柴油机变工况余热回收TEG-ORC联合系统的性能模拟

对某车用柴油机进行热负荷实验,根据其不同工况下的排气特点,设计了一个用于余热回收的温差发电(thermoelectric generator,TEG)-有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)联合系统.通过模拟计算研究了柴油机不同工况下该联合系统性能的变化规律.研究结果表明:TEG-ORC联合循环实现了余热梯级利用,联合系统的输出功率最高可达30.36,k W,其中TEG系统为2.24,k W,ORC系统为28.12,k W;柴油机指示热效率最高可以提高5.52%,加装联合系统后其指示热效率最高值为47.1%.     

基于预热器的车载有机朗肯循环余热发电系统设计

优化设计并搭建了基于预热器的、可回收膨胀后高温乏汽的小型车载有机朗肯循环(ORC)余热发电系统。利用热力学第一定律和第二定律对小型车载ORC余热发电系统进行了热力学分析和能量计算。以R123为工质,热源温度为300℃,在工质流量、压力等给定的工况下,计算系统在有无预热器的情况下各设备的热效率和系统总热效率。经计算,系统在有无预热器的情况下的总热效率分别为23.1%、10.8%,蒸发器的换热量分别为7.35 k J、4.67 k J。研究结果表明:相对于没有预热器的传统ORC系统,加了预热器的ORC系统的热效率和蒸发器的换热量都有较大的提升。     

基于预热器的车载有机朗肯循环余热发电系统的设计与研究

优化设计并搭建了基于预热器的、可回收膨胀后高温乏汽的小型车载有机朗肯循环(ORC)余热发电系统,利用热力学第一定律和第二定律对小型车载ORC余热发电系统进行了热力学分析和能量计算。以R123为工质,热源温度为300℃,在工质流量、压力等给定的工况下计算系统在有无预热器的情况下各设备的热效率和系统总热效率。经计算,系统在有无预热器的情况下的总热效率分别为23.1%、10.8%,蒸发器的换热量分别为7.35kJ、4.67kJ。研究结果表明：相对于没有预热器的传统ORC系统,加了预热器的ORC系统的热效率和蒸发器的换热量都有较大的提升。     

利用有机朗肯循环系统回收30t/h燃煤锅炉烟气余热的热经济性评估

设备选择和经济性评估对有机朗肯循环系统(ORC)热力性、经济性和环境影响至关重要。文中以R123为工质,以某厂30t/h蒸发量锅炉烟气余热回收利用作为案例,对ORC系统回收利用烟气余热进行了设备及热经济性计算分析,给出了具体设备热经济计算结果,锅炉烟道中换热管束的布置形式和尺寸。结果表明,系统单位装机容量成本为23 800元/kW,单位发电成本为0.285元/kW·h,投资回收年限为5.58年,净输出功为91.5kW,发电功率为88.5kW。考虑主要设备及运行维护费用,系统总投资约合人民币345万元。     

基于热管和两级温差发电的船舶余热利用

为了对船舶余热进行利用以达到节能的目的,结合船舶烟气余热的特点,设计了一种加装在船舶柴油机排烟管上采用热管强化传热的两级温差发电装置。通过建立温差发电有限时间热力学模型,设计了实验系统并搭建实验平台。实验后分析实验数据并验证两级温差发电装置利用余热的可行性。结果表明,在两级温差发电实验装置热端温度为473 K时,其输出功率最大可达到250 W,热效率为5.37%,在相同工况条件下,相比于单级温差发电实验装置4.04%的热效率提高了32%,证明了利用该装置对船舶余热进行回收利用是可行的。     

基于热管和两级温差发电的船舶余热利用研究

为了对船舶余热进行利用以达到节能的目的,该文结合船舶烟气余热的特点,设计了一种加装在船舶柴油机排烟管上采用热管强化传热的两级温差发电装置。通过建立温差发电有限时间热力学模型,设计了实验系统并搭建实验平台。实验后分析实验数据并验证两级温差发电装置利用余热的可行性。结果表明,在两级温差发电实验装置热端温度为473 K时,其输出功率最大可达到250 W,热效率为5.37%,在相同工况条件下,相比于单级温差发电实验装置4.04%的热效率提高了32%,证明了利用该装置对船舶余热进行回收利用是可行的。     

ORC利用工业锅炉烟气余热发电技术经济性评估

对ORC利用工业锅炉烟气余热发电系统进行经济性评估,采用不同换热器结构,对不同工质和余热温度下ORC系统净输出功、单位装机容量投资成本、发电成本和投资回收年限进行对比分析。结果表明,随着烟气流量和温度的增大,系统投资回收年限减小;以采用R123和FS换热器组合(管翅式蒸发器与壳管式冷凝器组合)时经济性最优,单位装机容量成本为23 800元/kW,单位发电成本为0.285元/kWh,投资回收年限为5.58年,净输出功为91.5kW;采用SS(蒸发冷凝器均为管壳式换热器)换热器组合时,经济性最差。热经济分析表明,R123最适合作为ORC利用工业锅炉烟气余热发电系统的工质。     

基于流程模拟的固体氧化物燃料电池-燃气轮机-有机朗肯循环联合系统的优化分析

将有机朗肯循环(ORC)作为底层循环与固体氧化物燃料电池(SOFC)、燃气轮机(GT)等能源动力系统耦合,可充分回收上层系统的低温余热进行发电,从而提高整个联合系统的能量转换效率.对SOFC-GT-ORC联合系统进行了一体化的建模分析与数值计算,讨论了SOFC的燃料和空气流率、透平的压比、ORC的分流系统等参数对联合系统性能的影响,并针对超临界工况下ORC及联合系统的运行参数进行了优化设置.所提出的基于增压SOFC-GT混合模式与超临界ORC的新型SOFC-GT-ORC联合循环及建立的一体化流程模型有助于揭示耦合系统的一般性能特性,并给出了一些关键参数的优化判据,可为SOFC-GT-ORC及同类复合动力循环系统的优化设计与运行提供理论指导和参考依据.     

三种中低温余热蒸汽发电系统的比较研究

建立了150~350℃中低温余热蒸汽低沸点有机工质联合循环(S-ORC)发电系统数学模型.比较了相同热源条件下,水蒸气朗肯循环(SRC)、有机朗肯循环(ORC)及S-ORC三种发电系统的热效率、效率、运行压力、发电量.结果表明:150~210℃热源条件下,ORC有着最高的热效率、效率和发电量;210~350℃热源条件下,S-ORC的各项性能有优势,其热效率和效率均高于SRC和ORC发电系统.     

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。     

回转窑低温烟气余热回收工艺开发与应用

针对回转窑低温烟气余热量较大及其用户供热负荷相对较小的特点,提出有效回收低位热能来发电和供热的新工艺,开发出回转窑生产工艺与供热和有机介质朗肯循环(ORC)的集成工艺,实现了低温余热的梯级综合利用,开拓了低温余热崭新的应用领域,降低了企业的生产成本,减少了污染物排放量,提高了企业的经济效益。     

国Ⅵ天然气发动机朗肯循环余热回收研究

为了提高发动机热效率,降低热负荷,文章针对玉柴某型发电用国Ⅵ天然气发动机设计了一套同时吸收发动机尾气和废气再循环系统(exhaust gas recirculation, EGR)热量的多热源水蒸汽朗肯循环余热回收系统;利用Aspen Plus软件建立了系统仿真模型,研究了不同蒸发压力和工质流量对系统效率的影响。结果表明:蒸发压力恒定时,随着工质流量增加,余热回收系统总效率先增大后缓慢减小;循环流量恒定时,随着蒸发压力的上升,余热回收系统总效率先逐渐增加后小幅度降低。针对该发动机常用工况,选取了最佳蒸发压力3 MPa和工质流量0.035 kg/s,此时系统最大净输出功率为20.26 kW,为原发动机功率的7.24%。     

低品位能源利用热力学基础及评价

我国具有丰富的低品位能源,如中低温余热能,利用有机朗肯循环(ORC)将这些低品位能源转换为功,对提高我国的能源利用率和改善环境问题具有重要的意义。研究工作进展顺利,取得了如下成果:提出了一种跨临界和亚临界有机朗肯循环耦合系统。对比单级跨临界ORC系统,耦合系统具有较高的热效率和较大的净输出功,中间耦合换热器的节点温差对系统热效率和净输出功具有重要影响。增设预热器后,虽然热效率有所降低,但其净输出功增加较多。以净输出功、热效率和发电成本为性能指标对八种非共沸混合工质在不同成分配比下的系统性能进行了分析和对比。结果表明,混合工质浓度对系统热效率、净输出功和发电成本具有重要影响,可能存在一个最佳浓度比使系统净输出功或热效率最大。计算还发现,混合工质系统经济性相对于纯工质系统并没有优势。基于热经济学原理,建立了亚临界ORC系统的多目标优化模型,优化了相关运行参数及工作流体的选择;研究了在不同热源温度条件下的亚临界ORC系统利用不同临界温度的有机工质时,系统净功、火用效率及电能产出成本与烟气出口温度的对应关系。结果表明,采用不同的性能指标对有机朗肯循环优化所得优化结果不相同,对ORC系统进行多目标优化,可以较好地"协调"各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优;存在最佳烟气出口温度使系统净功最大和电能产出成本最低,但最佳烟气出口温度总是低于最低允许排烟温度,而系统火用效率始终随烟气出口温度增加而增大。对热源进行了分类。理论和数值模拟两方面都表明:对于耦合第一类低品位热源的ORC,以净功为目标,要求工质具有较高的液体比热和较低的蒸发潜热;对于耦合第二类热源的ORC,期望采用具有较低液体比热和较高蒸发潜热的工质,使系统热效率(净功)较高。针对氢氟烃和烃等组成的二元共沸、非共沸混合工质的在不同冷源条件下的亚临界ORC循环性能分析,得到某些组分下的混合物的循环性能。并阐明了二元混合物组元沸点差、配比、冷源温升与ORC循环之间的匹配关系;设计并搭建了混合物的汽液相平衡实验台、高精度流体密度测量装置,揭示了多元混合物系p-ρ-T-x特性和相平衡特性,获得了高精度物性数据及相关理论预测模型;初步开展了混合工质关键组元的高温相平衡实验研究,模拟结果与文献实测数据有很好的一致性。     

有机朗肯循环发电系统试验平台设计

目前,我国的工业余热资源丰富,余热资源的合理利用必将对我国能源结构的改革起到很好的促进作用.有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle,ORC）是提高能源利用效率的有效途径之一.其具有结构简单、适用热源温度范围广、余热回收效率高等优点,ORC发电技术已成为余热回收领域的热点课题之一.针对低温余热ORC发电技术进行了理论分析和工质研究,完成了发电目标为20 kW、以向心透平为膨胀机的低温余热ORC发电系统试验平台的设计,并完成了数据采集及控制系统的设计.20 kW （小功率）向心透平的设计,扩大了低温余热ORC发电系统的应用范围,促进了余热资源产业的发展.     

车用发动机余热回收的新型联合热力循环

针对汽车发动机排气余热、冷却水余热和润滑油余热的特点,提出了一种新型的适用于车用发动机余热回收的热力循环系统.此系统由用来回收温度较高的发动机排气余热及润滑油余热的有机Rankine循环(Organic Rankine Cycle,ORC)和用来回收温度较低的发动机冷却水余热的Kalina循环耦合而成.基于P-R状态方程,编写了计算程序对此热力循环系统进行了热力学性能分析,还分析了采用不同有机工质对循环整体性能的影响.与传统的只回收发动机排气余热的热力循环系统相比,文中提出的构型其余热回收效率更高.当采用环戊烷为ORC工质时,循环系统的整体效率为20.83%;当采用R113为ORC工质时,循环系统的整体效率为16.51%.     

梯级回收发动机多品位余热的新型双朗肯联合循环

针对发动机排气、冷却水余热、汽轮机中膨胀后的工质乏气以及经过单级换热后的排气处于不同品位,提出了一种梯级回收发动机余热的新型双朗肯联合循环．此系统中两级循环均采用亚临界饱和循环．在第1级循环中,以水作为工质,没有预热循环,直接利用排气与其换热;在第2级循环中,以 R123作为工质,用发动机冷却水和第1级循环中汽轮机出口的工质乏气对 R123进行串联预热,预热后的工质与经过第1级换热后的排气再进行换热．结果表明：系统发出的净膨胀功和循环热效率随两级循环蒸发压力均是先增大后趋于平坦;当第1级循环蒸发压力大于12,MPa、第2级循环蒸发压力大于1.5,MPa时,净膨胀功和循环热效率增长不大．     

基于有机朗肯循环的内燃机余热回收系统准动态模拟

作为一种有效的提高内燃机整体热功转化效率的技术手段,基于有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)的内燃机余热回收技术受到越来越多的关注。通常来讲,组织合理的ORC的最关键的技术在于选择合理的循环工质和合适的膨胀机。对于车用内燃机余热回收,同时需要考虑内燃机的运行工况以及由此带来的烟气流量和温度的变化,以对余热回收系统进行有效的控制,达到最佳的工作效率。采用数值模拟的方法对内燃机排气进行余热回收,在不同软件环境下建立一维详细内燃机子模型和有机朗肯理想循环子模型,并将其进行耦合,达到根据内燃机工况变化进行准动态模拟的要求。通过对水,R123a和R245fa三种不同循环工质的考察发现,利用水作为循环工质具有最高的热效率,然而由于水是湿工质,大多情况下不能产生过热蒸汽,因而不适于作为余热回收的工质。对于两种有机制冷剂,R245fa比R123a具有更高的循环效率。通过对WHSC循环准动态模拟显示,需要对ORC的工质流量根据内燃机工况进行控制。通过目前较简单的控制,循环总效率可提高8.1%。     

车用柴油机变工况下双有机朗肯循环系统的性能分析

为充分利用柴油机的余热能量,针对一台车用六缸柴油机,设计了一套双有机朗肯循环系统,用来回收柴油机的排气能量和冷却系统具有的能量.该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环,均采用R245fa作为工质,高温循环用于回收柴油机排气能量,低温循环用于回收柴油机冷却系统能量和高温循环冷凝过程中工质所释放的能量.通过台架试验,在研究柴油机变工况下余热能分布特性的基础上,对双有机朗肯循环系统的余热能回收潜力进行了分析. 分析结果表明:在柴油机整个工况范围内,双有机朗肯循环系统的净输出功率最高可达26.58 kW,系统热效率最高可达14.62%;柴油机-双有机朗肯循环联合系统在燃油经济性和动力性方面具有明显的优势.      

基于EES的Kalina循环系统优化设计

目前在世界各国中能源消耗主要依赖石油、煤炭、天然气等不可再生资源,各行各业在积极寻求新能源的同时也加大了对节能技术的研究来提高能源的利用率.具体到船舶运输业,由于燃料的利用率不超过50%,有的甚至不到30%,造成了能源的极大浪费.为了提高燃料总能量利用率,以柴油机排放的烟气余热为热源并结合Kalina循环技术,设计一种用于船舶烟气余热回收的Kalina循环动力系统,在此基础上对循环系统的性能做了优化设计,将Kalina动力循环系统与蒸馏系统耦合组成新的一级蒸馏Kalina动力循环系统,以便提高余热回收的利用率.     

跨临界有机朗肯循环性能分析

选取24种有机工质对利用低品位余热的有机朗肯循环系统性能进行理论分析,研究发现：当膨胀机入口工质为饱和状态时,最大净功出现在T1/TC≈0.98～0.99处,且临界温度高的工质作功能力明显优于临界温度低的工质。对于超临界ORC循环,只耀P1不太低,提高T1有利于增大净功、热效率及效率。超临界ORC的作功能力并非总是优于饱和或过热ORC。所有工质状态从亚临界饱和转变为超临界状态时,净功、热效率、效率及质量流量的变化都是不连续的。