本文關(guān)鍵詞：非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)特性及蒸發(fā)過程傳熱傳質(zhì)研究

  更多相關(guān)文章： 非共沸工質(zhì) 組份遷移 有機(jī)朗肯循環(huán) 自復(fù)疊朗肯循環(huán) 流動(dòng)沸騰換熱

【摘要】：有機(jī)朗肯循環(huán)由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),近些年在中低溫能源利用領(lǐng)域被廣泛研究。由于大部分熱源都是變溫?zé)嵩?同時(shí),非共沸工質(zhì)具有溫度滑移和組份遷移的特性,因此,相比于純工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán),非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)具有顯著的優(yōu)勢(shì)和特性。一方面,太陽能、余熱等熱源本身具有熱源溫度不穩(wěn)定的特性;另一方面,冷卻流體的溫度會(huì)發(fā)生季節(jié)性變化。因此,對(duì)于一個(gè)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)大部分情形是在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的。同時(shí),非共沸工質(zhì)在熱力學(xué)循環(huán)中還具有組份遷移的特性,變化的冷熱源工況條件必然會(huì)對(duì)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的循環(huán)組份產(chǎn)生影響。在變化的冷熱源工況條件下,非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)特性及蒸發(fā)過程傳熱傳質(zhì)特性是本文主要的研究內(nèi)容。針對(duì)有限熱容的變溫?zé)嵩磁c冷源,首先通過熱力學(xué)推導(dǎo),得到了以Jacob數(shù)(蒸發(fā)顯熱與蒸發(fā)潛熱之比)和REC(熱力學(xué)平均蒸發(fā)溫度與冷凝溫度之比)為主,預(yù)測非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能(熱效率、凈輸出功和可用能效率)的理論公式。在此基礎(chǔ)上,討論了熱源進(jìn)口溫度、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水溫升等冷熱源溫度條件對(duì)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)最佳組份的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著熱源進(jìn)口溫度的升高,存在一個(gè)熱源進(jìn)口溫度,使得純工質(zhì)的系統(tǒng)性能比非共沸工質(zhì)的要高。當(dāng)冷卻水溫升小于工質(zhì)的溫度滑移時(shí),二者相等時(shí)存在輸出功的局部最大值;當(dāng)冷卻水溫升大于工質(zhì)的溫度滑移時(shí),溫度滑移最大時(shí)存在輸出功的最大值。自主建立了水平管非共沸工質(zhì)流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),對(duì)異丁烷、戊烷及其混合物展開蒸發(fā)壓力、質(zhì)量流速、進(jìn)口干度對(duì)換熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)比較了它們的換熱性能,并對(duì)不同的換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在相同的工況下,當(dāng)干度低于0.2時(shí),正戊烷的換熱系數(shù)高于異丁烷。而干度高于0.2時(shí),異丁烷的換熱性能要遠(yuǎn)高于正戊烷。對(duì)于純工質(zhì)來說,Liu and Winterton關(guān)聯(lián)式和Gunger and Winterton關(guān)聯(lián)式能夠很好地預(yù)測其換熱系數(shù);對(duì)于非共沸工質(zhì)來說,Jung關(guān)聯(lián)式能夠很好地預(yù)測其換熱系數(shù)�；谇懊娴膿Q熱關(guān)聯(lián)式,通過非共沸有機(jī)朗肯循環(huán)各個(gè)部件模型的建立,考慮了兩相區(qū)的相積存情況,以異丁烷和戊烷作為研究對(duì)象,考察了組份遷移對(duì)非共沸有機(jī)朗肯循環(huán)的影響。明確了相變換熱器內(nèi)沿程組份隨干度變化的情況,同時(shí)討論了充灌量和充灌組份對(duì)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的循環(huán)組份及系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),組份遷移對(duì)非共沸有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能具有顯著影響,會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的膨脹機(jī)輸出功有所降低,泵耗功有所升高,凈輸出功減少,熱效率降低。對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一定的改造,以異丁烷和戊烷作為研究對(duì)象,開展關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)(熱源進(jìn)口溫度、熱源水流量、工質(zhì)流量、冷卻水溫度,蒸發(fā)器換熱器長度)對(duì)系統(tǒng)組份遷移影響的實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證循環(huán)濃度對(duì)充灌量和充灌組份的依賴性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),低沸點(diǎn)循環(huán)組份隨著熱源進(jìn)口溫度、熱水流量和換熱器長度的增加而增加,隨著冷卻水溫度的升高而減小。對(duì)于工質(zhì)流量,當(dāng)蒸發(fā)器出口處于兩相區(qū)時(shí),低沸點(diǎn)循環(huán)組份隨著工質(zhì)流量的升高而降低;當(dāng)蒸發(fā)器出口處于過熱狀態(tài)時(shí),低沸點(diǎn)循環(huán)組份隨著工質(zhì)流量的升高而升高。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了循環(huán)組份隨著充灌量變化的反比例關(guān)系,循環(huán)組份隨著充灌組份變化的線性關(guān)系。鑒于當(dāng)?shù)亟M份遷移對(duì)系統(tǒng)組份遷移預(yù)測的重要性,展開蒸發(fā)過程組份遷移的模擬�；诜瞧胶獗∧つＰ�,通過建立質(zhì)量、能量和組份的守恒方程,得到了非平衡條件下的沿程組份,并與平衡條件進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)討論了熱力學(xué)參數(shù)(蒸發(fā)壓力、熱流密度、進(jìn)口組份和質(zhì)量流速)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在非平衡條件下,沿程低沸點(diǎn)組份要高于平衡條件下的沿程低沸點(diǎn)組份。質(zhì)量流速的增加會(huì)降低氣相中傳熱和傳質(zhì)阻力;熱流密度的增加會(huì)增加氣相中傳熱和傳質(zhì)阻力;不同進(jìn)口組份下,濃度差隨著干度的變化率趨勢(shì)不同;蒸發(fā)壓力的增加會(huì)小幅減少氣相的傳熱傳質(zhì)阻力,但是總體上對(duì)其影響不大。最后,在前面研究的啟發(fā)下,提出了新型自復(fù)疊朗肯循環(huán),分別應(yīng)用于太陽能利用和余熱回收方面,并分別進(jìn)行了熱力學(xué)分析(熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律),與單級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)和Kalina循環(huán)進(jìn)行了比較,證明了該循環(huán)的先進(jìn)性。同時(shí)展開了系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),采用異戊烷/R245fa作為工質(zhì)時(shí),自復(fù)疊朗肯循環(huán)的效率要優(yōu)于單級(jí)朗肯循環(huán)。對(duì)于太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)來說,一級(jí)太陽能出口溫度的影響最大。在其他系統(tǒng)參數(shù)固定時(shí),存在一個(gè)主回路中的R245fa質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)不可逆性最小。分離溫度對(duì)余熱自復(fù)疊朗肯循環(huán)系統(tǒng)的影響比過熱溫度更大。在固定的分離溫度和過熱溫度下,隨著蒸發(fā)壓力的升高,系統(tǒng)不可逆性降低,輸出功增加。
【關(guān)鍵詞】：非共沸工質(zhì) 組份遷移 有機(jī)朗肯循環(huán) 自復(fù)疊朗肯循環(huán) 流動(dòng)沸騰換熱
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-41
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.2 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇研究進(jìn)展14-30
• 1.2.1 工質(zhì)的分類15-17
• 1.2.2 工質(zhì)熱物理性質(zhì)的影響17-21
• 1.2.3 純工質(zhì)的選擇21-27
• 1.2.4 混合工質(zhì)的選擇27-30
• 1.3 非共沸工質(zhì)的研究現(xiàn)狀30-39
• 1.3.1 溫度滑移匹配的研究31-33
• 1.3.2 組份遷移的研究33-35
• 1.3.3 相變傳熱的研究35-39
• 1.4 本文的研究內(nèi)容39-41
• 第二章 非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的熱力學(xué)分析41-56
• 2.1 系統(tǒng)描述41-42
• 2.2 工質(zhì)選擇42-43
• 2.3 熱力學(xué)模型43-48
• 2.4 模型驗(yàn)證48-49
• 2.5 結(jié)果與討論49-54
• 2.5.1 熱力學(xué)模型與理論值比較49-50
• 2.5.2 最佳蒸發(fā)溫度的確定50
• 2.5.3 熱源進(jìn)口溫度對(duì)最佳輸出功的影響50-52
• 2.5.4 溫度滑移的影響52
• 2.5.5 冷卻水進(jìn)口溫度的影響52-53
• 2.5.6 冷卻水溫升的影響53-54
• 2.6 本章小結(jié)54-56
• 第三章 非共沸工質(zhì)水平圓管內(nèi)流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)研究56-74
• 3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體介紹57-58
• 3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要部件介紹58-61
• 3.2.1 預(yù)熱器和冷凝器58
• 3.2.2 測試段58-59
• 3.2.3 恒溫水箱59
• 3.2.4 工質(zhì)泵59-60
• 3.2.5 儲(chǔ)液罐60-61
• 3.3 主要的測量儀器61-62
• 3.3.1 溫度與壓力的測量61
• 3.3.2 質(zhì)量流量的測量61
• 3.3.3 濃度的測量61-62
• 3.4 實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備及操作步驟62
• 3.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理62-64
• 3.6 誤差分析64-66
• 3.7 結(jié)果與討論66-73
• 3.7.1 進(jìn)口干度的影響66-67
• 3.7.2 蒸發(fā)壓力的影響67-68
• 3.7.3 質(zhì)量流速的影響68-69
• 3.7.4 不同工質(zhì)間換熱性能的比較69
• 3.7.5 換熱預(yù)測模型的評(píng)估69-73
• 3.8 本章小結(jié)73-74
• 第四章 組份遷移對(duì)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的影響74-87
• 4.1 設(shè)計(jì)工況74-75
• 4.2 考慮組份遷移時(shí)非共沸工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)的模擬75-80
• 4.2.1 蒸發(fā)器模型75-77
• 4.2.2 冷凝器模型77-78
• 4.2.3 膨脹機(jī)模型78-79
• 4.2.4 工質(zhì)泵模型79
• 4.2.5 循環(huán)組份的計(jì)算79-80
• 4.3 模型的驗(yàn)證80
• 4.4 組份的影響80-86
• 4.4.1 循環(huán)組份及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響80-81
• 4.4.2 相變過程中工質(zhì)的沿程組份變化情況81-83
• 4.4.3 充灌量對(duì)循環(huán)組份的影響83-85
• 4.4.4 充灌組份對(duì)循環(huán)組份的影響85-86
• 4.5 本章小結(jié)86-87
• 第五章 關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)對(duì)組份遷移影響的實(shí)驗(yàn)研究87-106
• 5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>87
• 5.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的改進(jìn)87-88
• 5.3 組份的測量方法及驗(yàn)證88-90
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論90-105
• 5.4.1 熱源進(jìn)口溫度的影響91-94
• 5.4.2 熱水流量的影響94-96
• 5.4.3 工質(zhì)流量的影響96-98
• 5.4.4 冷卻水溫度的影響98-100
• 5.4.5 蒸發(fā)器長度的影響100-102
• 5.4.6 充灌量的影響102-103
• 5.4.7 充灌組份的影響103-104
• 5.4.8 不同工質(zhì)組元的影響104-105
• 5.5 本章小結(jié)105-106
• 第六章 非共沸工質(zhì)蒸發(fā)過程組份遷移特性理論分析106-122
• 6.1 非共沸工質(zhì)蒸發(fā)過程非平衡模型109-114
• 6.1.1 模型的假設(shè)109
• 6.1.2 界面?zhèn)髻|(zhì)過程109-110
• 6.1.3 界面?zhèn)鳠徇^程110-112
• 6.1.4 氣液相守恒方程112-113
• 6.1.5 傳熱傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算113
• 6.1.6 模型的求解過程113-114
• 6.2 平衡與非平衡條件下的比較114-116
• 6.3 熱力學(xué)參數(shù)的影響116-121
• 6.3.1 質(zhì)量流速的影響116-118
• 6.3.2 熱力密度的影響118-119
• 6.3.3 進(jìn)口濃度的影響119-120
• 6.3.4 蒸發(fā)壓力的影響120-121
• 6.4 本章小結(jié)121-122
• 第七章 新型自復(fù)疊朗肯循環(huán)的提出及理論分析122-143
• 7.1 自復(fù)疊朗肯循環(huán)的介紹122-125
• 7.1.1 太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)122-124
• 7.1.2 余熱自復(fù)疊朗肯循環(huán)124-125
• 7.2 熱力學(xué)分析125-128
• 7.2.1 太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)的熱力學(xué)第一定律分析125-126
• 7.2.2 余熱自復(fù)疊朗肯循環(huán)的熱力學(xué)第二定律分析126-128
• 7.3 工質(zhì)選擇128-129
• 7.4 計(jì)算假設(shè)及方法129-132
• 7.5 系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析132-141
• 7.5.1 R245fa質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響132-133
• 7.5.2 一級(jí)太陽能集熱器出口溫度對(duì)太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響133-134
• 7.5.3 一級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口溫度對(duì)太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響134-135
• 7.5.4 二級(jí)膨脹機(jī)進(jìn)口溫度對(duì)太陽能自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響135-136
• 7.5.5 R245fa質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)余熱自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響136-138
• 7.5.6 蒸發(fā)壓力對(duì)余熱自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響138-139
• 7.5.7 分離溫度和過熱溫度對(duì)自復(fù)疊朗肯循環(huán)的影響139-140
• 7.5.8 與太陽能有機(jī)朗肯循環(huán)的比較140-141
• 7.5.9 與地?zé)嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)和Kalina循環(huán)的比較141
• 7.6 本章小結(jié)141-143
• 第八章 全文的結(jié)論、創(chuàng)新點(diǎn)與展望143-146
• 8.1 結(jié)論143-144
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)144-145
• 8.3 展望145-146
• 參考文獻(xiàn)146-158
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明158-160
• 致謝160-161

，

本文編號(hào)：1050348