有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的換熱器效應(yīng)及雙級性能分析研究.pdf

1、能源危機和環(huán)境保護成為了當(dāng)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

2、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(xué)和傳熱學(xué)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

3、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

4、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。
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5、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(biāo)，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·kW-1之間，其他情況時差異較大；以R123、R601

6、、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。
　?。?）針對中溫?zé)嵩吹牡推肺荒茉吹拈_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(xué)及傳熱模型，研

7、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/kW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)