余热余压空气梯级利用的双涡流管有机朗肯循环综合性能分析与优化

为充分利用工业生产中的余热余压空气能量,同时降低ORC系统冷凝热损失,该文提出一种双涡流管ORC系统(ORC coupled with double vortex tubes,DVT-ORC)。利用热源涡流管将放热后的余热余压空气分离成冷、热空气,冷空气用于工质冷却,热空气作为二级蒸发器的热源且换热后其余压用于驱动气动增压泵;利用工质涡流管将透平乏气分离成冷、热气流,热气流经气动增压泵升压再循环,冷气流进入空气冷却器冷却。以150℃、0.6 MPa的空气为初始热源,R245fa为工质,建立热力与经济的多目标优化模型,分析双涡流管冷流比和透平排气压力对系统综合性能的影响;采用遗传算法进行优化,确定系统最优工况。结果表明:当热源涡流管冷流比大于0.3时,DVT-ORC输出功大于基本ORC输出功,工质涡流管与空气冷却器的㶲损失之和较基本ORC系统冷凝器的㶲损失最大可减小1240.32 kW,单位电力生产成本较低,DVT-ORC系统热力性与经济性提升。系统最佳运行工况在透平排气压力为0.3007 MPa、工质涡流管冷流比为0.8738、热源涡流管冷流比为0.8942时,对应的净输出功为173.94 kW、热效率为13.57%、单位电力生产成本为0.415元/(kW·h)。

基于过程解耦和工质物性的有机朗肯循环性能分析

通过对有机朗肯循环工作过程的拆分解耦,利用工质物性中的临界温度、偏心因子结合循环参数推导其热力学性能表征式,进而建立循环的热力学模型,并借助该模型分析循环参数对循环热力学性能评价指标的影响规律。研究结果显示:当蒸发温度升高时,循环热效率会增大,但其净输出功和效率先增大,然后再降低;当冷凝温度升高时,循环的热效率、净输出功和效率都会下降;当过热度升高时,循环的净输出功和效率随过之降低,而循环的热效率随之增大。基于工质物性引入雅各布数,循环的净输出功和热效率随雅各布数的增大分别呈现出增大和减小的趋势,而临界温度越高热效率随之升高。

叠合式有机朗肯循环的热力学分析

针对有机朗肯循环(ORC)中传热过程对循环性能的影响,该文提出一种既相似但又区别于混合工质,各工质独立运行的叠合式有机朗肯循环(AORC)。AORC中,各工质进行串/并联的叠合换热,可形成类似于非共沸混合工质的温度滑移。由于各工质独立运行,使得叠合工质的温度滑移量可进行调节,以减小与外界热/冷源的传热温差,提高传热匹配性以及循环性能。以两种工质叠合的AORC为例进行循环性能分析,并与常规ORC进行对比。结果表明,AORC并不是各工质基本ORC的简单线性叠加,而是一种优化叠加。相比常规ORC,AORC的净输出功率最大可提升34.48%。但当热源温度高于高温工质的热源转折温度时,AORC趋近于高温工质的基本ORC。

串联双级蒸发有机朗肯循环系统的多目标优化及工质优选

为了探究串联双级蒸发有机朗肯循环系统在特定工况下的最佳混合工质,选取了3组不同特性的混合工质,即R21/R113、R1234ze/R141b和R227ea/R245fa,引入热力学性能指标、经济指标和环境指标,利用非支配排序遗传算法进行多目标优化.通过求解Pareto边界,采用3种决策方法对每组工质流体进行最优解的选择,根据偏移量选取最优决策方法.结果表明:在热源温度为150℃、冷源温度为15℃的工况下,混合工质R1234ze/R141b最优解的[火用]效率相对较高,平准化度电成本(levelized cost of energy, LCOE)和当量二氧化碳排放量(equivalent carbon emission, ECE)相对也较低,热源温度也适配,为该工况下较为合适的混合工质.

危废焚烧锅炉饱和蒸汽驱动有机朗肯循环系统热力学分析

危险废弃物焚烧处理过程中产生的热量通常用于生产饱和蒸汽以供应工业园区的蒸汽、热量等需求,也可以用于低温发电。分析了饱和蒸汽驱动有机朗肯循环(ORC)系统做功时的热力学特性。通过基本工况下蒸汽潜热型热源与ORC系统的热匹配特性分析,提出3种优化措施,并研究了单一优化和组合优化措施下以及不同工况下的系统热力学性能。结果表明,组合优化可使系统获得更优的性能,相对于基本工况,优化后的工况下最大净输出功为3 193.81 kW,提高了170.46%;热效率为23.34%,提高了30.25%;总[火用]效率为66.25%,提高了41.80%。

内燃机余热回收低压有机朗肯循环系统性能优化及试验

利用工质比热容与余热源之间的匹配关系,提出了缸套水与烟气余热分别由五氟丙烷(R245fa)工质两相区与过热区匹配吸收的单回路低蒸发压力有机朗肯循环(SLL-ORC),并与复杂度相当的预回热CO_(2)跨临界动力循环(PR-CTPC)进行对比.结果表明:在回收余热温度低、缸套水余热量大的内燃机余热时,SLL-ORC性能较好,其理论最大输出功率为16.13 kW,对应蒸发压力为910 kPa、过热度为80℃,且余热回收系统具有较高的热效率.基于此SLL-ORC构型搭建试验台架,试验验证了缸套水在R245fa工质两相区回收的可行性,在试验测试余热源和透平转速均未达到设计值时系统发电机产生的电能为9.41 kW,有效提升柴油机热效率绝对值可达2.98%.

气液喷射升压有机朗肯循环特性

针对小型有机朗肯循环工质泵效率低、耗功大等问题,将气液喷射器取代工质泵作为升压设备,基于喷射器一维模型,构建了气液喷射升压有机朗肯循环(IORC)的热力模型。以140?℃的中低温热源为驱动力,R245fa为工质,研究了喷射器引射系数、喷射器面积比以及冷凝器出口过冷度3个参数对IORC性能的影响,并将IORC与基本有机朗肯循环(BORC)的热力性能进行对比。结果表明,存在一个最佳引射系数和过冷度,使IORC的净输出功达到最大值。引射系数和面积比的增加均会使喷射器升压比降低,而过冷度的增加会使升压比增加。3个参数的增加均会使喷射器?效率和换热器经济性降低。IORC的换热器经济性比BORC更好,当工质泵效率低于52%时,IORC净输出功更具优势。

基于LNG冷能的卡琳娜-三级有机朗肯循环性能分析

针对工业生产过程中因烟气排量大且温度较高、烟气出口温度过低而易造成工业管道腐蚀等问题,提出了一种卡琳娜循环与三级有机朗肯联合的动力循环(KC-TORC)模型。以工业烟气为热源、液化天然气(LNG)为冷源,利用热力学仿真的方法构建循环系统,改变烟气出口温度,分析了卡琳娜循环蒸发温度、LNG泵后压力和三级有机朗肯循环(ORC)透平入口温度对热力学性能的影响。结果表明,当烟气出口温度为30℃、卡琳娜循环蒸发温度为112℃时,最大(火用)效率为62.89%;当烟气出口温度为120℃、三级ORC透平入口温度为160℃时,最大热效率为32.09%,净输出功可达2.04 MW,年度净资产值可达5.773×10^(6)美元;KC-TORC在热力学及经济方面具有优势,对环境保护具有重要的意义。

回收船舶柴油机余热的双回路有机朗肯循环系统性能分析

为了降低船舶二氧化碳排放,利用双回路有机朗肯循环(DORC)系统对船舶柴油机的排烟和缸套冷却水余热进行回收发电。通过夹点温差法构建热力学模型,高温回路用于回收排烟热量,低温回路用于回收缸套冷却水热量和高温回路冷凝热。分析9对工质组合时DORC系统的冷凝器热力学参数对系统性能的影响,结果表明:随着高温回路的冷凝温度和冷凝热负荷的增高,低温回路蒸发压力和净输出功呈现升高趋势,在高温回路冷凝热负荷为715.2 kW~1 241.2 kW时,系统总净输出功呈现先升高后降低的趋势。当高温回路采用环乙烷,低温回路采用一氯三氟丙烯(反式)为工质时,系统总净输出功可达到410.6 kW。

地热能有机朗肯循环系统设计与动态仿真

针对地热能利用,根据地热井口条件通过热力学计算和设备选型设计了对应的ORC机组,并对该机组动态特性进行了仿真;研究了热源温度和流量、冷却水温度以及工质流量4种参数变化对ORC机组关键运行参数和性能的影响规律。结果表明:机组输出性能对冷却水温度变化最为敏感,冷热源温度增大10℃,轴功分别减小16%和增大7%;热源温度和流量增大都会使过热度、蒸发压力和轴功显著升高,热效率略有下降,但其对机组冷端传热的影响有限,对热端传热的影响很小,过热度和蒸发压力几乎不变;相比冷热源参数的变化,工质流量变化时机组关键参数的波动最小,机组能很快恢复稳定。

基于太阳能和双有机朗肯循环的液态空气储能系统特性研究

为了解决传统太阳能蓄热式液态空气储能系统(LAES-S)余热利用不完全的问题,进一步提高系统的往返效率,文章在LAES-S系统基础上,构建了一个耦合太阳能蓄热和双有机朗肯循环的液态空气储能系统(LAES-S-O),并建立了耦合系统的热力学模型,分析了关键参数对系统性能的影响。结果表明:典型工况下,子系统ORC1和ORC2的净输出功分别为1296 kW和6695.83 kW;新系统的往返效率可达117.63%,火用效率为38.97%,能量效率为28.88%,与参考系统相比,分别提升了12.58%,2.35%,1.21%。此外,该系统还为用户提供了温度为364.15 K的生活热水,实现了热电联产功效。对关键参数的敏感性分析显示,当液化压力(末级压缩机出口压力)从15 MPa升高到18 MPa,液化温度(节流阀入口空气温度)从93.15 K上升到113.15 K时,空气液化率、往返效率、火用效率随液化压力的增大而降低,液化压力和温度的提高不利于系统性能的提升;但当排气压力从5.3 MPa升高至7.7 MPa时,往返效率、火用效率均随之升高。研究结果可为液态空气耦合太阳能系统提供一定的理论支持。

热重力驱动的无泵有机朗肯循环系统的实验研究

为了研究分散式能源的高效利用方法,本文对热重力驱动的无泵有机朗肯循环(ORC)机组进行了实验研究。采用仿真与实验相结合的方法,研究了多级泵液过程的工作原理及其工作表现,搭建了一个两腔体带预热的实验机组,分析了不同工况下的系统表现。结果表明:泵液过程对膨胀机入口的压力影响不大,同时可以有效提升泵液的压力,实现增压流动过程,系统的平均发电功率为194.5 W,瞬时热效率在2.2%~3.8%之间波动,平均热效率和㶲效率为3.0%和11.8%。针对大型发电系统,考虑到大的罐体可以保证泵液过程的流速,同时双罐体并联可以实现连续的供液输出,采用单级泵液模式,双泵液腔体连续泵液,建立了大型的发电系统,发电功率在热源、冷源温度分别为98.3℃和21.5℃时,均值达到8.8 kW,平均热效率与㶲效率达到3.98%和20.95%。

有机朗肯循环系统工质应用研究进展及HFOs理论性能分析

含氟工质是有机朗肯循环(ORC)系统中不可缺少的工作流体,目前主要为氢氟烷烃类化合物,但其会引起全球变暖问题,因此亟需开发性能相似的环保型工质。本文介绍了ORC系统工质使用现状,并综述了ORC系统工质研究进展。此外,对HFO-1234ze(E)、HCFO-1224yd、HFO-1336mzz(E)、HFO-1336mzz(Z)和HCFO-1233zd(E)5种工质开展ORC系统理论性能研究,结果显示:与HFC-245fa相比,HFO-1234ze(Z)和HCFO-1233zd(E)具有更优异的系统性能。

高炉冲渣水有机朗肯循环波纹板式冷凝器传热特性

针对90℃左右的高炉冲渣水有机朗肯循环(ORC)发电系统,建立了R245fa在波纹板式冷凝器中的冷凝传热数值模型,并验证了模型的正确性。借助冷凝传热数值模型,探讨了蒸汽过热度、壁面过冷度、蒸汽干度对传热系数、压降和综合传热性能的影响,拟合了适用于以R245fa为工质的ORC发电系统中波纹板式冷凝器的传热关联式。针对冷凝器冷凝液相体积分数沿板长方向的变化情况,探讨了冷凝器中间排液的可能性,并就液相体积分数给出了合适的中间排液范围。

基于有机朗肯循环的铝电解槽侧壁余热发电实验研究

本文提出了一种基于有机朗肯循环的铝电解槽侧壁余热发电系统并开展了工业试验。试验结果表明:随着导热油流量的增加,出口油温下降、系统换热量增加。导热油流量543 L/h时,换热量达到最大值22 kW;当导热油温度一定时,随着蒸发压力的增大,循环热效率、净功输出和效率均增大;系统的电功输出、效率随着过热度的增大略有减小;当热源温度为165℃、蒸发压力在1.3 MPa时,热效率和输出功率达到最大值,11.2%和2200 W。

考虑流动压降的有机朗肯循环热力性能分析

针对有机朗肯循环(ORC)系统建立流动压降与系统性能的数学模型,在不同的蒸发压力、过热度、夹点温差下以R134a、R245fa、R123、R600a、R236ea、R141b作为系统循环工质,分别计算变工况运行下的流动压降,探究ORC系统热效率变化系数在流动压降作用下的变化特性。结果显示,蒸发器压降是ORC系统流动压降的首要来源;影响ORC系统流动压降的决定性运行参数是蒸发压力,其次为夹点温差及过热度;蒸发压力低于0.8 MPa会导致系统热力性能的降幅增大;除R134a外,夹点温差与过热度对其余工质流动压降的影响较小,对应的系统性能变化系数均小于10%;系统采用R141b和R123的流动压降最小,此时流动压降对热效率的影响最低。

基于有机朗肯循环的卡诺电池热储能系统性能分析

为了进一步提高钢铁行业低温余热利用率,本文将烧结环冷机出口低温烟气余热引入由热泵(HP)循环、蓄热系统和有机朗肯循环(ORC)组成的热泵储电(PTES)系统,并构建PTES系统热力循环过程的计算模型,研究不同ORC循环工质条件下HP冷凝温度、ORC蒸发温度和ORC过热度对PTES系统热力性能的影响。研究结果表明,降低HP冷凝温度和提高ORC蒸发温度均可以提高PTES系统的制热系数(COPnew)和功率效率(ηptp)。当ORC工质为isobutane(异丁烷)时,HP冷凝温度每增加2℃,系统COPnew和ηptp分别平均减小0.16和0.88%,而ORC蒸发温度每增加2℃,系统COPnew、ORC热效率(ηORC)和ηptp分别平均增加0.034、0.26%和0.68%。与ORC蒸发器相比,HP冷凝器内循环工质与储热介质的温度匹配对PTES系统热力性能的影响更为明显,但HP冷凝温度对ηORC的变化没有影响。当HP冷凝温度和ORC蒸发温度不变时,采用较小的ORC过热度能够有效提高PTES系统的热力性能。综合考虑PTES系统的COPnew、ηORC和ηptp,采用R245fa作为ORC循环工质时系统性能最好,其次是isobutane和R236ea。在低温烧结烟气余热驱动的PTES系统中,应优先选择R245fa作为ORC系统的循环工质。

超临界CO_(2)-有机朗肯联合循环的多目标优化

采用复合型超临界二氧化碳-有机朗肯联合循环来回收燃气轮机的余热,建立了热力学以及[火用]经济性模型,探究了关键参数对联合循环系统性能的影响规律,从热力学性能、空间紧凑性、[火用]经济性能等方面对联合循环系统进行了研究,并对联合循环进行了多目标优化。结果表明:在最优状态下复合型超临界二氧化碳再压缩-有机朗肯联合循环的效率为54.56%,比燃-蒸联合循环提高了4.2%,其单位输出功率所需换热面积为0.1178m^(2)/kW,比燃-蒸联合循环降低了21.41%。

复混生物质有机朗肯循环系统的热力性能与成本分析

随着全球变暖的日益加剧,减少温室气体的排放越来越受到社会的广泛关注,其中畜牧业畜禽粪污染物是主要来源之一。为了更加清洁有效地处理畜禽粪,利用植物与畜禽粪进行混合的生物质燃料进行燃烧发电,在减少温室气体排放的同时,将其热值进行二次利用发电。在不同蒸发温度下分别设计了以环己烷为有机工质的有机朗肯循环锅炉蒸发面积,并结合热力性能与成本得到最优工作区间。同时,通过对4种复混生物质燃料进行计算,得到不同热值的燃料对粪便处理速度的影响。研究表明,系统的输出功率和效率随蒸发温度的升高而升高,并且最优的蒸发温度区间为250~260℃。在燃料选择方面,在锅炉额定热功率一定的情况下,选择果树残枝与动物粪便混合制成的复混生物质燃料的性价比更高。

基于有机工质朗肯循环系统的低温余热利用发电项目建设研究

在明确项目概况和建设背景的基础上,从有机工质朗肯循环发电技术、有机工质比选、系统组成与运行3个方面出发,重点分析了基于有机工质朗肯循环系统的低温余热利用发电项目的工艺技术方案,总结了自动控制系统、供排水系统、消防系统、土建工程等方面的设计要点。