【摘要】：能源危機和環(huán)境保護成為了當今世界面臨的兩大難題,而對低品位能源的發(fā)開利用成為了解決此難題的最直接有效的途徑。在諸多低品位能源開發(fā)利用的途徑中,有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)由于設(shè)備簡單、應(yīng)用范圍廣泛等優(yōu)點,日益獲得人們越來越多的關(guān)注,成為了目前低品位能源開發(fā)利用研究的重點。在ORC的工程實際應(yīng)用過程中,由于其熱源溫度較低,使得系統(tǒng)的熱效率較低,系統(tǒng)成本較高,如何提高整個系統(tǒng)的性能成為亟需解決的問題。本文分別以亞臨界有機朗肯循環(huán)和雙級有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)為研究對象,建立系統(tǒng)模型,運用熱力學和傳熱學原理對系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化分析,得到了以下結(jié)論:(1)對有機朗肯循環(huán)的基本特性進行研究,主要研究系統(tǒng)性能的變化規(guī)律,并研究工質(zhì)臨界溫度對上述參數(shù)的影響;同時對最佳工況時系統(tǒng)的運行參數(shù)及此時的系統(tǒng)性能進行對比分析,并研究了煙氣溫度對工質(zhì)的選擇性;研究了蒸發(fā)器夾點溫差對系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明:循環(huán)熱效率均隨著蒸發(fā)溫度的升高而增大;在蒸發(fā)溫度升高過程中,對于臨界溫度較高的工質(zhì),凈功輸出一直在增加,在接近臨界溫度時凈功最大,而?效率總體上是先增加后減小的;而對于低臨界點工質(zhì),?效率一直在增加,在蒸發(fā)溫度接近其臨界溫度時,?效率最大;換熱器的換熱效能UA值隨溫度的升高而減小,對于高臨界點工質(zhì)這是很明顯的,總體上,UA值由高臨界溫度工質(zhì)到低臨界溫度工質(zhì)逐漸增大。通過對采用R245fa、R600a、R600、n-pentane、n-hexane五種工質(zhì)的亞臨界有機朗肯循環(huán)對比發(fā)現(xiàn):綜合考慮循環(huán)最大凈輸出功、蒸發(fā)壓力及冷凝壓力,R245fa是最合適的工質(zhì),熱源溫度為150℃時對應(yīng)最佳蒸發(fā)溫度為93℃;各工質(zhì)的最大凈輸出功均隨著蒸發(fā)溫度的增加而增加,在不同的煙氣溫度下,最適工質(zhì)不同,一般與該工質(zhì)的臨界溫度相對應(yīng),隨著煙氣溫度升高,最佳工質(zhì)對應(yīng)于較高臨界溫度的工質(zhì)。在熱源溫度150℃條件下,隨著蒸發(fā)器夾點溫差的增加,凈輸出功將會減小,?效率下降,出口煙溫會增加,但蒸發(fā)器UA值會減小。(2)在相同系統(tǒng)邊界條件下,以亞臨界有機朗肯循環(huán)為研究對象,研究了循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律,并以系統(tǒng)面積凈功比(area per unit net power output,APR)為優(yōu)化目標,重點分析研究換熱器類型對APR的影響。研究結(jié)果表明:采用板式換熱器的亞臨界ORC系統(tǒng)的最優(yōu)面積凈功比最小,采用管殼式時次之,采用板翅式最大,且采用板式換熱器系統(tǒng)最優(yōu)面積凈功比均在4.7-5.1 m2·k W-1之間,其他情況時差異較大;以R123、R601、R601a和R600為工質(zhì)的亞臨界有機朗肯循環(huán)系統(tǒng),系統(tǒng)最優(yōu)面積凈功比時系統(tǒng)蒸發(fā)壓力較接近,而工質(zhì)為R245fa時最優(yōu)蒸發(fā)壓力差異較大;板翅式換熱器隨其APR值偏大,但由于其通過擴展二次換熱面有利于提高換熱器性能,尤其適用于兩側(cè)對流換熱器系數(shù)相差較大的場合;在本文選定系統(tǒng)邊界條件下,推薦采用板式換熱器與R123。(3)針對中溫熱源的低品位能源的開發(fā)利用途徑雙級有機朗肯循環(huán)進行研究分析,通過簡化假設(shè),建立熱力學及傳熱模型,研究分析了整個系統(tǒng)性能的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:在一級蒸發(fā)壓力增大的過程中,采用n-pentane/R600、isopentane/R114為工質(zhì)的雙級循環(huán)的系統(tǒng)熱效率與?效率均先增大后減小,系統(tǒng)的凈輸出功則一直減小,而系統(tǒng)的面積凈功比先減小后增大;采用R141b/R245fa的循環(huán)系統(tǒng)的熱效率和?效率隨著一級蒸發(fā)壓力的增大而增大,而系統(tǒng)凈輸出功和系統(tǒng)面積凈功比(維持在4.5m2/k W左右)基本維持不變;三個循環(huán)系統(tǒng)一級循環(huán)與二級循環(huán)中的工質(zhì)均隨一級蒸發(fā)壓力的增大而發(fā)生變化,但均在一個很小的幅度內(nèi)發(fā)生變化。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK172

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