中低温有机朗肯循环发电系统性能-研究与优化

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要改变能源结构，优化现有能源利用方式，是缓解能源危机的有效手段。有机朗肯循环作为一种新型余热利用技术，因其结构简单、效率高、投资少、环境友好性等特点，能够有效提高能源利用率，有助于优化能源结构。本文针对中低温余热，对有机朗肯循环进行多目标的热力性能研究。以热经济学指标为目标对有机朗肯循环系统进行优化，同时开展实验台的构建工作。本文的主要研究内容如下：基于热力学第一定律、热力学第二定律以及热经济学理论，建立了中低温余热ORC系统的计算模型。对多种工质进行多目标分析，并对比研究干湿工质

2、在热力性能与热经济性能上的差异。研究ORC运行参数对系统性能的影响。选择五种工质进行计算。其中工质为R245fa时系统热力性能与热经济性能均优于其它工质。开展了热源温度对于不同的工质ORC系统性能的影响，结果表明不同工质均存在着最佳匹配的热源温度。从工质、系统结构、循环方式等方面对ORC系统性能进行优化。采用遗传算法对8种工质进行热经济性优化，计算结果表明工质R245fa的平准化发电成本最低(0.114$/kWh)。对两组非共沸混合工质R245fa-R600a和R245fa-Isopentane的研究发现，非共沸

3、混合工质的热力性能要优于相应的单工质。混合工质R245fa-R600a在R245fa质量分数为70%的配比时，能实现热力性能与热经济性能均佳的情况。为进一步提高ORC系统性能，在基本的有机朗肯循环中增设内回热器。结果表明工质为R245fa时，采用内回热循环的系统热效率提高了22.12%，平准化发电成本降低了32.9%。对于超临界有机朗肯循环，10种不同工质热力性能的变化规律均与亚临界循环下的有所差别，但系统性能均优于亚临界循环。R123、R134a的热效率随蒸发压力升高而降低，R245fa、R143a的热效率随蒸

4、发压力升高而升高。大部分工质的发电成本随蒸发压力升高而增加，增加的幅度都不同，如R123、R227ea。系统性能均在不同程度上优于亚临界循环。o完成中低温余热利用（80-450C）有机朗肯循环实验平台的构建工作。在实验台设计的基础上，进行设备选型以及设计计算，并完成了实验台测控系统的建立工作。蒸发压力最高达2.5MPa，低温热源下理论发电功率可达3kW，中温热源下理论发电功率可达10kW，适合于多种工质进行实验。关键词：中低温余热利用；热力特性；热经济性指标；性能优化；实验系统I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Ab

5、stractAsamethodtorecyclethewasteheat,OrganicRankingCycle(ORC)canimprovetheenergyefficiencyandoptimizingenergyconsumptionstructurewhichhasadvantagesofsimplestructure,highefficiency,lowinvestmentandenvironmentfriendly.ThispaperinvestigatestheperformanceoftheORC

6、forrecoverymiddle-lowtemperatureheatthroughmulti-objectivefunctions.TheworkpresentsthethermaleconomicoptimizationontheORCsystemandtheconstructionofexperimentalplatform.Thecontentsofthisresearchareasfollows:Basedonthebasiclawsofthermodynamicsandthermaleconomy,

7、thecalculationmodelisbuilt.TheperformanceoftheORCsystemusingseveralorganicworkingfluidswasevaluatedthroughmulti-objectivefunctionsandtheinfluenceofdryfluidandwetfluidontheORCperformancewastostudycomparatively.TheimpactofoperationparametersontheORCperformancei

8、scarriedoutandfiveworkingfluidsarecalculated.Theoperationparametersincludeevaporatingtemperature,degreeofsuperheat,condensingtemperature,pinchtemperaturedifferenceandheatresourcetemperatu