螺杆膨胀机有机朗肯循环系统的变工况特性

针对螺杆膨胀机的工作特点,建立了其简化热力计算模型及示功图.以R123制冷剂为工质,采用螺杆膨胀机有机朗肯循环系统进行华北油田中低温采油伴生热液的利用发电,筛选了变工况下影响系统性能的主要因素,通过迭代求解系统的稳态参数,并对比了净功率、热效率及火用损失.结果表明:过热蒸汽有利于提高单位工质的输出功率,但会引起系统的净功率下降;冷却水进口温度对系统的影响最大,夏季温度较高,将会使得系统的输出功率严重偏离额定功率,保证冷凝器的冷凝效果是改善系统性能的有效措施;热源温度对系统输出功率的影响大于热源流量的影响.     

车用柴油机变工况下双有机朗肯循环系统的性能分析

为充分利用柴油机的余热能量,针对一台车用六缸柴油机,设计了一套双有机朗肯循环系统,用来回收柴油机的排气能量和冷却系统具有的能量.该双有机朗肯循环系统包括高温循环和低温循环,均采用R245fa作为工质,高温循环用于回收柴油机排气能量,低温循环用于回收柴油机冷却系统能量和高温循环冷凝过程中工质所释放的能量.通过台架试验,在研究柴油机变工况下余热能分布特性的基础上,对双有机朗肯循环系统的余热能回收潜力进行了分析. 分析结果表明:在柴油机整个工况范围内,双有机朗肯循环系统的净输出功率最高可达26.58 kW,系统热效率最高可达14.62%;柴油机-双有机朗肯循环联合系统在燃油经济性和动力性方面具有明显的优势.      

道路工况下有机朗肯循环系统节能潜力分析

针对有机朗肯循环(ORC)的研究集中于理想发动机而对真实道路工况下的研究不足的现状,对真实道路工况下ORC系统的节能潜力进行了分析。利用GT-Suite软件中的不同模板,分别建立了发动机、ORC系统、动力传输系统和其他零部件的模型,并在此基础上建立了整车仿真模型。仿真结果表明,发动机和ORC系统模型准确。利用所建整车模型分析了新欧洲驾驶循环(NEDC)和重型柴油车(HHDDT)高速巡航两种道路工况下发动机的排气能量特性、ORC系统的运行特性及节能潜力。结果表明:NEDC工况下的发动机排气能量波动较大,变化范围为5.8～36kW,平均能量回收效率为2.01%,其中,市区工况下的平均排气能量为10.3kW,平均能量回收效率为1.34%,郊区工况下的平均排气能量为18.3kW,平均能量回收效率为3.32%;HHDDT高速巡航工况下的发动机排气能量波动较小,变化范围为5.2～27.7kW,平均排气能量为20.0kW,平均能量回收效率为4.01%;ORC余热回收系统更适用于高速巡航及郊区工况,应尽量避免在车速较低且波动较大的市区工况下使用。     

有机朗肯循环系统研究综述

在研究了大量的文献资料的基础上,简单介绍了有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统的运行原理,并分别对ORC系统的循环工质、性能影响参数、系统优化方式以及主要应用领域等方面的研究进展进行了论述。ORC系统作为一种热力发电系统,虽具有十分广阔的发展前景,但已有研究主要集中在理论分析上,要推广其应用,仍存在许多实际问题需要解决。     

变冷凝工况地热有机朗肯循环发电系统

针对有机朗肯循环发电系统中冷凝介质温度随环境温度变化而变化,地热源载热流体参数恒定的问题,采用EES软件计算分析了饱和有机朗肯循环发电系统在使用工质R245fa和R601a时输出净功随冷凝介质温度变化的规律,同时分析了膨胀机最佳入口温度、膨胀比和工质流量3个主要参数的变化。结果表明：当地热流体温度为130 ℃,冷凝介质温度从30 ℃降到0 ℃时,有机工质在膨胀机入口的最佳温度升高且波动幅度达15 ℃,同时系统净输出功增长达120%;工质质量流量增加超过30%,膨胀比增大约2倍。     

有机朗肯循环混合工质的热力学分析

有机朗肯循环是利用低品位余热的关键技术之一,在一定程度上可有效缓解能源危机。相比于传统的纯工质,混合工质因其在换热器中具有温度滑移特性,可以更好地与热源进行耦合。因此选用混合工质可以使机组的效率得到更进一步的提升。通过采用二次迭代的方法,热源温度为120℃时,理论分析了以R245fa为参考的6种混合工质对,其混合比例对系统输出功与效率的影响。结果表明:工质吸热量一定的情况下,系统采取混合工质可以获得比纯工质更高的输出功、热效率。当吸热量为197.29 k W时,以纯R245fa为工质的系统最大输出功与热效率分别为11.98 k W与6.07%。存在最佳混合工质对R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3),相比于纯工质R245fa,输出功与热效率分别提高了22.87%和22.89%。同时发现,无量纲积分温差ΔT~*与系统净输出功、热效率之间存在反比关系。当工质为R113/R245fa(质量分数0.7∶0.3)时,在最大净输出功工况下,6种混合工质对下的最小值ΔT~*为0.233。     

采用二元非共沸工质的有机朗肯循环热力学分析

建立了亚临界混合工质有机朗肯循环热力学模型,基于沸点差法提出了混合工质筛选方案,以净输出功为目标函数优化了蒸发参数和质量配比,针对不同热源温度筛选出了最佳混合工质;比较分析了最佳混合工质和最佳纯工质的系统性能参数、损分布.结果表明,各热源温度下最佳混合工质的净输出功均超过了同热源温度下的最佳纯工质,增长幅度为0.13%~5.04%.较小的汽化潜热和接近冷却水温升的冷凝温度滑移是混合工质净输出功大于纯工质的主要原因;混合工质的膨胀机进口处压力、温度均低于纯工质,最大降低幅度分别达到了27.08%和9.93%;混合工质的膨胀机损和冷凝器损均小于纯工质,总损也低于纯工质.     

废热源驱动的有机朗肯循环系统变工况性能分析

预测了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC)系统在变工况下的性能,循环工质为R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷).在经过实验数据验证的模型基础上,对所研究的ORC系统进行了变工况分析.结果表明:充分利用烟气余热,有助于系统性能的提高;对冷凝器中的工质应合理冷却,所研究系统的过冷度在0.5~0.6 K为宜;由于夏季环境温度大大高于冬季,所研究系统的输出功偏离额定工况30%以上;根据各地的实际情况,合理选择额定工况设计点,可以改善系统性能,使之四季工作在额定工况点周围,有利于系统有效工作.     

基于有机朗肯循环的内燃机余热回收系统准动态模拟

作为一种有效的提高内燃机整体热功转化效率的技术手段,基于有机朗肯循环(organic rankine cycle,ORC)的内燃机余热回收技术受到越来越多的关注。通常来讲,组织合理的ORC的最关键的技术在于选择合理的循环工质和合适的膨胀机。对于车用内燃机余热回收,同时需要考虑内燃机的运行工况以及由此带来的烟气流量和温度的变化,以对余热回收系统进行有效的控制,达到最佳的工作效率。采用数值模拟的方法对内燃机排气进行余热回收,在不同软件环境下建立一维详细内燃机子模型和有机朗肯理想循环子模型,并将其进行耦合,达到根据内燃机工况变化进行准动态模拟的要求。通过对水,R123a和R245fa三种不同循环工质的考察发现,利用水作为循环工质具有最高的热效率,然而由于水是湿工质,大多情况下不能产生过热蒸汽,因而不适于作为余热回收的工质。对于两种有机制冷剂,R245fa比R123a具有更高的循环效率。通过对WHSC循环准动态模拟显示,需要对ORC的工质流量根据内燃机工况进行控制。通过目前较简单的控制,循环总效率可提高8.1%。     

混合工质泄漏对有机朗肯循环发电系统性能的影响

基于有机朗肯循环系统中各部件、管道等密封导致的实际系统运行过程中不可避免地存在着循环工质的泄漏问题,结合余亥姆霍兹自由能状态方程、混合法则和等温泄漏模型,研究了非共沸混合工质R245fa/R601a（初始质量配比为0.6/0.4）在ORC发电系统蒸发器中泄漏率为0~50%时对混合工质配比以及循环性能的影响.结果表明:非共沸混合工质泄漏会造成混合工质配比及工质热物性的变化,系统循环性能也会改变,且蒸发出口段发生液相泄漏时对循环性能影响最大.随着泄漏率的增大,比净输出功减少率可达12.23%.      

云扰动下太阳能驱动有机朗肯循环发电系统的动态特性

基于200,k W级聚焦型槽式太阳能集热驱动的有机朗肯循环发电系统示范工程,通过Simulink软件建立了系统的动态模型,采用天津地区的气象数据作为输入,分别分析了典型日系统常规工况和太阳受云遮挡造成直射辐射迅速衰减的非常规工况下系统的动态特性.结果表明:常规工况中系统热、电功率与太阳直射辐射两者变化趋势相同,系统平均效率为12.68%;非常规工作状况中系统热源温度变化与达到恶劣工况的时间线性相关,相关系数为4.04;汽轮机发电功率受热源温度突变量影响分别是蒸发器和冷凝器的1.67倍和2.08倍,汽轮机输出对热源温度变化呈现高敏感性.     

回热式有机朗肯循环系统热力性能

膨胀机和工质泵作为有机朗肯循环系统的重要动力部件,在不同的热源温度下,合适的膨胀机及工质泵转速能够有效提高有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)系统的热效率。基于回热式ORC系统的热力学分析,选用1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245fa)为工质研究了膨胀机转速、工质泵转速以及热源温度对系统性能的影响。结果表明:膨胀机转速的增加使得工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功和系统净输出功有所上升,而蒸发压力和热效率下降;工质泵转速的增加使得工质质量流量、蒸发压力、蒸发器换热量及系统净输出功升高,系统热效率先增加后降低;热源温度的升高导致蒸发压力下降,工质质量流量、蒸发器换热量、膨胀机输出功、净输出功及热效率均随之增加。     

小型燃气轮机湿空气透平循环变工况性能

基于一小型分轴燃气轮机试验系统上的湿空气透平(HAT)循环试验,研究了在低参数下HAT循环对燃气轮机性能的改善情况及其变工况性能表现. 试验在等燃油量和等涡轮进口燃气温度2种控制工况下进行.结果表明：等燃油量控制下,湿空气的含湿量增大,可增加循环输出功率,降低燃气初温,同时减少NOx排放;等燃气初温控制下,增大含湿量可以大幅增加循环输出功率.在燃气轮机部件特性的基础上,对HAT循环变工况性能进行了仿真.计算结果表明：随着空气含湿量的增加,HAT循环中的比功和效率较简单循环都有较大改善;在相同的进气流量、燃气初温和输出功率下,增大空气含湿量能增加压气机的喘振裕度,提高运行安全性.     

Development and dynamic characteristics of an Organic Rankine Cycle

The design, construction and test of an Organic Rankine Cycle （ORC） with R123 as the working fluid were performed. A scroll expander was integrated in the system. The conductive oil with its temperature of 150 ℃ was used to simulate the low-grade heat source. An AC dynamometer unit measured the expander shaft torque, rotating speed and shaft power. The experiments were conducted in two operating modes： the constant mass flow rate and the constant shaft torque. Under the constant mass flow rate operating mode, the stepped increase of the shaft torque increased the expansion ratios of the expander and decreased the vapor superheats at the expander inlet. Thus, the shaft power and thermal efficiency were increased. Alternatively, the constant shaft torque operating mode involved two different regions, interfaced at the pumping frequency of 9 Hz. By the increase of the mass flow rates, the vapor superheats at the expander inlet was decreased and the shaft power was increased, but the ORC thermal efficiencies were slightly decreased. Both operating modes yielded the saturation shaft powers that were the maximum values one could use. It was found that the measured shaft powers and ORC thermal efficiencies were lower than the enthalpy determined values based on the fluid pressures and temperatures at the expander inlet and outlet. The maximum measured shaft power and thermal efficiency were 2.63 kW and 5.31%, compared with the enthalpy determined values of 3.87 kW and 9.46 %, respectively.