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%.      

二氧化碳及其混合工质跨临界朗肯循环热力学研究

利用热力学仿真的方法,研究纯CO2及其与R32,R1270,R290,R161,R152a,R1234yf和R1234ze共7种有机工质组成的二元混合工质下循环的热效率和?效率.研究结果表明:有机工质添加比上限为70％,超过该比例时回热器热侧出口温度过高,导致循环变为朗肯循环;大部分混合工质热效率随一级透平入口压力p4...     

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.     

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。     

有机朗肯循环系统研究综述

在研究了大量的文献资料的基础上,简单介绍了有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统的运行原理,并分别对ORC系统的循环工质、性能影响参数、系统优化方式以及主要应用领域等方面的研究进展进行了论述。ORC系统作为一种热力发电系统,虽具有十分广阔的发展前景,但已有研究主要集中在理论分析上,要推广其应用,仍存在许多实际问题需要解决。     

基于分析的内燃机排气余热ORC混合工质性能分析

使用非共沸混合工质可以降低ORC系统的不可逆损失.为此,建立了内燃机排气余热ORC模型,分析了不同组分非共沸混合工质toluene/R141b在不同蒸发温度和冷凝温度下的热效率、效率和损失.分析结果表明:混合工质的效率均低于纯工质;纯toluene的热效率和效率最高.使用混合工质,一方面可以拓宽工质选择范围;另一方面,由于温度滑移,混合工质可以更好地与热源匹配,减小不可逆损失.     

不同工质的有机朗肯循环系统变工况特性对比研究

针对分布式能源系统中内燃机负荷变化较大、传统的有机朗肯循环(ORC)工质优选未能关注变工况性能的问题,开展了基于变工况特性的ORC工质优选研究。首先,基于MATLAB平台构建了基于变工况特性的工质优选模型,涉及系统设计参数获取、变工况仿真和热经济性分析3个层面,具有较高的模型精度。然后,基于该模型,针对8种典型实用性工质,分析了变工况循环性能及典型全日电负荷下的热经济性能。研究表明:水在高负荷工况时的净输出功率较多,适合运行在高负荷工况条件下,而甲苯在低负荷工况时展现出较大的性能优势,适合运行在低负荷工况条件下;在考虑实际运行情况下,水的发电成本和折旧回收期为0.131美元·(kW·h)~(-1)和8.08a,而甲苯的分别为0.127美元·(kW·h)~(-1)和6.75a。这些规律进一步表明,水适用于电负荷稳定的建筑类型,而甲苯适用于电负荷瞬变的建筑类型。     

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.     

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。     

氨水工质朗肯循环

根据核供热堆热电联供热源和冷源特点，提出了与之相适应的新型动力循环－非共沸混合工质氨水朗肯循环。叙述了氨水朗肯循环的工作原理，并与同等条件下蒸汽朗肯循环进行了比较分析。结果表明，新型动力循环－非共沸混合工质氨水朗肯循环具有较高的发电效率，适合核供热堆所提供的热源和冷源条件，是一种很有潜力的低温热源新型动力循环。     

低温有机朗肯循环系统参数的理论与实验优化

着眼于低温热能的发电利用,以R245fa为循环工质、系统比净功最大为目标,针对进口温度为90,℃的热水型热源开展有机朗肯循环参数理论优化与系统参数实验优化研究.理论优化得最优蒸发、冷凝温度分别为62,℃和33,℃.ORC系统实验得最优蒸发温度为69,℃,此时系统实验比净功为4.31,kJ/kg;测得实验所用涡旋式膨胀机的最优转速和最优压比分别在800,r/min和1.9左右,在该转速和压比附近,膨胀机的定熵效率取得最大值82.7%.     

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.     

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.     

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.      

有机朗肯循环径流式汽轮机结构尺寸及等熵效率研究

针对现有的有机朗肯循环(ORC)理论优化研究中指定膨胀部件等熵效率为定值这一分析方法的不足,研究了不同压比和绝热指数对径流式单级汽轮机结构尺寸和等熵效率的影响,为基于该类膨胀部件的ORC理论优化研究提供膨胀部件等熵效率的取值依据.结果表明:汽轮机制造条件限制了高绝热指数的工质实现高压比的循环工况;A类情形(绝热指数1.1~1.5)下,汽轮机无量纲结构尺寸大体相同,等熵效率变化规律相似;B类情形(绝热指数1.6~2.3)下,汽轮机无量纲结构尺寸和等熵效率均随绝热指数的变化而明显变化;间隙损失是影响A类情形下汽轮机等熵效率变化规律的主要因素;更高的二次流损失和间隙损失是造成B类情形汽轮机等熵效率低于A类情形的主要原因;各个工质工况间汽轮机等熵效率值的差别最大可达15%左右.     

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.     

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.     

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。