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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

基于总效率最优的中低温余热有机朗肯循环性能

为提高有机朗肯循环在回收中低温余热领域的效率,建立固定换热面积的蒸发器离散模型,分析变压力比、冷凝温度、蒸发温度和工质质量流率对有机朗肯循环性能的影响。研究结果表明:当蒸发温度和压力比一定时,存在不同的最佳冷凝温度使系统总效率和循环效率最高,其值分别可达8.95%和7.20%;当冷凝温度一定时,系统总效率随蒸发温度升高而增加;系统总效率与工质质量流率变化规律一致;而除在蒸发温度变化工况下,冷却水温度对系统总效率的影响不超过0.23%。     

回热式有机朗肯循环冷能发电系统变热源温度实验研究

针对当前开展液化天然气冷能发电的实验研究难度大且实验参考的数据少等问题,提出一种以R290为循环工质、液氮为冷源的回热式有机朗肯循环(ORC)冷能发电实验系统。通过实验研究,探索热源温度在20～55℃范围内,机械输出功、发电量、功电转换效率、热效率和冷能利用率等重要性能参数随热源温度变化的规律,并与常规ORC冷能发电系统进行比较。结果表明：在一定范围内,热源温度的增加有利于提升ORC冷能发电系统的总体性能,且系统存在一个与冷源匹配的最佳热源温度;当冷热源处于最佳匹配时,回热循环对ORC冷能发电系统的机械输出功、发电量、热效率和冷能利用率等参量有明显的提升,分别增加了26.2%、12.7%、16.4%和16.6%,但功电转换效率出现降低,下降了10.7%。这些规律将对系统运行时关键参数的调整和控制以及优化设计提供一定的参考依据。     

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.     

螺杆膨胀机有机朗肯循环系统的变工况特性

针对螺杆膨胀机的工作特点,建立了其简化热力计算模型及示功图.以R123制冷剂为工质,采用螺杆膨胀机有机朗肯循环系统进行华北油田中低温采油伴生热液的利用发电,筛选了变工况下影响系统性能的主要因素,通过迭代求解系统的稳态参数,并对比了净功率、热效率及火用损失.结果表明:过热蒸汽有利于提高单位工质的输出功率,但会引起系统的净功率下降;冷却水进口温度对系统的影响最大,夏季温度较高,将会使得系统的输出功率严重偏离额定功率,保证冷凝器的冷凝效果是改善系统性能的有效措施;热源温度对系统输出功率的影响大于热源流量的影响.     

以液化天然气为冷源的超临界CO_2-跨临界CO_2冷电联供系统

为了提高超临界CO2布雷顿循环(SCO2循环)的低温余热回收效率,采用跨临界CO2循环(TCO2循环)作为底循环对再压缩式SCO2循环进行余热回收,并采用液化天然气(LNG)为冷源对工质进行冷凝,建立了以LNG为冷源的再压缩式SCO2-TCO2冷电联供系统,以同时输出电量和制冷量。对系统进行火用分析比较,并研究了关键热力参数对系统净输出功率、制冷量、系统热效率和系统火用效率的影响。结果显示:使用LNG作为冷源,降低了TCO2循环的冷凝温度,提高了低温回收热效率,系统的热效率(动力)在给定的条件下达到54.47%;提高LNG的入口温度,可以减小系统火用损;高温回热器换热效率增加,系统热效率和火用效率均增加;SCO2透平膨胀比增加,系统热效率降低,但火用效率增加;TCO2透平进口压力升高,系统热效率和火用效率均呈现先减小再升高后减小的变化趋势;随着冷凝温度升高,系统热效率降低,但火用效率先减小后增加。     

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.      

变冷凝工况地热有机朗肯循环发电系统

针对有机朗肯循环发电系统中冷凝介质温度随环境温度变化而变化,地热源载热流体参数恒定的问题,采用EES软件计算分析了饱和有机朗肯循环发电系统在使用工质R245fa和R601a时输出净功随冷凝介质温度变化的规律,同时分析了膨胀机最佳入口温度、膨胀比和工质流量3个主要参数的变化。结果表明：当地热流体温度为130 ℃,冷凝介质温度从30 ℃降到0 ℃时,有机工质在膨胀机入口的最佳温度升高且波动幅度达15 ℃,同时系统净输出功增长达120%;工质质量流量增加超过30%,膨胀比增大约2倍。     

微型有机朗肯循环热电系统建模与性能分析

为研究环保新型有机工质应用于微型朗肯循环热电联供系统的适应性和循环效率,针对3种有机工质HFE7000,HFE7100和Neo-pentane,构建了典型微型有机工质朗肯循环热电联供循环系统,并建立了系统热力学能量流通模型,研究了循环温度、回热器温差、过热和过冷对系统效率的影响.结果表明:所选工质可适用于微型有机朗肯循环,有机工质自身性质对循环效率有一定影响;系统各项效率均随着蒸发器出口温度的升高和冷凝器出口温度的降低而增加;在循环中增设回热器有利于提高系统发电效率,有机工质在回热器进出口之间每10℃的温度差,可将微型有机朗肯循环系统的发电效率提高0.4%～0.5%;对工质采用过热和过冷手段,均会降低微型有机朗肯循环系统的循环效率.     

朗肯循环海洋温差能发电系统性能理论分析与试验

 针对海洋温差发电系统中效率低的问题，对海洋温差发电朗肯循环进行了理论分析，建立了系统中关键设备数学模型，计算了发电系统循环热效率、净输出功率。通过计算得到：当透平进口气体温度和冷凝温度一定时，循环热效率随透平进口气体压力的增大先升高后降低，且存在最大值。研建了15 kW朗肯循环海洋温差能发电系统并试验验证，得到了在模拟海洋温差下循环热效率随各参数的变化趋势与规律，同时与理论计算结果比较，验证了理论计算结果的可靠性。     

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.     

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。     

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。     

柴油机有机朗肯循环余热回收系统的动态效应

车辆在道路运行过程中,其发动机基本处于动态变工况运行状态,排气流量和温度呈现出强烈的瞬变特征,揭示有机朗肯循环余热回收系统在瞬变热源条件下的动态效应是其实现车用化的关键.基于柴油机有机朗肯循环余热回收系统的试验平台和仿真平台,首先讨论了有机朗肯循环系统在小时间尺度上的瞬态响应特征.研究发现,蒸发器的传热惯性是有机朗肯循环系统阶跃响应的主导特征,可用1阶惯性方程建模,同时受到相变边界移动、蒸发压力与温度耦合作用的影响.其次,研究了有机朗肯循环系统在大时间尺度上的道路运行特征,从宏观层面揭示了有机朗肯循环系统的综合能效与循环工况的关联关系.结果表明,循环工况的平均车速越高,怠速次数越少,则朗肯循环系统的有效做功时间越多,且蒸发压力和蒸气温度的控制效果越好,进而系统的综合能效就越高.     

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.     

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%。