有机朗肯循环系统的换热器效应及双级性能分析研究

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1、有机朗肯循环系统的换热器效应及双级性能分析研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：秦亚琦指导教师：解辉副教授专业：动力工程及工程热物理学科门类：工学重庆大学动力工程学院二O一五年四月PerformanceAnalysisoftheEffectoftheTypeofHeatExchangeronOrganicRankineCycleandtheDual-loopOrganicRankineCycleADissertationSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster

2、’sDegreeofEngineeringByQinYaqiSupervisedbyAss.Prof.XieHuiSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsSchoolofPowerEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要能源危机和环境保护成为了当今世界面临的两大难题，而对低品位能源的发开利用成为了解决此难题的最直接有效的途径。在诸多低品位能源开发利用的途径中，有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，ORC）由于设备简

3、单、应用范围广泛等优点，日益获得人们越来越多的关注，成为了目前低品位能源开发利用研究的重点。在ORC的工程实际应用过程中，由于其热源温度较低，使得系统的热效率较低，系统成本较高，如何提高整个系统的性能成为亟需解决的问题。本文分别以亚临界有机朗肯循环和双级有机朗肯循环系统为研究对象，建立系统模型，运用热力学和传热学原理对系统的性能进行优化分析，得到了以下结论：（1）对有机朗肯循环的基本特性进行研究，主要研究系统性能的变化规律，并研究工质临界温度对上述参数的影响；同时对最佳工况时系统的运行参数及此时的系统性能进行对比分析，并研究了烟气温度对工质的选择性；研究了蒸发器夹点温差对系统性能的

4、影响。研究结果表明：循环热效率均随着蒸发温度的升高而增大；在蒸发温度升高过程中，对于临界温度较高的工质，净功输出一直在增加，在接近临界温度时净功最大，而㶲效率总体上是先增加后减小的；而对于低临界点工质，㶲效率一直在增加，在蒸发温度接近其临界温度时，㶲效率最大；换热器的换热效能UA值随温度的升高而减小，对于高临界点工质这是很明显的，总体上，UA值由高临界温度工质到低临界温度工质逐渐增大。通过对采用R245fa、R600a、R600、n-pentane、n-hexane五种工质的亚临界有机朗肯循环对比发现：综合考虑循环最大净输出功、蒸发压力及冷凝压力，R245fa是最合适的工质，热源温

5、度为150℃时对应最佳蒸发温度为93℃；各工质的最大净输出功均随着蒸发温度的增加而增加，在不同的烟气温度下，最适工质不同，一般与该工质的临界温度相对应，随着烟气温度升高，最佳工质对应于较高临界温度的工质。在热源温度150℃条件下，随着蒸发器夹点温差的增加，净输出功将会减小，㶲效率下降，出口烟温会增加，但蒸发器UA值会减小。（2）在相同系统边界条件下，以亚临界有机朗肯循环为研究对象，研究了循环系统参数的变化规律，并以系统面积净功比（areaperunitnetpoweroutput，APR）为优化目标，重点分析研究换热器类型对APR的影响。研究结果表明：采用板式换热器的亚临界ORC系

6、统的最优面积净功比最小，采用管壳式时次之，采用板翅式最大，且采用板式换热器系统最优面积净功比均在4.7-5.1m2·kW-1之间，其他情况时差异较大；以R123、R601、R601a和R600为工质的亚临界有机朗肯循环I重庆大学硕士学位论文系统，系统最优面积净功比时系统蒸发压力较接近，而工质为R245fa时最优蒸发压力差异较大；板翅式换热器随其APR值偏大，但由于其通过扩展二次换热面有利于提高换热器性能，尤其适用于两侧对流换热器系数相差较大的场合；在本文选定系统边界条件下，推荐采用板式换热器与R123。（3）针对中温热源的低品位能源的开发利用途径双级有机朗肯循环进行研究分析，通过简

7、化假设，建立热力学及传热模型，研究分析了整个系统性能的变化规律。研究结果表明：在一级蒸发压力增大的过程中，采用n-pentane/R600、isopentane/R114为工质的双级循环的系统热效率与㶲效率均先增大后减小，系统的净输出功则一直减小，而系统的面积净功比先减小后增大；采用R141b/R245fa的循环系统的热效率和㶲效率随着一级蒸发压力的增大而增大，而系统净输出功和系统面积净功比（维持在4.5m2/kW左右）基本维持不变；三个循环系统一级循环与二级循环中的