柴油机废热利用的ORC系统特性研究

以柴油发动机缸套水和尾气废热为热源,设计开发了有机郎肯循环ORC的热力循环系统及发电装置。在该系统中,采用R245fa作为循环工质,以板式蒸发器和冷凝器作为工质相变的换热元件,机械能与电能转化。ORC系统测试结果表明,在ORC系统和发动机长时间稳定运行,稳定发电量14.4kW,发电效率7.2%;净发电量12.45kW,净发电效率6.25%。在保持发动机稳定运行和冷却水全部进行大循环的前提下,发动机出水温度降低,有利于总发电量和净发电量的提升。     

不同工质对内置换热器有机朗肯循环系统热性能的影响

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)可实现中低温热能的有效利用,但其热利用效率仍可进一步提高,而内置换热器的使用可有效提高循环的热利用效率。因此,文章构建了内置换热器ORC系统的热力学模型。研究了当蒸发温度变化时,R600,R601a,R236ea,R245fa,R245ca,R123,R600a,R114和R142b对内置换热器ORC系统性能的影响,并比较了内置换热器ORC系统与传统ORC系统的净输出功率和热效率。结果表明:在最优蒸发温度下,采用R236ea的内置换热器ORC系统净输出功率大于其余工质,为32.40 kW,其比第二最大净输出功率R600a系统相对增大1.16%;采用R601a的内置换热器ORC系统的热效率最大。内置换热器ORC系统的最大净输出功率及热效率均较传统ORC系统显著增大。     

R1234yf有机朗肯循环系统热力学性能研究

为提高有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）在中低温地热发电领域的效率,本文以R1234yf为工质,依据热力学第一定律与第二定律分析了系统单位质量热水净发电功率和系统?效率,并与目前应用广泛的R245fa工质进行了性能对比。研究结果表明,存在最佳蒸发温度和最佳冷凝温度,使得ORC发电系统单位质量热水净发电功率、?效率最大。对于热源温度为110℃ ~ 150℃的ORC发电系统,R1234yf对应的最大系统单位质量热水净发电功率和最大?效率均大于R245fa     

变工况下有机朗肯循环发电特性的实验研究

有机朗肯循环是利用中低温热源的重要技术之一。基于R245fa为工质的低温热源驱动有机朗肯循环发电系统,通过改变电加热器功率来研究其在变工况下的发电特性。结果表明：热源热量变化12%时,系统最大净发电量为7.8 kW,发电效率为8.7%;系统最小净发电量为6.9 kW,发电效率为8.26%;系统重新达到稳定状态的时间为35 ~ 45 min,相同时间内,系统对热源温度降低的响应更迅速而对热源温度升高的响应速度较慢;在此热源的改变条件下系统仍能稳定运行。     

船舶动力余热透平发电一体机性能研究

为进一步提高有机朗肯循环(ORC)发电系统的密封性、可靠性及发电效率等性能,开展透平发电一体机性能实验研究。研究对象为350 kW等级ORC发电装置,循环介质为R134a,船舶余热热源温度为60～90℃,冷源温度为9±1℃。利用试验测试及理论分析等方法,对透平发电机功率、效率以及冷却方式开展研究。结果表明：在热负荷达到4 023 kW时,发电上网功率平均值为315 kW,透平轴功平均值为341.6 kW,系统稳定时,透平等熵效率达到79.22%;发电机效率达到92.55%,系统效率达到7.85%,相对于参考文献中几种常用的透平发电机技术方案,磁悬浮高速径流透平一体发电机具有较高的热功转换效率及发电效率,额定发电功率下用于冷却电机的工质流量仅为0.124 5 kg/s。     

中低温热水发电系统循环参数和工质的选择

针对热源为80～150℃热水的有机朗肯循环（ORC）发电系统,以发电功率和效率为评价指标,分别分析了以R134a、R123和R245fa三种工质为循环介质时的系统,确定了最佳循环参数和工质。一般来说,最佳蒸发温度对应着最大的输出电功,且随着热流体温度的升高而升高;当热源温度大于120℃时,R134a的系统不存在最佳蒸发温度,此时输出电功随着蒸发温度的升高而增大。对于80～135℃的热水,工质R245fa的发电功率最大;当热水温度超过135℃时,工质R134a的发电功率最大。工质R245fa的发电效率始终是最大的。     

燃煤电厂烟气低温余热回收利用研究

基于燃煤电厂烟气低温余热资源,采用ORC(有机朗肯循环)设计发电系统,选择3种有机工质(R245fa、R600a和R601a),分析了该系统的热力学性能及技术经济性,并计算了该系统的节能减排效益。结果表明:工质的临界温度越低,系统的净输出功率越大;在计算排烟温度范围内(60~110℃),系统净输出功率先增大后减小,而发电效率随排烟温度升高而增大;采用ORC发电技术回收低温余热,节能减排效果显著。研究结果对ORC发电技术的工程应用具有一定的指导意义。     

低温热能有机物发电系统热力分析

首先介绍了ORC循环工质的热力学和一些性质,指出工质应满足压力、干湿性以及环保等方面的要求,然后以R123、R21和R245fa工质为例给出了热源温度低于:100℃情况下ORC发电系统的热力学模型分析,比较了不同工质下系统工作参数对ORC性能的影响规律,并且指出工质R245fa是综合考虑环保、热力性能等因素下的较好的选择.     

不同工况下非共沸混合工质有机朗肯循环系统性能研究

采用MATLAB软件模拟非共沸混合工质在不同冷热源条件下对有机朗肯循环(ORC)系统性能的影响。选取R245fa/R1234ze和R245fa/R600a作为混合工质,热源温度取120和200℃,分别在冷凝露点温度为40℃和冷却水温升为5,10,15℃的工况条件下,利用热力学第一定律和火积理论对系统性能进行分析。结果表明：热源温度为200℃时,R245fa, R1234ze和R600a系统净输出功率分别为89.83,61.87和77.74 kW,使用R245fa系统性能优于其混合工质;热源温度为120℃、固定冷凝露点温度时,混合工质R245fa/R600a(90%∶10%)净输出功率比R245fa和R600a分别提高了27.6%和27%,R245fa/R1234ze(60%∶40%)净输出功率比R245fa和R600a分别提高了26%和20.5%;火积耗散和单位面积做功量与净输出功率变化相反,提高冷却水温升时,增大了系统火积耗散,且流向环境中的火积耗散在总火积耗散中占比增大,导致系统的传热不可逆损失增加。     

非共沸工质与纯工质在ORC系统中的特性比较研究

工质的特性是影响ORC(有机朗肯循环)系统性能的重要因素之一。建立了65~100℃低温地热水有机朗肯循环发电系统数学模型,将R245fa分别与R601a和R227ea以不同比例混合作为ORC系统的工质,比较了非共沸混合物和纯物质两类工质对ORC系统循环净功、热效率和火用效率的影响。研究结果表明:无论是纯工质还是非共沸工质,系统的循环净功、热效率和火用效率都随着热源温度的升高而增大。工质在相变过程中是否存在温度滑移,是影响ORC系统性能的重要因素之一。在65~100℃的热源条件下,综合考虑3个评价指标,当R245fa配比为0.1~0.7时,R245fa/R601a混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.012~2.48 k W、0.005%~1.15%和0.08%~10.7%;当R245fa配比为0.5~0.9时,R245fa/R227ea混合物的循环净功、热效率和火用效率分别提升0.049~4.25 k W、0.057%~1.75%和0.21%~16.1%。     

超_亚临界ORC联合发电系统热力性能分析

本研究在单纯超临界、亚临界的ORC(有机朗肯循环)发电系统基础上,提出一种新型超临界、亚临界ORC联合发电系统,并建立其理论模型。通过编制计算机程序,分别对单纯超临界、亚临界ORC以及新型联合发电系统的热力性能进行比较。结果表明:采用R143a、R245fa作为联合系统的两循环区工质,当依次单独改变超临界、亚临界区蒸发压力时,各循环区质量流量变化与单纯超临界、亚临界ORC相似。前者随蒸发压力的增大而逐渐递增,后者则呈相反变化趋势,联合发电系统的热力性能均优于单纯超临界、亚临界ORC。同时随两循环区蒸发压力的增大而不断提高,但增幅减小,且提高超临界区蒸发压力可使系统热力性能最佳。采用R134a、R245fa作为系统两循环区有机工质,可使联合发电系统火用损失达到最小。     

低温蒸汽_太阳能双热源ORC发电系统热力性能分析

为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热,提出一种通过利用太阳能热量补充预热器中热源显热以缩小换热温差的新型低温蒸汽-太阳能双热源ORC发电系统。根据热力学第一、第二定律,建立其热力学模型,编制计算程序并进行了热力性能分析及比较。计算结果表明:采用热源补助可有效减小换热温差,进而显著提升系统热力性能。当采用R245fa作为循环工质时,与基本的ORC系统相比,选择冷端温差较小的预热器可使双热源系统火用效率显著增加;在预热器冷端温差为30 K、两系统分别采用5种不同循环工质时,双热源ORC系统的热力性能均高于基本ORC系统,且以R236fa为工质的双热源ORC系统热力性能最佳。     

内燃机余热驱动的储热式有机朗肯循环试验研究

为了提高尾气余热利用率并削弱热源波动对有机朗肯循环的影响,提出了一种集成相变储热换热器的有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统,利用相变材料削弱尾气余热波动并储存热量。搭建了内燃机尾气余热直接驱动的储热式有机朗肯循环试验台架,开展了内燃机稳态工况和阶跃变工况下储热式有机朗肯循环的热力学性能和动态性能试验研究。结果表明,内燃机稳态工况下尾气平均温度和平均流量为342℃和0.142kg/s,蒸发压力为0.75MPa条件下储热式ORC系统平均输出功率约3.43kW,平均热效率可达到12.7%,平均尾气余热回收率可达40.1%。内燃机阶跃工况下,工质出口温度、蒸发压力和过热度均呈现快速下降的趋势。试验结果还表明储热式ORC具备完全抵御发动机工况小幅波动的能力。在发动机工况阶跃变化比例过大时,储热换热器可以实现对尾气的补热,从而延长储热式ORC的安全工作时间。     

亚临界有机朗肯循环系统的热经济分析与优化

以系统发电成本(electricity production cost,EPC)为评价指标,对用于回收工业锅炉烟气余热的有机朗肯循环(ORC)系统进行了热经济分析与优化。结果表明,随着蒸发器和冷凝器节点温差的增大,系统发电成本先减小、再增大,即存在一组最优的蒸发器和冷凝器节点温差使发电成本最小。分别以纯工质R245fa和R236ea、非共沸混合工质R141b/RC318和乙烷/丁烷为循环工质,得到了最小发电成本时有机朗肯循环系统的最优工作参数,以及对应的系统净输出功、热效率和火用效率。     

换热器压降对ORC发电系统的影响

在考虑换热器压降及散热损失的情况下建立中低温地热驱动的有机朗肯循环(ORC)发电系统模型并通过500 kW示范工程进行验证。模型选取5种有机工质,研究换热器压降在不同热源温度、蒸发温度和冷凝温度下对系统性能的影响。研究结果表明随着热源温度以及蒸发温度的升高,压降对系统净发电量以及净发电效率的影响逐渐降低,但随着冷凝温度的升高,压降对系统净发电量的影响逐渐升高。其中,采用R227ea的系统受换热器压降影响最小,采用R123的系统受影响最大。     

有机朗肯循环与再热式循环低温热源发电系统热力性能研究

针对120℃以下的低温余热热源,探讨了基本有机郎肯循环发电系统和再热式有机朗肯循环发电系统模型的基本原理.从热力学第一定律角度出发,研究了纯工质R245fa和非共沸混合工质R21/R245fa在基本有机郎肯循环系统中,以及纯工质R245fa在再热式有机郎肯循环系统中,三种形式的有机郎肯循环系统热力性能随蒸发温度的变化情况.与纯工质基本有机郎肯循环系统相比,再热式有机郎肯循环最大可提高系统净输出功7.08％,而混合工质对提高整个系统热力性能具有较大的优势,净输出功和热效率最大可提高4.67％和2.91％.     

多级气动液压泵供液的有机朗肯循环性能分析

针对有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)中电动工质泵耗功占膨胀机输出功比例较大的问题。提出一种多级气动液压泵,该泵利用蒸发器内产生的蒸汽为动力,给ORC系统供液。以R245fa为工质,分析了气动液压泵与电动泵的ORC系统受蒸发温度的影响情况对比、不同级的气动液压泵的性能随蒸发温度的影响、ORC系统性能受泵效率的影响对比。结果表明,采用多级气动液压泵后,ORC系统的净输出功率等于膨胀机的输出功率;系统效率得到改善,且随着泵级数的增加而更为明显;泵效率随蒸发温度的升高而减小,但随泵级数的增加而提高。在蒸发温度为145℃、冷凝温度为35℃时,电动泵供液的ORC系统净输出功率为25.8 kW,系统效率为0.106,而采用4级气动液压泵的ORC系统净输出功率为33.2 kW,系统效率为0.12。     

地热驱动非共沸工质有机闪蒸循环的热性能分析

非共沸工质具有变温相变特性,可有效改善有机闪蒸循环系统与冷源温度匹配差的问题,进而提高系统的循环性能。文章构建了有机闪蒸循环系统模型,其中,循环工质为R245fa/R601a混合物,热源温度为150℃。文章以净输出功率作为目标函数对有机闪蒸循环系统进行优化,研究了R245fa/R601a混合物的组分变化对有机闪蒸循环系统的闪蒸压力、质量流量、净输出功率和热效率的影响,并比较了以非共沸工质与纯工质作为循环工质时,有机闪蒸循环系统的净输出功率。模拟结果表明:当R245fa/R601a混合物的摩尔组分为3∶7时,有机闪蒸循环系统的净输出功率最大,为25.21 kW,与纯工质R245fa和R601a作为循环工质的有机闪蒸循环系统相比,分别增大了4.39%和5.66%,但以非共沸工质作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率并不一定大于以纯工质作为循环工质;当R601a的摩尔组分为0～0.6时,以非共沸工质作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率大于以纯工质作为循环工质;当R601a的摩尔组分为0.7～1时,以R245fa作为循环工质的有机闪蒸循环系统的热效率大于以非共沸工质作为循环工质。     

R245fa作为有机朗肯循环工质的材料相容性研究

对于可再生能源和工业余热资源,有机朗肯循环技术(organic Rankine cycle,ORC)被认为是一种高效的能源回收利用技术。其中R245fa因为其自身良好的环保性以及热力性能,被认为是一种具有良好应用前景的ORC工质。对于ORC系统来说,工质的材料相容性是保证系统稳定运行的基础。针对ORC系统实际工况,确定部件、温度、材料等因素的对应关系,提出一套适用于ORC工质材料相容性研究的实验方法,并以R245fa为例开展了实验研究。实验结果表明,在高温条件下,304不锈钢与R245fa的相容性要优于铜材料;同时在橡胶密封材料的选择上,不建议使用氟橡胶,且三元乙丙橡胶的相容性要优于聚四氟乙烯。     

利用地热能的双压有机朗肯循环性能分析

根据地热利用系统回灌的要求,对热源在系统出口处的温度进行限制,研究了双压有机朗肯循环（DPORC）中的热量分配以及随运行时间的系统性能变化,针对5种不同的有机工质进行了计算分析。研究表明：系统热力学性能的最大值和有机工质流量的最小值在同样的k值（热源提供给高压循环的热量与热源为DPORC提供的热量比）处获得。而采用R600和R245fa系统的净输出功率较大;相比R601,采用R245fa可以将系统的净输出功率提高168.06 kW（5.55%）,热效率和效率分别可提高0.70%和2.86%。相比于单压有机朗肯循环（SPORC）,DPORC可以有效减小系统随运行时间净输出功率降低的幅度。经过40 a的运行,采用R601的系统净输出功率降低幅度最低（428.11 kW, 14.14%）,而采用R600系统的净输出功率降低幅度最大（526.75 kW, 16.55%）。