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。     

超临界有机朗肯循环工质的选择

以8种有机工质(R134a.,R22,R32,R227ea,R143a,R218,RC318,R152a)作为研究对象,对其超临界有机朗肯循环的单位净输出功、循环效率、循环功比、膨胀机入口体积流量等参数进行了理论分析,结果表明以R152a和R134a为工质的超临界有机朗肯循环具有较高的单位净输出功和循环效率,以及较小的体积流量。而采用回热循环可进一步有效提高循环效率。     

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。     

采用R245fa/DMF为工质的有机朗肯循环性能分析

本文通过建立有机工质/DMF混合工质相平衡计算模型,对比了纯R245fa和其与DMF的混合物二者对有机朗肯循环中膨胀机做功的影响。其结果表明,在膨胀机进出口压比受限的情况下,利用R245fa/DMF的特殊物性,改变R245fa的液相摩尔分数,可在获得高蒸气温度的同时降低相平衡压力,并在同压比条件下获得更高的膨胀机进出口焓差,当R245fa的液相摩尔分数为0.64,温度为403 K时,焓差较纯质时由19.2 kJ/kg增大至22.84 kJ/kg;此外采用混合工质时的热效率较同压比时的纯工质高06%~1.3%。     

低温工业余热利用ORC工质选择

本文针对以85~200℃的低温工业余热作为热源的有机朗肯循环系统,基于热力学第一定律分析方法,以R245fa、R600a、R601等19种潜在工质作为研究对象,计算各有机工质在不同工业余热温度、蒸发温度及蒸发器出口过热度条件下的系统热效率,为低温工业余热资源不同温度范围匹配效率最优的有机工质。结果表明:各温度段低温余热资源对应效率最优的有机工质分别为R290、R600、CF_3I和R601,而目前应用较多的R134a和R245 fa在对应温度段的热效率也仅次于上述工质。     

超临界地热有机朗肯循环工质参数优化

本文针对中温地热流体,分析超临界有机朗肯循环工质参数对系统净输出电功的影响,确定了系统最佳运行参数及工质选择标准。采用EES软件模拟分析地热流体温度及膨胀机入口参数对系统输出净功的影响。结果表明,对超临界有机朗肯循环系统,当系统输出净功达到最佳值时,膨胀机入口温度较高,烷烃类和其他新型工质成为工质选择对象,而且在确定的地热流体温度和膨胀机入口压力下,合适选择膨胀机入口温度会使系统净输出电功达到一个最佳值。     

耦合低温热源的亚临界有机朗肯循环系统参数优化

以亚临界有机朗肯简单循环为研究对象,理论分析得到影响系统性能的独立变量:膨胀机进口温度、进口压力、冷凝温度和热源出口温度。当给定冷凝温度且以蒸发器窄点温差为约束变量时,独立变量减少为膨胀机进口温度和进口压力。在此基础上,以耦合低温热源时的系统热效率作为评价指标,对8种常用有机工质的亚临界简单系统性能的变化规律进行分析,得到循环系统全局最优性能的运行参数。结果表明:系统热效率由循环热效率和热源效率共同决定,采用有机工质R236fa、R123和R236ea的循环热效率相对较高;由于热源的耦合作用,采用有机工质R236fa、RC318和R236ea的系统热效率相对较高。     

地热温度对有机朗肯循环系统性能的影响研究

本文基于R123、R245fa和异戊烷工质对中低温地热能有机朗肯循环发电系统的性能影响进行了分析,在地源热水温度为90~140℃时,计算冷凝器、蒸发器换热量、泵功率及系统的热效率、损失、不可逆损失等。结果表明:地热源温度越高,系统热效率越高,且同一热源温度下,异戊烷作为工质的系统热效率、损失最高,R245fa次之,R123均最低。     

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。     

有机朗肯循环地热发电系统工质选择

本文针对有机朗肯循环地热发电系统,在地热水90~150℃范围内,选取5种有机工质,以最大净发电功率(W_(net,max)作为热力性目标对系统进行参数优化,并将优化结果进行比较与分析。结果表明,在选取地热水温度范围内,发电系统使用干流体作为循环工质时,经参数优化后可几乎同时达到W_(net,max)和APR_(min)。系统以W_(net,max)为目标时,工质R245fa可选为最佳适用工质。     

利用重力增压的新型有机工质热力发电循环

与水蒸气朗肯循环给水泵相比,有机朗肯循环工质泵存在技术难度大、效率低、易气蚀和单位功率成本高等问题。本文提出了一种利用重力增压的新型有机工质热力发电循环,冷凝器出口工质不经过泵而依靠重力增压,然后进入蒸发器气化。分别采用R113、R123和R245fa三种干工质分析了不同蒸发温度和冷凝温度下循环所需的重力增压高度。并基于泵的实验数据,比较了该热力循环与泵增压有机朗肯循环的性能。结果表明,相同工作温度下沸点和密度越高的工质所需的重力增压高度越小。在蒸发温度100℃和冷凝温度50℃时,若采用R113,新型循环所需的重力增压高度为22.2 m,热效率为8.1%,比泵增压循环效率高约0 8%。该重力增压循环显示了应用于热电联供领域的潜力。     

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℃。     

边界条件对非共沸混合工质有机朗肯循环的影响

有机朗肯循环是利用低温热源的有效措施之一,将非共沸混合工质应用于有机朗肯循环尚存在争论。从热力学角度研究了非共沸混合工质的选择与边界条件之间的关系,以典型的对称型混合工质R601a/R600和非对称型混合工质R245fa/R600a为例,以带内置热交换器的有机朗肯循环为研究对象,以系统净功最大化为目标,分析了冷凝泡点温度和冷却水温升固定时混合工质的最佳浓度及系统性能。研究结果表明不同边界条件的应用对非共沸混合工质的选择具有重大影响。当固定的冷凝泡点温度被采用时,非共沸混合工质的温度滑移现象会降低系统净功,当冷却水温升固定时,温度滑移的适当提高有利于系统净功的增加,但过高的温度滑移会降低系统净功。冷凝泡点温度等于冷却水初温和冷凝器节点温差之和时所对应的净功曲线对系统设计具备指导意义。     

基于粒子群算法的跨临界有机朗肯循环性能优化及工质筛选

本文针对跨临界有机朗肯循环进行了热力计算,并根据工质的热物性与环保性能以及对应循环的热力学性能等因素,经过一系列筛选过程最终优选出了10种综合性能较好的跨临界有机朗肯循环工质。热力计算结果表明,部分有机工质对应的跨临界朗肯循环的效率随膨胀机进口温度或蒸发压力的变化存在最优值。基于此,本文进一步采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对所选有机工质的跨临界朗肯循环性能进行了优化分析。优化结果表明,在所筛选的10种跨临界有机朗肯循环工质中非制冷剂工质propylene的综合性能最好,propane次之;而制冷剂工质中R143a的综合性能较好。     

HFC245fa作为有机朗肯循环工质的热稳定性和材料相容性研究

对于中高温热源,有机朗肯循环是一种高效灵活的能量回收利用方式。但在中高温热源的温度范围内,有机物可能会发生热分解,因此有机工质的热稳定性成为制约工质筛选的首要因素。HFC245fa因为其良好的热力性能和环保性,被认为是有良好应用前景的有机朗肯循环工质。本文主要对HFC245fa的热稳定性和材料相容性进行实验研究。结果表明,HFC245fa的热分解温度在300~320℃之间,且铜和铝对HFC245fa的热分解都有明显的催化作用。同时HFC245fa也会改变部分材料的物理性质,同时在材料表面产生积碳。     

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.     

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。     

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。     

混合工质(R227ea/R245fa)有机朗肯循环的动态特性研究

本文以R227ea/R245fa混合物为工质,建立了有机朗肯循环的动态模型,对不同组分混合工质的动态特性表现及稳态性能进行了分析比较。研究发现,系统响应速度与工质的质量流量、换热强度及工质物性都有着密切的联系。工质流量较大及潜热较小的工质系统热惯性更大,其响应时间更长。当混合工质R227ea/R245fa质量配比为0.5/0.5时,系统的净功最大,而最大热效率出现在R227ea/R245fa的质量比为0.4/0.6的工质系统。对于R245fa质量分数较大的工质系统,需要更加注意对蒸发器出口过热度的控制。     

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。