混合工质有机朗肯循环与热源匹配关系的研究

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1、混合工质有机朗肯循环与热源匹配关系的研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：王重阳指导教师：刘朝教授专业：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PerformanceAnalysisofOrganicRankineCycleSystemwithMixtureWorkingFluidsandMatchingBetweenWorkingFluidsandHeatSourcesADissertationSubmittedtoChongqingUniversityinPartial

2、FulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByChongyangWangSupervisedbyProf.LiuChaoSpecialty:PowerEngineeringandEngineeringThermophysicsSchoolofPowerEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要随着化石燃料的大量消耗，环境污染与能源短缺问题日益突出。

3、我国有大量的低品位能源如工业余热、地热能、太阳能等，将低品位能源有效地转换为电能，可降低环境污染、提高能源利用效率。有机朗肯循环技术（ORC）在利用低品位热能转换为电能方面有广阔的应用前景，已经成为提高能源利用率的有效途径。由于混合工质较纯工质具有非等温相变的物理特性，其能与冷、热源的吸放热过程更好的匹配，减少了不可逆损失，提高了系统的热效率，因此混合工质ORC系统逐渐受到了人们的重视。本文针对混合工质ORC系统以及ORC系统中的匹配问题，主要从热力学基本理论出发分析整个系统的特性，给出了亚临界混合工质ORC

4、系统的净功理论表达式；研究混合工质ORC系统在近临界状态附近的特性，分析由亚临界状态过渡至超临界状态时ORC系统性能的变化规律；建立新的ORC系统热源匹配模型，分析热效率与㶲效率的关系，采用“面积分析法”对新建模型分析研究。主要研究内容如下：（1）针对亚临界混合工质ORC系统，选取不同类型的工质：干工质、等熵工质、湿工质进行两两组合，分析系统热效率、㶲效率、净输出功、不可逆损失、膨胀机尺寸（SP）、工质质量流量等参数随组分比例的变化。研究结果表明，随着组分比例的逐渐增加，工质在某一组分存在最大净输出功；当系统

5、的蒸发温度越接近工质的临界温度，系统的净输出功就越大；系统的热效率随组分比例的变化差异较大，不同工质随着组分比例的增大，热效率的变化趋势不尽相同，当使用干工质与湿工质进行混合时，随着组分比例的增大会使系统的热效率存在最大值，而其余组合则逐渐减小，这为工质的选择指明了方向；膨胀机尺寸SP的值是ORC系统性能的一个重要指标，当湿工质与湿工质混合时，其膨胀机尺寸较小，而干工质与干工质、干工质与等熵工质的组合，其膨胀机尺寸较大。另外，从热力学基本理论出发，给出了亚临界混合工质ORC的净功理论表达式；给出了㶲效率和热效

6、率的比值表达式，且表达式只与热源入口温度和温降有关。（2）对混合工质ORC在近临界区域的特性进行了研究。结果表明，各参数随膨胀机入口对比压力的变化情况均不相同。由亚临界状态过渡至超临界状态时，系统的热效率是连续变化的，而㶲效率、净功、不可逆损失等参数均不连续；在近临界状态时，系统热力学参数会发生突变；当以系统的净输出功为优化目标时，近临界状态附近的净输出功更大，且混合工质的净输出功大于纯工质的。（3）建立新的热源匹配模型，分析冷、热源与系统的匹配问题。采用“面积分析法”，把不可逆损失分为匹配有效不可逆损失、预

7、热有效不可逆损失和无效I重庆大学硕士学位论文不可逆损失三部分，分别计算热源出口温度、蒸发器和冷凝器窄点温差对各部分损失的影响。结果表明，混合工质中不可逆损失小于纯工质的原因，主要是由于蒸器和冷凝器中的无效不可逆损失小于纯工质的。本文研究的热源出口温度、蒸发器窄点温差和冷凝器窄点温差三种影响因素对各种不可逆损失及净功的影响中，热源出口温度影响最大，蒸发器窄点温差其次，冷凝器窄点温差影响最小。其中，蒸发器窄点温差对冷凝器中各种有/无效不可逆损失影响甚小，而冷凝器窄点温差对对蒸发器中各种有/无效不可逆损失及净功的影

8、响可忽略不计。关键词：有机朗肯循环，混合工质，净功，近临界状态，热源匹配II英文摘要ABSTRACTWiththelargeconsumptionoffossilfuels,environmentalpollutionandenergyshortageshavebecomeincreasinglyoutstanding.InChina,ithasalargenumberoflow-gradether