本文關鍵詞：有機朗肯循環(huán)系統集成及蒸發(fā)過程性能研究

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【摘要】：太陽能、地熱能、生物質能以及工業(yè)余熱中都蘊含著大量的中低溫熱源,其數量大,但能量品位低,難以驅動水蒸汽朗肯循環(huán)進行發(fā)電循環(huán)。有機朗肯循環(huán)(ORC)由于其工質的蒸發(fā)溫度可以和中低溫熱源達到較好匹配,被認為是中低溫熱能利用的有效方式。通過Matlab 2011結合物性查詢軟件Refprop 8.0編寫程序,建立蒸發(fā)器溫度分布模型和ORC熱力計算模型,分析純工質和混合工質在大范圍熱源、熱沉組合情況下ORC系統特性,總結出ORC工質的選取規(guī)律；將ORC模型應用在地熱和電廠煙氣余熱,分析總結各自熱力循環(huán)特點；搭建換熱實驗臺,對純工質和混合工質在水平管中的沸騰換熱進行了研究。對超臨界、亞臨界工況下蒸發(fā)器中溫度的分布建立模型,并提出匹配系數用以評估不同工質在蒸發(fā)器中與熱源的匹配程度。以此為基礎,建立ORC熱力計算模型。分析了工質本身的特性對ORC性能的影響,包括工質屬于純工質或混合工質,工質/組分的臨界溫度、組分的構成配比、工質升溫曲線與降溫曲線的形狀；介紹了一種選取與熱沉匹配的混合工質的方法；計算了不同熱源、熱沉溫度滑移情況下使用不同工質的ORC性能表現。研究結果表明：在高蒸發(fā)器熱源側入口溫度和低蒸發(fā)器熱源側溫度梯度時,純工質比混合工質表現優(yōu)異；反之,混合工質表現更加優(yōu)異。在蒸發(fā)器熱源側溫度梯度較小時,高臨界溫度的工質有較高的熱效率；在蒸發(fā)器熱源側溫度梯度較大時,低臨界溫度的工質有較高的熱效率。從應用于中低溫地熱能的ORC系統出發(fā),針對不高于90℃溫度范圍的地熱熱源進行了ORC系統性能分析：在變熱源出口溫度時,純工質超臨界循環(huán)擁有更大的對外輸出功,但在對大輸出功工況附近穩(wěn)定性很差,輸出功隨熱源出口溫度變化較大；混合工質循環(huán)的對外輸出功次高,純工質亞臨界循環(huán)最低,但是這兩者運行壓力較低,安全性較高；所有工質都存在一個最低可利用溫度,純工質超臨界循環(huán)的工質的此值較高,純工質亞臨界循環(huán)和混合工質循環(huán)的此值略低。從應用于電廠煙氣余熱回收的ORC系統出發(fā),針對利用一個220 MW電廠排煙余熱的ORC系統性能分析。結果表明：以熱效率為目標函數,匹配冷源的混合工質的性能最優(yōu),比匹配熱源的混合工質的熱效率高6.01%,比純工質的熱效率高8.81%；匹配熱源的混合工質的過熱度最小,純工質的過熱度最大；從減少系統總換熱面積的角度考慮,匹配熱源的混合工質表現最優(yōu)；回熱器與蒸發(fā)器的換熱量之比隨升溫壓力的變化有一最大值,所以在選取回熱器時,要注意留有足夠的容量裕度；進行了經濟性分析,投資回收周期為4.5年。介紹了水平管內流動沸騰實驗臺的搭建過程,完成了內徑3 mm不銹鋼管在蒸發(fā)壓力0.2-0.84 MPa范圍內的流動沸騰實驗。針對適用于ORC的一種純工質(R245fa)和一種混合工質(R134a/R245fa,質量比0.82/0.18),研究了質量流量、熱流密度和蒸發(fā)壓力對其流動沸騰的影響,進行了流動沸騰的可視化研究,擬合了適用于該混合工質的沸騰換熱關聯式。
【關鍵詞】：有機朗肯循環(huán) 余熱利用 地熱能 混合工質 流動沸騰
【學位授予單位】：華北電力大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 符號表9-15
• 第1章 緒論15-27
• 1.1 研究背景15
• 1.2 國內外研究現狀15-25
• 1.2.1 中低品位熱源利用情況15-17
• 1.2.2 利用中低溫熱源的熱力循環(huán)17-23
• 1.2.3 不同熱源下有機朗肯循環(huán)工質的選擇23-24
• 1.2.4 有機朗肯循環(huán)換熱器的選擇和夾點溫差問題24
• 1.2.5 有機朗肯循環(huán)的結構24-25
• 1.2.6 有機朗肯循環(huán)膨脹機的研究25
• 1.3 已有研究的不足25-26
• 1.4 論文主要研究內容26-27
• 第2章 有機朗肯循環(huán)物理數學模型27-39
• 2.1 蒸發(fā)器模型27-30
• 2.2 有機朗肯循環(huán)熱力學模型30-32
• 2.3 舉例分析32-38
• 2.4 本章結論38-39
• 第3章 采用純工質和混合工質循環(huán)的性能對比分析39-56
• 3.1 有機朗肯循環(huán)工質選取背景39
• 3.2 混合工質的組合方法39-41
• 3.3 熱源的影響41-51
• 3.4 熱沉的影響51-54
• 3.5 本章結論54-56
• 第4章 利用低溫地熱能的有機朗肯循環(huán)56-67
• 4.1 低溫地熱能利用現狀56
• 4.2 循環(huán)工質的選取56-57
• 4.3 計算結果討論57-65
• 4.3.1 熱效率57-61
• 4.3.2 輸出功61-63
• 4.3.3 最低可利用溫度63-65
• 4.4 本章結論65-67
• 第5章 電站鍋爐煙氣余熱回收67-77
• 5.1 電廠煙氣特點67
• 5.2 循環(huán)工質的選取67-68
• 5.3 計算結果討論68-75
• 5.3.1 熱效率68-71
• 5.3.2 汽輪機入口溫度71
• 5.3.3 過熱度71-72
• 5.3.4 質量流量72
• 5.3.5 汽輪機入口體積流量72-74
• 5.3.6 ，
  
  本文編號：970391
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