有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化與軸流式汽輪機(jī)性能研究.pdf

1、隨著能源需求的增加和化石燃料儲(chǔ)量的減少，合理利用各類可持續(xù)能源和工業(yè)余熱等低品位廢熱越來(lái)越受到重視，有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)是一種回收低品位熱能的有效方式。本文圍繞ORC，主要研究?jī)?nèi)容包括:系統(tǒng)的參數(shù)分析與優(yōu)化、系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備軸流式汽輪機(jī)的熱力設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　基于熱源與有機(jī)工質(zhì)換熱過(guò)程的能量方程，通過(guò)對(duì)換熱過(guò)程冷側(cè)和熱側(cè)溫差的求導(dǎo)分析，得到窄點(diǎn)溫差位置隨系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律，建立起熱源與有機(jī)工質(zhì)的換熱模型。模型顯示，窄點(diǎn)溫差位置可由熱

2、源入口溫度和一個(gè)工質(zhì)物性復(fù)合而成的特性溫度確定。當(dāng)熱源溫度大于工質(zhì)特性溫度，窄點(diǎn)溫差位于有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)器入口溫度處;當(dāng)熱源溫度小于工質(zhì)特性溫度，窄點(diǎn)溫差位于工質(zhì)蒸發(fā)溫度處。
　　依據(jù)建立的熱源與有機(jī)工質(zhì)換熱模型，利用近似熱力學(xué)公式和ORC基本模型，建立ORC系統(tǒng)的熱力學(xué)理論分析模型。基于此理論模型，分析蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)熱度和中間換熱器以及熱源溫度對(duì)系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率的影響，并將理論分析結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)

3、確性。分析結(jié)果表明，窄點(diǎn)溫差位置極大的影響系統(tǒng)性能的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)建立的理論模型進(jìn)行簡(jiǎn)化得到簡(jiǎn)化的理論模型，從簡(jiǎn)化模型推導(dǎo)得到最佳蒸發(fā)溫度的計(jì)算公式，并通過(guò)與模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證公式準(zhǔn)確性。根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)參數(shù)分析，利用數(shù)值模擬方法對(duì)熱源溫度、蒸發(fā)壓力和冷凝溫度進(jìn)行多參數(shù)分析和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)ORC系統(tǒng)的分析表明，增加有機(jī)工質(zhì)過(guò)熱度不會(huì)提高系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率;增加中間換熱器可以提高系統(tǒng)效率，但對(duì)系統(tǒng)凈功輸出的影響非常小;系統(tǒng)效率隨熱源溫度的

4、升高而提高，當(dāng)熱源低于工質(zhì)特性溫度，存在最佳蒸發(fā)溫度使凈功輸出極大化，當(dāng)熱源溫度高于工質(zhì)特性溫度，凈功輸出隨熱源溫度升高而提高;存在最佳冷凝溫度使系統(tǒng)凈功輸出和系統(tǒng)效率取極大值。
　　根據(jù)有機(jī)工質(zhì)的熱物性，分析有機(jī)工質(zhì)膨脹過(guò)程中馬赫數(shù)、流通面積和近臨界膨脹方面的膨脹特性。依據(jù)其特性選擇AMDCKO損失預(yù)測(cè)模型，對(duì)有機(jī)工質(zhì)軸流式汽輪機(jī)的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，得到需要優(yōu)化的8個(gè)葉片結(jié)構(gòu)參數(shù):噴嘴相對(duì)節(jié)距、動(dòng)葉相對(duì)節(jié)距、噴嘴氣流沖角、動(dòng)

5、葉氣流沖角、噴嘴葉片入口角、反動(dòng)度、速比和徑比。依據(jù)AMDCKO損失預(yù)測(cè)模型，對(duì)模型中相關(guān)圖表進(jìn)行合，選擇級(jí)間效率為優(yōu)化目標(biāo)，利用遺傳算法對(duì)軸流式汽輪機(jī)單級(jí)進(jìn)行8參數(shù)化。隨后，提供了使用真實(shí)工質(zhì)物性和模型損失來(lái)確定膨脹過(guò)程中的喉部位置和當(dāng)?shù)匾羲俚姆椒ā?br>　　本文最后，依據(jù)MATLAB平臺(tái)，通過(guò)對(duì)前面的內(nèi)容進(jìn)行整理，編寫(xiě)了ORC所涉及過(guò)程的相關(guān)函數(shù)，所有函數(shù)共同組成了ORC工具箱。通過(guò)此工具箱，可以通過(guò)函數(shù)調(diào)用方式實(shí)現(xiàn)ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)