自复叠制冷技术研究进展

自复叠制冷技术在低温领域的应用十分广泛。本文首先介绍了自复叠制冷技术的原理,并与单级压缩、多级压缩及复叠制冷技术进行比较,指出了自复叠制冷技术具有结构简单、制冷温区宽的优势。从自复叠制冷系统的循环特性、混合工质的选择和配比优化、系统流程优化三方面,对当前自复叠制冷技术的研究进行分析总结。最后,展望该技术的发展前景,为拓宽该技术的应用提供参考。

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.

液化天然气冷能回收系统的设计与优化分析

液化天然气(LNG)在气化过程中释放的冷能通常未被有效利用。提出了制冷与发电相结合的LNG冷能回收系统,可以有效地回收LNG冷能。该系统的结构包括两级有机朗肯循环(ORC)、空调(AC)和直接膨胀循环(DEC)。利用HYSYS软件,对系统性能进行了模拟分析,采用遗传算法(GA)对系统中四元混合工质(甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷)配比、蒸发压力、冷凝压力和一级膨胀压力进行了优化,随后对优化方案进行了经济性评价。结果表明,两级ORC最佳的四元混合工质配比(质量分数)前级为28.9%、57.3%、5.5%和8.3%,后级为0.4%、20.3%、56.4%和22.9%。优化方案中,系统的净输出功率可达218.28 kW,LNG冷能利用率、热效率和㶲效率分别为54.69%、20.89%和41.18%。系统具有良好的经济可行性,经济收益可达160.30×10^(4) CNY,设备的总投资成本为1215.91×10^(4) CNY,平均能源成本为0.63 CNY/(kW·h),预计7.59 a内可收回投资成本。

超导直流能源管道的混合工质温区温度测量研究

为满足超导直流能源管道精准的测温需求,保证超导电力和液化天然气混合输运的目标,设计了一种低温工况平台,在混合工质温区(85~90 K)对光纤光栅传感器进行温度传感特性研究,通过PT100铂电阻对光纤光栅进行准确的温度标定,所测温度最大值偏差小于0.1 K。搭建了10 m超导能源管道样机,实测在不同通流情况下,PT100铂电阻测温波动较大,而光纤光栅测温不受影响。在突然升温过程中,PT100铂电阻测温平均响应时间为2.43 s,光纤光栅传感器测温响应时间为0.47 s。

汽轮机湿气损失抑制方法研究

低参数汽轮机在余热回收中有着广泛的应用,为降低汽轮机中的湿气损失,提高运行效率,本文提出了一种添加不凝气体(以氢气为例)的湿气损失抑制方法,并提出了湿气损失定量评估修正模型,同时通过建立hydrogen-steam混合工质凝结流动模型,分析不同氢气组分比对凝结流动特性的影响规律,探明不凝气体对湿气损失的抑制机理。结果表明:不凝气体会改变透平做功过程中凝结激波的形态,使流体域压力和温度发生激变,影响成核及液滴生长过程。当混合工质气中氢质量分数组分比为50%时,流体域内成核区长度减小13.34%,湿气损失降低48.02%,湿气损失系数降低43.4%。这表明氢气可以通过控制非平衡凝结过程有效降低汽轮机湿气损失。

基于新型工质热泵的烟气余热回收优化温度研究

天然气锅炉排烟温度较高,烟气中含有较多的水蒸气潜热,具有显著的热量回收价值,目前常采用新型工质电动热泵回收天然气烟气余热加热热网回水,助力“双碳”目标的实现。为提升电动热泵的循环性能系数,研究不同工况下新型工质电动热泵适配混合工质的性能,对机组运行中R134a+R245fa,R152a+R245fa,R227ea+R245fa,R134a+R142b,R152a+R142b,R227ea+R142b共6种混合工质的循环性能进行计算分析。针对锅炉房实际运行参数,对比冷凝器热水进出口温度为50/65℃,蒸发器冷水进出口温度为40/35℃及40/30℃工况下各混合工质的热力学性能,得出在该工况下R134a+R245fa(摩尔分数比为0.41∶0.59)为较佳工质。采用所筛选工质对烟气余热回收排烟温度进行优化,分析了不同排烟温度的经济性,对比余热回收收益及电动热泵运行成本,揭示了烟气余热回收最优化温度变化规律,指导余热回收系统设计与应用。

CO_(2)-SF_(6)混合工质布雷顿循环特性初步分析

超临界二氧化碳(S-CO_(2))布雷顿循环是近年来备受学界与工业界关注的高效能量转换系统,具有系统简单紧凑、噪声小、效率高等优点。然而,目前的S-CO_(2)布雷顿循环研究通常考虑的是环境温度为20℃的应用场景,循环最低温度通常为32℃,而未对深海、极地等低温冷源场景做适应性的分析优化。CO_(2)-SF_(6)混合工质有着较纯CO_(2)工质更低的临界参数,有望在低温冷源场景下进一步降低压缩功、提升透平压比,进而提高循环效率。本文选取PR方程与范德瓦尔斯混合规则,使用Nishiumi相互作用系数模型计算了相互作用系数,以及CO_(2)-SF_(6)混合物的热物性,计算值与实验结果吻合良好。基于混合工质物性计算模型,对最高压力12 MPa、循环最低温度15~55℃、最低压力略高于临界压力的简单回热循环进行了分析。结果表明,用CO_(2)-SF_(6)混合工质代替纯CO_(2)工质可有效提升透平压比,进而提升循环效率,同时降低临界温度及最优压缩机入口温度。并且使用CO_(2)-SF_(6)混合工质可有效改善压缩机入口温度低于拟临界温度时循环效率下降的问题,提高循环在低温冷源下的稳定性。初步分析结果显示,使用CO_(2)-SF_(6)混合工质替代纯CO_(2)工质可有效提升循环在低温冷源环境下的表现,这也表明混合工质方案是拓展S-CO_(2)布雷顿循环适用温度范围的有效解决方案之一。

混合工质对喷射式冷电联供循环性能的影响

通过耦合动力循环和喷射式制冷循环,喷射式冷电联供循环可以在中低温热能的驱动下同时进行制冷和发电,在可再生能源利用、余热回收等领域有重要的应用价值。不同于单一功能的动力循环,冷电联供循环需要同时保证热源和循环之间、载冷流体和循环之间形成良好的温度匹配。在动力循环中,有机闪蒸循环被认为能够很好地实现变温热源和循环之间的温度匹配。在制冷循环中,非共沸工质能够尽可能地实现循环和载冷流体之间的温度匹配。因此,在基于有机闪蒸循环的喷射式冷电联供循环中使用非共沸工质,可以同时实现热源和循环之间、载冷流体和循环之间较好的温度匹配。通过建立数学模型,研究了R600a/R601a混合工质对该冷电联供循环性能的影响。结果表明,当R600a的质量组分为0.3时,循环的㶲效率达到最大值37.38%,比采用R600a纯工质提高了4.20%,比采用R601a纯工质提高了6.30%。

CO_(2)及其混合工质双级回热朗肯循环

利用热力学仿真的方法建立双级回热朗肯循环系统模型,研究CO_(2)及其与R134a、R143a和R1234ze 3种有机工质组成的混合物在循环系统下的热效率和效率。结果表明:当循环系统采用CO_(2)与R143a按3∶7摩尔比混合产生的混合物做循环工质时,系统热效率和效率达到最高。相较CO_(2)工质循环,热效率提高了2.21%,效率提高了5.17%;当循环系统采用混合工质时,热效率随着泵入口温度的减小而升高,随着膨胀机入口温度的增大而升高。当高温、低温循环系统的泵入口温度为23℃、高温循环系统膨胀机入口温度为303℃时,热效率最高;系统的效率随着分流比的增大而升高,当分流比为0.64时,效率达到最大为56.24%。

基于混合工质组分调节的热力循环构建研究进展

构建先进热力循环是提高能源转换效率的有效途径,基于非共沸混合工质的组分调节,有望通过协同提高多个热力过程的性能,实现高效热力循环的构建。循环构建方法是提出先进热力循环的基础,而组分调节技术是先进循环应用的保障,该文从以上两方面对相关研究进行综述。在循环构建方法中,热力循环三维构建方法提供通过组分调节实现各过程性能提升的思路,超结构构建方法与智能构建方法则可提供解决复杂循环设计与优化问题的途径。未来研究中可将多种构建方法结合,以获得更加有效可行的循环构建方法。在组分调节技术中,T形管与分液冷凝器更易于应用到实际循环中,但是依靠重力和惯性力的被动调节模式也限制了其组分调节范围,精馏塔与水合物可实现工质组分的主动调控,其组分调节能耗与循环能效提升需要在后续研究中进行综合权衡。

组分迁移对非共沸工质循环传热窄点影响研究

为了研究组分迁移对非共沸混合工质循环及传热窄点影响规律,该研究通过建立高温电动热泵的理论模型,以某化工领域余热回收工况为计算条件,根据循环工质筛选的要求,筛选出4种性能较为优良的纯工质,根据工质的循环性能特性将它们两两组合成混合工质,并对这5种混合工质进行理论分析,从中筛选出两组循环性能较优的工质组合,分别是R134a+R245fa(0.4/0.6)和R152a+R245fa(0.4/0.6)。此外,该研究对筛选出的两组工质进行传热窄点与组分迁移的相关计算,得出考虑组分迁移情况下换热器内的温焓非线性分布的规律,并与未考虑组分迁移的情况作对比,为蒸发器与冷凝器的设计与运行提供理论依据。结果表明,在焓值为321.35 kJ/kg和334.76 kJ/kg处出现传热窄点,且组分迁移会影响传热窄点及最大传热温差的大小和位置。

混合工质的状态参数和热物性的预测研究

混合工质是提升热力循环发电效能的重要途径。预测混合工质状态参数和热物性是研发设计高效热力循环发电系统的前提。文章以彭-罗宾逊方程为基础,结合余函数法、逸度平衡、范德华混合法则,给出了混合工质状态参数估算方法;基于Chung方程建立非共沸混合有机工质热物性预测通用模型。在此基础上,采用MATLAB软件编写了混合工质状态参数和热物性预测程序。基于本文模型的预测数据,与NIST REFPROP软件数据进行对比验证。经过检验,文章所给混合工质状态参数和热物性模型,具有较高的预测精度,能适用于R600/R601/R134a/R125/R32等多种常见非极性或弱极性工质及其混合物的状态参数和热物性计算。

基于MOSSA算法的混合工质双压ORC系统多目标优化

以R141b/R245fa混合工质为研究对象,利用Matlab软件建立混合工质双压有机朗肯循环(ORC)系统数学模型,分析混合工质组分、高压蒸发温度、低压蒸发温度对系统热力、经济、环境性能的影响。采用多目标麻雀搜索(MOSSA)算法对系统热力、经济、环境性能进行多目标优化,并对3种性能的函数关系进行拟合。结果表明:系统热效率与R141b质量分数呈负相关,随高压蒸发温度呈先增大后减小趋势,存在最佳高压蒸发温度使系统热效率达到最大,与低压循环蒸发温度呈正相关;混合工质双压ORC热经济环境三目标优化的Pareto最优解(η_(orc),LEC,ECE)为(0.1343,0.7019元/kWh,11.605 kgCO_(2)eq/kWh),综合性能最优时的运行参数为R245fa质量分数为0.1,高压循环蒸发温度为387.65 K,低压循环蒸发温度为357.83 K,窄点温差为5.02 K,提高系统热力性能和环境性能必然会降低其经济性能。

混合工质中低温热力循环特性研究

本文从热力学第二定律角度出发，对氨水混合工质中低温动力循环进行了分析。通过与简单蒸汽循环的比较，揭示了混合工质热力循环的特性及本质，指出工质蒸发换热过程的匹配及冷凝过程是混合工质循环高效的关键。为了改善冷凝过程，可采用分馏冷凝系统取代传统的冷凝方式。同时，本文还探讨了一些基本规律。

基于多目标函数的亚临界有机朗肯循环的参数优化和性能分析

以系统净输出功率Wnet、热源流体进出口降ΔEg、系统总不可逆损失I和系统总投资成本C2013构建多目标优化模型,采用线性加权评价函数法对该模型进行求解,以R600a、R245fa、R601a、Pentane 4种纯工质以及R600a/R601a、R245fa/R601a、R245fa/Pentane和R600a/R245fa 4种非共沸混合工质为例,对亚临界有机朗肯循环(ORC)的蒸发温度Te和冷凝温度Tc进行优化。研究结果表明:采用单目标有时得不到最优值,而采用多目标均能得到最优值,且多目标优化可以较好地协调各性能指标间的关系,使所要求的各项指标均能达到较优,因此多目标优化比单目标优化更加合理;存在最优蒸发温度Te,opt和最优冷凝温度Tc,opt使多目标函数F(X)最小,同时,Te,opt、Tc,opt随工质不同而不同;在Te,opt或Tc,opt下,对比纯工质和混合工质的不同单目标函数值和F(X)值时,混合工质并不总是优于纯工质。

利用LNG冷能的混合工质中低温热力循环开拓研究

为提高中低温余热回收动力系统性能,本文在常规混合工质热力循环（火用）分析基础上,提出了结合LNG冷能利用的新型混合工质热力循环。通过与LNG的有机结合,混合工质热力循环热效率提高14.5个百分点,（火用）效率达到53.6％。为进一步揭示效率提高的原因,我们比较了常规混合工质热力循环与LNG-混合工质热力循环的（火用）损失变化情况。结果表明:LNG-混合工质热力循环高效的关键在于循环平均放热温度的降低以及工质蒸发过程与冷凝过程换热的合理匹配。而LNG冷能的梯级利用则是系统具有较高（火用）效率的根本原因。

新型中低温混合工质联合循环

为了更加有效地回收利用中低温余热,该文提出了一个由动力循环和吸收式制冷循环有机结合而成的新型混合工质联合循环。吸收式制冷循环能够利用蒸汽透平排气的低品位余热制冷,并将冷能用于动力系统的冷凝过程,从而降低蒸汽透平的排气压力和循环的平均放热温度,提高了系统的热效率。与常规混合工质动力循环相比,新循环的透平排气压力由0.44 MPa降为0.17 MPa,循环平均放热温度由79.2℃降低为39.9℃,系统热效率由10.3％提高到13.4％,系统(火用)效率由40.8％提高到53.3％。该新型循环开拓了有效利用中低温余热利用的新途径。

双级热泵系统的理论分析与实验研究

在理论分析的基础上设计和建立了双级热泵实验台 ,进行了双效热泵系统的实验研究 ,并对实验结果进行了分析。实验结果表明 ,双级热泵系统的实际效能良好 。

混合工质配比对自动复叠制冷循环影响的试验研究

搭建了自动复叠制冷循环的试验装置,在该系统中低沸点组分选用R23,高沸点组分选用R134a。通过改变系统中混合工质的配比,在其它条件不变的情况下进行了优化试验,试验结果表明混合工质中各组分百分含量对制冷系统的蒸发压力、冷凝压力、冷柜的最低中心温度等有较大的影响,其中R23的百分含量在40%左右时,该制冷系统性能达到最佳。

甲醇、丙酮及其二元混合工质脉动热管的启动特性

以甲醇、丙酮以及二者体积比1∶1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质,对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究,结果表明:在低加热功率下时,甲醇/丙酮混合工质的启动时间比丙酮长,比甲醇短,适当增加启动功率可以明显缩短脉动热管的启动时间,但是对丙酮及混合工质的启动温升影响不大;在60W高加热功率下时,3种工质的启动方式均为温度突变型,其中混合工质的启动时间最短,并且增加启动功率可以明显地提高混合工质脉动热管的启动温升;充液率对脉动热管的启动方式影响较为明显,丙酮和混合工质的启动温升均随着充液率的增加而逐渐减少,在中低充液率(≤50%)下,二者属于温度突变型启动,而在80%高充液率下,其启动方式变为温度平稳过渡型启动。