中低温热能驱动的非共沸工质有机Rankine循环

有机Rankine循环(organic Rankine cycle, ORC)是目前实现200℃以下中低温热能高效热功转换的主流技术之一。非共沸工质可有效减少换热■损,实现组元性能的优势互补,扩大工质遴选范围,正在成为ORC领域研究应用的新趋势。该文总结了作者团队在非共沸ORC系统优化设计、性能分析等方面的研究进展,并在常规非共沸工质ORC的基础上引入了双压蒸发循环以改善蒸发过程的温度匹配,显著减少换热■损;引入分液冷凝方法提升了非共沸工质的冷凝换热性能,大幅降低系统成本。总体而言,非共沸工质可显著提升ORC系统的热力性能,分液冷凝方法又可有效解决其所需换热面积大、热经济性能差的缺陷;因此,非共沸工质在ORC系统中具有广阔的应用前景。     

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。     

非共沸制冷剂在工业制冷中的应用分析

非共沸制冷剂在相变过程中存在温度滑移,能够缩小相变过程的传热温差,进而减小换热器的传热不可逆损失,有利于提高制冷循环的效率,非常适合于变温热源的应用。所以非共沸制冷剂在变工况的工业制冷中有较大的应用前景。对于非共沸制冷剂,换热器选型时应注意温度滑移造成的影响,否则可能无法保证正常的换热器余量。对于冷凝器应选择泡点作为计算冷凝温度;蒸发器选型应使用露点温度。     

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%.      

HFC－32／HFC－134a在毛细管内流动的计算机模拟及分析

对非共沸混合工质ＨＦＣ－３２／ＨＦＣ－１３４ａ在毛细管内的流动状态进行了分析．从毛细管内流体流动的基本方程出发，结合非共沸二元工质的特性，应用混合法则分析了非共沸混合工质的节流过程．建立数学模型并求得在不同压差条件下的毛细管最佳长度．     

基于传热窄点的非共沸混合工质优选方法

为了解决多种非共沸工质的优选问题,提出了一种基于传热窄点的分析方法．应用CSD状态方程得到不 同非共沸工质相变时焓差随相变温度的变化规律,并在适当假设的基础上,再得到换热流体的温度分布,从而得到 不同非共沸工质的相变传热窄点位置和大小,结合统计学方法,尝试给出了一种非共沸混合工质的优选方法．针对 两种非共沸工质(R401A和R409A)应用了两种不同的比较方法,比较结果均为R401A优于R409A,但新方法更加 简便．     

非共沸混合工质通过毛细管时亚稳态流特性的试验研究

本文报导了对非共沸混合制冷剂Ｒ２２／Ｒ１４２ｂ在毛细管内流动过程中亚稳态流特性的试验研究．试验测取了在不同的流动工况和不同的工质混合比下的温度和压力沿毛细管长度的分布，通过工质混合法则求取了各测点的热物性参数，再由图示法确定亚稳态流的定量规律．试验结果表明，在采用非共沸混合工质时，毛细管内仍然存在着亚稳态流现象，同时，指出了对非共沸混合工质在毛细管内汽化过程中的亚稳态流现象进行理论分析的必要性．     

可替代R12的二元混合工质的理论与实验研究

HFCs被认为可以作为CFCs的长期替代工质，但使用HFCs会加剧温室效应，本文通过理论分析认为HFCs的温室效应完全可以通过提高此类工质的能效比来减弱，并筛选出几种有望替代R12的纯质及二元混合工质进行了理论分析和模拟计算，选择R134a和几种不同配比的R32／R134a二元混合工质进行了模拟冷水机组运行工况的制冷循环实验。结果表明一定配比的非共沸二元混合工质R32／R134a可以替代R12应用于冷水机组以及与冷水机组工况相娄似的中小型冷藏库．     

非共沸混合工质热泵节能特性的试验研究

本文对非共沸混合工质(以下简称NARB工质)热泵节能特性进行了试验研究,分析了温度、压力和充注浓度对热泵的性能系数、容量控制和热负荷等特性的影响。实验表明:混合工质比纯工质具有明显节能效果,这种效果随着混合工质中低沸点工质浓度的增加而加强,但受实际装置所限,存在着一个最佳浓度和压力选择问题。本文还对三元混合工质进行了实验研究,并与二元工质进行了对比分析。     

热泵干燥装置的低环害热泵工质分析

对低环害热泵工质的相关文献进行了较全面的分析，通过理论计算，给出了可用于热泵干燥装置的12种纯工质、7种非共沸混合工质和6种高温热泵工质，对低环害热泵工质的设计和优选方法也进行了讨论。     

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。     

流体入口温度对换热器热力学性能影响的分析

采用Ｙｏｎｇ分析方法,分析了高低温换热器的热力学特性,给出了高低温温换热器Ｙｏｎｇ效率的计算式在考虑了和不考虑压力Ｙｏｎｇ损失这两种情况下,系统地讨论了冷热流体入口温度高代温换热器Ｙｏｎｇ效率的影响。     

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.      

原油库能量系统的运行火用分析

随着我国原油储备能力的增加,原油库的生产能耗将进一步增大。对于油库这种由储油罐、输油泵、加热炉等用能单元按照一定拓扑关系连接组成的总能系统,热力学佣分析方法可从能质角度对其进行全面分析,反映能的真正价值和利用程度。论文首先采用序贯模块法确定油库系统各单元模块的节点参数,然后根据工艺流程的特点,建立了系统佣分析的灰箱模型,给出了正平衡佣效率、佣损系数及反平衡佣效率的计算式。对某油库进行佣分析的应用实例研究,结果表明加热炉的佣损系数为73.99%,是油库佣损最大的设备;在其各项佣损失中,换热佣损失高达47%。因此,提高油库佣效率的主要途径是改善加热炉换热过程的能级匹配。     

微燃机冷热电联供系统的分析

利用分析法对由微型燃气轮机、余热补燃型吸收式制冷机和余热锅炉组成冷热电联供系统进行了分析.以某用能建筑为例,分析得出了不同季节和联供系统子系统的损失和效率.夏季时,吸收式制冷机的损失最大,效率有很大的提高空间;在不用季节,余热锅炉的损失也较大,应作为主要的改进设备.通过效率分析,为联供系统的能质改进提供了一定的参考.     

热力循环中的不可避免yong损失

为了确定在热力循环中可回收的能源潜力,将其yong损失分为可避免和不可避免的yong损失,通过内可逆卡诺循环传热温差引起的不可逆yong损失力学分析,提出了利用有限时间热力学来确定在热力循环中的不可避免yong损失的方法,推导出了确定工质和热源间的不可避免yong损失的计算公式,利用推导的公式和平均温度的概念,可以对实际循环中由温差传热引起的可避免和不可避免的yong损失进行分析和计算,从而减少可避免的yong损失,以改进循环和提高循环的yong效率。     

大型低速船用柴油机余热回收装置的（火用）平衡分析

介绍了当前一般船用柴油机的余热回收装置,对特定型号主机废气余热回收装置进行（火用）平衡分析,通过计算求出了该装置的（火用）分配及利用情况,以及各装置（火用）效率的潜在提高程度.结果表明,该余热回收装置具有较高的（火用）效率和较好的经济性.（火用）分析的结果可以指导人们合理的提高（火用）的利用效率.     

烧结余热回收系统效率计算及参数动态优化

针对烧结余热回收存在的余热利用率不高、生产不稳定的难题,采用分析方法对某钢铁厂烧结余热回收系统进行研究,建立了评价系统运行效率的效率模型,并对不同运行工况下系统效率进行了计算分析.在此基础上,建立效率优化模型,并通过粒子群算法进行求解.根据不同入口余热资源量动态地调整蒸汽参数设定值,从而增加系统对变工况运行环境的适应能力.基于工业运行数据的仿真结果表明,动态优化法可使烧结余热回收系统的效率提高4%~11%.     

低温供热系统的用能分析

针对热泵装置用能效率的计算方法进行了探讨,分析了热泵提升式系统用能效率的两种计算方法.以热能效率和效率作为评价指标,对热泵提升式系统和锅炉提升式系统这两种低温供热系统的用能情况进行了能量分析与分析.计算结果表明,热泵提升式系统的热能效率要低于锅炉提升式系统的热能效率,但其效率要高于后者的效率;当低温热源的供水温度较高可直接用于供暖时,应将低温热源的热量或作为"代价"计入供给能或供给来计算热泵装置的用能效率.