空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学分析

空间核反应堆电源闭式Brayton循环一般采用氦-氙混合气体作为循环工质和反应堆冷却剂,设计者为选择合适的循环工质,需研究氦-氙混合气体配比成分变化对循环效率的影响。该文建立空间核反应堆电源闭式Brayton循环热力学模型,采用Fortran 95编程对其进行热力学分析,从绝热系数、回热器回热度、相对压损系数的变化分析了氦-氙混合气体摩尔质量变化对循环效率的影响。结果表明:绝热系数对循环效率的影响较小;回热器回热度越大,循环效率越高;相对压损系数越大,循环效率越低。由于氦-氙混合气体摩尔质量的增加,会降低空间Brayton循环压气机和透平级数,因此选择使回热器回热度达到最大时的配比成分He-8.6%Xe作为循环工质,在给定循环冷/热端温度为403K/1 300K的条件下,可以获得29.18%的循环效率。     

高温气冷堆氦气透平压气机和主氦风机研究进展

具有固有安全特性的模块式高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor, HTGR)具有反应堆出口温度高的特点,可与闭式Brayton循环或Rankine循环耦合,实现高效率的发电。氦气透平压气机和主氦风机分别是与这2种循环耦合的高温气冷堆系统中的关键动力部件,该文针对氦气闭式Brayton循环,分别从稳态与动态特性2个方面揭示其内部循环机理;同时针对循环内核心部件氦气透平压气机,开展2.2 MW样机研制与120 MW商用氦气透平压气机设计。在主氦风机研制方面,顺利完成了10 MW高温气冷堆(HTR-10)主氦风机研制与高温气冷堆示范电站(HTR-PM)主氦风机研制,获得了主氦风机完整的性能数据。为进一步确保HTR-PM项目的顺利推进,搭建了主氦风机综合试验平台,同时测试了2种主氦风机(电磁轴承主氦风机和干气密封主氦风机)的性能。取得的研究成果体现了清华大学核能与新能源技术研究院在自主研发先进核能核心装备技术上取得了重大突破。     

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。     

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.     

不可逆往复式变比热工质Brayton循环性能分析

对不可逆往复式Brayton循环的有限时间热力学性能进行模型研究.在考虑工质变比热及压缩和膨胀过程的内不可逆损失基础上,导出了循环比功和循环热效率的解析表达式.在典型循环特性参数条件下,对上述模型进行了数值计算.研究结果表明,工质变比热及压缩和膨胀过程的内不可逆损失对循环性能有一定影响,其中压缩和膨胀过程的内不可逆损失对循环性能影响更显著.研究结果对实际内燃机性能的评估及改进有一定的指导意义.     

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.     

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%.     

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。     

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.     

带节能器的CO2跨临界循环制冷系统

为避免CO2跨临界循环运行因高低压差增大而导致压缩过程偏离等熵过程太远，减小CO2跨临界循环系统损失，提高系统性能并降低系统成本，采用带节能器的CO2跨临界制冷循环，对其热力学模型进行计算分析，并与基本带膨胀机循环进行对比．结果表明，不同于传统工质带节能器制冷循环的补气压力介于系统高压和低压之间，带节能器CO2跨临界制冷循环的补气压力应介于临界压力和低压之间；其制冷系数与膨胀机效率为0．6的系统性能相当；制冷性能随蒸发温度的升高而提升，随气体冷却器出口温度的升高而降低；相对补气压力对系统性能的影响较大，当相对补气压力为0．9～1．1时制冷性能较高，在较低蒸发温度下降低压缩机排气温度的优势明显．     

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。     

内燃机余热回收ORC系统三层次评价方法

针对内燃机余热回收ORC系统评价优选的不完善性,在综合考虑安全环保可靠性、热力学性能、技术经济性及节能减排效益这三层级属性因素基础上,提出了一种结合多级非结构模糊决策的三层次评价方法:评价模型建立、系统优化和评价决策.根据提出的方法,建立了用于某柴油机排气余热回收的简单循环和回热循环系统模型,对这两系统分别采用7种工质的14个方案进行了优化与评价决策.结果表明:回热循环较简单循环系统有较优异的综合性能;考虑不同层级因素时方案间的优劣排序会产生变化.验证了此评价优选方法的可行性,可拓展应用于内燃机多余热源回收采用不同结构、循环方式和工质的ORC系统优选.     

叶片非均布对离心压气机气动性能及流动频谱特性的影响

运用数值方法,对采用不同叶片非均匀布置方案的离心压气机气动性能进行了分析,研究了叶片布置对压气机性能的影响.在此基础上,对压气机内部非定常流动进行了数值模拟.结合FFT方法对压气机无叶扩压器典型位置的压力脉动进行了频域特性分析,研究了不同叶片布置方案对无叶扩压器内的频谱与气动噪声的影响.结果表明,采用合理的叶片非均布式布置方案,可以在保持压气机性能不发生变化的情况下,有效降低离心压气机内部的压力脉动,从而起到抑制气动噪声的作用.     

燃气机热泵系统的循环工质优选

燃气机热泵系统工质的选择是影响机组性能的关键,为此,选择了6组低环害或无环害的循环工质,从制冷剂的安全性和与系统润滑油的兼容性方面作了分析,同时以CSD方程计算了各组工质的循环参数,从热力学第一定律和一次能源利用率方面进行了分析.结果表明,R290和R600a组成的混合工质的使用危险可以控制,同时与系统的润滑油兼容,具有很高的系统效率和一次能源利用率,可以替代R134a使用.     

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。     

空气/水混合工质制冷循环理论计算

介绍一种混合工质制冷循环,以空气和水两种自然物质的混合物为工质,实现绝佳的环保性能.水的相变改善了空气的压缩和膨胀过程,同时又增加了制冷量,使循环具有很高的经济性.对循环进行了简单的热力分析,并在不同的给定条件下,对各点的状态参数和循环性能参数进行了理论计算.结果表明,在膨胀功充分利用的前提下,环保制冷循环的制冷系数COP=6~7.     

非共沸混合物有机朗肯循环烟气余热利用的模拟与优化

利用Aspen HYSYS软件模拟非共沸混合物有机朗肯循环回收利用压气站烟气余热;综合考虑循环工质环保性、安全性、临界温度与热源温度的匹配性等性能,选取苯、甲苯与R141b和R123分别混合作为循环工质;提出以一段时间内的平均净输出功为优化目标,对比苯/R141b、苯/R123、甲苯/R141b和甲苯/R123作为循环...     

一种新型喷射制冷循环的理论分析

提出了一种新型喷射制冷循环.该循环系统是在常规喷射制冷循环的喷射器和冷凝器之间增加了一个液体-气体射流泵,通过该射流泵可以降低喷射器的背压,提高喷射器的喷射系数,进而改善循环性能.针对此循环进行了理论分析和模拟计算,并与相同工况下常规喷射系统做了比较,重点讨论了工质R134a发生温度和背压改变对系统性能系数的影响.计算结果显示,新循环能有效提高系统的性能系数,使其比常规循环提高1倍以上.尽管新循环消耗的泵功会有所增加,但从的角度分析,新循环可以节约10%~24%的输入,具有更高的效率.     

微型双工质透平机的设计与实现

借鉴双机联合循环热力机组高效节能的成功经验,应用能量梯阶利用原理,通过回收尾气和强制冷却的热量,使水变成过热蒸汽,成为第二工质,和燃气一起吹向透平做功。从而提高热效率和输出功率,减少压气机的自耗功、二氧化碳的排放量、对透平的热伤害,抑制氮氧化合物的生成,降低噪音,实现节能减排这一永恒的课题。