余热资源的能级及其与ORC工质的匹配

鉴于温度作为余热资源品位评价具有一定的局限性,提出了基于热力学函数e的余热能级评价指标——可用能势e和可用势能级ω,对具有显热、潜热和压力属性的余热资源(如烟气、水蒸气)进行定量评价.同时,e也是系统工质做功能力的体现,以此作为定量指标,有利于实现余热资源与系统工质的匹配,为工业余热有效利用提供指导.基于e分析了ORC系统中热源与工质的匹配特性及有机工质在蒸发器内做功能力提升途径.结果表明:可用能势准则可定量反映余热资源所含的显热、潜热及压力势能水平,能够对余热资源的能源品位和利用潜力进行综合评价;与夹点温差法相比,可用势分析法更能反映资源与工质的匹配特性,可作为选择ORC工质的一种参考.     

有机朗肯循环系统动态特性

设计并搭建了以R123为循环工质的有机朗肯循环试验台,并对其动态运行特性进行了研究.该机组采用涡旋膨胀机作为热工转换设备,采用导热油锅炉模拟低温热源,并在试验过程中保持导热油出口温度为150℃.通过交流测功机测量膨胀机输出转矩、转速及功率.对机组动态特性的测试分为两种模式:恒流量模式和恒转矩模式.在恒流量模式下,R123的质量流量恒定,随着膨胀机转矩的逐步增大,膨胀机进出口压比增大,同时膨胀机入口过热度减小,系统输出性能表现为膨胀机输出功率和机组热效率的增大.相对而言,在恒转矩模式下,以工质泵运转频率9 Hz为界,膨胀机进出口温度可分为两个明显的区域:温度稳定区和温度快速下降区.随着R123质量流量的增大,膨胀机入口过热度减小,输出功率增大,而系统热效率增大趋势较为平缓.两种运行模式都存在最大输出功率.同时,试验结果表明系统输出功率和热效率的实测值明显低于通过膨胀机进出口温度计算得到的计算值.实测机组最大输出功率和热效率分别为2.62 kW和5.31%,而计算值为3.87 kW和9.46%.     

超临界CO2再压缩/再热燃煤发电系统热力循环

煤在我国处于基础能源地位,发展变革性燃煤发电技术具有重要意义.与超临界水蒸气朗肯循环相比,超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿循环具有效率高及系统紧凑等优点,是未来动力循环的发展方向,但S-CO_2燃煤发电面临循环构建、锅炉压降及烟气余热吸收等关键难题.为此,本文发展了热力学、CO_2流动传热及烟气余热能量分布综合模型,研究了S-CO_2再压缩/再热燃煤发电系统热力学特性,首次发现热效率曲线对于一次再热和二次再热出现交叉,进而提出了S-CO_2循环采用一次再热或二次再热的筛选准则.针对锅炉烟气余热吸收问题,本文通过揭示主蒸气温度和压力间的内在关系,提出了调节主蒸气压力方法,结果表明该方法可有效吸收烟气余热,但受材料耐压极限所制约,因而本文在S-CO_2再压缩/再热循环基础上,引入烟气冷却器,以解决烟气余热吸收问题,给出了烟气冷却器与热力系统间的最佳集成模式,所构建的燃煤发电系统热效率达50.82%,锅炉效率达94.43%.本文为发展S-CO_2燃煤发电系统奠定了理论和技术基础.     

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过...