低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究

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1、上海交通大学硕士学位论文低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究硕士研究生：高鹏学号：1120209248导师：王丽伟教授申请学位：工学硕士学科：动力工程及工程热物理所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年1月19日授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterInvestigationonasmallcombinedcoolingandpowersystemdrivenbylow

2、-gradeheatsourceCandidate：GaoPengStudentID:1120209248Supervisor：Prof.WangLiweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringPowerEngineeringandEngineeringSpeciality：ThermophysicsAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：January19,2015Degree-Conf

3、erring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文低品位热能驱动的小型冷电联供系统的性能研究摘要本文提出了一套利用低品位热能驱动的冷电联供系统，是由有机朗肯循环(ORC)与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统组成，热流体首先驱动ORC发电系统，然后驱动两级吸附式制冷机。该冷电联供系统主要针对的对象是地热以及工厂废热的利用，这两种情况下热流体往往是需要回流到地下或者直接排放到环境中，因而较高的排放温度将影响到热量的利用效率。该冷电联供系统能有效地降

4、低热流体的排放温度，从而实现热量的梯级利用，提高了热量的利用效率。该冷电联供系统是以输出冷量为主，输出电量为辅，输出电量主要用于补给系统自身的耗电，目的是实现系统耗电的自给自足。具体研究内容如下：（1）首先构建了低品位热能驱动的冷电联供系统，由传统小型有机朗肯循环与氯化钙/氯化钡-氨两级吸附式制冷系统组成。对于发电部分建立了传统小型ORC系统的热力学和传热模型，并搭建了压缩空气推动的涡旋式膨胀机旋转做功的测试台。测试结果表明，膨胀机进口压力从0.5MPa增加到1.0MPa，膨胀机等熵效率在0.62-0.7之

5、间波动，发电量从70W增加到300W。依据实验所得到的等熵效率建立了ORC系统模型，利用MATLAB编程，模拟了在采用制冷剂工质R245fa条件下的性能。模拟结果表明，热源温度为105℃时，蒸发压力从0.5MPa增加到1MPa时，系统的能量效率和火用效率都随着蒸发压力的增加而增加，变化范围分别是4.36%-6.57%、19.2%-28.8%；回热器能够轻微地提高系统的能量效率及火用效率。对于制冷部分，选择氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统与ORC系统相匹配。依据先前实验测试氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷工质

6、对的吸附性能数据及建立的两级吸附制冷机组的数学模型，模拟了不同热源温度对系统性能的影响。当热源温度从70℃增加到90℃，蒸发温度为5℃时，系统的COP基本维持在26%左右，系统火用效率从20.1%降低到了14.2%。基于对发电部分和制冷部分的分析，冷电联供系统在实现冷电联供的同时，可以有效地降低热流体的排放温度，提高I摘要整个系统的热量火用效率。（2）搭建了一台小型有机朗肯循环的实验系统，研究了热源温度在105℃时系统的性能，同时基于课题组先前搭建的氯化钙/氯化钡-氨两级吸附制冷系统，测试了蒸发温度为-10

7、℃，热源温度从75℃增加到90℃时系统的制冷量。实验结果显示：膨胀机进口压力为0.61MPa时，系统的最大能量效率和最大火用效率分别是3.2%和16.9%，此时膨胀机的等熵效率为0.553，系统的最大输出功为151W；实验研究发现，当回热器处于工作模式，膨胀机排气在回热器中发生了部分冷凝，膨胀机出口压力在短时间内急剧增加，导致了性能的恶化，回热器不仅不能够提高系统的能量利用效率，反而恶化了系统的性能。对氯化钙/氯化钡-氨两级吸附冷冻机组的测试结果显示：热源温度为90℃，蒸发温度为-10℃时，系统的制冷量和C

8、OP分别是1.29kW与17.6%。基于对ORC的实验数据的分析，发现ORC系统中的工质泵的效率比较低，系统工质泵的耗电极大地抵消了系统自身的发电量，导致了ORC系统净输出电量比较小。本文研发小型ORC系统的目的是为了补给冷电联供系统自身的耗电，而实验结果显示小型ORC系统补给电量的较小。因此使用传统小型ORC系统作为低品位驱动冷电联供系统的发电部分是不理想的，于是提高ORC系统的净发电量，对于该冷电联供循环是十