毕业论文（设计）有出口温度限制热源亚临界有机朗肯循环最佳回热度的定量准则

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1、有出口温度限制热源亚临界有机朗肯循环最佳回热度的定量准则摘要:我国的余热和可再生资源丰富，但其资源分散、温度低、能量密度低，有机朗肯循环（ORC）是一种有效的利用低温热能发电途径。对于不同温度和形式的热源，采用合适的工质、循环工况，可以提高系统的发电效率。本文针对有出口温度限制的热源，当采用亚临界ORC循环进行回收时，分析了采用回热对循环性能的影响，并通过计算结果无量纲归纳建立了最佳回热度的定量准则。关键词有出口温度限制热源；有机朗肯循环；最优工质；回热度；定量准则0前言随着能源问题日益突出，发展和利用

2、可再生资源及中低品位余热资源是缓解能源危机的重要出路之一[1,2]。我国具有丰富的余热和可再生资源，但其资源分散、温度低、能量密度低，限制了传统能源转化技术的应用，有机朗肯循环（ORC）是一种有效利用余热和可再生资源发电的途径[3,4]。对于不同温度和形式的热源，需要采用合适的工质和循环工况，与热源更好地匹配，从而提高循环的性能[5,6]。根据热源进出口温度不同，可以将热源分为无出口温度限制有限热容热源，有出口温度限制有限热容热源以及无限热容恒温热源[7]。其中有出口温度限制的热源广泛存在，如工业烟气余

3、热的利用中，为了避免酸露点腐蚀，通常限定了所利用的烟气的出口温度要高于某一值；在对太阳能和生物质的利用过程中需借助中间导热油循环，这个中间循环作为ORC的热源，有着固定的入口和出口温度。Maraver[8]指出，热源出口温度没有限制时，不需要回热器。相应的，对于有出口温度限制的热源，回热可以进一步提高其循环性能。但是循环中应该采用多大的回热度，是不是回热程度越高越好的问题目前还没有定论。本文针对有出口温度限制的亚临界ORC循环，探索和分析了回热对循环性能的具体影响，并对大量不同热源条件和工质进行计算，得

4、到最优结果，通过无量纲归纳的方法，建立了最佳回热度的定量准则。1ORC热力学模型1.1ORC系统建模基本循环由四个主要部件组成：工质泵、蒸发器、膨胀机以及冷凝器（图1左）。有机工质通过工质泵压缩至蒸发压力并注入蒸发器。工质在蒸发器中吸收来自地热水的热量蒸发成为饱和蒸气。之后饱和蒸气进入膨胀机膨胀做功，之后经冷凝器冷凝返回工质泵，开始新的循环。带回热的循环多一个回热器，实现膨胀机出口较高温度的工质预热泵出口较低温度的工质（图1右）。图1ORC系统图（左：不带回热；右：带回热）图2所标示的亚临界循环状态点与

5、图1是一一对应的。图2ORC亚临界循环T-s图循环效率的计算如下：(1)式中，wt是膨胀机的输出功，wpp是泵消耗的功，qeva是蒸发过程单位流量ORC工质吸收的热量。wt，wpp和qeva的计算如下：(2)(3)对于回热循环：(4)循环中2点的状态由泵的等熵效率决定:(5)循环中4点的状态由膨胀机的等熵效率决定:(6)循环净功等于循环吸热量乘以循环效率:(7)是循环从热源处吸收的热量:(8)是热源的质量流量，是ORC循环工质的质量流量。回热度为:(9)回热器中的热量平衡关系:(10)有出口温度限制的热

6、源所包含的可用㶲指的是热源降低到规定出口限制温度过程中理论上能够输出的最大功，也就是传递给ORC的㶲，(11)采用回热时，蒸发过程工质所获得的㶲:(12)采用回热时，蒸发过程㶲损失为:(13)膨胀过程㶲损失为:(14)由于冷凝过程的㶲都传递给环境，所以冷凝过程的㶲损失为:(15)泵加压过程㶲损失为:(16)采用回热的，回热过程㶲损失为:(17)式（4-23）给出了热源和循环的㶲平衡，即热源传递给循环的㶲等于输出功和所有过程㶲损失之和:(18)系统评价指标定义为“热源回收㶲效率”，为输出功和热源所含㶲之比

7、。针对不同类型的热源，只需要分别带入热源所含㶲即可：式（4-12）给出了没有出口温度限制的热源所含㶲，以及式（4-14）给出了有出口温度限制的热源所含㶲:(19)1.2参数设置和优化方法表4.3给出了计算中的循环参数设置。根据热源介质的换热能力，夹点温差设置不同。对于水作为热源，夹点设置为10°C，空气作为热源，夹点设置为30°C。过热和过冷度统一设为5°C。泵的等熵效率设为0.65，膨胀机等熵效率设为0.8。10-30°C的冷凝水进出口温度是自然条件下的冷却条件。表1循环参数设置参量数值蒸发夹点温差对

8、于液态热源10°C,对于气态热源30°C冷凝夹点温差10°C蒸发器出口过热度5°C冷凝出口过冷度5°C膨胀机等熵效率0.8泵等熵效率0.65回热度0；0.4；0.81.3工质选择及其物性为了发掘和验证工质物性的影响，尽可能多的考虑工质，除去不符合环保要求对臭氧层有破坏作用的氯氟烃和含氢氯氟烃，涉及的工质主要包括氢氟烃类，碳氢类，硅氧烷类以及苯环类。表2中列出了工质的一些重要物性（按照临界温度高低排序）。物性计算软件选择美国国家标准局物性计算