渦旋膨脹機(jī)在有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的效率研究.pdf

1、有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)作為高效利用低品位熱能的熱電技術(shù)，在解決能源短缺、環(huán)境污染等問題上很有潛力。渦旋膨脹機(jī)具有可靠性高、運(yùn)動(dòng)部件少等優(yōu)點(diǎn)，適用于小型ORC系統(tǒng)。然而渦旋膨脹機(jī)ORC的技術(shù)研究及推廣應(yīng)用卻進(jìn)展緩慢，主要原因之一是缺乏膨脹機(jī)效率方面的模型和數(shù)據(jù)。本文以渦旋膨脹機(jī)的等熵效率和容積效率為對(duì)象，重點(diǎn)研究其變化特性和理論模型，在此基礎(chǔ)上模擬ORC系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和構(gòu)建ORC測試臺(tái)。
　　具體開展工作:(1)理論分析:研究渦旋膨脹機(jī)

2、等熵效率、容積效率與相應(yīng)渦旋壓縮機(jī)效率參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型;(2)模型驗(yàn)證:以某一額定轉(zhuǎn)速2900r/min、內(nèi)置壓比2.5、排氣流量29.6m3/h的渦旋壓縮機(jī)效率為參照，對(duì)關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行誤差分析。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算分析渦旋膨脹機(jī)在冷凝溫度為30～55℃、膨脹比為2～7.5時(shí)的等熵效率、容積效率變化規(guī)律;(3)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?為滿足工程設(shè)計(jì)的需求，建立渦旋膨脹機(jī)等熵效率、容積效率隨膨脹比變化的多項(xiàng)式模型，并加以驗(yàn)證;(4)ORC模擬分析:以EES為模

3、擬平臺(tái)，分別針對(duì)R123、R124、R152a，在冷凝溫度為30～55℃區(qū)間內(nèi)，膨脹比為2～7.5區(qū)間內(nèi)，過熱度為0～20K區(qū)間內(nèi)，研究ORC系統(tǒng)的凈發(fā)電量、熱效率、(炯)效率、等參數(shù)的變化規(guī)律;(5)測試臺(tái)構(gòu)建:以R123為工作流體，設(shè)計(jì)ORC熱機(jī)，并參與測試臺(tái)的選型和建造。
　　本文研究有如下發(fā)現(xiàn):
　　(1)渦旋膨脹機(jī)的等熵效率、容積效率分別與改造前渦旋壓縮機(jī)的效率參數(shù)有較好的相關(guān)性。膨脹比在2～7.5范圍內(nèi)，利用渦旋

4、壓縮機(jī)在相應(yīng)壓力參數(shù)時(shí)的效率值作為渦旋膨脹機(jī)的效率參數(shù)，誤差小于5％。
　　(2)模擬渦旋膨脹機(jī)等熵效率和容積效率，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:(a)等熵效率在冷凝溫度為50℃、膨脹比為2.5時(shí)達(dá)到最大值70.82％;(b)在冷凝溫度為45℃、膨脹比為2的工況點(diǎn)容積效率最大為95.80％;(c)在膨脹比2～4的范圍內(nèi)達(dá)到最佳膨脹比，此時(shí)等熵效率最高在60％～70％范圍內(nèi)，容積效率達(dá)到80％以上;(d)隨著膨脹比的增加，渦旋膨脹機(jī)的等熵效率先增大

5、后減小，而容積效率持續(xù)降低;隨著冷凝溫度的提高，等熵效率和容積效率都表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。
　　(3)渦旋膨脹機(jī)等熵效率和容積效率可分別表示為以膨脹比為參數(shù)的回歸曲線，此經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算值與實(shí)驗(yàn)值誤差小于5％。
　　(4)利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)ORC系統(tǒng)模擬分析，得到以下結(jié)論:(a)膨脹比一定，凈發(fā)電量、循環(huán)熱效率、(炯)效率隨冷凝溫度的提高，呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。渦旋膨脹機(jī)內(nèi)(炯)損占系統(tǒng)總(炯)損的比例隨著冷凝溫度的升高而先減

6、小后增大;(b)冷凝溫度一定，系統(tǒng)的循環(huán)熱效率、(炯)效率存在最佳膨脹比，該膨脹比大于等熵效率峰值對(duì)應(yīng)膨脹比，不同工質(zhì)的最佳膨脹比點(diǎn)不一樣。R123、R124、R152a分別在膨脹比為4.5、4、3時(shí)達(dá)到最大循環(huán)熱效率6.72％、5.61％、7.12％。提高膨脹比導(dǎo)致渦旋膨脹機(jī)內(nèi)(炯)損占系統(tǒng)總(炯)損的比例持續(xù)變大;(c)過熱度對(duì)干、濕工質(zhì)的不同影響:干工質(zhì)(例如，R123、R142)的循環(huán)熱效率、(炯)效率隨著過熱度的提高而減小;濕