太阳能有机朗肯循环研究与应用综述

太阳能有机朗肯循环系统即采用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC),利用低沸点有机工质,将低品位的太阳辐射热能转换为高品位的机械能或电能进行输出,可进一步提高太阳能的利用率,降低系统成本。本文基于国内外相关研究成果,介绍了太阳能ORC系统及工作原理,分析了工质优选、系统性能分析与评价时所需要考虑的因素,并对太阳能ORC系统的改进与应用情况进行了综述。最后针对目前太阳能有机朗肯循环研究中存在的集热效率及系统效率不高、技术推广能力有限等问题提出了合理化建议。     

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。     

太阳能与LNG冷能耦合发电系统研究

基于能的梯级利用和品位提升原理,本文提出一种耦合太阳能和LNG冷能应用的新型燃气-氨水联合循环发电系统。该系统将中低温太阳热能间接转化为高品质电能,以氨水作为朗肯循环工质,并最大化地利用LNG冷能。从系统性能和节能潜力出发,该系统热力学第一定律效率达65%~75%,系统(火用)效率达56%~64%,均远高于常规天然气基联合循环,而引入中低温太阳热能、高温燃气新途径利用、氨水工质朗肯循环以及LNG冷能应用是系统性能提高的关键过程。本文为化石能源和可再生能源的综合互补应用提供了新思路。     

地热有机朗肯循环系统混合工质优化

针对低温饱和有机朗肯循环发电系统,以R134a、R245fa和R423a为有机工质,采用EES软件模拟分析有机朗肯循环发电系统膨胀机入口温度对系统输出功及其他参数的影响,确定低温有机朗肯循环发电系统的最佳工质选择。结果表明:随着膨胀机入口温度的增加,有机朗肯循环发电系统或膨胀机输出功存在最大值,且采用非共沸混合物R423a时系统或膨胀机输出的功最大,比采用R245 fa为工质时系统输出功增加14.9%;发电系统有机工质质量流量随膨胀机入口温度的增加呈相反趋势变化,回灌温度则与膨胀机入口温度变化趋势基本一致。     

化学热力学方法对工质热稳定性的预测与实验验证

利用150~350℃热源范围的中高温有机朗肯循环在可再生能源和工业余热利用领域具有广泛的应用前景。但是在中高温热源温度下,有机工质可能会发生热分解,因此热稳定性成为中高温有机朗肯循环工质筛选的首要限制条件。本文提出一种化学热力学方法来对有机工质的热稳定性进行预测。首先通过理论分析给出可能的反应途径;再选择吉布斯函数作为指标,计算各反应中ΔG=0时的温度,以最小值Tg作为表征热稳定性的参数。通过与已有的实验结果比较,发现不同有机工质Tg值的相对大小关系与热分解温度的相对大小关系基本一致。使用化学热力学方法对R152a的热分解温度范围进行预测并设计实验进行验证,实验结果与预测结果相符合。     

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。     

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。     

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。     

一套新型冷电联供系统的性能研究

构建了一套新型利用低品位热能驱动的冷电联供系统,由无泵的有机朗肯循环(ORC)与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷机组成,热流体首先对无泵的ORC系统加热发电,在利用无泵的ORC系统的出口热流体来对两级吸附式制冷机的吸附床进行加热制冷,在实现冷电联供,同时实现了能量的梯级利用,大幅提高热量炯的利用效率。该新型冷电联供系统主要针对的对象是太阳能、地热能以及工厂余热等利用。     

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。     

燃气-蒸汽联合循环余热回收系统性能研究

燃气发电是我国城市供电的主要形式之一,针对LNG接收站一体的电厂发电模式进行研究,提出一种新型燃气-蒸汽联合循环热电联供系统,利用超临界CO₂布雷顿循环结合有机朗肯循环(ORC)辅助发电,将LNG作为冷源,对烟气余热进行三级利用。通过构建热力学和经济模型,以Aspen Plus软件模拟值为基础,结果表明:在消耗燃料1.704 kg/s(LNG)的条件下,联合循环净发电功率可达45 MW,供热量41.5 MW,余热利用率,热效率和?效率分别为88.50%,52.79%和46.69%。结合热-经济学与参数分析,利用Matlab优化后的最小单位发电成本为0.1529 CNY/kWh。考虑到碳排放价格,供电、供热、供气收益,燃料价格和设备成本,电厂每年的理想收益可达2989.5万元。     

基于实际换热的ORC亚/跨临界综合评价

本文以有机朗肯循环(ORC)跨临界与亚临界工质换热特性最新研究成果为基础,采用热力学指标热源回收(火用)效率,以及经济学中的净现值(NPV)概念,结合换热面积分析,建立了考虑实际换热情况的热力学及经济性模型,更合理、更全面地对亚临界循环与跨临界循环的热力学性能和经济性进行了统一分析,为工程实际中亚临界和跨临界的选择提供...     

液化天然气冷能发电效益分析

通过分析LNG的温焓、温熵特性和不同压力下的可用能,揭示LNG冷能发电循环效率最大化原则和影响可用能利用率因素。同时对实际有机朗肯+直接膨胀复合循环进行参数计算,分析循环在不同压力下的LNG冷源条件下的效率及变化特点,并与不可逆卡诺循环和普通朗肯循环进行比较。结果表明,各种循环都存在一个最佳LNG冷能利用温度,使得循环性能最佳,而且随着LNG汽化压力的增大,循环效率呈下降趋势。在LNG汽化压力较高的情况下,回收直接膨胀功使得复合循环的效率及可用能利用率明显优于普通有机朗肯循环。     

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。     

Thermodynamic Performance Analysis of a Waste Heat Power Generation System (WHPGS) Applied to the Sidewalls of Aluminum Reduction Cells

To recover energy from the waste heat of aluminum reduction cells, a waste heat power generation system (WHPGS) with low boiling point working fluid based on Organic Rankine Cycle was proposed. A simplified model for the heat transfer around the walls of aluminum reduction cells and thermodynamic cycle was established. By using the model developed and coded in Matlab, thermal performance analysis of the system was conducted. Results show that the electrolyte temperature and the freeze ledge thickness in the cell can significantly affect the heat absorption of the working fluid in the heat exchange system on the walls. Besides, both the output power and the thermal efficiency of the power generation system increase with the system pressure. The output power and thermal efficiency of the system can also be affected by the type of working fluid used in the system. Working fluids for the best system performance under different output pressures were determined, based on the performance analysis. This WHPGS would be a good solution of energy-saving in aluminum electrolysis enterprises.     

废热溴化锂吸收式动力、冷、热量梯阶转换系统分析

介绍了一种利用溴化锂溶液的热力学特性,合理安排废热回收的废热溴化锂吸收式动力、冷、热量梯阶转换系统。该系统将其中一部分高品位的能量进行动力转换,其余转换成热量和冷量,实现能量梯阶转换,提高废热能源中可用能的合理利用率。利用自编的计算程序对系统的废热回收量以及能量利用与转换做了详细分析,得出烟气进出口温度对系统的能量转换的影响。     

利用LNG冷能的混合工质中低温热力循环开拓研究

为提高中低温余热回收动力系统性能,本文在常规混合工质热力循环（火用）分析基础上,提出了结合LNG冷能利用的新型混合工质热力循环。通过与LNG的有机结合,混合工质热力循环热效率提高14.5个百分点,（火用）效率达到53.6％。为进一步揭示效率提高的原因,我们比较了常规混合工质热力循环与LNG-混合工质热力循环的（火用）损失变化情况。结果表明:LNG-混合工质热力循环高效的关键在于循环平均放热温度的降低以及工质蒸发过程与冷凝过程换热的合理匹配。而LNG冷能的梯级利用则是系统具有较高（火用）效率的根本原因。     

乳品行业低温余热回收系统性能分析

针对乳品行业排风风量大但品位低的特点,本文提出利用排风余热代替蒸汽来预热干燥空气的余热回收系统.在构建预热器、回热器和主加热器等部件热量流模型的基础上,建立了不包含中间节点参数的系统整体热量流模型.结合某奶粉厂运行数据对模型进行求解,结果表明,该系统将排风温度由90℃降低到42.58℃.在给定热负荷下,通过匹配中间回路...     

Conversion of low-grade heat from FCC absorption-stabilization system to electricity by organic Rankine cycles: Simulation and optimization

In this study, the organic Rankine cycle (ORC) is applied to be integrated into the fluid catalytic cracking (FCC) absorption-stabilization system to extract and convert the low-grade process heat to electricity. This newly integrated system is simulated by the Aspen Plus software. For the simulation, eleven different dry and isentropic working fluids are selected to investigate the energy conversion performance of the incorporated ORC system. It is found that, the performance depends highly on the operational parameters, such as mass flow rate and the evaporation pressure of the working fluids, outlet temperature of the process stream. After optimization, the working fluids R124 and R227ea are determined to be the best candidates due to their highest output net work in HCT (high critical temperature) and LCT (low critical temperature) working fluids, respectively. A further optimization has been conducted based on the economic evaluations (i.e., electricity production cost (EPC) and total annual profit (TAP)). Results show that, for the HCT working fluids, the use of working fluid of R245fa allows the EPC to be the lowest, while the application of R124 obtains the highest TAP. For the LCT working fluids, R227ea is the best choice due to its lowest EPC and highest TAP.