基于有机朗肯循环的低温太阳能发电系统工质的选择

有机朗肯循环系统利用低沸点的有机物作为工质推动透平做功,在低品位热能的利用方面更有优势.循环工质的选择是影响有机朗肯循环系统性能的关键因素之一.本文针对集热温度120℃,蒸发温度在100℃以下的低温太阳能有机朗肯循环系统进行了工质的研究分析,选择R245fa,R123,R236fa,R113,R245ca,R600,R601 7种工质,以工质的热效率、火用效率及系统不可逆损失为评价指标,利用Matlab和PERPROP软件对候选工质的各热力参数进行了比较.结果表明:低温太阳能有机朗肯循环发电系统的选用R123作为循环工质时具有较高的热效率和火用效率,且系统总不可逆损失较低,适合作为蒸发温度100℃以下的低温有机朗肯循环系统的循环工质.     

发动机双回路朗肯循环的性能分析和参数优化

为提高发动机余热回收中双回路有机朗肯循环(DORC)的余热回收效率,通过热力学第一定律,建立包括蒸发器、涡轮、冷凝器和泵的有机朗肯循环模型。基于该模型,研究高温回路工质(R123、R245fa、R141b和水)、蒸发压力(1~7 MPa)和涡轮入口温度(480~680 K)对发动机余热回收系统性能的影响规律,以系统净输出功、热效率和效率为评判标准,找到最佳工质和热力参数。结果显示,高温回路蒸发压力的增加,对所有工质都有明显优化作用,而当工质被加热成过热气体后再进入涡轮做功,对湿工质水而言,过热度增大,系统性能提高,对干工质R245fa和等熵工质R123、R141b,过热度增大却没有明显优化甚至有恶化作用。水工质DORC表现最好,相应的净输出功、热效率和效率分别为95.44 k W、13.84%和63.20%。考虑系统的换热面积,R123是四种工质中最理想的工质,对应的单位换热面积的净功量为6.39 k W/m~2。     

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.      

以R123和R245fa为循环工质的车用余热回收系统的(火用)分析

针对以R123和R245fa为循环工质的车用有机朗肯循环余热回收系统,结合重型车用柴油机的试验数据针对系统进行焖（火用）分析.分析结果表明对于R123系统,在不同的发动机转速下,系统焖（火用）效率随着蒸发压力和发动机负荷增大逐渐增大,但是增长速率均逐渐减小.对于R245fa系统,在不同的发动机转速下,系统焖（火用）效率随着蒸发压力的增大先增大后减小,随发动机负荷的增大逐渐增大.蒸发器是提升中温有机朗肯循环系统系统焖（火用）效率的关键,合理选择及设计系统蒸发器将能够有效提高系统焖（火用）效率.      

亚临界有机朗肯循环发电系统热经济性分析

热经济性分析是利用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)发电技术回收低温余热设计方案的核心内容之一.利用在MATLAB软件中自编的ORC热经济性程序,计算得到了6种常见的有机工质在不同蒸发温度下亚临界ORC发电系统的系统?效率和动态投资回收期,并进行了对比分析.结果表明,对任一有机工质而言,系统?效率随蒸发温度的升高先增大后减小,动态投资回收期随蒸发温度的升高先减小后增大.有机工质R124具有最大的系统?效率,而有机工质R245fa具有最小的动态投资回收期.     

地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学分析

建立了地热驱动有机朗肯-单级压缩制冷系统的热力学模型,根据热力学第一定律和第二定律,以系统性能系数和火用效率作为系统性能的评价指标,研究分别以R245fa,R123,R114,R141b作为循环工质时,地热流温度(发生温度)、凝汽温度和蒸发温度对系统性能的影响,并筛选出适用于中温地热能驱动的有机朗肯-单机压缩制冷系统最佳工质.计算结果表明,R141b综合性能最佳,根据典型工况下R141b作为循环工质时系统火用损的分布情况,在发生器和冷凝器处进行改进将大大提高系统的火用效率.     

废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析

预测了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC)系统在变工况下的性能,循环工质为R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷).在经过实验数据验证的模型基础上,对所研究的ORC系统进行了变工况分析.结果表明:充分利用烟气余热,有助于系统性能的提高;对冷凝器中的工质应合理冷却,所研究系统的过冷度在0.5~0.6 K为宜;由于夏季环境温度大大高于冬季,所研究系统的输出功偏离额定工况30%以上;根据各地的实际情况,合理选择额定工况设计点,可以改善系统性能,使之四季工作在额定工况点周围,有利于系统有效工作.     

工质类型对回收中低温余热有机朗肯循环性能的影响

将临界温度相近的干流体和湿流体应用于有机朗肯循环以回收中低温余热,采用基于热源流体进口温度和质量流量的蒸发器换热模型,在变蒸发温度和变热源流体进口温度时,对有机朗肯循环性能进行分析与对比.研究结果表明:在相同工况下,与采用湿流体的有机朗肯循环的相比,采用干流体的有机朗肯循环的蒸发压力、冷凝压力、热源流体出口温度、循环热效率和第二定律效率较小,而其净功率、循环总不可逆损失和总热量回收效率则较大;工质的临界温度对有机朗肯循环性能参数的变化趋势无显著影响.     

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。     

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。     

移动边界模型应用于废热驱动的有机朗肯循环系统的动态仿真

针对废热回收的有机朗肯循环进行了动态仿真和实验验证.循环工质为R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷).分别采用移动边界和离散两种方式建立了蒸发器和冷凝器的模型.模型运行结果与实验数据之间的最大误差不超过4%,显示模型能够真实反映实际系统的性能.分析表明,移动边界模型具有比离散模型低的阶次,处理速度较快,更适合于以控制为导向的动态仿真和实时系统仿真,且在系统负荷突变时具有良好的强壮性.     

有机朗肯循环混合工质的热力学分析

有机朗肯循环是利用低品位余热的关键技术之一,在一定程度上可有效缓解能源危机。相比于传统的纯工质,混合工质因其在换热器中具有温度滑移特性,可以更好地与热源进行耦合。因此选用混合工质可以使机组的效率得到更进一步的提升。通过采用二次迭代的方法,热源温度为120℃时,理论分析了以R245fa为参考的6种混合工质对,其混合比例对系统输出功与效率的影响。结果表明:工质吸热量一定的情况下,系统采取混合工质可以获得比纯工质更高的输出功、热效率。当吸热量为197.29 k W时,以纯R245fa为工质的系统最大输出功与热效率分别为11.98 k W与6.07%。存在最佳混合工质对R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3),相比于纯工质R245fa,输出功与热效率分别提高了22.87%和22.89%。同时发现,无量纲积分温差ΔT~*与系统净输出功、热效率之间存在反比关系。当工质为R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3)时,在最大净输出功工况下,6种混合工质对下的最小值ΔT~*为0.233。     

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．     

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%.     

混合工质泄漏对有机朗肯循环发电系统性能的影响

基于有机朗肯循环系统中各部件、管道等密封导致的实际系统运行过程中不可避免地存在着循环工质的泄漏问题,结合余亥姆霍兹自由能状态方程、混合法则和等温泄漏模型,研究了非共沸混合工质R245fa/R601a（初始质量配比为0.6/0.4）在ORC发电系统蒸发器中泄漏率为0~50%时对混合工质配比以及循环性能的影响.结果表明:非共沸混合工质泄漏会造成混合工质配比及工质热物性的变化,系统循环性能也会改变,且蒸发出口段发生液相泄漏时对循环性能影响最大.随着泄漏率的增大,比净输出功减少率可达12.23%.      

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ORC系统的热效率。本文基于回热式ORC系统的热力学分析,选用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性能的影响。结果表明：膨胀机转速的增加使得工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功和系统净输出功有所上升,而蒸发压力和热效率下降;工质泵转速的增加会使得工质质量流量、蒸发压力、蒸发器换热量及系统净输出功升高,系统热效率先增加后降低;热源温度的升高会导致蒸发压力下降,工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功、净输出功及热效率均随之增加。     

柴油机多品位余热回收低损跨临界联合循环模拟

为了提高柴油机多品位、大温差余热的回收利用率,提出了一种低损跨临界有机朗肯联合循环,其中高温级循环用于回收温度较高的柴油机排气余热和废气再循环(EGR)余热,低温级循环回收柴油机冷却水余热、增压空气余热、与高温级循环换热后的排气余热和EGR余热.高温级对比分析了3种硅氧烷工质MM、MDM和D4,低温级选用了R143a,模拟研究了高低温级参数对循环性能的影响.结果表明:高低温级均存在最优的蒸发压力,高温级冷凝压力在允许范围内越低越好;高温级采用MM较MDM和D4循环性能更好,循环净功最高可以达到36.36,kW,损只有4.5,kW;各部分余热的利用率均在86%以上;增加高低温级的回热效能均可以提高循环性能.