逼近三角形的有机朗肯循环热力学性能分析

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1、逼近三角形的有机朗肯循环热力学性能分析摘要：本文采取正戊烷为工质，使用EES软件，对三角循环（TC）的热力学过程进行了理论分析和数值模拟，并分析了循环重要参数对TC热力学性能的影响。结果表明，对于TC内循环，影响性能的主要因素为膨胀机进口温度T3和加热器进口温度T2，且随着T3的增大和T2的减小，循环热效率和净功都增大，但净功的增大受膨胀机实际膨胀比的限制。对于TC热能回收系统，在热源流体和冷凝水进口参数不变的条件下，以热回收量、净输出功率和系统热效率、㶲效率作为目标函数，分析了工质的平均热容流率Cwf对系统性能的影响，发现存在一个

2、Cwf值使Wnet达到最大值。另外，出于经济性考虑，计算了加热器的冷凝器的总传热系数(kA)h和(kA)c，得出了两者随工质平均热容流率Cwf的变化趋势，为考虑系统投资和热力学性能的系统优化提供了方向。关键词：热能回收动力转换；三角循环；热力学分析0引言目前地热水的热能利用主要是通过直接供热和闪蒸发电、全流发电、双循环发电以及全流-双循环联合发电等技术实现的。三角循环（TC）自从被提出用于回收地热能后，因其系统组成简单和㶲效率高等优点逐渐得到人们的重视。Smith[1-3]从1993年开始发表了对三角循环的构建原则、混合工质的使用以

3、及Lysholm双螺杆膨胀机的两相膨胀做功原理等问题的研究结果，为TC的研究打下了良好基础。Bryson[4]将三角循环与传统双循环对比，发现在膨胀机绝热效率达到一定值时三角循环有相当的优势。Fischer[5-6]将以水为工质的单级三角循环与ORC以及各种改进过的三角循环的热力学性能做了对比，发现三角循环在相同条件下效率高于ORC，但水不适合作为工质。Ajimotokan，AHabeeb[7]对于适合TFC使用的工质进行了预选和深入研究，认为轻的烃类更适合做为工质，并选出正戊烷为工质，利用EES（EngeeringEquation

4、Solver）软件对三角循环和其他三种改进过的三角循环的热力学性能做了对比，得出了膨胀机进口温度、膨胀机绝热效率对各种循环性能的影响。在我国，人们对利用地热能的动力循环系统做出了很多研究。胡亮光等[8]对热水、汽水混合物的全流发电系统与闪蒸发电系统从能量利用角度做了对比，通过理论推导证明了全流系统趋近于三角循环，且在一定条件下全流系统的能量利用率高于闪蒸系统。天津大学曹滨斌[9]在研究生学位论文中研究了螺杆膨胀机余热回收系统的热力性能，证明了其在低温余热回收中的优势及可行性。上海交通大学王心悦[10]在已知地热水参数条件下，根据系统

5、模型对全流－双循环系统和闪蒸蒸汽系统进行热力计算。分别得到了两种系统功率随循环参数的变化情况，结果显示，和闪蒸系统相比，全流－双循环系统的最大发电功率高出12.7%，并且认为三角循环作为底循环有很大研究价值。然而在我国对三角循环热力学性能的研究还很少。三角循环作为底循环不仅能回收地热能，还适合回收我国存在的大量工业余热等其他有限热源的低品位热能。随着高效率两相螺杆膨胀机的产生，三角循环的应用有很大发展前景。因此我们需要对三角循环做出更多研究。本文采用正戊烷为工质，使用双螺杆膨胀机作为两相膨胀机，使用EES（EngineeringEq

6、uationSolver）软件对三角循环的热力过程进行数值模拟，并分析了系统重要参数对循环热力学性能的影响，期望对三角循环的热力学性能研究做出基础性贡献。1计算模型和条件1.1系统描述（a）三角循环的系统流程图(b)三角循环的T-s示意图图1三角循环的示意图系统的主要组件有用于热量回收的换热器、工质泵、两相膨胀机和冷凝器。理想TC包括四个可逆过程，即定熵压缩过程（1—2），定压加热过程（2—3），定熵膨胀过程（3—4）和定压放热过程（4—1），但是实际情况下工质泵和膨胀机中不能实现定熵过程。实际过程工质在冷凝压力下由饱和液体状态1经

7、工质泵压缩后进入加热器，加热器进口状态为2点，在加热器中工质被加热到饱和液体状态3，随后进入两相膨胀机进行膨胀，并将工质的动能转化为膨胀机的轴功，膨胀机出口温度状态4为气液两相状态，之后工质进入冷凝器冷却，工质中的饱和蒸汽全部被冷凝成饱和液体，蒸汽的汽化潜热传递给冷凝介质，直到回到饱和液体状态1点，完成循环。1.2模型建立1.2.1TC内循环的热力学计算模型为了简便计算，对TC热力计算模型做了如下设定：1）、循环各组件在定常态和稳定流动条件下工作；2）、系统各设备的进出口状态遵守能量守恒原则；3）、供热流体和工质的动能和势能变化可以

8、忽略；4）、换热器的热损失和系统压降可以忽略。对于实际过程，工质在工质泵中的压缩过程和膨胀机中的膨胀过程都不是完全绝热过程，而在软件中无法将这两个过程明确表示出来，因此根据前人经验将工质泵和膨胀机的绝热效率取经验值。循环热力过程如下：