MM工质热分解及其对ORC系统影响的研究

热稳定性是限制有机工质在有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)使用的重要因素。硅氧烷类工质具有低毒环保、化学性质稳定等优点,适用于150~350℃热源。本文研究了六甲基二硅氧烷(MM)工质热分解的特点及其对ORC系统的影响,结果表明,MM的热分解产物为硅氧烷类化合物及微量气态小分子碳氢化合物;热分解将导致系统性能下降,分解量足够大时,会出现蒸发器换热不充分导致膨胀机入口处工质干度低于1从而影响机组安全的问题。     

有机朗肯循环工质热稳定性研究进展

介绍了有机朗肯循环(ORC)工质热稳定性研究进展,总结归纳了ORC工质热稳定性在实验和理论两方面的研究成果,并对现有的ORC工质热稳定性实验方法进行了分析。结合分析结果对ORC工质热稳定性研究进行展望,指出未来可能的发展方向。     

有机工质热稳定性的离解能预测方法

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)在可再生能源和工业余热等领域有着广泛的应用,目前热源温度范围更高的超临界ORC由于其高效率、低损失等优势得到广泛的关注。随着热源温度的提高,有机工质的热稳定性成为更为重要的工质性质,是工质筛选工作中需要首先确定的关键因素。目前针对有机工质热稳定性的研究主要集中在实验方面,而要对上百种适用工质进行筛选,合适的理论预测方法是必要的。本文提出了一种对有机工质热稳定性进行预测的离解能预测方法,可以实现对于不同种类有机工质热稳定性的理论预测。计算结果表明工质的最小离解能能够很好的表征工质热稳定性的相对大小;同时选择HFE7100作为验证对象对预测方法进行实验验证,发现实验结果与预测结果相符合。同时通过对最小离解能的计算对不同官能团对工质热物性的影响以及不同种类工质在超临界ORC中的适用性进行了分析讨论。     

基于HFOs工质的有机朗肯循环系统热经济性能分析

本文建立了150℃地热水驱动的有机朗肯循环(ORC)系统热经济性能分析模型,对7种氢氟烯烃类(HFOs)工质和3种含HFOs的混合工质开展优化分析。以系统净现值(NPV)为优化目标,采用遗传算法对蒸发温度、过热度、蒸发/冷凝过程夹点温差和冷源出口温度等五个系统参数进行优化,分析各参数对系统热经济性能的影响。并将HFOs工质的热经济性能与R134a、R600a和R245fa进行对比。结果表明,R515A和R1234ze(E)的热经济性能最优,且均优于三种对比工质;其中,R515A的系统净输出功最大,R1234ze(E)的NPV最大,而R452B和R1234yf的热经济性能较差。     

内燃机余热回收有机朗肯循环系统研究综述

有机朗肯循环(Organic Rankine cycle, ORC)系统是一种回收内燃机余热的有效方案之一,目前受到越来越多的关注。由于内燃机余热形式多样,温度梯度大且存在变温特性,基本有机朗肯循环用于回收内燃机余热有一定难度。本文对内燃机有机朗肯循环系统的相关研究进行了综述,以余热最佳匹配循环为基础,分别从工质和系统结构方面对比分析了超临界ORC,混合工质ORC,双回路ORC和添加额外回路ORC四种方案。采用温熵(T-S)图映射法,根据有机朗肯循环与理想循环的接近度,总结了多种有机朗肯循环系统用于内燃机余热回收的潜力。分析发现在相同的循环系统下,具有较高临界点的工质和有较大的温度滑移的混合工质更有优势,相同工质下,双回路ORC和添加额外回路的ORC是解决内燃机余热波动的合理方案之一。     

正戊烷热稳定性和材料相容性对超临界ORC系统设计的影响

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)在可再生能源和工业余热领域都有着良好的应用前景,特别是超临界ORC系统目前得到广泛关注。工质的热稳定性和材料相容性是工质的重要物性,对系统设计有很大的影响。本文以正戊烷为例,对热稳定性和材料相容性对超临界ORC系统设计的影响进行研究。提出了一种冷凝器改造装置方案,并建立ORC系统仿真模型对其改善效果进行验证;计算结果表明本文提出的改造方案可以明显改善正戊烷热分解带来的负面影响。同时对中高温工况下正戊烷的材料相容性进行实验研究。实验结果表明,304不锈钢相对铜材料有更优的相容性,从材料相容性角度来说是更合适的蒸发器材料。三元乙丙橡胶(EPDM)被证明会吸收正戊烷,因此不能用于正戊烷超临界ORC系统中;聚四氟乙烯(PTFE)相比氟橡胶(FKM)有更优的相容性,从材料相容性角度来说是更合适的膨胀机出口密封材料。     

有机朗肯循环系统及其透平设计研究

本文对可用于工业低温余热回收的有机朗肯循环(ORC)热力系统进行简述,采用热力学第一定律、热力学第二定律分析ORC热力系统及其效率,并对有机工质动力透平的特点及设计造型进行概述。最后采用F11,R123,R245ca,R600和R600a为工质,设计有机朗肯系统回收某一工业余热,并以R123为工质进行有机工质透平的气动设计、造型设计和CFD模拟计算研究,并对透平进行造型优化。研究表明,以R123为工质的有机朗肯循环系统能有效可靠利用该工业余热,所设计的有机工质透平基本达到设计要求,透平造型的优化设计能有效改善透平叶轮内部流动。     

超临界ORC系统综合性能优化

应用有机朗肯循环(ORC)进行低温余热的回收,不但注重其热力学性能还要考虑其经济性。本文分别选取R125和R143a作为超临界ORC的工质,采用EES软件,应用四种综合性指标对超临界ORC参数包括膨胀机进口压力、冷凝温度和换热器夹点温差进行了优化。结果表明,在工业锅炉中常见的排烟温度423.15 K的条件下,采用F_4作为综合指标进行优化时,获得的循环参数最好,适宜作为超临界ORC的优化指标;以F_4作为目标进行优化,超临界ORC膨胀机进口参数和冷凝温度都存在优化值;当蒸发器和冷凝器夹点温差固定其中一个时,另外一个可能存在优化的状况;当蒸发器和冷凝器夹点温差之和固定为某一值时,蒸发器和冷凝器夹点温差存在优化的分配。     

R245fa有机朗肯循环发电系统运行性能实验研究

有机朗肯循环(ORC)利用低温热源实现热电转化的技术特点,是实现余热有效回收利用的重要途径。基于R245fa为循环工质的ORC发电系统,研究低温热源温度变化对系统循环热效率与发电效率的影响。结果表明:在冷却端温度不变的工况下,热源温度的提高使循环蒸发压力上升,膨胀比增大,等熵效率提升,膨胀做功能力增强,系统循环热效率、熵效率、发电效率均增大。夏季运行,冷却水进水水温为(30±1)、(35±1)℃,热源温度从89.6℃升至112.5℃时,系统发电效率分别由6.9%、5.8%升到8.7%、7.4%,系统■效率分别由43.4%、38.8%升到62.7%、62.3%。     

发动机余热利用蒸气动力循环的工质筛选

本文针对汽油发动机余热温度的特点,采用有机Rankine循环(Organic Rankine Cycle,ORC)回收发动机的排气和冷却水废热。利用计算机程序对循环中各主要状态点的热力参数和热力性能进行了理论计算,确定了最佳参数值,进行了有机工质的筛选。最终选定环戊烷和R113作为发动机余热回收利用蒸气动力循环的工质。     

低温热能有机朗肯循环工质选择及性能分析

工质的性能是影响有机朗肯循环性能的重要因素之一。基于工质热力性质、环保性等要求,选择R123、R600a、R601a、R245fa、R236ea、R245ca、R142b及R601作为循环工质,在不同的蒸发温度下,对其热力循环性能进行计算分析,从热效率、系统净输出功、效率等方面进行比较。结果表明:R123是适合低温热能有机朗肯循环系统的循环工质。同时研究分析了膨胀机进口温度和进口压力对系统性能的影响,发现工质以饱和蒸汽状态进入膨胀机膨胀做功,可以使系统性能达到最佳。     

碱木质素、聚糖和LCC组分对黑液热解产物特性的影响

对麦草碱法制浆黑液中三种主要有机组分碱木质素、聚糖和木质素-碳水化合物复合体(LCC)的热解产物特性进行了研究,探讨了三种有机组分对黑液热解产物的影响规律.结果显示,黑液低温热解产生的CO来自于聚糖组分;碱木质素和LCC组分是黑液热解焦油中酚类化合物的主要来源,而热解焦油中呋喃类化合物主要是由聚糖组分热解产生的;碱木质素、聚糖和LCC半焦水蒸气气化过程中固体转化率随半焦形成温度的升高而减小.     

基于AHP-熵值法的双级有机朗肯循环综合评价

为改善单目标评价局限性,获取双级有机朗肯循环(ORC)系统的综合最佳性能,选取8种有机工质,针对低温地热水,以输出功、热效率、效率、单位净功输出所需换热面积APR、单位电力产出成本LEC为评价指标,采用AHP-熵值法对其进行综合评价分析。结果表明,不同指标下最佳蒸发温度与最优工质不同;热源温度为373 K时,各工质综合评价指标ξ值为R1234yfR227eaR600aR1234zeR245faR236eaR236faRC318,高温级最佳蒸发温度为351 K,低温级最佳蒸发温度为330 K;热源温度为383 K、393 K、403 K、413 K、423 K、433 K时,最优工质为R1234yf、R227ea、R245fa、R236fa、R236fa、R600a,最佳蒸发温度随热源温度升高逐渐升高,接近临界温度后具有下降趋势,各工质在接近临界温度工作时具有较高性能。     

流体饱和蒸气压实验中杂质影响的修正

实验样品杂质对于高精度流体热物性实验有显著影响。本文以新环保工质1-氯-3,3,3-三氟丙烯[HCFO-1233zd(E)]的饱和蒸气压实验为例,细致讨论了样品纯化方法;通过气相色谱-质谱联用确定了杂质种类,以理想溶液模型为基础发展了饱和蒸气压杂质影响修正的计算方法,讨论了主要杂质种类对修正量的影响。提出了一种在杂质种类不能完全确定的情况下,合理确定饱和蒸气压杂质影响的方法。修正后的实验数据与已有的高精度饱和蒸气压实验数据具有较高的一致性。     

ORC换热设备结构与操作参数多目标同步优化

随着全球性的能源紧缺和环境问题日益严重,通过充分利用可再生能源和工业余热资源,从而提高能源利用效率是缓解能源和环境问题的重要方式。有机朗肯循环(ORC)是最有应用前景的低品位热能发电技术之一。本文针对ORC系统建立了结构参数和系统操作参数同步优化的换热设备多目标优化模型,采用R245fa为工质和板式换热器,以效率最大和比投资成本最小为目标函数。首先分析了单个变量(蒸发压力、冷凝压力、过热度、蒸发器板间距、冷凝器板间距)对系统性能的影响,然后选取了系统的运行参数(蒸发压蒸发压力、冷凝压力、过热度)和换热器的结构参数(蒸发器和冷凝器的板长、板宽、板间距)九个参数为决策变量,利用遗传算法进行ORC换热设备结构与操作参数多目标同步优化,获得多目标优化的Pareto最优前沿及对应的最优系统运行参数和最佳换热器结构参数组合。     

工业余热有机朗肯循环参数优化和分析

本文选取湿流体R134a与R152a和干流体R123与R245fa为工质,对亚临界有机朗肯循环,采用不同的优化目标,进行了蒸发温度和冷凝温度的优化分析。在冷凝温度一定条件下,探讨了蒸发温度对系统性能的影响以及热源初始温度对工质最佳蒸发温度的影响。结果表明,在常见的排烟温度423.15 K条件下,采用干工质,不同优化目标下蒸发温度和冷凝温度优化值差异较大;而湿工质的蒸发温度和冷凝温度优化值差异较小。采用湿工质的系统优化的净电功大于干工质的,但热效率低。湿流体R134a与R152a临界温度低于热源初始温度(20±2)K时,系统存在最佳蒸发温度。可以合理调节系统部件中(火用)损来改变系统热力学性能。     

有机朗肯循环与吸附制冷串级连接的可行性研究

提出了一种新型串级连接,即将有机朗肯循环(ORC)与氯化钙/氯化钡两级吸附式制冷机组串联起来。ORC系统工质选为R245fa,假设等熵效率与功电转化效率乘积为0.4,当膨胀机进口压力从0.6 MPa变化到1.1 MPa,能量效率、效率、发电量变化范围分别是3.9%~5.5%、34%~31.5%、392~600 W,如果增加回热器后,能量效率从4.2%变化到6.0%;利用压缩空气模拟工质R245fa推动膨胀机,当进口压力为1 MPa时,膨胀机的等熵效率与功电转化效率乘积是0.53,发电量为300 W;两级吸附式制冷系统,当热源温度从75℃变化到95℃,制冷量、能量效率及媚效率变化范围分别是1.42~2.2 kW、13.4%~16.8%、18.1%~16.6%;有机朗肯循环与两级吸附制冷串连起来,热源温度为98℃时,系统总的能量效率为11.8%,媚效率为23.7%,发电量为560 W,制冷量是2.2 kW.     

蒸发器夹点温差对ORC系统性能影响的研究

为研究蒸发器夹点温差对有机朗肯循环系统性能的影响,本文运用Aspen Plus建立系统模型,研究了不同工质(R245fa、R1234ze、R1234yf、R134a、R600a)和热源温度(105～165℃)对有机朗肯循环系统的热力性能的影响;此外,选取净输出功率、■效率、热效率和自定义的综合评价指标f(x)来衡量系统的性能。结果表明:随着夹点温差的增大,系统净输出功、■效率和热效率均降低,而f(x)值先降低后升高,即存在最优夹点温差。R134a、R1234yf、R1234ze、R600a、R245fa五种工质对应的最优夹点温差分别为18、9、12、15、15℃,其中R245fa的f(x)值最小,性能最佳。此外,工质为R245fa时,当热源温度为105℃时,系统性能最佳,最优夹点温差15℃。     

基于热力学第二定律的有机朗肯循环效能分析北大核心

利用烟气余热驱动有机朗肯循环,可以实现对其余热的综合梯级高效利用。以100℃~150℃烟气余热高效梯级利用为研究目标,综合考虑工质的热物性、安全性和环保性的影响,选取R113,R123,R11,R141b,R600,R245fa六种制冷剂作为有机朗肯循环的工质。基于热力学第二定律分析了六种工质参与的简单有机朗肯循环的效能,研究了热源温度对系统循环性能参数的影响。研究表明,有机朗肯循环的不可逆损失主要集中在蒸发器和膨胀机部分,冷凝器和水泵的损失较小,基本可以忽略;蒸发器部分损失最大,基本达到了总不可逆损失的一半。     

二元环保型混合工质一次分凝循环性能优化

应用定循环运行压比优化方法,对采用环保型二元混合工质的单级压缩一次分凝循环,进行了-60℃温度位的循环性能数值优化。计算结果表明,影响循环COP的因素有混合工质成分(工质组元、工质浓度)和循环压力位(循环低压和循环压比),必须综合考虑进行优化。不可燃混合工质R23/R134a、R23/R227ea和R23/R236ea中,R23摩尔浓度为0.55和0.6的R23/R236ea循环在压比为7和10时,分别有最大的COP;自然混合工质R170/R290、R170/R600a和R170/R600中,R170摩尔浓度为0.65和0.7的R170/R600循环在压比为7和10时,分别有最大的COP。