混合有機工質亞臨界朗肯循環(huán)系統性能分析與熱經濟優(yōu)化.pdf

1、能源緊缺和環(huán)境污染問題日益突出,將低品位熱能轉換為電能是當前提高能源利用率、降低環(huán)境污染的有效途徑。有機朗肯循環(huán)技術(organic Rankine cycle, ORC)在利用低品位熱能發(fā)電方面有著明顯的優(yōu)勢和廣闊的應用前景,已成為低品位熱能高效回收利用技術領域的研究熱點。
　　由于混合工質的不等溫相變特性可以使工質的溫變過程很好地與冷熱源的吸放熱過程相匹配,從而減小換熱器內的不可逆損失,提高系統熱效率,因此,近年來混合有機工質

2、ORC系統逐漸引起了學術界的關注。
　　本文以回收工業(yè)鍋爐低溫煙氣余熱的混合工質亞臨界有機朗肯循環(huán)系統為研究對象,進行了從部件到系統、從熱力學性能分析到熱經濟性能對比、從內部參數的優(yōu)化到外部參數的影響等多方面的深入研究。
　　(1)針對混合工質的蒸發(fā)和冷凝過程,以熱力學第一和第二定律為基礎,進行了不可逆性分析和熱經濟優(yōu)化。結果表明,蒸發(fā)器和冷凝器均存在使單位換熱量總費用最小的最優(yōu)傳熱單元數和熱容量比。對于蒸發(fā)器,最優(yōu)傳熱單元

3、數隨進口溫度比的增大而增大,最優(yōu)熱容量比的變化與傳熱單元數的變化趨勢相反。對于冷凝器,最優(yōu)傳熱單元數隨進口溫度比的增大而增大,隨泡-露點溫度比的增大而減小;最優(yōu)熱容量比隨進口溫度比和泡-露點溫度比的變化與最優(yōu)傳熱單元數的變化趨勢相反。三種流型中,逆流式換熱器的單位換熱量總費用最小,順流最大。
　　(2)對純工質和混合工質 ORC系統進行了熱力學性能分析,并在三種冷凝限制條件下,對不同成分及配比的混合物工質亞臨界ORC系統進行了比較

4、分析。結果表明,混合工質成分對ORC系統性能有重要影響,且系統性能與混合工質相變過程的溫度滑移大小有關。給定冷凝露點溫度時,混合工質ORC系統凈輸出功大于純工質系統,且相變滑移溫度越大,系統凈輸出功越大;給定冷凝泡點溫度時,純工質 ORC系統凈輸出功比混合工質系統大;給定冷凝壓力時,混合工質 ORC系統凈輸出功介于兩種純工質系統之間。
　　(3)以系統發(fā)電成本(electricity production cost, EPC)為評

5、價指標,分析了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)器和冷凝器節(jié)點溫差對系統性能的影響,并對不同成分的混合物工質ORC系統進行了參數優(yōu)化;討論了冷熱源溫度和流量、膨脹機和泵的等熵效率、蒸發(fā)和冷凝傳熱系數等對優(yōu)化結果的影響。結果表明,不同工質ORC系統的最優(yōu)蒸發(fā)泡點溫度各不相同,工質相變滑移溫度越大,最優(yōu)蒸發(fā)泡點溫度越低;各工質系統最優(yōu)蒸發(fā)器節(jié)點溫差都在(7-10)℃范圍內;最優(yōu)冷凝露點溫度和冷凝器節(jié)點溫差隨工質成分的變化與工質相變溫度滑移的變化規(guī)律一

6、致,且冷凝平均溫度均在40℃左右。隨煙氣質量流量和進口溫度的增大,系統最優(yōu)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均增加,蒸發(fā)器節(jié)點溫差也增大,而冷凝器節(jié)點溫差變化較小;隨冷卻空氣流量增大,最優(yōu)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均減小,蒸發(fā)器節(jié)點溫差變化較小,而冷凝器節(jié)點溫差增大;膨脹機和循環(huán)泵等熵效率對最優(yōu)參數幾乎沒有影響;隨蒸發(fā)器傳熱系數的增加,最優(yōu)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均增加,最優(yōu)蒸發(fā)器節(jié)點溫差減小,最優(yōu)冷凝器節(jié)點溫差增大;各參數隨冷凝器傳熱系數的變化與隨蒸發(fā)器傳熱系數的