采用二元非共沸工质的有机朗肯循环热力学分析

建立了亚临界混合工质有机朗肯循环热力学模型,基于沸点差法提出了混合工质筛选方案,以净输出功为目标函数优化了蒸发参数和质量配比,针对不同热源温度筛选出了最佳混合工质;比较分析了最佳混合工质和最佳纯工质的系统性能参数、损分布.结果表明,各热源温度下最佳混合工质的净输出功均超过了同热源温度下的最佳纯工质,增长幅度为0.13%~5.04%.较小的汽化潜热和接近冷却水温升的冷凝温度滑移是混合工质净输出功大于纯工质的主要原因;混合工质的膨胀机进口处压力、温度均低于纯工质,最大降低幅度分别达到了27.08%和9.93%;混合工质的膨胀机损和冷凝器损均小于纯工质,总损也低于纯工质.     

烧结冷却废气余热有机朗肯循环发电系统性能分析

以烧结矿环冷机末端出口流量为7.6×105 m~3/h、平均温度为170℃的冷却废气为研究对象,基于低温余热有机朗肯循环系统,采用R123,R245fa和R600作为循环有机工质,研究工质蒸发温度、过热度和冷凝温度对系统性能的影响。研究结果表明:系统净输出功率和总的不可逆损失随工质蒸发温度、过热度和冷凝温度的增大而逐渐减小;系统热效率随蒸发温度增大而增大,而随冷凝温度增大而减小,工质过热度增大对系统热效率的影响不大;当系统操作工况一定时,工质R600的净输出功率最大,而工质R123的系统热效率最高,且总不可逆损失最小;在实际操作过程中,为了获得较大系统净输出功率,应选择R600作为循环有机工质,设定蒸发器出口工质为饱和蒸汽状态,并采用较低的工质冷凝温度。     

地热能全流发电用两相单螺杆膨胀机理论膨胀过程热力特性研究

针对地热能发电技术存在的系统效率与热源利用率低的问题,对全流循环发电系统中替代传统汽轮机使用的单螺杆膨胀机进行了热力特性分析。基于质量守恒方程、能量守恒方程与湿蒸汽维里状态方程,建立了考虑液体闪蒸与气液平衡的单螺杆膨胀机理论全流膨胀过程的热力学模型,探索了进气温度与干度对气液两相工质状态及膨胀机热力特性的影响机理。结果表明：当进气温度由140℃升高至170℃时,湿蒸汽工质的质量、压力和温度均得到提升,单螺杆膨胀机的输出功率也由210 kW提升至约260 kW,等熵效率在进气温度为160℃时取得77%的最佳值;进气干度的提高会减少进入工作腔湿蒸汽工质质量,进而导致膨胀结束后介质压力与温度的降低,但显著促进了膨胀机的性能参数包括输出功率和等熵效率的提高,当进气干度为0.3时,单螺杆膨胀机的输出功率超过了500 kW,等熵效率也可达76.5%。上述研究结果对应用于地热能全流发电的两相单螺杆膨胀机的热力特性分析与改善以及全流发电技术的优化有一定的参考意义。     

一种低温太阳能热发电循环系统的理论分析

提出一种可以有效利用太阳能来生产电力同时也提供一定热能或热水的动力系统。该系统基于有机朗肯循环,采用低沸点工质作为循环工质。选用R245fa(五氟丙烷)为工质,针对该系统在理想循环与实际循环下的性能进行对比分析,分析膨胀机进口压力、膨胀机进口温度和过热度等对系统性能产生影响的一些关键因素,并对循环系统中是否带回热器对性能的影响进行对比分析。对设定输出功率为2 kW的系统进行分析。研究结果表明:膨胀机进口温度(压力)越高,系统的循环效率越高,而过热度需要综合考虑设置在合理范围内。     

螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统分析

针对100℃以下流体的余热回收,建立了采用低沸点工质的双循环螺杆膨胀机余热回收系统优化模型,根据工质在蒸发器出口的热力状态不同,对不同膨胀过程求解,并分析了影响系统性能的主要因素.结果表明:对于工质蒸发温度的选择,当可以忽略蒸发侧泵耗时,宜采用以机组效率最大为目标进行优化设计,当必须考虑蒸发侧泵耗时,宜采用以系统效率最大为目标进行优化设计;对于螺杆膨胀机膨胀比的选择,当余热温度<100℃时,工质R245fa的最佳膨胀比为4,丁烷的最佳膨胀比为3,当余热温度>100℃时,最佳膨胀比的值增大;对于循环工质的选择,应考虑单位质量做功能力强、蒸发压力低和最佳膨胀比小的有机物等.     

模块化螺杆膨胀发电机组转速控制模型

为研究基于有机朗肯循环的模块化螺杆膨胀发电机组的动力机转速控制,建立了螺杆膨胀机转子的动态响应模型.对满液式蒸发器建立一种固定边界分段模型,并采用一阶惯性环节对模型进行补偿.针对模块化螺杆膨胀机组无调节阀直接控制进入螺杆机工质流量的特点,提出通过控制热源流体侧调节阀来间接控制螺杆机转速的方法.针对热源流量变化对工质蒸气流量及焓值都会产生影响的情况,分别建立系统的流量通道及焓通道模型.在Matlab中分别建立对应的系统动力机转速控制模型并仿真.仿真结果表明:通过控制热源流体流量来控制动力机转速的控制策略可行;相对于工质焓值,工质蒸气流量在转速调节中起主要作用.通过对转速、热源流量以及比例-积分-微分控制器参数等扰动信号的仿真分析可知,该控制系统具有较强的稳定性.     

低温有机朗肯循环系统参数的理论与实验优化

着眼于低温热能的发电利用,以R245fa为循环工质、系统比净功最大为目标,针对进口温度为90,℃的热水型热源开展有机朗肯循环参数理论优化与系统参数实验优化研究.理论优化得最优蒸发、冷凝温度分别为62,℃和33,℃.ORC系统实验得最优蒸发温度为69,℃,此时系统实验比净功为4.31,kJ/kg;测得实验所用涡旋式膨胀机的最优转速和最优压比分别在800,r/min和1.9左右,在该转速和压比附近,膨胀机的定熵效率取得最大值82.7%.     

热电热泵在非设计工况条件下的性能分析

 采用直流电源模拟太阳能电池板输出不稳定电压驱动热电热泵工作,通过实验测试研究了在连续长时间工作、电压跳跃变化和极限电压工况下,热电热泵冷端温度T_c、热端温度T_h、冷热端温差T_d的变化对其制冷/制热的性能系数（COP）的影响。结果表明,在适宜的电压范围内,热电热泵的制冷速度快、工作性能稳定且能够长时间连续工作,而制热效果明显优于制冷效果,制热效率（E_h）平均高于制冷效率（E_c）约0.8;热电热泵的最佳工作电压区间为2~4 V,此时的冷端温度低、制冷量大、COP 值在理想范围(E_c=0.87~1.89,E_h=1.75~2.75);随着工作电压增高,热电热泵的冷热端温差增大,COP 值减小,当电压大于8V 后,冷热端温差大于45℃,COP 值降至最小,工作性能较差。     

串联式汽车尾气热电发电系统台架试验

利用低温型Bi2Te3基热电器件构建一种4层串联结构的汽车尾气热电发电系统,通过台架试验测试了系统的输出性能并分析其影响因素.结果表明：当热电器件的最高热端温度达到其最大耐热温度时,系统的可回收最大功率约为60 W;采用一体化间接冷却方式难以降低系统的冷端温度,从而导致温差不明显;在相同条件下,中间2层串联热电器件的总体输出性能较好,适当减小集热器的尺寸,可以提高其热容量和表面温度,从而提高系统的输出性能.     

利用化工过程余热的有机工质向心透平气动性能分析

针对化工蒸馏过程产生的余热(121~146℃),采用R600a工质,进行了150kW级的有机工质向心透平初步设计.在通过一维气动计算获得有机工质向心透平初步结构参数和性能参数的基础上,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟研究了有机工质向心透平设计工况的气动特性,获得了总体性能及流场分布情况.研究结果表明,在透平入口温度110℃、透平入口压力1.6 MPa条件下,有机工质向心透平质量流量4.17kg/s、压比3.2、效率82.7%、输出功率150.5kW,在设计工况下流动顺畅,效率高,满足有机工质发电系统对膨胀机的要求.研究成果可以为化工过程余热利用的有机工质向心透平设计提供基础数据.     

增湿型空冷器喷嘴热工特性比较实验研究

针对空冷机组在夏季高温天气不能满发的问题,采用喷雾增湿以降低入口空气的干球温度,选用波纹板式增湿型空冷器对3种喷嘴布置方式的降温特性、空气侧与热水侧阻力、传热特性进行实验研究.结果表明,在空气冷却效果及热水冷却效果方面,压力式螺旋型喷嘴较优.得到了3种喷嘴布置方式的波纹板式空冷器阻力降关联式、换热系数关联式.通过对喷嘴喷雾降温特性的研究,拟合得到了接触系数与空气质量流速和水汽比关联式.     

200K/40W自由活塞斯特林制冷机的实验研究

针对温度为200 K低温冰箱,研制了一台大冷量自由活塞斯特林制冷机.实验测试了充气压力和制冷温度对压缩机共振频率的影响;研究了膨胀机固有频率和运行频率对位移相位差的影响关系;采用多点热负荷静态复温法测试了制冷机的静态冷损,证明了氦气和丝网导热对静态冷损影响极小.该样机在200 K时最大制冷量可达40 W(250 W输入).     

200 K/40 W自由活塞斯特林制冷机的实验研究

针对温度为200 K低温冰箱,研制了一台大冷量自由活塞斯特林制冷机.实验测试了充气压力和制冷温度对压缩机共振频率的影响;研究了膨胀机固有频率和运行频率对位移相位差的影响关系;采用多点热负荷静态复温法测试了制冷机的静态冷损,证明了氦气和丝网导热对静态冷损影响极小.该样机在200 K时最大制冷量可达40 W(250 W输入).